蘇天龍

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

溶液除濕系統(tǒng)真空式再生器性能試驗(yàn)研究

蘇天龍

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

再生器是溶液除濕系統(tǒng)的重要傳熱傳質(zhì)部件。為改善除濕溶液的再生性能，將真空技術(shù)和熱管傳熱技術(shù)應(yīng)用于除濕溶液再生過(guò)程，搭建了新型的除濕溶液再生實(shí)驗(yàn)臺(tái)。從初始溶液濃度、熱源溫度和冷卻水溫度等不同方面對(duì)溶液再生性能的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱源溫度和冷卻水溫度對(duì)水分蒸發(fā)量的影響較為顯著，熱源溫度越高，冷卻水溫度越低，溶液閃蒸速度越快，且再生效率也越高；初始溶液濃度對(duì)溶液再生性能的影響也不可忽略，溶液濃度較低，會(huì)導(dǎo)致溶液的再生強(qiáng)度升高。

熱管；降膜蒸發(fā)；真空；再生量

Abstract：The regenerator is the important heat and mass transfer components in liquid desiccant system．In order to improve regeneration performance of desiccant solution,heat pipe and vacuum technologies are used in regeneration process of desiccant solution and developed a novel lab-built platform.The effects of solution regeneration performance conditions,including but not limited to initial solution concentration,heat source temperature,cooling water temperature are investigated.The experimental results show that heat source temperature and cooling water temperature have a major impact on evaporation capacity,as heat source temperature increased,the flash-evaporation rate is faster with lower cooling water temperature,resulting in higher regeneration rate；initial solution concentration is found to affect solution regenetionperformance,a lower initial concentration lead to a higher regeneration significantly.

Keywords：Heatpipe；Falling film evaporation；Vacuum；Regeneration capacity

1 引言

溶液除濕空調(diào)由于與環(huán)境友好，并可以有效利用低品位能源，已逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。它可以利用太陽(yáng)能、地?zé)岷凸I(yè)廢熱等低品位熱源作為再生熱源，耗電較少[1]。但除濕后的溶液如何高效的再生成為學(xué)者面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。尤其是，溶液除濕空調(diào)在遇到高溫高濕環(huán)境時(shí)，環(huán)境空氣水蒸氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其水蒸氣壓力，除濕能力非常強(qiáng)，但在再生過(guò)程中，稀溶液表面和環(huán)境水蒸氣壓差非常小，再生能力明顯下降，加劇能源消耗[2-4]。因此，開(kāi)發(fā)一種可以利用低品位能源的再生器已顯得尤為緊迫。

再生器作為溶液除濕再生裝置的核心部件之一，已成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。如Kessling等[5]試驗(yàn)研究了LiCl溶液除濕系統(tǒng)的性能，并提出再生蓄能的思想。劉曉華[6-7]等研究了以LiBr溶液為除濕劑的除濕和再生性能。Saunder[8]等討論了以冷凝器為熱源的溶液除濕空調(diào)方式。牛潤(rùn)萍[9]等將壓縮式制冷系統(tǒng)和溶液除濕系統(tǒng)相結(jié)合，利用溶液除濕，再利用冷凝熱再生溶液，建立了冷凝熱再生式溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)。高煜[10]等利用冷凝熱再生除濕溶液，并分析了不同風(fēng)速和溶液流速對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響。韓俊召[11]等對(duì)不同除濕溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了太陽(yáng)能平板降膜再生過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性。黃志甲[12]等進(jìn)行了LiBr溶液除濕系統(tǒng)再生器性能正交實(shí)驗(yàn)研究，從入口溶液濃度、入口溶液流量、入口溶液溫度等因素對(duì)再生性能的影響進(jìn)行了分析。

以上研究均是在常壓下進(jìn)行，通過(guò)采取多種措施，提升溶液的再生率。真空技術(shù)在蒸餾提取、食品冷藏等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在溶液除濕再生領(lǐng)域應(yīng)用卻很少。如鄧賽峰[13]等對(duì)真空再生罐的再生性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析了溶液濃度、熱水溫度、冷水溫度等不同因素對(duì)再生性能的影響。本課題組在前人的基礎(chǔ)上，將真空閃蒸、降膜蒸發(fā)、熱管傳熱和溶液再生技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)的新型溶液再生裝置，并利用該裝置對(duì)不同濃度的Nacl溶液進(jìn)行溶液再生實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后，將溶液壓入真空再生罐中，溶液會(huì)立即發(fā)生閃蒸，分離出一部分水蒸氣，剩余的溶液流到熱管時(shí)，會(huì)形成一層薄膜，熱管傳遞的高熱流密度熱量會(huì)對(duì)其薄膜進(jìn)行快速蒸發(fā)，以進(jìn)一步提高蒸發(fā)強(qiáng)度，增加單位體積的再生速率，即提高了再生效率。因此，實(shí)驗(yàn)得到影響因素與再生率的相互關(guān)系，為溶液再生技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of device

