117溶液除湿(再生)装置性能研究综述全文

溶液除湿(再生)装置性能研究综述1 清华大学建筑技术科学系 常晓敏 刘晓华 江亿 摘要：本文综述了绝热型除湿/再生装置的研究情况， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了此类型装置存在的问题，并对 其改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了分析比较，得出了内冷（热）型除湿（再生）装置在机理上可以消除传热 传质过程中的不可逆因素，同时对内冷（热）装置的研究进行了综述。 关键词：除湿器 再生器 绝热型 内冷（热）型 1 引言 溶液除湿空调[1]以具有吸湿性能的溶液为工作介质，通过溶液与空气直接接触，从而实 现对空气的除湿（或加湿）的处理过程。溶液除湿空调可采用低温热源驱动，同时在溶液除 湿空调系统中没有湿表面的存在而且溶液又有过滤、杀菌作用，因此改善空气品质方面也具 有一定的优势。近几年来，溶液除湿空调系统得到了较快的发展，并在一些工程中得到了应 用[2]。除湿器和再生器是溶液除湿空调系统最重要的组成部件，其传热传质效果直接影响整 个系统的性能。除湿器是通过浓溶液的喷洒处理空气，使空气达到送风要求，除湿器的传热 传质性能决定处理空气时的浓溶液的利用情况。再生器是使溶液浓缩再生，以供除湿器继续 利用，再生器的传热传质性能决定再生溶液时能源的利用情况。 根据除湿（再生）过程中是否有热量加入或排出，除湿（再生）装置分为绝热型与内冷 （热）型装置。许多学者[3-7]对绝热型的装置进行了研究，而在内冷（热）型装置方面研究 相对较少。本文综述了绝热型除湿装置的研究情况，并分析了此类型装置存在的问题，并对 其改进方案：如内冷（热）装置、中间加入板式换热器调温的绝热喷淋模块、加入相变 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 等方法进行了分析，同时对内冷（热）装置的研究情况进行了综述。 2 绝热型除湿、再生装置存在的问题 2.1 类型与性能 在绝热型除湿器和再生器中，大多采用填料形式，它具有结构简单和比表面积大等优点。 研究多以逆流型除湿或再生装置为主，如：Chung等[3]对于以氯化锂（LiCl）为除湿溶液的 逆流式除湿器进行了实验研究，并总结出传质关联式；Fumo等[4]利用数学模型对以氯化锂 为除湿溶液的逆流除湿器进行了分析研究，并用实验的结果验证了数学模型。Zurigat等[5]对 采用三甘醇为除湿溶液的逆流式除湿器进行了实验研究，总结出了空气与溶液进口参数对除 湿性能的影响。殷勇高等[6]建立了溶液除湿蒸发冷却空调系统的实验台，以氯化锂溶液为除 湿剂，对填料塔式再生器的再生性能进行研究。 由于叉流装置的风道布置等较为容易、易与其他空气处理装置连接使用，也有一些研究 叉流装置性能的文章。刘晓华等[7]建立了一个测试叉流绝热型除湿、再生模块性能的实验台。 实验以溴化锂（LiBr）溶液为除湿剂，用除湿量、除湿效率和体积传质系数描述除湿器的性 能。实验测试了溶液和被处理空气的进口参数对除湿器性能的影响，得到179组实验数据能 量平衡的偏差基本在±20%以内，符合能量平衡关系。实验结果分析得出除湿器的除湿效率 在40~70%，体积传质系数在4~8 kg/m3s。 2.2 绝热型除湿、再生装置存在的问题 在绝热型的除湿、再生装置中，空气与溶液进行传热传质的同时会存在相变潜热的释放 或吸收过程，使空气和溶液的温度同时发生变化，而这一变化恰恰抑制和降低了传质推动力， 从而在一定的程度上影响除湿（再生）器的性能[1]。 在绝热型除湿器中，除湿溶液吸收空气中的水蒸气后，绝大部分水蒸气的凝结潜热进入 溶液，使得溶液的温度显著升高。与此同时，溶液表面蒸汽压也随之升高，导致溶液的吸湿 1 本项目为高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20050003051） 能力下降，如图1所示。如果此时将溶液重新浓缩再生，由于溶液浓度变化太小会使得再生 器的工作效率很低。以溴化锂溶液为例，当1kg 溴化锂溶液吸收5g 水蒸气时，温度大约升 高5~6ºC，而此时浓度变化约为0.3%。而在再生器中，溶液中的液态水变为气态，进入空气， 此时又要吸收大量相变潜热，使溶液温度降低，导致溶液的表面蒸汽压下降，蒸发浓缩的能 力下降。 绝热型除湿器在除湿过程中传 质驱动力不断降低的趋势在刘晓华 等进行的叉流绝热型除湿器的实验 数据[7]得到体现。从表1可以看出， 除湿前后溶液的浓度变化很小（不超 过0.3%），但是温度升高了4~6ºC， 导致溶液的出口等效含湿量较进口 增加了2~4g/kg，从而显著降低了溶 液的除湿能力。在绝热型除湿器中， 溶液除湿能力的降低，并不是由于溶 液的浓度发生很大的变化，而是由于伴随着除湿过程释放的热量导致溶液的温度显著升高。 可见，溶液温度的升高是导致其除湿能力降低的最重要的原因。 