雾化溶液除湿系统最适液滴特性

余旭芸，杨自力，龚斐然，郜彩云

（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

溶液除湿系统由于其可有效利用太阳能等可再生能源[1-4]、提高室内空气品质[5-7]等优势，近年来得到了广泛的研究关注。除湿性能是溶液除湿系统的核心，为进一步提高溶液除湿系统的性能，许多研究者[8-10]对影响系统性能的因素进行了较充分研究。相关结果指出：通过降低溶液温度或增大溶液浓度可有效提升除湿性能。然而，低温溶液在夏季较难产生与维持，也会带来冷却能耗的增加；而溶液质量分数的增大不但存在系统局部结晶的风险，也会对除湿剂用量产生过高需求，引起系统初投资的增加。

一种提升除湿性能的办法是将除湿溶液雾化为微小的液滴，通过大幅提高溶液与空气接触的比表面积以强化二者间的热质交换。基于此，连之伟等[11-12]提出一种结合超声波雾化技术的溶液除湿系统（UADS）并对其性能进行了较深入的探索，相关研究表明：雾化溶液除湿不但能有效改善系统的除湿性能，而且溶液消耗量也大幅降低。然而，雾化溶液除湿系统研究中尚存在以下问题：①除湿过程中雾化液滴的尺寸对除湿性能的具体影响尚不明确；②雾化液滴的粒径、温度、浓度等特性对除湿性能影响作用的相对大小仍未理清；③如何通过雾化液滴粒径、温度、浓度等特性的最优组合，找出提升除湿性能的最佳液滴特性仍鲜有报道。

为此，本文以超声雾化溶液除湿系统（UADS）为例，通过构建正交表以及全面的单因素数值模拟，对雾化溶液粒径、温度、浓度对除湿系统的性能影响进行全面分析，试图找出雾化粒径大小对除湿性能的具体影响，并对粒径、温度、浓度等特性的影响作用进行排序，从而明确雾化溶液除湿系统所需最适液滴特性。所得结果可对进一步提高雾化溶液除湿系统的性能提供积极参考。

1 研究方法

1.1 正交表设计

正交表[13-14]是研究多因素多水平作用大小的一种有效方法，它通过组合具有代表性且分散均匀的工况进行性能研究，对其结果进行综合比较、统计分析，得到系统的较佳性能工况。该方法具有实验次数少、经济易行、高效等优势。为直观考察除湿液滴的温度（ts）、浓度（ns）、粒径（D）等特性对系统性能的影响，得到适用于雾化溶液除湿系统的较佳液滴特性组合，本研究选取L9（34）正交表（表1）。同时，基于前期实验研究经验[15]，当溶液粒径小于20µm 时，系统所配除雾器拦截效率将下降，溶液容易随气流进入室内，应予以避免；而粒径大于80µm时，热质传递过程被削弱、雾化除湿系统的性能将受抑制。因此，本文液滴粒径（D）以上述值为边界，分别等间距考察20µm、50µm、80µm 三种粒径水平。此外，考虑到系统于夏季运行时，在22℃以下条件存储溶液较难，而高于30℃时溶液除湿能力较弱，因此，溶液温度的水平等距设为22℃、26℃、30℃；而溶液浓度（ns）水平在常用范围内设为0.32kg/kg、0.35kg/kg、0.38kg/kg等3种水平，各因素水平见表1。

表1 正交实验因素及水平

1.2 系统性能预测模型与验证

1.2.1 预测模型的建立

图1 所示为雾化溶液除湿系统（UADS）内空气-液滴间的热质传递过程。由图1(b)所示：除湿初始阶段，在雾化液滴表面的饱和空气层与湿热空气间较大的温差及水蒸气分压力差推动下，湿热空气将迅速向温度较低的浓溶液液滴发生水分与显热传递，导致溶液液滴水蒸气分压力及温度快速升高，除湿能力逐渐下降；当溶液液滴的水蒸气分压力及温度升至与空气相同时，空气与溶液间的热质交换趋于动态平衡。在UADS系统中，由于雾化液滴粒径较小，可较好地跟随空气的流动，因此实际呈顺流流型。为简化模型计算，可做出以下合理假设：①系统保温良好，为绝热系统，不与外界发生热量交换；②除湿溶液被雾化为均匀分布且粒径统一的球状液滴；③除湿过程中液滴粒径保持不变。

图1 雾化溶液除湿热、质传递过程

若取除湿器长度为Δl 的微元dV 为研究对象，见图1(c)，则基于能量守恒与质量守恒定律，可将上述空气与液滴热质交换过程表达如式(1)～式(3)所示；微元内湿空气侧的热量交换（包括显热与潜热）表达为式(4)、质量交换表达为式(5)所示。下述微分方程［式(1)～式(5)］即可构成雾化溶液除湿过程的控制方程组[16]。

