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太陽能-溴化鋰溶液除濕-再生系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

王海峰， 張守兵， 董閃閃， 原惠惠， 李玉奪

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：建立一種新型的太陽能-溴化鋰溶液除濕-再生試驗(yàn)系統(tǒng)，并用正交試驗(yàn)法對影響除濕效果的入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口溶液溫度、入口液氣比、入口空氣相對濕度、入口空氣溫度、溶液再生溫度等諸多因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.結(jié)果表明：對單位除濕量的影響程度由大到小排序?yàn)椋喝肟诳諝庀鄬穸?、入口液氣比、入口溶液溫度、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口空氣溫度.當(dāng)系統(tǒng)入口液氣比為3.5時，系統(tǒng)的除濕效果較好.同時，利用閃蒸原理使系統(tǒng)溶液的再生溫度控制在60～70 ℃之間，為太陽能-溴化鋰溶液除濕器的設(shè)計、使用提供了依據(jù).

關(guān)鍵詞：太陽能；溶液除濕；溴化鋰；正交試驗(yàn)法

收稿日期:2015-03-17；

修訂日期：2015-05-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51176174)；鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(1210459076)

作者簡介：王海峰(1957—)，男，河南西華人，鄭州大學(xué)高級工程師，碩士，主要從事制冷、熱泵、節(jié)能技術(shù)的研究，

文章編號:1671-6833(2015)05-0049-04

中圖分類號：TU831.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.011

Abstract:Based on the solar energy-lithium bromide solution desiccant-regeneration test system, the influence of a range of factors at an inlet, such as solution mass fraction, solution temperature, liquid-gas ratio, relative humidity ratio of air and temperature, on export air moisture content were analyzed with the orthogonal experiment method in the experiment. The results show that the influence degree of them on the capacity of dehumidification from large to small is: relative moisture content air, liquid-gas ratio, liquid solution temperature, solution mass fraction, and the inlet air temperature. When liquid-gas ratio of the inlet was 3.5, the system had a better dehumidification effect. Meanwhile, based on the flash principle, the regeneration temperature of the solution system could be controlled within the range of 60 ℃ and 70 ℃. The results provide the basis for the engineering design and application of the solar energy-lithium bromide solution dehumidifier.

0引言

除濕是生產(chǎn)和生活中經(jīng)常遇到的問題[1].溶液除濕方法是采用吸濕性能強(qiáng)的鹽溶液作為除濕劑，如溴化鋰溶液、氯化鋰溶液、氯化鈣溶液等，鹽溶液與被處理空氣直接接觸，由于鹽溶液表面的水蒸氣分壓力與被處理空氣的水蒸氣分壓力間存在壓差，驅(qū)動水分在空氣和吸濕溶液間傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對空氣濕度的改變[2-3].

國內(nèi)外眾多學(xué)者對溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行了研究.Florida Solar Energy Center的Swami[4]在1998年提出利用屋頂作為太陽能吸收表面對溶液進(jìn)行再生的系統(tǒng).Nelson等[5]實(shí)驗(yàn)研究了LiCl溶液為除濕劑的除濕性能.Kabeel[6]搭建了一套由太陽能驅(qū)動的溶液除濕蒸發(fā)冷卻機(jī)組，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.張小松等[7]建立了蓄能型液體除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并對除濕與再生性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.沈鈺龍[8]實(shí)驗(yàn)測試了液體除濕空調(diào)中LiCl溶液為除濕劑的除濕與再生性能.鄒同華等[9]實(shí)驗(yàn)分析了LiCl溶液除濕系統(tǒng)的除濕性能，但并沒有研究溶液的再生溫度.楊金偉等[10]專門對LiBr的再生性能進(jìn)行了研究.國內(nèi)外學(xué)者對LiBr的除濕性能研究較少，由于在PH相同和濃度等效相等的情況下，溴化鋰的表面蒸氣壓、比熱容、腐蝕性等理化性質(zhì)優(yōu)于氯化鋰、氯化鈣等除濕劑[11]，鑒于此，筆者實(shí)驗(yàn)研究了以太陽能-溴化鋰溶液為基礎(chǔ)的除濕-再生系統(tǒng)及其影響除濕效果的因素，并對溴化鋰溶液的再生溫度進(jìn)行了分析，為工程設(shè)計與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

