116常用除湿溶液的性质分析1全文.doc

常用除湿溶液的性质分析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）清华大学建筑技术科学系 易晓勤 刘晓华 江亿摘要 在溶液除湿空调系统中，通过溶液与空气间的传热传质实现了对空气的除湿或加湿的处理过程溶液的性质会直接影响除湿空调系统性能的优劣本文以常用除湿溶液为例，将溶液状态表示在焓湿图上，并在此基础上讨论了影响溶液传热传质的主要参数—表面蒸汽压和比热容，并总结了文献中强化传热传质性能的方法：在溶液中添加金属纳米粒子、表面活性介质和相变材料等等关键词 除湿溶液 表面蒸汽压 比热容 传热传质 强化作用1. 引言在溶液除湿空调系统中，湿空气的除湿过程是依赖于除湿溶液较低的表面蒸汽压来进行的，可以说对溶液除湿空调系统的研究最早是从除湿溶液的物性研究开始的在溶液除湿剂为循环工质的除湿空调系统中，除湿剂的特性对于系统性能有着重要的影响，直接关系到系统的除湿效率和运行情况所期望的除湿剂特性有：相同的温度、浓度下，除湿剂表面蒸汽压较低；除湿剂对于空气中的水分有较大的溶解度，这样可提高吸收率并减小溶液除湿剂的用量；除湿剂在对空气中水分有较强吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分基本不吸收或吸收甚微，否则不能有效实现分离；低粘度，以降低泵的输送功耗，减小传热阻力；高沸点，高冷凝热和稀释热，低凝固点；除湿剂性质稳定，低挥发性、低腐蚀性，无毒性；价格低廉，容易获得。

在空气调节工程中，除湿剂分为有机溶液与无机溶液两种，有机溶液为三甘醇、二甘醇等，无机溶液为溴化锂、氯化锂、氯化钙溶液等三甘醇是最早用于溶液除湿系统的除湿剂（Lof，1955），但由于它是有机溶剂，粘度较大，在系统中循环流动时容易发生停滞，粘附于空调系统的表面，影响系统的稳定工作，而且二甘醇、三甘醇等有机物质易挥发，容易进入空调房间，对人体造成危害，上述缺点限制了它们在溶液除湿系统中的应用，已经被金属卤盐溶液所取代溴化锂、氯化锂等盐溶液虽然具有一定的腐蚀性，但塑料等防腐材料的使用，可以防止盐溶液对管道等设备的腐蚀，而且成本较低，另外盐溶液不会挥发到空气中影响、污染室内空气，相反还具有杀菌净化功能，有益于提高室内空气品质，所以盐溶液成为优选的溶液除湿剂除了密度、粘度、腐蚀性、价格等性能，Ertas研究了混合溶液的性能，将廉价但性能较差的CaCl2溶液与价格昂贵但性能较好的LiCl溶液混合，结果是混合溶液的黏度降低、溶解度增大，按1:1混合可获得最佳性价比[1]本文从促进传热传质的目的出发，讨论了常用除湿盐溶液影响传热传质的两个重要参数：表面蒸汽压和比热容，并总结了几种改善除湿溶液传热传质性能的方法。

2. 常用盐溶液除湿剂的种类与性能盐溶液与空气中的水蒸气分压力差是二者进行水分传递的驱动势，当溶液的表面蒸汽压低于空气的水蒸气分压力时，空气被除湿，吸收水蒸气的溶液浓度降低需要浓缩再生才能重新使用加热后的溶液当其表面蒸汽压高于空气中的水蒸气分压力时，溶液中的水分进入空气中，溶液被浓缩再生，空气被加湿利用溶液与空气之间的热量与质量的传递过程，可以实现对空气的除湿与加湿处理过程溶液的表面蒸汽压随着溶液温度与浓度而变化，参见下式：(1)当被处理空气与除湿溶液接触达到平衡时，二者的温度与水蒸气分压力分别对应相等，由此可以定义与溶液状态平衡的等效湿空气状态，即湿空气的温度与水蒸气分压力分别与溶液相同湿空气的含湿量d与湿空气中水蒸气分压力存在一一对应的关系，如式（2）所示，与湿空气等效的溶液状态的含湿量可以写为式（3）的形式其中B为大气压，下标a和z分别表示空气与溶液2)(3)图1 溴化锂（LiBr）溶液在焓湿图上的状态与溶液等效的空气状态是指：与溶液的温度、表面蒸汽压（水蒸气分压力）分别相同的空气状态根据式（1）和（3）可以将溶液的状态在湿空气的焓湿图上表示出来，图1~图3 分别给出了不同温度与浓度的溴化锂（LiBr）、氯化锂（LiCl）和氯化钙（CaCl2）3种溶液在湿空气焓湿图上的对应状态[3，4]。

