霧化溶液除濕系統最適液滴特性

余旭蕓，楊自力，龔斐然，郜彩云

（東華大學環境科學與工程學院，上海201620）

溶液除濕系統由于其可有效利用太陽能等可再生能源[1-4]、提高室內空氣品質[5-7]等優勢，近年來得到了廣泛的研究關注。除濕性能是溶液除濕系統的核心，為進一步提高溶液除濕系統的性能，許多研究者[8-10]對影響系統性能的因素進行了較充分研究。相關結果指出：通過降低溶液溫度或增大溶液濃度可有效提升除濕性能。然而，低溫溶液在夏季較難產生與維持，也會帶來冷卻能耗的增加；而溶液質量分數的增大不但存在系統局部結晶的風險，也會對除濕劑用量產生過高需求，引起系統初投資的增加。

一種提升除濕性能的辦法是將除濕溶液霧化為微小的液滴，通過大幅提高溶液與空氣接觸的比表面積以強化二者間的熱質交換?；诖?，連之偉等[11-12]提出一種結合超聲波霧化技術的溶液除濕系統（UADS）并對其性能進行了較深入的探索，相關研究表明：霧化溶液除濕不但能有效改善系統的除濕性能，而且溶液消耗量也大幅降低。然而，霧化溶液除濕系統研究中尚存在以下問題：①除濕過程中霧化液滴的尺寸對除濕性能的具體影響尚不明確；②霧化液滴的粒徑、溫度、濃度等特性對除濕性能影響作用的相對大小仍未理清；③如何通過霧化液滴粒徑、溫度、濃度等特性的最優組合，找出提升除濕性能的最佳液滴特性仍鮮有報道。

為此，本文以超聲霧化溶液除濕系統（UADS）為例，通過構建正交表以及全面的單因素數值模擬，對霧化溶液粒徑、溫度、濃度對除濕系統的性能影響進行全面分析，試圖找出霧化粒徑大小對除濕性能的具體影響，并對粒徑、溫度、濃度等特性的影響作用進行排序，從而明確霧化溶液除濕系統所需最適液滴特性。所得結果可對進一步提高霧化溶液除濕系統的性能提供積極參考。

1 研究方法

1.1 正交表設計

正交表[13-14]是研究多因素多水平作用大小的一種有效方法，它通過組合具有代表性且分散均勻的工況進行性能研究，對其結果進行綜合比較、統計分析，得到系統的較佳性能工況。該方法具有實驗次數少、經濟易行、高效等優勢。為直觀考察除濕液滴的溫度（ts）、濃度（ns）、粒徑（D）等特性對系統性能的影響，得到適用于霧化溶液除濕系統的較佳液滴特性組合，本研究選取L9（34）正交表（表1）。同時，基于前期實驗研究經驗[15]，當溶液粒徑小于20μm 時，系統所配除霧器攔截效率將下降，溶液容易隨氣流進入室內，應予以避免；而粒徑大于80μm時，熱質傳遞過程被削弱、霧化除濕系統的性能將受抑制。因此，本文液滴粒徑（D）以上述值為邊界，分別等間距考察20μm、50μm、80μm 三種粒徑水平。此外，考慮到系統于夏季運行時，在22℃以下條件存儲溶液較難，而高于30℃時溶液除濕能力較弱，因此，溶液溫度的水平等距設為22℃、26℃、30℃；而溶液濃度（ns）水平在常用范圍內設為0.32kg/kg、0.35kg/kg、0.38kg/kg等3種水平，各因素水平見表1。