1溶液除濕-再生系統(tǒng)的建立

太陽能-溶液除濕-再生系統(tǒng)的原理如圖1所示(圖中箭頭表示溶液流向).主要由六部分組成：1.除濕器；2.太陽能加熱器；3.溶液再生器；4.回?zé)崞鳎?.風(fēng)冷器；6.溶液泵.還有風(fēng)機(jī)、噴頭、填料、流量計、調(diào)壓器等輔助設(shè)備.其中除濕溶液為溴化鋰溶液.T為溫度測點(diǎn)，Q為流量測點(diǎn)，RH為相對濕度測點(diǎn).

圖1系統(tǒng)原理圖

Fig.1The principle diagram of the system

2正交試驗(yàn)方案的建立

本實(shí)驗(yàn)用正交試驗(yàn)方法來完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計，并找到影響除濕性能的主要因素.影響太陽能-溶液除濕系統(tǒng)性能的因素有進(jìn)入除濕器的空氣流量、入口空氣溫度、入口空氣相對濕度、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口溶液溫度、溶液流量、溶液再生溫度等.

由于空氣流量和溶液流量相互影響，本實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定溶液流量，通過調(diào)節(jié)入口空氣流量，測得空氣和溶液的相關(guān)參數(shù)，最終以液氣比作為一個入口影響因素.液氣比定義為除濕器入口溶液與氣體的質(zhì)量流量之比.取入口液氣比(A)、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、入口溶液溫度(C)、入口空氣相對濕度(D)、入口空氣溫度(E)等5個因素，根據(jù)正交試驗(yàn)表選取L18(37)正交表[12]，正交設(shè)計見表1.最后研究了不同工況下溶液再生溫度的變化情況.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行相對穩(wěn)定時，開始記錄數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)記錄10組數(shù)據(jù)，每3 min記錄一組數(shù)據(jù)，查詢濕空氣焓濕圖并整理得表1.

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計表及結(jié)果分析

3.1極差法分析

把每個因素的各個水平分組相加，則相當(dāng)于把每個因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分成了3組，分別用K1，K2，K3表示，并求各自的算術(shù)平均值，最后計算各因素的極差.通過比較各因素極差的大小，可得影響因素的主次順序?yàn)镈>A>C>B>E.造成這種順序的原因與溶液、濕空氣自身的物性、溶液與濕空氣的傳熱傳質(zhì)以及外界環(huán)境有關(guān).入口空氣相對濕度和入口液氣比是影響除濕量的主要因素.因?yàn)槿肟诳諝庀鄬穸纫约耙簹獗戎苯佑绊憵庖簝上嗟膫髻|(zhì)和傳熱過程，實(shí)際運(yùn)行過程中，入口空氣相對濕度由外界環(huán)境決定的，無法控制，而液氣比是可以調(diào)節(jié)的，設(shè)計除濕系統(tǒng)時應(yīng)重點(diǎn)考慮；其次是入口溶液溫度和入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因?yàn)槿芤簻囟葘Ρ砻嫠魵夥謮毫Φ淖饔么笥谌芤嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用，故對除濕效果的影響更大；由于入口空氣溫度和出口空氣溫度的溫差變化并不是很大，因而對除濕劑溶液除濕效果的影響也較小.由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最優(yōu)組合[12]為A3，B3，C1，D3，E1，即：液氣比3.5，入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)42%，入口溶液溫度27 ℃，入口空氣相對濕度為80%，入口空氣溫度23 ℃.

3.2分析結(jié)果

各個因素對除濕效果的影響如圖2所示.由圖2(a)可知，隨著液氣比的增加，除濕量也逐漸增加，但當(dāng)液氣比為3.5時，除濕量增加幅度明顯放緩，且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，液氣比增加到一定程度，除濕量基本不發(fā)生變化.因?yàn)橐簹獗群苄r，待除濕空氣是過量的，濕空氣與溶液接觸時間短，除濕量較??；隨著液氣比的增加，溶液與空氣接觸時間增加，除濕量有所增加；但液氣比太大時，由空氣帶入的水蒸氣量減少，除濕量增加緩慢.故在除濕過程中可以通過調(diào)節(jié)入口空氣流量與溶液流量來改變系統(tǒng)除濕量，而且要想系統(tǒng)達(dá)到最佳除濕效果，必須要選擇合適的液氣比.

