高濃度氯化鋰水溶液沸騰換熱特性實驗

徐惠斌， 胡自成， 宋新南， 顧 鋒

（江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引 言

溶液除濕空調利用除濕劑在高濃度時強烈的吸濕能力，直接吸收被處理空氣中的水蒸氣，達到除濕的目的。由于具有環境友好、鹽溶液在空氣中具有殺菌凈化作用，可以形成溫濕度獨立控制空調系統等一系列優勢，在濕負荷大的場所，具有很好的應用前景，已受到眾多專家學者的關注[1－3]。

除濕劑的再生過程是除濕空調工作的重要環節。加熱后填料塔噴淋，通入室外空氣帶走水分是目前除濕劑再生的主要方式，其優點是可以使用60～80℃的熱源，包括與熱泵組合使用[4]。然而這種溶液再生過程受室外空氣狀態影響較大，在室外空氣濕度較高的區域工作效率低，限制了除濕空調的使用范圍。沸騰式濃縮在工業生產中應用廣泛[5]，受室外環境影響小，有望作為液體除濕空調的重要再生手段，具有廣闊的應用前景。

除濕劑的沸騰特性研究對沸騰式再生器的設計有重要意義。LiCl水溶液屬于電解質溶液，作為除濕劑被廣泛應用于除濕空調[6]。目前，有關電解質溶液沸騰特性的研究是匱乏的，尤其是較高濃度的電解質溶液[7－9]。而實際工程應用中，為了獲得較好的除濕效率，需要降低溶液的表面水蒸氣分壓力，一般除濕劑工作濃度都較高。LiCl水溶液除濕適用濃度范圍一般為30%～40%。文中對常壓下LiCl濃溶液的沸騰傳熱特性展開實驗研究，為溶液沸騰換熱的機理認知和工程應用提供參考。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗系統主要包括沸騰容器、冷凝器和加熱裝置。沸騰容器用有機玻璃制成，上部開有小通氣孔維持池內氣壓與大氣壓相等。冷凝器對沸騰時產生的蒸氣進行冷凝回流，以保持沸騰池內溶液濃度穩定。加熱裝置由紫銅圓柱導熱件和電加熱器實現加熱，加熱表面為50mm×50mm×2mm的紫銅板。電加熱器纏繞在紫銅棒的底部，整個加熱裝置進行了嚴格保溫，實驗裝置如圖1所示。

溫度測量使用TC1008型多路溫度測量儀記錄，配合使用精度為0.1℃的K型熱電偶。總加熱量由電壓表和電流表測定后直接求得，加熱表面的有效加熱量由總加熱量并考慮到試驗裝置存在一定的散熱損失后修正獲得。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗方法

藥品選用一水氯化鋰，化學分析純。溶液濃度以溶液質量濃度ζ表征，定義如下：

式中：msalt—— 水合物去掉結合水后凈含鹽的質量；

mwater—— 配制溶液時加入的純水與結合水質量之和。

表面張力測量儀器選用JYW－200B型微控自動界面張力儀，精度0.1m·N／m。為避免沸騰滯后的影響，沸騰實驗采用降熱流密度方式進行。

1.3 數據處理

沸騰換熱系數h定義為：

式中：q—— 熱流密度；

TW—— 加熱壁面溫度；

Tsat—— 溶液飽和溫度。

按照式（3）進行誤差分析[10]：

可得實驗工況下沸騰換熱系數相對誤差均小于10%。

2 實驗結果及分析

在水中添加鹽，對沸騰換熱的影響主要可以從兩個方面分析：一是使工質的物性發生變化；二是使沸騰過程復雜化[9]。

2.1 溶液表面張力

表面張力被認為是影響沸騰的重要因素。表面張力的變化對氣泡核化、脫離能夠產生顯著影響。眾多學者在分析添加鹽對沸騰換熱的影響時，在物性方面，都重點立足于張力變化[7－8]。

不同質量分數LiCl水溶液在25℃下的表面張力測試結果如圖2所示。

圖2 不同濃度氯化鋰水溶液的表面張力

圖中數據為3次測試的平均值。

由實驗結果可知，LiCl溶液的表面張力高于純水的表面張力，并隨著濃度的增加而上升。LiCl溶液是強電解質溶液，在水溶液中以離子形式存在，離子吸引水分子，從而趨向于把水分子拖入溶液內部。令溶液增加單位表面積所做的功中，須額外附加克服靜電引力消耗的功。隨著溶液濃度的增加，溶液離子濃度增大，離子對于水分子的吸引力增大，表面張力也就隨之增大。

2.2 溶液沸騰溫度

沸騰溫度對除濕溶液的沸騰再生有重要意義，決定著實際工程應用中，可用熱源溫度的最低標準。LiCl溶液常壓下的沸騰溫度測試結果如圖3所示。

圖3 不同濃度氯化鋰水溶液的沸騰溫度

由實驗結果可知，LiCl溶液的沸騰溫度隨著濃度的增加而升高。這是因為由于溶液中存在不揮發的溶質LiCl鹽，阻礙了溶液中水的氣化，所以，LiCl溶液的沸騰溫度要高于純水在同一壓強下的沸騰溫度。在LiCl水溶液除濕工作濃度區間內（30%～40%），其沸騰溫度范圍為121～136℃。因此，沸騰式發生器對熱源溫度的要求并不高，許多工業廢熱源都能使其穩定運行。

2.3 溶液沸騰特性

氯化鋰水溶液常壓下的池內核態沸騰換熱實驗結果如圖4所示。

圖4 氯化鋰水溶液池內核態沸騰換熱系數

實驗濃度范圍內，溶液沸騰換熱系數均低于純水的沸騰換熱系數，處于純水的50%左右水平，而且溶液沸騰換熱系數還隨濃度的增加而降低。

這一現象按照沸騰理論，從張力的角度可理解為純水內加入氯化鋰鹽后，導致張力的增加，從而使得氣化核心減少，氣泡脫離半徑增大，脫離頻率降低，從而降低傳熱系數。另外，氯化鋰溶液具有較高的粘度，使得氣泡的生長、脫離阻力增大，也使得氯化鋰溶液沸騰換熱系數較純水低。

沸騰過程方面，鹽溶液沸騰換熱屬于多組分混合物沸騰換熱，其過程區別于單一組分液體的沸騰過程。簡單來說，在沸騰換熱過程中，沸騰表面溶液中的輕質組分（水）先沸騰，隨著沸騰的進行，輕質組分丟失量增大，壁面附近的難揮發組分（氯化鋰）所占的質量份額增加，溶液濃度提高，引起熱物性發生較大的變化，局部相變溫度升高，使得加熱面的有效過熱度降低，最終導致換熱效率降低。這也被稱為混合效應[8－9]。

事實上，還有其它一些因素影響著溶液沸騰換熱，如接觸角、密度等都與傳熱過程有關。

3 結 語

實驗研究了常壓下高濃度氯化鋰溶液的沸騰傳熱特性，得出以下結論：

1）實驗范圍內，氯化鋰溶液的沸騰溫度隨著濃度的增加而升高。氯化鋰溶液的沸騰換熱系數遠低于純水，并隨濃度的增加而降低。

2）沸騰換熱過程受工質諸多物性參數的共同影響，溶液沸騰換熱機理較單一組分液體沸騰更為復雜，有待進一步深入研究。

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