压缩空气溶液除湿中不同除湿剂除湿性能比较

邵彬，殷勇高，张小松



压缩空气溶液除湿中不同除湿剂除湿性能比较

邵彬，殷勇高，张小松

（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

在压缩空气溶液除湿实验平台上，分别以LiBr和LiCl水溶液作为除湿剂，实验研究了两种溶液在压缩空气溶液除湿系统中的除湿性能。以溶液表面水蒸气分压力作为比较基准，压缩空气出口含湿量和除湿量作为除湿性能的评价指标，对二者的除湿能力进行比较分析。同时基于压缩空气溶液除湿器传热传质模型，结合实验数据，研究了LiBr、LiCl溶液与压缩空气间的传质系数大小以及变化规律。结果表明：在相同的处理工况下，采用LiCl溶液对压缩空气进行除湿能得到更低的空气出口含湿量和更高的除湿量，LiCl溶液除湿过程的传质系数也高于LiBr溶液，即在压缩空气溶液除湿系统中LiCl溶液具有更优的除湿能力和传质性能。

压缩空气；溶液除湿；除湿量；除湿性能；传质

引 言

压缩空气是第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，广泛应用于各行业。压缩空气中水分含量超过一定量时会造成管路、阀件锈蚀，影响气动控制系统的稳定性；特别是对喷漆、食品、制药等行业，压缩空气含过高水分将直接降低产品质量。压缩空气干燥过程耗能巨大，而压缩机运行时消耗的电能，大部分都转化为热量排放到空气或者土壤中，造成能源的极大浪费。若能改善压缩空气干燥工艺或者提高干燥过程的能量利用效率，节能效益将非常可观。

考虑液体除湿技术[1-5]的节能优势，本课题组[6-7]提出一种新型的基于溶液除湿技术对压缩空气进行深度除湿干燥的方法。空气与浓溶液分别由空压机及增压溶液泵加压至高压状态进入除湿器内进行除湿，达到对压缩空气深度干燥的效果。此外，使用空气压缩过程中的余热驱动除湿溶液再生[8-10]，从而降低除湿能耗，提高工业干燥过程中的能量利用效率。

溶液除湿常用的无机盐溶液主要包括LiBr、LiCl 和CaCl2溶液等。在这3种盐溶液中CaCl2溶液的吸湿性能最差，一般不单独使用，而LiCl和LiBr溶液都具有较强的吸湿能力，是目前使用最多的两种除湿剂。国内外的研究人员[11-15]对常压下LiBr和 LiCl溶液除湿的除湿性能和热质传递特性进行了深入的研究。Longo等[16]分别采用LiBr、LiCl以及KCOOH溶液作为除湿剂，以相同的结晶温度点作为比较基础，比较相同质量流量和温度的除湿溶液的除湿性能，结果表明LiBr和LiCl的传质性能相同。Liu等[17]以相同的溶液温度和水蒸气分压力为基准，比较了LiCl和LiBr的除湿性能。以除湿量为评价指标，得出相同的溶液质量流量下LiCl溶液的传质性能优于LiBr的结论。Koronaki等[18]以相同的溶液浓度为比较基准，实验研究了相同工况下空气和溶液进口参数对LiCl、LiBr 和CaCl23种溶液除湿量和除湿效率的影响。结果表明，LiCl溶液作为除湿剂能够达到更高的除湿效率和系统效率。

目前不同液体除湿剂除湿性能的对比研究主要集中在常压系统，LiBr和LiCl溶液在高压除湿系统中的除湿性能及热质传递规律是否和在常压系统相同尚未有人研究。比较高压除湿系统中LiBr和 LiCl溶液的除湿性能对压缩空气溶液干燥系统选择合适的除湿剂以提高系统性能具有重要的指导意义。本文基于压缩空气溶液除湿实验平台，以相同溶液入口温度、质量流量、相同溶液表面水蒸气分压力作为比较基准，实验测试了LiBr和LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统的除湿性能。同时，基于压缩空气溶液除湿器传热传质物理和数学模型，结合实验数据，获取了不同压缩空气以及溶液进口参数下压缩空气与LiBr及LiCl溶液各自的传质系数，并进行比较分析。从而全面地比较LiBr和LiCl两种除湿溶液在压缩空气溶液除湿系统的除湿能力。

