時亞茹，王民民 ，高文忠

(1.重慶能源職業(yè)學院 能源工程系，重慶 402260；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306)

前言

現(xiàn)代社會科技與信息飛速發(fā)展，人們生活質量也隨之提高，空調由于能夠改善人們的日常生活、保證工業(yè)生產已普及到社會的每個角落。然而，近年能源危機與環(huán)境惡化也越來越嚴重，如何使空調高效、節(jié)能并且低污染的運行成為了人們關注的焦點。

基于此背景，鹽溶液除濕空調成為新的研究對象，它主要是根據鹽溶液表面水蒸汽壓力較低，對濕空氣直接除濕干燥，再等焓加濕冷卻，來實現(xiàn)對空氣的溫、濕度調節(jié)，也可單獨進行濕度的控制，與壓縮式空調的溫度控制相結合一起完成空氣調節(jié)過程。溶液除濕后濃度變稀，可以利用100℃以下的低品位熱源，比如地熱、太陽能及工業(yè)余熱等為驅動進行再生，從而達到大幅度提高能源的綜合利用效率，有很大的探索價值[1-3]。

在溶液除濕空調系統(tǒng)中，除濕效果好壞的主要決定因素是除濕溶液的表面蒸汽壓力，以除濕溶液為循環(huán)工質的空調系統(tǒng)中，除濕溶液的性質直接關系到空調系統(tǒng)的運行情況，乃至空調系統(tǒng)的除濕效率?？照{系統(tǒng)廣為應用的除濕溶液主要有三甘醇、氯化鈣、氯化鋰以及溴化鋰等[4]鹵鹽溶液。早期應用于空調系統(tǒng)的除濕劑為三甘醇，然而它的缺點是粘度過大，在系統(tǒng)中運行會有滯留現(xiàn)象，導致系統(tǒng)的嚴重不穩(wěn)定，另外還易揮發(fā)，進到空調房間中對人體造成損害，其種種缺點限制了三甘醇在溶液除濕系統(tǒng)中的應用。

通過氯化鈣、氯化鋰、溴化鋰等多種除濕溶液對比[5-7]，得知在相同濃度狀況下，表面水蒸氣分壓力最低的除濕溶液是氯化鋰溶液，根據文獻[8]中相對蒸氣壓定義，可以相對精確地估出氯化鋰的溶液表面蒸氣壓和相同溫度下水的蒸氣壓比值，氯化鋰溶液的溫度越高，濃度越低，表面張力就越小。此外，氯化鋰溶液的密度、溶解熱、運動粘度等物理性質，對傳熱傳質的影響較小故暫不考慮。如果僅僅從除濕性能方面來考慮，最適合的除濕劑是氯化鋰溶液，但值得注意的是氯化鋰溶液也是存在腐蝕性的，且價格太昂貴[9-10]。其平衡含濕量在焓濕圖上的狀態(tài)如圖1所示，在允許工作溫度的范圍內，一般采用30%～45%的濃度較為適宜。同時可以考慮采用多元鹽[11]來進行相關的研究工作。

圖1 LiCl溶液在焓濕圖的狀態(tài)Fig.1 LiCl solution state in the psychrometric chart

目前在鹽溶液研究上，Lof等[12]在其實驗中，氯化鋰溶液的進口溫度為40℃，而空氣的進口溫度高達80～110℃；Sultan等[13]進行的實驗中，氯化鈣溶液溫度比空氣進口溫度低了20～70℃；Patnaik等[14]的實驗中溴化鋰溶液溫度幾乎低于空氣進口溫度20℃。這些實驗從改變傳熱方向，揭示熱質傳遞過程機理，獲得了一定的成就，但缺點是：空氣熱容量小于溶液，傳熱過程不能很快提升溶液表面水蒸汽壓力，傳質效率低。以下就氯化鋰溶液展開相關研究。

1 氯化鋰溶液液滴真空閃蒸再生實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置及系統(tǒng)

為探索氯化鋰溶液液滴真空閃蒸過程中的再生規(guī)律與機理，本文參考Isao Satoh等[15]研究水滴的實驗裝置以及H.F.Gibbard[16]研究設備，搭建了液滴真空閃蒸特性研究的實驗臺，主要包括有：真空泵、真空維持設備、液滴真空閃蒸設備、實驗數據采集儀器,構成的實驗系統(tǒng)見圖2.

