壓縮空氣溶液除濕中不同除濕劑除濕性能比較

邵彬，殷勇高，張小松

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壓縮空氣溶液除濕中不同除濕劑除濕性能比較

邵彬，殷勇高，張小松

（東南大學能源與環境學院，能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

在壓縮空氣溶液除濕實驗平臺上，分別以LiBr和LiCl水溶液作為除濕劑，實驗研究了兩種溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中的除濕性能。以溶液表面水蒸氣分壓力作為比較基準，壓縮空氣出口含濕量和除濕量作為除濕性能的評價指標，對二者的除濕能力進行比較分析。同時基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質模型，結合實驗數據，研究了LiBr、LiCl溶液與壓縮空氣間的傳質系數大小以及變化規律。結果表明：在相同的處理工況下，采用LiCl溶液對壓縮空氣進行除濕能得到更低的空氣出口含濕量和更高的除濕量，LiCl溶液除濕過程的傳質系數也高于LiBr溶液，即在壓縮空氣溶液除濕系統中LiCl溶液具有更優的除濕能力和傳質性能。

壓縮空氣；溶液除濕；除濕量；除濕性能；傳質

引 言

壓縮空氣是第二大動力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，廣泛應用于各行業。壓縮空氣中水分含量超過一定量時會造成管路、閥件銹蝕，影響氣動控制系統的穩定性；特別是對噴漆、食品、制藥等行業，壓縮空氣含過高水分將直接降低產品質量。壓縮空氣干燥過程耗能巨大，而壓縮機運行時消耗的電能，大部分都轉化為熱量排放到空氣或者土壤中，造成能源的極大浪費。若能改善壓縮空氣干燥工藝或者提高干燥過程的能量利用效率，節能效益將非常可觀。

考慮液體除濕技術[1-5]的節能優勢，本課題組[6-7]提出一種新型的基于溶液除濕技術對壓縮空氣進行深度除濕干燥的方法。空氣與濃溶液分別由空壓機及增壓溶液泵加壓至高壓狀態進入除濕器內進行除濕，達到對壓縮空氣深度干燥的效果。此外，使用空氣壓縮過程中的余熱驅動除濕溶液再生[8-10]，從而降低除濕能耗，提高工業干燥過程中的能量利用效率。

溶液除濕常用的無機鹽溶液主要包括LiBr、LiCl 和CaCl2溶液等。在這3種鹽溶液中CaCl2溶液的吸濕性能最差，一般不單獨使用，而LiCl和LiBr溶液都具有較強的吸濕能力，是目前使用最多的兩種除濕劑。國內外的研究人員[11-15]對常壓下LiBr和 LiCl溶液除濕的除濕性能和熱質傳遞特性進行了深入的研究。Longo等[16]分別采用LiBr、LiCl以及KCOOH溶液作為除濕劑，以相同的結晶溫度點作為比較基礎，比較相同質量流量和溫度的除濕溶液的除濕性能，結果表明LiBr和LiCl的傳質性能相同。Liu等[17]以相同的溶液溫度和水蒸氣分壓力為基準，比較了LiCl和LiBr的除濕性能。以除濕量為評價指標，得出相同的溶液質量流量下LiCl溶液的傳質性能優于LiBr的結論。Koronaki等[18]以相同的溶液濃度為比較基準，實驗研究了相同工況下空氣和溶液進口參數對LiCl、LiBr 和CaCl23種溶液除濕量和除濕效率的影響。結果表明，LiCl溶液作為除濕劑能夠達到更高的除濕效率和系統效率。

目前不同液體除濕劑除濕性能的對比研究主要集中在常壓系統，LiBr和LiCl溶液在高壓除濕系統中的除濕性能及熱質傳遞規律是否和在常壓系統相同尚未有人研究。比較高壓除濕系統中LiBr和 LiCl溶液的除濕性能對壓縮空氣溶液干燥系統選擇合適的除濕劑以提高系統性能具有重要的指導意義。本文基于壓縮空氣溶液除濕實驗平臺，以相同溶液入口溫度、質量流量、相同溶液表面水蒸氣分壓力作為比較基準，實驗測試了LiBr和LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統的除濕性能。同時，基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質物理和數學模型，結合實驗數據，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進口參數下壓縮空氣與LiBr及LiCl溶液各自的傳質系數，并進行比較分析。從而全面地比較LiBr和LiCl兩種除濕溶液在壓縮空氣溶液除濕系統的除濕能力。