为实现模型求解，还需得到辅助方程以表征空气与溶液的相关状态参数。其中，空气焓值ha可由式(11)确定，溶液焓值hs由式(12)计算，相关常数及详细计算方法见文献[18]。

此外，液滴边界层的等效含湿量da*与等效焓值ha*可分别由式(13)、式(14)确定。

式中，pv为液滴边界层的水蒸气分压力，Pa；p为大气压力，Pa。

为评价系统的除湿性能，本文使用目前已在溶液除湿领域广泛采用的两种指标：水分去除速率（MRR）、除湿效率（DE）[19-21]以表征本系统的除湿性能，其定义式分别为式(15)、式(16)。

式中，dequ为除湿溶液所对应的平衡含湿量，g/kg，MRR 为单位时间除去空气中的水分质量，g/s，其值越大说明除湿速率越快；DE 为溶液实际除湿能力与理想除湿能力的比值，其值越接近100%，除湿性能越优。

1.2.2 模型的实验验证

图2 超声雾化溶液除湿实验系统［22］

为验证本文所建立模型的准确性，本文基于前期所建立的超声雾化溶液除湿实验平台（UADS，如图2[22]），使用LiCl为除湿剂，在与计算模型相同的工况条件下，进行了25 组验证实验——实验方法与流程详见文献[22]。实验系统中，借助热线风速仪及已较广泛应用的“等环面法”对空气流量进行测量，液滴大小则是由所合作的雾化设备制造商采用激光衍射法测得。将实验测得数据与模型计算结果进行对比验证，对比结果如图3 所示。由图3可见，模拟所得结果与实验数据吻合良好，所得结果间的平均偏差仅为5.93%，最大偏差基本都在±15%以内。可见，所建模型能准确预测UADS 系统的除湿性能。

图3 模型的实验验证结果

2 结果与讨论

基于性能预测模型，以液滴粒径、液滴温度、液滴质量分数为变量（变量条件见表1，其余运行参数见表2），分别对不同液滴特性对UADS 除湿性能的影响进行单因素及正交模拟研究。其中，单因素分析的第3 个因素为验证实验系统中典型工况下的液滴特性。对以上数值模拟结果分析讨论如下。

表2 运行基础参数

2.1 液滴特性对UADS除湿性能的单因素影响

2.1.1 液滴粒径

图4、图5 所示分别为不同液滴温度下（液滴质量分数恒为0.38kg/kg）及不同液滴质量分数下（液滴温度恒为25℃），液滴粒径对除湿性能的影响。由图可知，随液滴粒径减小，系统除湿性能显著提升；当液滴粒径较小时，降低液滴温度对除湿性能的提高作用较小，而提高液滴质量分数对除湿性能的改善作用较明显。其原因为：随着液滴粒径减小，其与空气接触面积增加，液滴粒径相较于液滴温度对除湿性能将呈现更明显的影响作用；而液滴浓度较低时，系统溶液平衡含湿量dequ较大，湿热空气较易接近该dequ，气液间的热质传递过程较充分，除湿性能更为稳定。

2.1.2 液滴温度的影响

图4 不同液滴温度下液滴粒径对除湿性能的影响

图5 不同溶液质量分数下液滴粒径对除湿性能的影响

图6 不同液滴粒径下液滴温度对除湿性能的影响

图7 不同溶液质量分数下液滴温度对除湿性能的影响

图6、图7 分别给出了不同液滴温度下（液滴质量分数恒为0.38kg/kg）及不同液滴质量分数下（液滴粒径恒为50µm）液滴温度对除湿性能的影响。由图可知，在较低的液滴温度下，系统除湿性能较好，这与已有研究结果一致[20]，其原因在于随着液滴温度降低，液滴水蒸气分压力下降，因此液滴除湿能力升高，除湿性能增长。在不同液滴粒径和不同液滴浓度下，液滴温度的变化对除湿性能影响较为平均，且较大幅度提高液滴质量分数对除湿性能的提升作用才较明显。

2.1.3 溶液质量分数的影响

图8、图9 分别为不同液滴粒径下（液滴温度恒为25℃）以及不同液滴温度（液滴粒径恒为50µm）下，液滴质量分数对除湿性能影响的变化规律。由图可知，随着液滴质量分数升高，MRR 不断增大，且增长幅度加剧；随着液滴质量分数的升高，在液滴质量分数较低区域存在较小的DE。这是由于液滴浓度较小时，液滴饱和空气层水蒸气分压力较大，此时系统除湿能力较弱，除湿器出口空气含湿量da,out较高（由较低的MRR 可以体现），而溶液所对应的平衡含湿量dequ也较高，出口空气含湿量易接近dequ，因此DE 较高；随着溶液浓度升高，空气出口含湿量将有所降低，但其降低速率可能远远小于溶液由于质量分数增大而产生的平衡含湿量dequ的降低速率，由式(15)及式(16)可知，MRR 增长较慢，DE 存在缓慢减小的区间；但当液滴质量分数进一步升高后，液滴与空气水蒸气分压力差急剧增大，液滴除湿能力显著提高，此时MRR 及DE 均升高且增幅较大。