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和原理

試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示，主要由真空再生器、冷凝器、原液罐、濃液罐、加熱裝置組成，本文主要研究真空再生器的性能參數(shù)，即真空再生器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其上下兩端由不銹鋼盲板，輔以O(shè)型圈密封，中間由鋼化玻璃筒和兩根不同直徑的熱管組成。兩個(gè)熱管是由長(zhǎng)度為500mm、厚度為0.5mm、直徑分別為12.7mm和16mm的溝槽管組成，主要性能參數(shù)如表1所示，熱管表面溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)溫度采集采用美國(guó)OMEGA T型熱電偶，精度為±0.5℃。再生室壓力采集采用量程為0～20kPa，精度為0.1%的壓力傳感器。

表1 熱管性能

Table 1 Performance ofheat pipe

性能參數(shù)工作溫度/℃失效溫度/℃80℃工作壽命/year額定功率/W范圍0～2003407300

圖2 熱管測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Thermocouple distribution on the heat pipe

在試驗(yàn)過(guò)程中，原液罐中不同濃度氯化鈉稀溶液被壓入真空再生室，由于瞬間失壓發(fā)生閃蒸，增強(qiáng)再生強(qiáng)度。閃蒸后溶液溫度急劇下降，下降過(guò)程接觸到熱管外壁，形成一層均勻的薄膜，因其持續(xù)吸收熱管冷凝端熱量而降膜蒸發(fā)，這時(shí)熱管加熱端熱量由加熱槽提供。通過(guò)高效傳熱熱管，將熱量以高熱流密度傳遞給其表面薄膜，使其保持足夠的蒸發(fā)強(qiáng)度，加快水分蒸發(fā)速率，保證再生過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。

試驗(yàn)中考查的主要參數(shù)有：熱管直徑、入口流量、溶液濃度、熱源溫度和冷卻水溫度，分析它們對(duì)水分蒸發(fā)量的影響。其中溶液濃度范圍為3%～10%，熱源溫度范圍為40～80℃，冷卻水溫度范圍為10～20℃。試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

Table 2 Experimental operating conditions

工況熱管直徑/mm溶液濃度/%熱源溫度/℃冷卻水溫度/℃流量/ml·min-11127540～802022127540～8020531273～10602024127540～8010～202516540～80202

3 結(jié)果和分析

3.1 閃蒸室壓力變化特性

液滴閃蒸后熱量的再獲取，主要依靠和熱管冷端外表面的換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，而閃蒸后水蒸氣及時(shí)快速地凝結(jié)，則保證了閃蒸過(guò)程壓力的穩(wěn)定。因此，閃蒸壓力是影響水蒸氣快速凝結(jié)的重要因素。在各實(shí)驗(yàn)工況條件下，閃蒸室壓力變化如圖3所示，從圖中可以看出，三種工況下，閃蒸室壓力變化規(guī)律基本相似，在每種工況下，壓力變化曲線呈線性增加，閃蒸壓力升高了0.4～0.7kPa。相同熱源溫度下，冷卻水溫度越高，閃蒸室壓力越大。

圖3 蒸發(fā)室壓力曲線Fig.3 Evaporator pressure curves with different cooling temperature

3.2 熱管表面溫度分布

圖4 不同熱源溫度下熱管表面溫度分布Fig.4 Heat pipe surface temperature distribution with different heat source temperature

圖5 流量與蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.5 Evaporation capacity curves with different flow

圖4反映了熱源溫度對(duì)熱管表面溫度分布的影響，對(duì)應(yīng)工況1，其中熱管表面測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，由圖4可以看出，1#測(cè)點(diǎn)由于離閃蒸后溫度驟降的液滴最近，故所測(cè)熱管溫度最低，實(shí)測(cè)值低于真實(shí)值。2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)位于冷端中部，受影響較小。5#測(cè)點(diǎn)位于蒸發(fā)室底部，所測(cè)熱管溫度受低溫濃溶液冷卻作用，低于真實(shí)值。6#測(cè)點(diǎn)位于加熱槽水面上方，所測(cè)熱管溫度受空氣冷卻作用，低于真實(shí)值。7#、8#測(cè)點(diǎn)浸沒(méi)于熱水中，雖然緊貼熱端壁面，但受熱水加熱作用，所測(cè)溫度偏高于真實(shí)值。因此熱管外表面溫度分布呈現(xiàn)兩端低中間高的趨勢(shì)。試驗(yàn)中取3#測(cè)點(diǎn)溫度作為冷端溫度，7#測(cè)點(diǎn)溫度作為熱端溫度來(lái)計(jì)算熱管兩端溫差，熱管兩端溫差范圍5.5～10.5℃。