1 实验台简介

1.1 实验装置

压缩空气溶液除湿实验台如图1所示，主要由压缩空气模块与溶液除湿模块两部分构成，其中除湿器内的气液接触形式为逆流。空气经空气压缩机压缩后，根据实验工况要求依次通过调压阀、空气冷却器调节进入除湿器的空气压力、温度等参数后，由填料塔的底部侧面进入高压除湿器；除湿溶液由加压计量泵加压驱动进入高压除湿器顶部，喷淋后在重力的作用下润湿填料，吸收压缩空气中的水蒸气完成除湿过程。填料塔型加压除湿器除湿性能是实验台的核心部分，选用有机玻璃作为填料塔的材料，填料塔直径0.04 m，内部采用2个塑料孔板波纹形规整填料，比表面积为500 m2·m-3，高度0.2 m。各填料之间放置一个液体再分布器。

1.2 测量装置

实验过程中实时测量和采集除湿器进出口空气、溶液的相关参数。空气参数包括进出口压缩空气流量、温度、相对湿度、压力，溶液参数包括溶液进口温度、流量、密度。测量的结果通过数据采集仪采集并保存到数据库，用于数据的处理和分析。以上数据测试的装置名称及技术参数见表1。

表1 除湿性能实验测量装置的技术参数 Table 1 Specification of different measuring devices

2 研究方法

2.1 实验方法

空气具有更高的水蒸气分压力，空气与溶液表面水蒸气分压力差增大，除湿过程的传质驱动力增大，除湿能力增强。本文以溶液表面水蒸气分压力作为比较的基准，分别采用LiBr和LiCl溶液对压缩空气进行变工况实验研究，从而比较两种除湿溶液在压缩空气溶液除湿系统中的除湿性能。

溶液表面水蒸气分压力与溶液的温度和浓度相关，以溶液表面水蒸气分压力和温度参数确定溶液状态，在保证溶液表面水蒸气分压力相同时，LiBr和LiCl溶液进口的温度相同、浓度不同。当LiBr溶液温度33℃，质量分数55%时，溶液表面水蒸气分压力为0.80 kPa，相同溶液表面水蒸气分压力时，LiCl 溶液浓度与其等效为42%。在常用的浓度范围内选择3组不同的浓度分别进行压缩空气溶液除湿比较实验，从而更好地对LiBr和LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统中的除湿性能进行比较。具体的除湿实验进口参数见表2、表3。需要说明的是表中入口空气含湿量是一个范围，是指0.20～0.60 MPa之间各个压力下对应的空气含湿量不同，而同一个压力下含湿量是定值。

表2 不同压力除湿比较实验进口参数 Table 2 Experimental operating conditions of dehumidification under different flow rate of compressed air

表3 不同空气流速除湿比较实验进口参数 Table 3 Experimental operating conditions of dehumidification under different operating pressures

2.2 除湿性能指标

工业应用中，露点温度是评价压缩空气的一个重要指标，而露点温度与压缩空气的含湿量密切相关，因此选用压缩空气出口含湿量(out)作为评价除湿器除湿性能的指标，其表达式如式（1）所示

除湿量的大小能够体现系统传质过程的强弱，故选用除湿器中除湿量(d)作为性能评价指标之一，除湿量为空气进出口含湿量变化量与空气质量流量之积，其表达式如式（2）所示

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

式中，s(t)为温度时饱和水蒸气分压力，Pa；为节流至常压状态时的相对湿度，%；为大气压力；a为压缩空气的质量流量，g·s-1；a,in、a,out分别为除湿器进出口处压缩空气的含湿量, g·kg-1。

2.3 实验测试误差分析

空气含湿量是通过测量节流至常压后空气的温度与相对湿度获得，进出口含湿量a的函数关系可表示为

a=(a,a) (3)

根据间接测量误差传递原理，以典型实验工况为例，进行误差分析，典型工况直接测量值见表4。

表4 典型工况直接测量值 Table 4 Directly measured values of typically experimental condition