1 實驗臺簡介

1.1 實驗裝置

壓縮空氣溶液除濕實驗臺如圖1所示，主要由壓縮空氣模塊與溶液除濕模塊兩部分構成，其中除濕器內的氣液接觸形式為逆流。空氣經空氣壓縮機壓縮后，根據實驗工況要求依次通過調壓閥、空氣冷卻器調節進入除濕器的空氣壓力、溫度等參數后，由填料塔的底部側面進入高壓除濕器；除濕溶液由加壓計量泵加壓驅動進入高壓除濕器頂部，噴淋后在重力的作用下潤濕填料，吸收壓縮空氣中的水蒸氣完成除濕過程。填料塔型加壓除濕器除濕性能是實驗臺的核心部分，選用有機玻璃作為填料塔的材料，填料塔直徑0.04 m，內部采用2個塑料孔板波紋形規整填料，比表面積為500 m2·m-3，高度0.2 m。各填料之間放置一個液體再分布器。

1.2 測量裝置

實驗過程中實時測量和采集除濕器進出口空氣、溶液的相關參數。空氣參數包括進出口壓縮空氣流量、溫度、相對濕度、壓力，溶液參數包括溶液進口溫度、流量、密度。測量的結果通過數據采集儀采集并保存到數據庫，用于數據的處理和分析。以上數據測試的裝置名稱及技術參數見表1。

表1 除濕性能實驗測量裝置的技術參數 Table 1 Specification of different measuring devices

2 研究方法

2.1 實驗方法

空氣具有更高的水蒸氣分壓力，空氣與溶液表面水蒸氣分壓力差增大，除濕過程的傳質驅動力增大，除濕能力增強。本文以溶液表面水蒸氣分壓力作為比較的基準，分別采用LiBr和LiCl溶液對壓縮空氣進行變工況實驗研究，從而比較兩種除濕溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中的除濕性能。

溶液表面水蒸氣分壓力與溶液的溫度和濃度相關，以溶液表面水蒸氣分壓力和溫度參數確定溶液狀態，在保證溶液表面水蒸氣分壓力相同時，LiBr和LiCl溶液進口的溫度相同、濃度不同。當LiBr溶液溫度33℃，質量分數55%時，溶液表面水蒸氣分壓力為0.80 kPa，相同溶液表面水蒸氣分壓力時，LiCl 溶液濃度與其等效為42%。在常用的濃度范圍內選擇3組不同的濃度分別進行壓縮空氣溶液除濕比較實驗，從而更好地對LiBr和LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中的除濕性能進行比較。具體的除濕實驗進口參數見表2、表3。需要說明的是表中入口空氣含濕量是一個范圍，是指0.20～0.60 MPa之間各個壓力下對應的空氣含濕量不同，而同一個壓力下含濕量是定值。

表2 不同壓力除濕比較實驗進口參數 Table 2 Experimental operating conditions of dehumidification under different flow rate of compressed air

表3 不同空氣流速除濕比較實驗進口參數 Table 3 Experimental operating conditions of dehumidification under different operating pressures

2.2 除濕性能指標

工業應用中，露點溫度是評價壓縮空氣的一個重要指標，而露點溫度與壓縮空氣的含濕量密切相關，因此選用壓縮空氣出口含濕量(out)作為評價除濕器除濕性能的指標，其表達式如式（1）所示

除濕量的大小能夠體現系統傳質過程的強弱，故選用除濕器中除濕量(d)作為性能評價指標之一，除濕量為空氣進出口含濕量變化量與空氣質量流量之積，其表達式如式（2）所示

d=a(a,in-a,out) (2)

式中，s(t)為溫度時飽和水蒸氣分壓力，Pa；為節流至常壓狀態時的相對濕度，%；為大氣壓力；a為壓縮空氣的質量流量，g·s-1；a,in、a,out分別為除濕器進出口處壓縮空氣的含濕量, g·kg-1。

2.3 實驗測試誤差分析

空氣含濕量是通過測量節流至常壓后空氣的溫度與相對濕度獲得，進出口含濕量a的函數關系可表示為

a=(a,a) (3)

根據間接測量誤差傳遞原理，以典型實驗工況為例，進行誤差分析，典型工況直接測量值見表4。

表4 典型工況直接測量值 Table 4 Directly measured values of typically experimental condition