3.3 流量對(duì)溶液再生的影響

圖5為入口流量與水分蒸發(fā)量的關(guān)系，對(duì)應(yīng)工況1、2，隨著熱源溫度的升高，水分蒸發(fā)量曲線呈上升趨勢(shì)，在2mL/min流量下，熱源溫度升高了40℃，水分蒸發(fā)量增加了21mL，最高達(dá)到44mL，說(shuō)明熱源溫度越高，水分蒸發(fā)量越大。而在同一熱源溫度下，流量越大，水分蒸發(fā)量越小，這是由于流量越大，溶液流過(guò)熱管壁面就越快，水分蒸發(fā)就越慢，導(dǎo)致水分蒸發(fā)量越小。但隨著熱源溫度的升高，不同流量間的水分蒸發(fā)量差值明顯增大，80℃達(dá)到最大。

圖6 初始溶液濃度與蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.6 Evaporation capacity curves with different mass fraction

3.4 初始濃度對(duì)溶液再生的影響

如圖6所示，對(duì)應(yīng)工況3，水分蒸發(fā)量與初始溶液濃度成反比，初始溶液濃度越大，水分蒸發(fā)量越小。初始溶液濃度由3%增加到10%，水分蒸發(fā)量由34mL減少到23mL。這是因?yàn)槌跏紳舛却蟮娜芤?，其飽和溫度也相?duì)較高，縮小了與熱管表面?zhèn)鳠釡夭畹木壒?。并且初始溶液濃度增大使表面的水蒸氣分壓力降低，減小了與空氣間的水蒸氣分壓差。

3.5 熱源溫度和冷卻水溫度的綜合影響

溶液閃蒸和降膜蒸發(fā)后熱量的獲取，主要依靠加熱槽中的熱水來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在冷凝器中水蒸氣及時(shí)快速地凝結(jié)，則保證了溶液再生過(guò)程壓力的穩(wěn)定，因此熱源溫度和冷卻水溫度是影響除濕溶液中水分分離的關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，對(duì)應(yīng)于工況4。

圖7 蒸發(fā)量曲線Fig.7 Evaporation capacity curves with different cooling temperature

由圖7可以看出，在相同冷卻水溫度下，隨著熱源溫度的升高，水分蒸發(fā)量也逐漸增大，曲線趨勢(shì)幾乎呈線性增加，水分蒸發(fā)量增加了19～21mL，而在同一熱源溫度下，冷卻水溫度越大，水分蒸發(fā)量越小，這是因?yàn)榕c20℃的冷卻水相比，10℃冷卻水的閃蒸平衡壓力更小，從而閃蒸過(guò)熱度更大，增強(qiáng)了溶液和熱管之間的換熱。

3.6 熱管直徑對(duì)溶液再生的影響

如圖8所示，對(duì)應(yīng)工況1、5，分析了不同熱管直徑對(duì)溶液再生的影響。在同一熱管直徑下，熱源溫度越高，水分蒸發(fā)量越大，最大為48mL，而在相同熱源溫度下，熱管直徑越大，蒸發(fā)量越大，這是由于與12.7mm的熱管相比，16mm的熱管功率更大，達(dá)到400W，即溶液蒸發(fā)更快。

圖8 熱管直徑與蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.8 Evaporation capacity curves with different heat pipe diameter

4 結(jié)論

在一定的真空條件下研究了除濕溶液的再生過(guò)程，分析入口流量、初始溶液濃度、熱源溫度和冷卻水溫度對(duì)水分蒸發(fā)量的影響，得到如下結(jié)論：

(1)水分蒸發(fā)量受熱源溫度和冷卻水溫度的影響較大。熱源溫度越高，熱管獲得的熱量越多，薄膜蒸發(fā)越快，即水分蒸發(fā)量越多。冷卻水溫度降低，會(huì)降低閃蒸平衡壓力，從而增大溶液過(guò)熱度，加強(qiáng)換熱。

(2)入口流量和初始溶液濃度也是影響溶液再生的重要因素。增加入口流量，會(huì)減弱換熱，導(dǎo)致水分蒸發(fā)減慢，水分蒸發(fā)量減少。增大初始溶液濃度，會(huì)加強(qiáng)溶液表面分子間的張力，導(dǎo)致水分蒸發(fā)需要更多的熱量，致使水分蒸發(fā)量減少。

(3)不同熱管直徑也會(huì)影響溶液的再生。熱管直徑越大，即其功率越大，吸收的熱量越多，蒸發(fā)的溶液越快，水分蒸發(fā)量越多。

(4)溶液的閃蒸和降膜蒸發(fā)再生過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，溶液的飽和溫度也會(huì)受到壓力的影響，不同壓力下的再生性能需進(jìn)一步的研究。

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ExperimentalInvestigationonVacuumRegeneratorPerformanceofSolutionDesiccantSystem

SU Tianlong

( Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China )

2016-9-20

蘇天龍(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：空調(diào)系統(tǒng)溶液除濕再生方向研究。E-mail：1053402479@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-008-05

TU834文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.002