含湿量的绝对误差

含湿量的最大相对误差

除湿量的绝对误差

除湿量的最大相对误差

从以上数据误差分析可知，本研究处理结果数据误差范围在5%内，实验数据具有一定的可信度。

3 实验结果及分析

3.1 空气压力对除湿性能的影响

图2为不同压力下LiBr和LiCl两种除湿溶液对压缩空气进行除湿实验时各自的空气出口含湿量的变化情况。图3为两种溶液各自的除湿量的变化情况。由图可知：当空气压力由0.20 MPa升高至0.60 MPa时，LiBr溶液和LiCl溶液除湿实验中压缩空气出口含湿量和除湿量变化趋势相同，随着压力的增加空气出口含湿量显著降低，除湿量均增大。原因是溶液表面等效含湿量随压力的升高呈现降低的趋势，使得除湿溶液能够有效降低压缩空气出口含湿量；压力升高时空气中的水蒸气分压力增大，传质驱动力增大，除湿效果增强，从而获得更高的除湿量。

通过比较可以得出，LiCl溶液除湿的出口空气含湿量比LiBr溶液平均低约0.2 g·s-1，除湿量比LiBr溶液平均高约11%。在进口参数相同的情况下（溶液浓度等效相同），与LiBr溶液相比LiCl溶液能够将压缩空气处理到更低的空气出口含湿量。主要是由于溶液除湿过程中释放出的潜热量会使溶液温度不断升高，从而导致溶液表面水蒸气分压力升高，在相同进口溶液温度和等效含湿量条件下，LiCl溶液比热容约为LiBr溶液比热容的1.3倍，因此在除湿过程中LiCl溶液温升相对较小，能保持较低的表面蒸气压，从而保证更大的传质驱动势。因此，采用LiCl溶液对压缩空气进行溶液除湿，能够获得更低的空气出口含湿量和更高的除湿量。

3.2 空气流速对除湿性能的影响

图4显示了0.5 MPa压力下LiBr和LiCl溶液除湿实验中各自的压缩空气出口含湿量及除湿量随空气流速变化的结果。由图可知，当压缩空气流速从0.40 m·s-1增加到1.11 m·s-1时，空气出口含湿量先降低再增加，除湿量一直呈增大趋势。主要原因是，当压缩空气流速较小时，空气流速引起的传热传质系数增加成为使得空气出口含湿量降低的主要因素；而当流速增加到一定值时，传热传质过程增强的趋势变缓，由于空气与溶液的接触时间过短，无法进行充分的热质交换，导致空气出口含湿量增大。虽然出口空气含湿量先减小后增大但是由于空气质量流量不断增大，因此除湿量仍表现出不断增大的趋势。

在进口参数相同的情况下，各空气流速下LiCl溶液除湿的出口含湿量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除湿量比LiBr溶液平均高约4%。通过以上比较可得出结论：在相同的处理工况下，LiCl溶液能够将压缩空气处理到更低的空气出口含湿量，并获得更高的除湿量。

3.3 传质系数比较

本课题组[19]基于有限体积法建立了压缩空气溶液除湿器传热传质物理和数学模型，研究了压缩空气与溶液间的传热传质系数大小以及变化规律。基于此模型，结合实验数据，获取了不同压缩空气以及溶液进口参数下压缩空气与LiBr、LiCl溶液之间各自的传质系数。

图5为不同压力时，压缩空气与LiBr和LiCl溶液之间各自的传质系数。当压力由0.20 MPa升高至0.60 MPa时，LiBr溶液与压缩空气之间的传质系数由9.1 g·(m2·s)-1升高到60.2 g·(m2·s)-1，LiCl溶液与压缩空气之间的传质系数由16.0 g·(m2·s)-1 升高到68.2 g·(m2·s)-1。随着空气压力的升高，LiBr和LiCl的传质系数均表现为显著增大的趋势，主要是压缩空气与除湿溶液在除湿器内直接接触进行传热传质，当压缩空气的压力增大时，压缩空气表面的剪切力增大，增大了界面的不稳定性[20]，改变气体边界层中温度和水蒸气组分浓度沿轴向分布，进而强化了气液传递过程，传质系数增大。比较两种溶液除湿过程的传质系数可以看出，LiCl的传质系数比LiBr平均高约19%。