图8 不同液滴粒径下溶液质量分数对除湿性能的影响

图9 不同液滴温度下溶液质量分数对除湿性能的影响

2.2 正交表结果与分析

正交分析所得结果见表3，通过极差及效应分析可得各液滴特性对除湿性能（MRR、DE）影响关系的因素指标图，分别如图10、图11 所示。由图可知，随着液滴粒径减小、液滴质量分数增大及液滴温度下降，MRR、DE 均呈显著升高趋势。此外，液滴粒径对除湿性能的影响最显著，液滴质量分数次之，液滴温度的改变对除湿性能作用则相对有限。因此，可考虑选择合理的液滴粒径以弥补传统提升除湿性能过程中对溶液质量分数、温度的过度要求，即不必通过过度浓缩或过度冷却盐溶液以实现系统除湿性能的提升。在当前研究工况下，UADS 系统的较适液滴粒径约为20µm，质量分数为0.38kg/kg，温度为22℃。需要指出的是：若液滴粒径进一步减小至20µm 以下，虽然系统除湿性能可能会继续提升，但过小的液滴粒径也会大幅增加系统除雾器的负担及影响室内空气品质的风险，鉴于此，除湿系统的最适液滴粒径不宜过小。

表3 正交设计模拟结果

图10 水分去除速率MRR与液滴特性的因素指标

图11 除湿效率DE与液滴特性的因素指标

为考察所得最适液滴特性下系统的除湿性能，可将所得最适液滴特性与传统典型较优工况下的系统除湿性能（MRR、DE）结果进行比较（见下文）。

2.3 最适液滴特性下系统除湿性能的提升

表4所示为本文所得最适液滴特性与系统传统典型较优工况下除湿性能的比较。由表可见，相较原有较优除湿性能，本文所得最适液滴特性下UADS系统的除湿性能得到显著改善，改善幅度达31.04%（MRR）和24.63%（DE）。可见，基于正交设计得到的最适液滴特性，可显著提升雾化溶液除湿系统的性能。

表4 传统工况与最适液滴特性工况的除湿性能对比表

3 结论

本文基于雾化溶液除湿过程所遵循的热、质传递数学模型，通过正交表和单因素数值模拟研究，对除湿液滴的粒径、温度、质量分数等特性对除湿性能的影响作用进行了深入探讨，明确了适用于超声雾化溶液除湿系统的最适液滴特性。所得结论可总结如下。

（1）减小雾化溶液液滴粒径，系统除湿性能将以近似线性趋势快速提高。在本文中，当液滴粒径从80µm减小至20µm时，UADS系统除湿效率提升约35%。

（2）降低雾化液滴温度虽可改善除湿系统性能，但改善幅度相对有限。在本文中，当液滴温度从30℃下降至22℃时，UADS 系统除湿效率升高约12%。

（3）液滴粒径的变化对除湿性能的影响最为显著，液滴质量分数次之，液滴温度的影响则相对有限。通过液滴粒径、温度、质量分数的合理组合，可有效提升雾化溶液除湿系统的除湿性能。本文所得最适液滴特性工况下UADS系统除湿速率与除湿效率可分别提高约31.04%及24.63%。

符号说明

cp,a—— 干空气的比定压热容，kJ/kg

cp,v—— 水蒸气的比定压热容，kJ/kg

D—— 液滴粒径，µm

Dw-a—— 水蒸气在空气中的分子扩散系数，m2/s

da—— 空气的含湿量，kg/kg

da*—— 溶液表面饱和空气层［图1(b)所示边界层］的空气含湿量，kg/kg

L—— 除湿器长度，m

Le—— 刘易斯数

Δl—— 离散化所得网格的长度，m

N—— 液滴的个数

NTU—— 传质单元数

ns—— 液滴质量分数，kg/kg

p—— 系统运行压力，Pa

pv—— 溶液表面饱和空气层的水蒸气分压力，Pa

r0—— 水在0oC时的蒸发潜热，kJ/kg

rs—— 液滴粒径，µm

Sv—— 空气和除湿液滴接触的比表面积，m2/m3

T—— 除湿溶液温度,K

ta—— 空气的温度，oC

ts—— 液滴温度，℃

um—— 水分传递速率，m/s

V—— 除湿器体积，m3

ξ—— 除湿溶液质量浓度

ρa,ta，ρa,ts—— 分别是空气温度和除湿溶液温度下所对应的空气密度，kg/m3

ρA,M—— 空气的平均密度，kg/m3

ρs,in—— 溶液入口密度，kg/m3

下角标

A，a—— 空气

equ —— 平衡

in—— 入口

M—— 平均

m—— 水分

out—— 出口

s—— 除湿溶液

ta—— 空气温度

ts—— 除湿溶液温度

v—— 水蒸气

w—— 水