表1 正交實驗因素及水平

1.2 系統性能預測模型與驗證

1.2.1 預測模型的建立

圖1 所示為霧化溶液除濕系統（UADS）內空氣-液滴間的熱質傳遞過程。由圖1(b)所示：除濕初始階段，在霧化液滴表面的飽和空氣層與濕熱空氣間較大的溫差及水蒸氣分壓力差推動下，濕熱空氣將迅速向溫度較低的濃溶液液滴發生水分與顯熱傳遞，導致溶液液滴水蒸氣分壓力及溫度快速升高，除濕能力逐漸下降；當溶液液滴的水蒸氣分壓力及溫度升至與空氣相同時，空氣與溶液間的熱質交換趨于動態平衡。在UADS系統中，由于霧化液滴粒徑較小，可較好地跟隨空氣的流動，因此實際呈順流流型。為簡化模型計算，可做出以下合理假設：①系統保溫良好，為絕熱系統，不與外界發生熱量交換；②除濕溶液被霧化為均勻分布且粒徑統一的球狀液滴；③除濕過程中液滴粒徑保持不變。

圖1 霧化溶液除濕熱、質傳遞過程

若取除濕器長度為Δl 的微元dV 為研究對象，見圖1(c)，則基于能量守恒與質量守恒定律，可將上述空氣與液滴熱質交換過程表達如式(1)～式(3)所示；微元內濕空氣側的熱量交換（包括顯熱與潛熱）表達為式(4)、質量交換表達為式(5)所示。下述微分方程［式(1)～式(5)］即可構成霧化溶液除濕過程的控制方程組[16]。

為實現模型求解，還需得到輔助方程以表征空氣與溶液的相關狀態參數。其中，空氣焓值ha可由式(11)確定，溶液焓值hs由式(12)計算，相關常數及詳細計算方法見文獻[18]。

此外，液滴邊界層的等效含濕量da*與等效焓值ha*可分別由式(13)、式(14)確定。

式中，pv為液滴邊界層的水蒸氣分壓力，Pa；p為大氣壓力，Pa。

為評價系統的除濕性能，本文使用目前已在溶液除濕領域廣泛采用的兩種指標：水分去除速率（MRR）、除濕效率（DE）[19-21]以表征本系統的除濕性能，其定義式分別為式(15)、式(16)。

式中，dequ為除濕溶液所對應的平衡含濕量，g/kg，MRR 為單位時間除去空氣中的水分質量，g/s，其值越大說明除濕速率越快；DE 為溶液實際除濕能力與理想除濕能力的比值，其值越接近100%，除濕性能越優。

1.2.2 模型的實驗驗證

圖2 超聲霧化溶液除濕實驗系統［22］

為驗證本文所建立模型的準確性，本文基于前期所建立的超聲霧化溶液除濕實驗平臺（UADS，如圖2[22]），使用LiCl為除濕劑，在與計算模型相同的工況條件下，進行了25 組驗證實驗——實驗方法與流程詳見文獻[22]。實驗系統中，借助熱線風速儀及已較廣泛應用的“等環面法”對空氣流量進行測量，液滴大小則是由所合作的霧化設備制造商采用激光衍射法測得。將實驗測得數據與模型計算結果進行對比驗證，對比結果如圖3 所示。由圖3可見，模擬所得結果與實驗數據吻合良好，所得結果間的平均偏差僅為5.93%，最大偏差基本都在±15%以內。可見，所建模型能準確預測UADS 系統的除濕性能。

圖3 模型的實驗驗證結果

2 結果與討論

基于性能預測模型，以液滴粒徑、液滴溫度、液滴質量分數為變量（變量條件見表1，其余運行參數見表2），分別對不同液滴特性對UADS 除濕性能的影響進行單因素及正交模擬研究。其中，單因素分析的第3 個因素為驗證實驗系統中典型工況下的液滴特性。對以上數值模擬結果分析討論如下。