从图中可以看出：相同质量分数下，溶液的温度越低，其等效含湿量越低，表面蒸汽压也越低盐溶液的等质量浓度线与湿空气的等相对湿度线基本重合，例如60%相对湿度线，所对应的溴化锂、氯化锂、氯化钙溶液的质量浓度分别为40.3%、15.5%和31.8%，即溶液的状态可以与湿空气的状态一一对应 图2 氯化锂（LiCl）溶液在焓湿图上的状态 图3 氯化钙（CaCl2）溶液在焓湿图上的状态3. 不同溶液的性质差异此处着重讨论影响传热传质过程的主要物性参数：表面蒸汽压与比热容3.1 表面蒸汽压在焓湿图上，虽然各种溶液对应的浓度各不相同，但是对于某一湿空气状态均有溶液的状态与之对应各种除湿的溶液其差别在于，由于盐溶液结晶线的限制，在焓湿图左侧的有些区域溶液的状态是达不到的不同的溶液，其结晶线并不相同，因而可以覆盖的湿空气焓湿图上的区域并不相同从图1~图3的比较可以看出：氯化钙溶液的结晶线范围最窄，即氯化钙溶液可能处理到的空气区域最窄 溶液等浓度线的疏密各不相同，吸收相同的水量，其浓度变化不一致对应越密的曲线，其浓度变化所导致（假定为等温除湿过程）的表面蒸汽压变化并不相同3.2 比热容 溶液的比热容是影响溶液温度变化的重要因素，吸湿过程伴随水蒸气汽化潜热的释放，相变热绝大部分被溶液吸收。

溶液的温度升高严重影响除湿溶液的吸湿性能对于温度25ºC、等效含湿量为5 g/kg的状态，溴化锂溶液、氯化锂溶液和氯化钙溶液相对应的质量分数分别为50.7%、34.7%和44.6%，对应的比热容分别为2.1 kJ/(kg•ºC)、2.8 kJ/(kg•ºC)和2.4 kJ/(kg•ºC)[4]此时，1 kg的这三种溶液同时吸收5g水蒸气时，假定水蒸气的相变潜热全被溶液吸收，则三种溶液的温升分别约为6.0ºC、4.5ºC和5.2ºC，质量分数分别减小0.3%、0.2%和0.2%，相应的等效含湿量分别变为7.4 g/kg、7.0 g/kg和7.7 g/kg可以看出：溶液的比热容越大，由于吸收相同水分释放的相变潜热所导致的溶液温度升高幅度越小，溶液的表面蒸汽压（等效含湿量）越低，因而其具有的吸湿能力越强 为解决溶液温升的问题，目前常用的方法之一是使用带内冷型的除湿器，利用冷却介质（水、空气等）将除湿过程释放出的热量带走，使除湿溶液维持较强的吸湿能力，这样溶液除湿前后的浓度变化较大，利于除湿溶液的再生，提高整个系统效率但这种方法的缺点是制作工艺复杂另一种常用的方法是分级除湿，在各级之间增加冷却水，即每一级内为绝热除湿，除湿后温度较高的溶液在流入下一级之前被冷却水冷却，重新恢复吸湿的能力。

4. 通过在溶液中加入其他物质强化传热传质的性能4.1 加入金属纳米粒子在Ali等人的研究过程中，通过加入纳米级Cu粒子增强除湿过程的性能（CaCl2为除湿剂）所研究的除湿/再生装置，均为内冷型/内热型的热质交换装置，假定壁面为等壁温表1是三种不同情况的添加效果比较对于内冷型（内热型）的除湿（再生）装置，加入金属纳米粒子可以增进溶液与冷（热）壁面之间的传热作用，从而维持溶液较强的除湿（再生）能力，从原理上说可以增进除湿（再生）效果但从Ali的模拟分析中，对叉流的效果较明显，其余情况的增强作用并不明显强化传热传质的核心思想是：促进溶液与低温壁面（再生时为高温壁面）的传热作用，从而维持溶液的温度，使其保持较高的除湿（再生）能力相当于增加了溶液的热容量表1 Ali等研究结果汇总文献型式除湿/再生壁面温度 /ºC模拟结果[7]2004叉流除湿10加入金属纳米粒子，不仅可以增强传热（冷却）效果，还同时增强传质效果而且，随着纳米粒子的加入浓度的提高，传质效果的增强更加显著原因在于：通过壁面的低温传热作用，有效抑制溶液温升，保证溶液的吸湿性能[8]2003顺流除湿10加入金属纳米粒子，Nu增加，但Sh基本无影响。