液滴真空閃蒸設備作為該實驗過程中的核心設備，觀察室采用鑲有特殊玻璃的罐蓋，并采用螺紋及橡膠圈來進行密封(注：此特殊玻璃可透過紅外線)。閃蒸觀察室的主體部分采用316不銹鋼材料，主要設計尺寸為：180mm×110mm×180mm。真空維持設備則是由原溶液閃蒸設備改裝制成的大真空罐，也是實驗過程中的重要裝置，它采用金屬罐體結構。另外，實驗采集設備主要包括壓力傳感器、T型熱電偶，數據采集儀、高速照相機分別采集實驗過程中閃蒸室內壓力、液滴內部溫度等數據，從而有利于對液滴閃蒸性能進行詳細、準確分析。

其中，選取的壓力傳感器，其測量精度為±0.5%， 照相機采集的圖像像素為30萬，最高可放大倍數為50倍，最高采集速率為10張/s，數據采集儀選用Agilent34970A來進行采集數據。

圖2 氯化鋰液滴真空閃蒸實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of flashing of LiCl solution droplet in vacuum

1.2 實驗步驟

在已搭建的實驗臺上，首先打開液滴閃蒸觀察室的罐蓋，采用醫(yī)用注射器將已配置好的氯化鋰液滴注射在罐內的T型熱電偶絲上，此時，液滴自身會掛在熱電偶絲上，隨后用罐蓋及零件對閃蒸罐進行密封。檢查一切閥門都密閉好后，打開電源開啟真空泵，真空泵通過對大真空罐體抽真空，實現(xiàn)對液滴真空閃蒸罐體的抽真空，經過一定時間達到預設計壓力時，啟動計算機與數據采集裝置，采集此時刻下相對應的溫度和壓力數值，并進行實時保存。在閃蒸實驗進行前，為了閃蒸后的對比，我們測得閃蒸前的液滴自身圖見圖3。

圖3 液滴閃蒸前圖Fig.3 Before the droplet flashing

1.3 實驗工況

本文將要進行的實驗工況列入表1。

2 實驗結果與分析

2.1 環(huán)境壓力因素

為探究環(huán)境壓力對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，將初始溫度均為30℃，初始半徑均為1.0mm，初始濃度均為40%的氯化鋰液滴分別在環(huán)境壓力是3800Pa、4800Pa條件下，進行對比閃蒸實驗，結果見圖4(橫軸代表時間，縱軸代表液滴溫度)。

表1 實驗工況參數

Table 1 Experimental parameters

工況分組1/23/45/6 真空壓力p /kPa3.8/4.83.83.0初始溫度t /℃3025/3230初始半徑r /mm1.01.00.8/1.2初始濃度c /%40%40%40%

圖中分別顯示了不同壓力下液滴溫度變化狀況，明顯其總體趨勢是基本相似的，兩者液滴溫度都隨著壓力的突降而快速下降。這也符合理論描述的液滴所處環(huán)境壓力下降，整個液滴處于過熱狀態(tài)，這時閃蒸不僅發(fā)生在液滴表面，內部也同時發(fā)生閃蒸，且經歷快速沸騰和表面蒸發(fā)兩個階段。實驗發(fā)現(xiàn)真空壓力在3800Pa時的液滴閃蒸速度要快于4800Pa時的液滴，可得知真空壓力越低(當然在一定的范圍內)液滴閃蒸的速度相應越快。當然真空壓力也并非越低越好，這需要深入的實驗研究才能得到最佳壓力的范圍，從而得到理想的除濕鹽溶液來提高空調的高效性。