含濕量的絕對誤差

含濕量的最大相對誤差

除濕量的絕對誤差

除濕量的最大相對誤差

從以上數據誤差分析可知，本研究處理結果數據誤差范圍在5%內，實驗數據具有一定的可信度。

3 實驗結果及分析

3.1 空氣壓力對除濕性能的影響

圖2為不同壓力下LiBr和LiCl兩種除濕溶液對壓縮空氣進行除濕實驗時各自的空氣出口含濕量的變化情況。圖3為兩種溶液各自的除濕量的變化情況。由圖可知：當空氣壓力由0.20 MPa升高至0.60 MPa時，LiBr溶液和LiCl溶液除濕實驗中壓縮空氣出口含濕量和除濕量變化趨勢相同，隨著壓力的增加空氣出口含濕量顯著降低，除濕量均增大。原因是溶液表面等效含濕量隨壓力的升高呈現降低的趨勢，使得除濕溶液能夠有效降低壓縮空氣出口含濕量；壓力升高時空氣中的水蒸氣分壓力增大，傳質驅動力增大，除濕效果增強，從而獲得更高的除濕量。

通過比較可以得出，LiCl溶液除濕的出口空氣含濕量比LiBr溶液平均低約0.2 g·s-1，除濕量比LiBr溶液平均高約11%。在進口參數相同的情況下（溶液濃度等效相同），與LiBr溶液相比LiCl溶液能夠將壓縮空氣處理到更低的空氣出口含濕量。主要是由于溶液除濕過程中釋放出的潛熱量會使溶液溫度不斷升高，從而導致溶液表面水蒸氣分壓力升高，在相同進口溶液溫度和等效含濕量條件下，LiCl溶液比熱容約為LiBr溶液比熱容的1.3倍，因此在除濕過程中LiCl溶液溫升相對較小，能保持較低的表面蒸氣壓，從而保證更大的傳質驅動勢。因此，采用LiCl溶液對壓縮空氣進行溶液除濕，能夠獲得更低的空氣出口含濕量和更高的除濕量。

3.2 空氣流速對除濕性能的影響

圖4顯示了0.5 MPa壓力下LiBr和LiCl溶液除濕實驗中各自的壓縮空氣出口含濕量及除濕量隨空氣流速變化的結果。由圖可知，當壓縮空氣流速從0.40 m·s-1增加到1.11 m·s-1時，空氣出口含濕量先降低再增加，除濕量一直呈增大趨勢。主要原因是，當壓縮空氣流速較小時，空氣流速引起的傳熱傳質系數增加成為使得空氣出口含濕量降低的主要因素；而當流速增加到一定值時，傳熱傳質過程增強的趨勢變緩，由于空氣與溶液的接觸時間過短，無法進行充分的熱質交換，導致空氣出口含濕量增大。雖然出口空氣含濕量先減小后增大但是由于空氣質量流量不斷增大，因此除濕量仍表現出不斷增大的趨勢。

在進口參數相同的情況下，各空氣流速下LiCl溶液除濕的出口含濕量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除濕量比LiBr溶液平均高約4%。通過以上比較可得出結論：在相同的處理工況下，LiCl溶液能夠將壓縮空氣處理到更低的空氣出口含濕量，并獲得更高的除濕量。

3.3 傳質系數比較

本課題組[19]基于有限體積法建立了壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質物理和數學模型，研究了壓縮空氣與溶液間的傳熱傳質系數大小以及變化規律。基于此模型，結合實驗數據，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進口參數下壓縮空氣與LiBr、LiCl溶液之間各自的傳質系數。

圖5為不同壓力時，壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間各自的傳質系數。當壓力由0.20 MPa升高至0.60 MPa時，LiBr溶液與壓縮空氣之間的傳質系數由9.1 g·(m2·s)-1升高到60.2 g·(m2·s)-1，LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質系數由16.0 g·(m2·s)-1 升高到68.2 g·(m2·s)-1。隨著空氣壓力的升高，LiBr和LiCl的傳質系數均表現為顯著增大的趨勢，主要是壓縮空氣與除濕溶液在除濕器內直接接觸進行傳熱傳質，當壓縮空氣的壓力增大時，壓縮空氣表面的剪切力增大，增大了界面的不穩定性[20]，改變氣體邊界層中溫度和水蒸氣組分濃度沿軸向分布，進而強化了氣液傳遞過程，傳質系數增大。比較兩種溶液除濕過程的傳質系數可以看出，LiCl的傳質系數比LiBr平均高約19%。

