真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究

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　　除湿溶液的高效再生是除湿空调系统运行的重要保障。为研究除湿溶液的再生效率，将真空技术应用于溶液的再生过程，搭建了真空条件下的除湿溶液再生试验台。真空再生罐由低温热水提供所需热量，蒸发的水蒸汽在捕水器中凝结。在一定真空度下，分析了溶质质量分数、热水温度、冷水温度等不同因素对再生性能的影响。以水分蒸发率作为评价指标。实验台操作压力为5kPa，溶质质量分数取值为28%～34%，热水温度区间为56～62℃，冷水温度区间为14～20℃。实验结果表明：溶质质量分数和热水温度对蒸发率的影响较为显著，热水由56℃增加到62℃，蒸发率提高了34.5%。利用混合模型和自定义函数对再生过程进行了数值模拟，模拟结果与实验结果基本吻合。
　　除湿空调系统将房间内的热湿负荷分开处理，不仅能保证室内空气品质，而且比传统空调系统可节约电能50%。液体除湿空调因其可滤除空气杂质、可利用低品位热源、除湿过程连续、具有蓄能潜力等优势而受到广泛关注，已在档案室、工业厂房等不同领域得到广泛应用。
　　除湿溶液的再生过程是系统的核心环节之一，目前溶液的再生方式主要有太阳能集热再生、废热余热回收再生、电加热再生等。Alosaimy等利用平板式太阳能热水器研究了液体除湿剂的再生性能，发现利用太阳能可使30%质量分数的CaCl2溶液再生到50%。Mehta等利用太阳能真空集热管作为再生器，研究表明在日照强度为509～752W/m2 时平均COP达到0.82，当再生温度为117℃时，太阳能集热效率达44.7%，水蒸发速率为5.14kg/h。Bassuoni采用叉流式填料塔研究了CaCl2溶液的除湿和再生系统，发现采用电加热方式年运行费用比传统蒸汽压缩方式节约31.2%。李永存等利用-12～-4℃的空气进行了冬季工况下的再生实验，分析了空气和溶液的入口参数对再生器性能的影响。真空技术在蒸馏提取、食品储藏等领域应用较多，如低压提取工艺、真空干燥、真空速冻等，但在真空条件下实现除湿溶液再生的研究文献却很少。
3 {' |3 U; w: h6 C# r5 w　　本文提出一种基于真空环境下的新型除湿溶液再生装置，通过模拟和实验结果对比，分析再生性能的影响因素。
　　1、数值模拟
　　除湿溶液的沸腾再生主要是水分蒸发相变的传热传质过程，利用CFD软件的混合模型对再生过程进行模拟。再生过程中溶液质量不断发生变化，需要编写用户自定义函数(User-Defined　Functions)指定相间的质量传递，并输入到软件中。液相的质量源为

5 [$ N" I) a6 C- y" z　　能量主要伴随着质量而传递，混合相的能量源为
" V: u$ D. B! A6 A
2 X2 ?* r! I4 ]' o! m! Z　　式(1)-式(3)中，αl为液相容积率；ρl为液相密度；Tl为液相温度；Tsat为液相饱和温度；ΔH 为液相的焓值变化。
　　假设侧壁面保持绝热，没有热量损失，蒸发的水蒸汽中不含液滴，不考虑不凝性气体的影响。根据实验台条件，模拟的操作压力设定为5kPa。底部加热采用控制壁面热流密度的方式，侧壁面热流密度为0，选择压力出口边界条件。
　　溶液的饱和温度受压力和溶质质量分数的影响，表1给出了在5kPa压力下不同溶液的饱和温度。
表1　溶质质量分数与饱和温度之间的关系
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　　再生器为圆筒形，直径为800mm，高为1000mm。再生溶液的溶质质量分数为28%～34%，模拟得到加热量为7～11kW 时的蒸发率如图1所示。
& j/ R5 x" Y$ o1 q6 f% m　　从图1可知，当溶质质量分数一定时，随着加热量的增加，水分蒸发率呈上升趋势；当加热量一定时，增加LiCl质量分数，蒸发速率逐渐减小。这是因为随着加热量增加，过热度增大强化了沸腾特性，从而使传质系数增大。而质量分数越大，其饱和温度Tsat也越高，减小了传热温差，使沸腾特性减弱。另外，溶液的粘度系数和表面张力等物性参数与溶质质量分数成正比，质量分数增加，分子间的作用力变大，气泡贯穿液相的阻力随之增大，从而影响了相间的传质系数，使水分蒸发速率减小。
+ I8 H  x* F* S- K, S. G/ r图1　水分蒸发率模拟结果
　　5、结束语
　　在一定真空条件下研究了除湿溶液的再生过程，利用正交实验方案分析了溶质质量分数、热水温度等因素对水分蒸发率的影响，得到如下结论：
　　(1)水分蒸发率受溶质质量分数和热水温度的影响较大。溶质质量分数由28%增大到34%，蒸发率减小16.2%；蒸发率与热水温度成正比，热水温度由56℃增加到62℃，蒸发率增加34.5%，而热水流量的影响相对较小。
& S& N4 U/ P' |　　(2)冷水流量与冷水温度的改变影响捕水器的效率，间接影响水分蒸发率。增大冷水流量能减小真空再生罐内的水蒸汽分压力，提高蒸发率；相反，冷水温度升高会减小捕水器释放的冷量，增大真空再生罐内的水蒸汽分压力，从而抑制传质过程的进行。
2 C) j' Y. `7 g9 v　　(3)溶液的沸腾再生是复杂的传热传质过程，溶液的饱和温度主要受压力影响，不同压力下的溶液再生性能需进一步研究。
　　真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究