真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 作者:邓赛峰

  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。

  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

真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究

  能量主要伴随着质量而传递,混合相的能量源为

真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究

  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

真空条件下除湿溶液再生的模拟与实验研究

  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。

  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。

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。

  (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。

  (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。

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