表2 運行基礎參數

2.1 液滴特性對UADS除濕性能的單因素影響

2.1.1 液滴粒徑

圖4、圖5 所示分別為不同液滴溫度下（液滴質量分數恒為0.38kg/kg）及不同液滴質量分數下（液滴溫度恒為25℃），液滴粒徑對除濕性能的影響。由圖可知，隨液滴粒徑減小，系統除濕性能顯著提升；當液滴粒徑較小時，降低液滴溫度對除濕性能的提高作用較小，而提高液滴質量分數對除濕性能的改善作用較明顯。其原因為：隨著液滴粒徑減小，其與空氣接觸面積增加，液滴粒徑相較于液滴溫度對除濕性能將呈現更明顯的影響作用；而液滴濃度較低時，系統溶液平衡含濕量dequ較大，濕熱空氣較易接近該dequ，氣液間的熱質傳遞過程較充分，除濕性能更為穩定。

2.1.2 液滴溫度的影響

圖4 不同液滴溫度下液滴粒徑對除濕性能的影響

圖5 不同溶液質量分數下液滴粒徑對除濕性能的影響

圖6 不同液滴粒徑下液滴溫度對除濕性能的影響

圖7 不同溶液質量分數下液滴溫度對除濕性能的影響

圖6、圖7 分別給出了不同液滴溫度下（液滴質量分數恒為0.38kg/kg）及不同液滴質量分數下（液滴粒徑恒為50μm）液滴溫度對除濕性能的影響。由圖可知，在較低的液滴溫度下，系統除濕性能較好，這與已有研究結果一致[20]，其原因在于隨著液滴溫度降低，液滴水蒸氣分壓力下降，因此液滴除濕能力升高，除濕性能增長。在不同液滴粒徑和不同液滴濃度下，液滴溫度的變化對除濕性能影響較為平均，且較大幅度提高液滴質量分數對除濕性能的提升作用才較明顯。

2.1.3 溶液質量分數的影響

圖8、圖9 分別為不同液滴粒徑下（液滴溫度恒為25℃）以及不同液滴溫度（液滴粒徑恒為50μm）下，液滴質量分數對除濕性能影響的變化規律。由圖可知，隨著液滴質量分數升高，MRR 不斷增大，且增長幅度加??；隨著液滴質量分數的升高，在液滴質量分數較低區域存在較小的DE。這是由于液滴濃度較小時，液滴飽和空氣層水蒸氣分壓力較大，此時系統除濕能力較弱，除濕器出口空氣含濕量da,out較高（由較低的MRR 可以體現），而溶液所對應的平衡含濕量dequ也較高，出口空氣含濕量易接近dequ，因此DE 較高；隨著溶液濃度升高，空氣出口含濕量將有所降低，但其降低速率可能遠遠小于溶液由于質量分數增大而產生的平衡含濕量dequ的降低速率，由式(15)及式(16)可知，MRR 增長較慢，DE 存在緩慢減小的區間；但當液滴質量分數進一步升高后，液滴與空氣水蒸氣分壓力差急劇增大，液滴除濕能力顯著提高，此時MRR 及DE 均升高且增幅較大。

圖8 不同液滴粒徑下溶液質量分數對除濕性能的影響

圖9 不同液滴溫度下溶液質量分數對除濕性能的影響

2.2 正交表結果與分析

正交分析所得結果見表3，通過極差及效應分析可得各液滴特性對除濕性能（MRR、DE）影響關系的因素指標圖，分別如圖10、圖11 所示。由圖可知，隨著液滴粒徑減小、液滴質量分數增大及液滴溫度下降，MRR、DE 均呈顯著升高趨勢。此外，液滴粒徑對除濕性能的影響最顯著，液滴質量分數次之，液滴溫度的改變對除濕性能作用則相對有限。因此，可考慮選擇合理的液滴粒徑以彌補傳統提升除濕性能過程中對溶液質量分數、溫度的過度要求，即不必通過過度濃縮或過度冷卻鹽溶液以實現系統除濕性能的提升。在當前研究工況下，UADS 系統的較適液滴粒徑約為20μm，質量分數為0.38kg/kg，溫度為22℃。需要指出的是：若液滴粒徑進一步減小至20μm 以下，雖然系統除濕性能可能會繼續提升，但過小的液滴粒徑也會大幅增加系統除霧器的負擔及影響室內空氣品質的風險，鑒于此，除濕系統的最適液滴粒徑不宜過小。