綜上所述，環(huán)境壓力因素確實是影響氯化鋰液滴閃蒸效率(即傳熱傳質)的主要因素之一，可以大大提高傳熱傳質效率。

圖4 環(huán)境壓力因素影響圖Fig.4 influence diagram of environmental pressure

2.2 初始溫度因素

為探究液滴初始溫度對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，本文展開實驗研究，在真空壓力均為3800Pa，液滴初始半徑均為1.0mm，初始濃度均為40%，液滴初始溫度分別為25℃、32℃條件下，進行氯化鋰溶液液滴閃蒸的兩組實驗，最終結果見圖5，同樣橫軸代表時間，縱軸代表液滴溫度。

圖中顯示了不同初始溫度時的液滴其溫度隨時間變化的過程走勢基本類似。液滴初始溫度越高，一定時間內(初始階段)液滴閃蒸后達到的最終溫度也略高，反之初始溫度低，其閃蒸后達到最終溫度也略低。此實驗現(xiàn)象說明氯化鋰溶液液滴在真空閃蒸初始階段吸收熱量的主要來源是液滴主體的顯熱熱量。另外，從傳質[17]角度來進行分析該過程，因為液滴表面張力與溫度關系的經驗公式是γ=γo(1-bT)，其中T為絕對溫度，γo視為絕對零度時的表面張力，是一與體系有關的經驗常數，b也是一個隨體系而變的常數，其值與液體的臨界溫度有關。

液滴初始溫度不同，其閃蒸初期階段液滴溫度變化也會有所差異，其具體的關聯(lián)式仍需要深入的實驗和對應的數值模擬來確定，故而液滴的初始溫度對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響是不能夠忽略的。

圖5 初始溫度因素影響圖Fig.5 influence diagram of the initial temperature

圖6 初始尺寸因素影響圖Fig.6 influence diagram of the initial size

2.3 初始尺寸因素

為探究液滴初始尺寸對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，本文進行了兩組實驗研究，即環(huán)境壓力均為3000Pa，液滴初始溫度均為30℃，初始濃度均為40%，液滴初始半徑分別為0.8mm、1.2mm狀況下實驗，其相應的閃蒸過程溫度變化曲線如圖5所示，同樣橫坐標代表時間，縱坐標代表液滴的溫度。

圖中顯示了不同初始半徑的液滴閃蒸時達到最低溫度所需的時間也不同：初始半徑為0.8mm的液滴其達到最低溫度時所需要的時間明顯小于初始半徑為1.2mm液滴達到最低溫度時的時間。反之，尺寸較大的液滴在閃蒸過程中達到最低溫度所需的時間就越長。上述分析與相關資料[18]中研究水滴閃蒸時，其主體達到最低溫度時所需的時間與尺寸成正比的結論是相吻合的，盡管工質有所不同。初始尺寸的研究仍需要進行不同工質、不同尺寸、多組份搭配來多方位實驗研究與分析，一些學者也進行了一些相關研究工作。

由實驗數據及理論分析得出，液滴的初始尺寸主要對液滴在真空閃蒸過程中達到最低溫度時所用的時間有較大的影響。

3 結論

本文通過搭建氯化鋰溶液液滴真空閃蒸試驗臺，并針對氯化鋰溶液液滴進行了相關因素的實驗以及對結果的詳細分析，得出如下結論：

(1)環(huán)境壓力是影響氯化鋰溶液液滴閃蒸速度的主要因素。環(huán)境壓力越低，氯化鋰溶液液滴閃蒸就相對較快；

(2)液滴初始溫度不同，閃蒸后液滴溫度變化也會有所差異。初始溫度對氯化鋰溶液液滴真空閃蒸的影響不能忽略。

(3)氯化鋰溶液液滴的初始尺寸對主體液滴到達最低溫度所需要的時間影響較大。

此外，在后續(xù)的研究中，也可以考慮探究氯化鋰溶液液滴初始濃度、氯化鋰溶液液滴表面張力等因素對其在真空中閃蒸效果的影響，以拓寬鹽溶液閃蒸再生在除濕空調領域的應用。

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