图 1 绝热型除湿器处理过程变化图 表1 叉流溶液除湿过程性能数据 空气进口参数 溶液进口参数 空气出口参数 溶液出口参数 流量 kg/s 温度 /oC 含湿 量 /(g/kg) 流量 kg/s 温度 /oC 浓度 /% 等效含 湿量 /(g/kg) 温度 /oC 含湿量 /(g/kg) 温度 /oC 浓度 /% 等效含 湿量 /(g/kg) 0.412 29.7 16.1 0.306 21.5 43.4 7.5 29.0 12.3 27.7 43.3 11.2 0.451 28.5 12.1 0.341 21.4 47.4 5.4 27.2 8.9 27.0 47.1 7.9 0.413 29.8 15.6 0.402 21.9 43.5 7.7 27.0 11.3 27.4 43.3 10.9 0.411 26.4 12.9 0.469 24.2 50.1 5.0 27.7 9.1 28.6 49.8 6.8 3 解决该问题的方法 在绝热型除湿、再生装置中，伴随着水分的质量传递，空气和溶液都产生了很大范围的 温度变化，这反映出其本身热湿传递过程的不匹配性。改善吸湿式空气处理方式的关键就是 要保证传热、传质的驱动力均匀，并且通过另一冷（热）源吸收或补充空气与吸湿介质间传 质产生的相变潜热，以减少这一过程的不可逆损失。 方法 1：直接在热质交换过程中，将除 湿过程释放的热量带走（或者直接补充再生 过程中的热量）。内冷型除湿器指在空气和 液体除湿剂之间进行除湿的同时，被外加的 冷源（如：冷却水或冷却空气等）所冷却， 以带走除湿过程中所产生的潜热。使除湿过 程近似于等温过程。图 2是典型的水冷型内 冷型除湿器装置。内热型再生器也可以由同 样的模块组成，通过类似的过程实现接近等 温的再生过程。目前内冷（热）型除湿（再 生）装置制作工艺复杂，难以解决渗漏问题， 除湿溶液与空气的接触面积较小，不利于传热传质。 图 2 内冷型除湿器 方法 2：在绝热除湿（再生）过程中，外界加上冷却/加热装置[1]，如图 3所示。采用带 有中间换热器的溶液空气热质交换单元。由溶液泵作为动力使溶液循环喷洒在填料上与空气 进行热质交换，同时溶液的循环回路中还串联一个中间换热器，吸收湿交换过程中产生的热 量或冷量。如果单元内溶液的循环量足够大，空气通过这样一个单元的湿度变化量又较小时， 其不可逆损失可大大减少。多个装置可以串接起来，从而实现接近等温的逆流传质。 方法 3：在溶液中加入相变材料，就是为了增加溶液的比热容，这样在吸收/释放相同热 量的情况下，溶液的温升/温降比较小。专利[8]提出了用相变材料溶于除湿溶液中，来改变 绝热型除湿器的方法。该专利选择相变温度为 15~35℃的相变材料，通过常规乳化方式将相 变材料溶于溴化锂溶液中。例如，选用十六烷颗 粒作为相变材料时，当温度达到 18.5℃，十六烷 发生相变，在保持溶液温度不变的情况下，可吸 收 2.37 kJ的潜热，也就是可以吸收 9.5g的水而温 度不变。此后当溶液温度每升高一度时，仅能吸 收 2 kJ的热量，这样可以在不改变绝热型除湿器 的结构下，实现小流量下对空气的恒温除湿。 4 内冷型除湿器的研究综述 Khan等通过模拟方法对图 2 所示的内冷型除 湿器的性能进行了研究[9]。在模拟中采用了氯化锂 溶液作为除湿剂，溶液从除湿器顶部喷淋而下，空气从侧面与溶液呈叉流进入除湿器，冷却 水与空气逆流。文中选取了图 4所示的内冷型除湿器中一微元作为控制体，并建立了二维稳 定场模型。模拟分析得出：内冷型溶液除湿器的性能是冷却水与空气的流量比、冷却水进口 温度、空气和水侧的传递单元数和溶液浓度的函数。文献中还指出内冷型除湿器的性能几乎 同溶液与空气的流量比没有关系，这就意味着在内冷型除湿器中只需要能够完全润湿冷却水 管表面的溶液流量即可。 图 3 外加加热/冷却装置的除湿（再生）单元 在内热型再生器方面，Khan等也做出了重要的研究[10]。内热型再生器的形式和研究的 模型都和文献[9]类似，只是把冷却水换成了热水。模拟分析得出：内热型再生器的性能是 溶液的质量流量、热水的质量流量和温度、空气和热水侧的传热特性、溶液浓度、冷热溶液 的混合参数的函数。在部分负荷的运行条件下，可以利用太阳能来再生，但是在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 负荷下， 需要太阳能和辅助的加热器来满足再生的要求。 图 4 内冷型除湿器的控制体 图 5 制冷剂冷却型除湿器 Khan等又通过模拟方法研究了制冷剂冷却型除湿器的性能[11]，工作原理如图 5 所示。 这种除湿器的主体结构是蒸发器盘管，在盘管顶部设有溶液喷淋装置，在盘管底部有溶液槽。 通过模拟分析得到：制冷剂冷却型除湿器的性能和制冷剂和空气侧的传递单元数（NTU）、 制冷剂的蒸发温度、空气和制冷剂的流量有关。同时得出除湿溶液的质量流量和除湿器的性 能没有太大的关系。Khan等人还对一种如图 6 所示的结合除湿器和冷却器的内冷型除湿系 统建立了数学模型并进行了数值模拟计算[12]。通过模拟分析得出，该系统的热质传递性能 强烈依赖于吸收器的物理尺寸、溶液侧和水侧的传递单元数以及冷却和处理空气的流量。 孙健等设计了一种新式的内冷型除湿器[13]，利用 空气对除湿过程进行冷却。该除湿器由 19个除湿单元 组成，图 7 是除湿器中一个除湿单元的结构示意图。 冷空气在各平行板通道外部流动，通道内部除湿溶液 和要处理的空气逆流流动。平板内部表面覆盖一层纤 维网，以保证除湿溶液能均匀地分布在平板表面上和 降低其流动速度，使其能和空气进行充分的接触，让 传质过程进行得更完全。