表3 正交設計模擬結果

圖10 水分去除速率MRR與液滴特性的因素指標

圖11 除濕效率DE與液滴特性的因素指標

為考察所得最適液滴特性下系統的除濕性能，可將所得最適液滴特性與傳統典型較優工況下的系統除濕性能（MRR、DE）結果進行比較（見下文）。

2.3 最適液滴特性下系統除濕性能的提升

表4所示為本文所得最適液滴特性與系統傳統典型較優工況下除濕性能的比較。由表可見，相較原有較優除濕性能，本文所得最適液滴特性下UADS系統的除濕性能得到顯著改善，改善幅度達31.04%（MRR）和24.63%（DE）?？梢姡谡辉O計得到的最適液滴特性，可顯著提升霧化溶液除濕系統的性能。

表4 傳統工況與最適液滴特性工況的除濕性能對比表

3 結論

本文基于霧化溶液除濕過程所遵循的熱、質傳遞數學模型，通過正交表和單因素數值模擬研究，對除濕液滴的粒徑、溫度、質量分數等特性對除濕性能的影響作用進行了深入探討，明確了適用于超聲霧化溶液除濕系統的最適液滴特性。所得結論可總結如下。

（1）減小霧化溶液液滴粒徑，系統除濕性能將以近似線性趨勢快速提高。在本文中，當液滴粒徑從80μm減小至20μm時，UADS系統除濕效率提升約35%。

（2）降低霧化液滴溫度雖可改善除濕系統性能，但改善幅度相對有限。在本文中，當液滴溫度從30℃下降至22℃時，UADS 系統除濕效率升高約12%。

（3）液滴粒徑的變化對除濕性能的影響最為顯著，液滴質量分數次之，液滴溫度的影響則相對有限。通過液滴粒徑、溫度、質量分數的合理組合，可有效提升霧化溶液除濕系統的除濕性能。本文所得最適液滴特性工況下UADS系統除濕速率與除濕效率可分別提高約31.04%及24.63%。

符號說明

cp,a—— 干空氣的比定壓熱容，kJ/kg

cp,v—— 水蒸氣的比定壓熱容，kJ/kg

D—— 液滴粒徑，μm

Dw-a—— 水蒸氣在空氣中的分子擴散系數，m2/s

da—— 空氣的含濕量，kg/kg

da*—— 溶液表面飽和空氣層［圖1(b)所示邊界層］的空氣含濕量，kg/kg

L—— 除濕器長度，m

Le—— 劉易斯數

Δl—— 離散化所得網格的長度，m

N—— 液滴的個數

NTU—— 傳質單元數

ns—— 液滴質量分數，kg/kg

p—— 系統運行壓力，Pa

pv—— 溶液表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力，Pa

r0—— 水在0oC時的蒸發潛熱，kJ/kg

rs—— 液滴粒徑，μm

Sv—— 空氣和除濕液滴接觸的比表面積，m2/m3

T—— 除濕溶液溫度,K

ta—— 空氣的溫度，oC

ts—— 液滴溫度，℃

um—— 水分傳遞速率，m/s

V—— 除濕器體積，m3

ξ—— 除濕溶液質量濃度

ρa,ta，ρa,ts—— 分別是空氣溫度和除濕溶液溫度下所對應的空氣密度，kg/m3

ρA,M—— 空氣的平均密度，kg/m3

ρs,in—— 溶液入口密度，kg/m3

下角標

A，a—— 空氣

equ —— 平衡

in—— 入口

M—— 平均

m—— 水分

out—— 出口

s—— 除濕溶液

ta—— 空氣溫度

ts—— 除濕溶液溫度

v—— 水蒸氣

w—— 水