作者将原因解释为：溶液液膜的厚度很小逆流除湿10加入金属纳米粒子，Nu和Sh均有增加，能够增强其冷却与传质效果，但增加的幅度并不大顺流再生60加入金属纳米粒子，对再生过程无影响，溶液的再生浓度基本不变化逆流再生60加入金属纳米粒子，对再生过程无影响，溶液的再生浓度基本不变化[9]2004顺流或逆流，板稍有倾斜除湿10加入金属纳米粒子，可以增强溶液的导热系数，但由于液膜的厚度很小，因而对于除湿降温、再生过程的影响很小4.2 加入表面活性介质 表面活性介质具有强化传热传质过程的作用由于除湿溶液与空气直接接触，因而挥发性等类表面活性介质不能使用Zheng等[10]在LiCl溶液中分别添加十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺，研究对于传质的增强作用研究结果表明：十二烷基硫酸钠强烈影响LiCl溶液的表面张力，从而强化了溶液和空气间的热质交换作用；而聚丙烯酰胺不影响LiCl溶液的表面张力，因而不影响热质交换性能 易晓勤等[11]实验研究了十二烷基硫酸钠对于LiBr除湿与再生过程的影响通过搭建实验台，进行了静池内溶液除湿与再生实验，对比分析了有无表面活性介质的实验结果最后得到结论：加入表面活性介质能够加快吸收（或排出）水分的能力。

a) 除湿过程(b) 再生过程图4 表面活性介质对除湿/再生过程的实验测试结果4.3 加入相变材料 陈晓阳等[12]提出了在除湿溶液中加入相变材料的方法在除湿溶液中加入相变材料，通过相变材料吸收吸湿过程中释放的热量从而维持溶液的温度基本不变，从而保证其具有较强的吸湿性能 以溴化锂溶液为基料，通过常规乳化的方式将相变材料溶于其中，相变材料的相变温度在15~35ºC由于相变材料具有在一定温度范围内物理状态改变的能力，在对其加热的过程中，当温度达到熔化温度时，相变材料就会从固态转变到液态在整个熔化的过程中，相变材料会吸收并储存大量的潜热，并且相变材料的温度还能保持不变即利用相变材料在相变过程中可以吸收大量热量并恒温的特性，使得除湿溶液在整个除湿过程中保持较强的吸湿能力，从而容易的实现对空气的恒温除湿 例如，采用十六烷颗粒作为相变材料、取100g的相变材料溶于1000g的溴化锂溶液中当除湿溶液和空气在除湿器中接触进行热质交换时，大量的水蒸气凝结热被十六烷颗粒吸收当温度达到十六烷的熔化温度（18.5ºC）时，十六烷发生相变，从固态颗粒转变为液态，在保持溶液温度基本不变的情况下，可以吸收23700 J的潜热。

由于水蒸气的汽化潜热是2500 J/g，也就意味着除湿溶液可以吸收9.5 g的水蒸气冷凝释放的热量而保持温度几乎不变5. 结论本文对除湿空调系统中的常用盐溶液除湿剂的性质进行了分析得到以下一些结论：1. 与溶液的温度、表面蒸汽压（水蒸气分压力）分别相同的空气状态即为与溶液等效的空气状态，因此可将溶液状态表示在湿空气焓湿图上，而且盐溶液的等质量浓度线与湿空气的等相对湿度线基本重合2. 常用除湿盐溶液在焓湿图上结晶线不相同，因而溶液能处理达到的空气状态区域有大小之分，处理区域大的溶液性能更好3. 溶液比热容越大，则除湿时吸收相变潜热导致的温升越小，表面蒸汽压越低，具有的吸湿能力越强4. 为减小相变潜热带来的温升，可以向溶液中添加金属纳米粒子、表面活性剂和相变材料等物质这些方法已经有部分实验的验证，在实际应用中还需要进一步的研究参考文献1. A.Ertas, E.E.Anderson and I.Kiris. Properties of a New Liquid Desiccant Soluti。