由圖2(b)可知，隨著入口溶液溫度增加，除濕量減小.由于溶液溫升，溶液表面蒸氣分壓力升高，導(dǎo)致濕空氣與溶液的水蒸氣分壓力差減少，除濕量減少，溶液溫度過高時，除濕量會減少到零甚至為負(fù)值.故在系統(tǒng)中增加了回?zé)崞骱惋L(fēng)冷器，一方面可回收利用能量，另一方面對溶液充分冷卻使溶液達(dá)到較低溫度.

由圖2(c)可知，隨著入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，除濕量增加.因?yàn)槿芤嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，濃度增加，溶液表面的水蒸氣分壓力減少，與空氣中水蒸氣分壓力的壓差增大，除濕量的增長越快.但溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能太大，否則溴化鋰就會結(jié)晶析出，影響整個系統(tǒng)正常運(yùn)行[13].

由圖2(d)可知，隨著入口空氣相對濕度增加，除濕量逐漸增加，幾乎成正比關(guān)系.入口空氣相對濕度大時，其水蒸氣分壓力大，濕空氣與溶液表面的水蒸氣分壓力差增加，除濕量增加，故對空氣含濕量大的地方除濕效果較好.

由圖2(e)可知，入口空氣溫度變化(最大為6 ℃)時，除濕量變化較小(最大為0.1 g/kg干空氣)，說明入口空氣溫度對除濕效果影響較小.但出口空氣溫度會受入口空氣溫度以及入口溶液溫度的影響，出口空氣溫度太高，說明除濕系統(tǒng)的整體性能不理想，會加重室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷.

圖2除濕量隨各個因素的變化

Fig.2Dehumidification capacity varies with each factor

3.3溶液再生溫度的分析

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，閃蒸初始壓力不同時，即使相同溶液在閃蒸的除濕階段，壓力較低溶液的蒸發(fā)速度明顯快于壓力較高者.因此蒸發(fā)壓力是決定蒸發(fā)速度的核心因素，壓力越低蒸發(fā)速度越快，但壓力也不能過低以防溶液結(jié)晶使得閃蒸過程終止.此外為了保證閃蒸過程能夠持續(xù)不間斷進(jìn)行，必須將閃蒸過程中產(chǎn)生的水蒸氣及時除去，從而在再生器中維持一個較低的水蒸氣分壓力.

實(shí)驗(yàn)過程中溶液的再生采用太陽能加熱器，把溶液加熱到適當(dāng)溫度后進(jìn)入再生器，并通過離心風(fēng)機(jī)的抽吸作用，使再生器內(nèi)的壓力較低，讓溶液中的水蒸氣發(fā)生閃蒸，在較低溫度下就能獲得較高的再生效率，這樣可以減輕風(fēng)冷器的負(fù)荷.

由表1可知，不同入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)所需要的再生溫度不同，且溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時所需的再生溫度較高.故提高再生溫度有利于溶液的再生.表中顯示再生溫度在60～70 ℃，實(shí)驗(yàn)過程中定時測量溶液的濃度，每個再生溫度下都能保持穩(wěn)定，說明此除濕系統(tǒng)能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)溶液的再生.

4結(jié)論

(1)建立了太陽能-溴化鋰溶液除濕-再生試驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)得到了各入口參數(shù)對單位除濕量的影響程度，由大到小為：入口空氣相對濕度>入口液氣比>入口溶液溫度>入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>入口空氣溫度.

(2)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過調(diào)整入口空氣流量與溶液流量可改變系統(tǒng)的除濕量，當(dāng)入口液氣比為3.5時，系統(tǒng)的除濕效果較好.

(3)利用閃蒸原理，降低再生器的內(nèi)部壓力，再生溫度為60 ～70 ℃可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求.

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Investigation on Solar Energy-Lithium Bromide Solution

Desiccant-Regeneration System

WANG Hai-feng， ZHANG Shou-bing， DONG Shan-shan， YUAN Hui-hui， LI Yu-duo

(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Key words: solar energy；liquid dehumidification；lithium bromide；orthogonal experiment method