在每一通道上部安装一个玻 璃管布液器，下部安装聚液罐，收集稀释后的稀溶液。 冷却空气在除湿器的侧面，由风扇吹入外部通道对除 湿过程进行冷却。该实验采用氯化钙溶液作为除湿剂， 对空气与溶液的流 量及溶液的浓度对除湿量的影响 进行了研究，得出增加除湿溶液的浓度、除湿溶液的流量和被 处理空气的流量都可以增大除湿量。 5 结论 本文综述了绝热型除湿/再生装置的研究情况，对此类装 置存在的问题和改进方案进行了分析，并对内冷(热)装置进行 了研究综述得出：在绝热型除湿/再生装置，溶液温度的升高/ 降低是导致其除湿(再生)能力降低的最重要的原因。内冷(热) 型除湿(再生)装置在机理上可以消除传热传质过程中的不可逆 因素，但目前存在制作工艺和传热传质面积优化方面的问题。 参考文 图 7 风冷型除湿器单元 献 震. 除湿法空调及系统, 暖通空调新技术, 2002 (4): 5-9 业出版社, 2006 sorber with an inverse [4] em: air dehumidification and [5] umidification by triethylene glycol desiccant in a [6] rator of liquid desiccant cooling air [7] 110-114 iccant absorbers. [10] fer performance of internally heated liquid desiccant [11] [12] of a hybrid [13] : 30-32 ，100084 [1] 江亿, 李 [2] 刘晓华, 江亿等著. 温湿度独立控制空调系统. 北京: 中国建筑工 [3] TW Chung, H Wu. Mass transfer correlation for dehumidification of air in a packed ab U-shaped tunnel. Separation Science and Technology, 2000, 35(10): 1502-1514 N Fumo, DY Goswami. Study of an aqueous lithium chloride desiccant syst desiccant regeneration. Solar Energy 2002, 72(4): 351-361 YH Zurigat, MK Abu-Arabi, SA Abdul-Wahab. Air deh packed column. Energy Conversion and Management, 2004, 45: 141-155 YG Yin, XS Zhang. Study on performance of dehumidifier and regene condition system. International Conference on Indoor Air and Climate 2005, 1274-1278. 刘晓华, 张岩, 张伟荣,等. 溶液除湿过程热质交换规律分析. 暖通空调, 2005, 35(1): [8] 陈晓阳, 李震, 张寅平,等. 一种适用于空气调节的除湿溶液. 中国专利: 03146202.2 [9] AY Khan. Cooling and dehumidification performance analysis of internally -cooled liquid des Applied Thermal Engineering, 1998, 18 (5): 265-281 AY Khan, LAD Laboy. Analysis of heat and mass trans regenerators. Proc. of the 30th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1995, Vol.2, 375-380 AY Khan, FL Sulsona. Modelling and parametric analysis if heat and mass transfer performance of refrigerant cooling liquid desiccant absorbs. International Journal of Energy Research, 1998, 22(9): 831-832 AY Khan, JL Martinez. Modelling and parametric analysis of heat and mass transfer performance liquid desiccant absorber. Energy Conversion and Management, 1998, 39(10): 1095-1112 孙健, 赵云, 施明恒. 太阳能液体除湿空调性能的实验研究. 能源研究与利用,2002(5) 作者简介：常晓敏，男，出生年月：1985年10月，本科生 通讯地址：清华大学建筑技术科学系 联系电话：010-62773772，传真：010-62770544 E-mail：changxm02@mails.tsinghua.edu.cn