圖6為0.5MPa壓力下不同流速的壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間各自的傳質系數。當空氣流速從0.40 m·s-1增加到1.00 m·s-1時，LiBr溶液與壓縮空氣之間的傳質系數由19.7 g·(m2·s)-1增加到67.5 g·(m2·s)-1；LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質系數由22.0 g·(m2·s)-1升高到74.5 g·(m2·s)-1。一定壓力下，壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間傳質系數均隨著空氣流速的增加而顯著增大。隨著壓縮空氣流速的增大，濃度邊界層減薄，空氣主流與溶液表面的水分擴散滲透加強，同時溶液表面也會產生強烈的擾動，其表面更新不斷加快，使得表面傳質能力增強，傳質系數增大。各空氣流速下，LiCl溶液除濕過程的傳質系數均高于LiBr，與LiBr相比LiCl傳質系數平均高約15%。

LiBr 和 LiCl 溶液在表面蒸氣壓、比熱容、密度、黏度等相關的性能參數上有明顯區別，這些性能參數是影響系統的傳熱傳質效果的主要因素。兩種除濕溶液在相關性能參數上的差異是LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中具有更好的傳質能力的主要原因。

4 結 論

以相同的溶液入口溫度、質量流量和水蒸氣分壓力作為比較基礎，實驗測試了LiBr與LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中的各自除濕能力。基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質模型，結合實驗數據，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進口參數下壓縮空氣與LiBr及LiCl溶液各自的傳質系數。通過比較分析，得到如下結論。

（1）不同壓力工況下LiCl溶液除濕的出口空氣含濕量比LiBr平均低0.2 g·s-1，除濕量平均高約 11%；不同空氣流速工況下LiCl溶液除濕的出口含濕量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除濕量平均高約4%。在相同的處理工況下，LiCl溶液能夠將壓縮空氣處理到更低的空氣出口含濕量，除濕量也更高，說明LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中具有更優的除濕能力。

（2）隨著空氣壓力的升高，LiBr、LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質系數均顯著增大，其中LiCl的傳質系數LiBr比平均高約19%；隨著空氣空氣流速增加，LiBr和LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質系數均呈增大趨勢，LiCl的傳質系數LiBr比平均高約15%。說明LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統中具有更好的傳質能力。

符 號 說 明

d——空氣含濕量, g·kg-1 G——質量流量，g·s-1 hd——傳質系數，g·(m2·s)-1 M——除濕量，g·s-1 p——空氣壓力，MPa S——面積，m2 T——溫度，℃ V——體積流量，m3·h-1 v——流速，m3·h-1 X——質量分數，% j——相對濕度，% 下角標 a——空氣 d——除濕 in——進口 out——出口 s——溶液

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Comparison of drying performance of compressed air drying system using different pressurized liquid desiccants

SHAO Bin，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong

(School of Energy and Environment, Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,
Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

To compare the difference of drying performance and mass transfer ability between LiCl and LiBr solution used in the compressed air drying system, the experiments were performed using LiCl and LiBr solution, respectively. The drying performance was compared on the basis of the same solution temperature and surface vapor pressure. The mass transfer coefficients between compressed air and LiCl liquid desiccant were calculated based on the heat and mass transfer model. The results indicated that the humidity ratio of air using LiCl liquid desiccant was lower and the moisture removal rate was higher than LiBr in the same experimental operating conditions, while the mass transfer coefficients between compressed air and LiCl liquid desiccant were higher than LiBr. It was concluded that using LiCl liquid desiccant can obtain better drying performance and mass transfer ability in compressed air drying system.

compressed air; liquid desiccant; moisture removal rate; drying performance; mass transfer

supported by the National Key Technology Support Program(2014BAJ01B06) and the Foundation for Distinguished Young Scientists of Jiangsu Province(BK20140026).

date: 2015-12-29.

YIN Yonggao, y.yin@seu.edu.cn

TU 831.6

A

0438—1157（2016）09—3566—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20151987

國家科技支撐計劃項目（2014BAJ01B06）；江蘇省杰出青年基金項目（BK20140026）。

2015-12-29收到初稿，2016-04-07收到修改稿。

聯系人：殷勇高。第一作者：邵彬（1991—），男，碩士研究生。