图6为0.5MPa压力下不同流速的压缩空气与LiBr和LiCl溶液之间各自的传质系数。当空气流速从0.40 m·s-1增加到1.00 m·s-1时，LiBr溶液与压缩空气之间的传质系数由19.7 g·(m2·s)-1增加到67.5 g·(m2·s)-1；LiCl溶液与压缩空气之间的传质系数由22.0 g·(m2·s)-1升高到74.5 g·(m2·s)-1。一定压力下，压缩空气与LiBr和LiCl溶液之间传质系数均随着空气流速的增加而显著增大。随着压缩空气流速的增大，浓度边界层减薄，空气主流与溶液表面的水分扩散渗透加强，同时溶液表面也会产生强烈的扰动，其表面更新不断加快，使得表面传质能力增强，传质系数增大。各空气流速下，LiCl溶液除湿过程的传质系数均高于LiBr，与LiBr相比LiCl传质系数平均高约15%。

LiBr 和 LiCl 溶液在表面蒸气压、比热容、密度、黏度等相关的性能参数上有明显区别，这些性能参数是影响系统的传热传质效果的主要因素。两种除湿溶液在相关性能参数上的差异是LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统中具有更好的传质能力的主要原因。

4 结 论

以相同的溶液入口温度、质量流量和水蒸气分压力作为比较基础，实验测试了LiBr与LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统中的各自除湿能力。基于压缩空气溶液除湿器传热传质模型，结合实验数据，获取了不同压缩空气以及溶液进口参数下压缩空气与LiBr及LiCl溶液各自的传质系数。通过比较分析，得到如下结论。

（1）不同压力工况下LiCl溶液除湿的出口空气含湿量比LiBr平均低0.2 g·s-1，除湿量平均高约 11%；不同空气流速工况下LiCl溶液除湿的出口含湿量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除湿量平均高约4%。在相同的处理工况下，LiCl溶液能够将压缩空气处理到更低的空气出口含湿量，除湿量也更高，说明LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统中具有更优的除湿能力。

（2）随着空气压力的升高，LiBr、LiCl溶液与压缩空气之间的传质系数均显著增大，其中LiCl的传质系数LiBr比平均高约19%；随着空气空气流速增加，LiBr和LiCl溶液与压缩空气之间的传质系数均呈增大趋势，LiCl的传质系数LiBr比平均高约15%。说明LiCl溶液在压缩空气溶液除湿系统中具有更好的传质能力。

符 号 说 明

d——空气含湿量, g·kg-1 G——质量流量，g·s-1 hd——传质系数，g·(m2·s)-1 M——除湿量，g·s-1 p——空气压力，MPa S——面积，m2 T——温度，℃ V——体积流量，m3·h-1 v——流速，m3·h-1 X——质量分数，% j——相对湿度，% 下角标 a——空气 d——除湿 in——进口 out——出口 s——溶液

References

[1] JAIN S, TRIPATHI S, DAS R S. Experimental performance of a liquid desiccant dehumidification system under tropical climates [J].Energy Conversion and Management, 2011, 52: 2461-2466.

[2] AUDAH N, GHADDAR N, GHALI K. Optimized solar-powered liquid desiccant system to supply building fresh water and cooling needs[J].Applied Energy, 2011, 88: 3726-3736.

[3] DAI Y J, WANG R Z, ZHANG H H. Use of liquid desiccant cooling to improve the performance of vapor compression air conditioning [J].Applied Thermal Engineering, 2001. 21: 1185-1202.

[4] XIONG Z Q, DAI Y J, WANG R Z. Development of a novel two-stage liquid desiccant dehumidification system assisted by CaCl2solution using exergy analysis method[J].Applied Energy, 2010, 87: 1495-1504.

[5] YIN Y G, QIAN J F, ZHANG X S. Recent advancements in liquid desiccant dehumidification technology[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 31: 38-52.

[6] 郑宝军, 殷勇高, 张小松. 压缩空气溶液深度除湿干燥方法及实验验证[J]. 化工学报, 2014, 65(S2): 52-57.
ZHENG B J, YIN Y G, ZHANG X S. A novel compressed air drying method based on pressurized liquid desiccant dehumidifier and experimental verification[J]. CIESC Journal, 2014, 65(S2): 52-57.

[7] YIN Y G, ZHENG B J, YANG C,. A proposed compressed air drying method using pressurized liquid desiccant and experimental verification[J]. Applied Energy, 2015, 141: 80-89

[8] MOHAMMAD A T, MAT S B, SULAIMAN M Y,. Survey of hybrid liquid desiccant air conditioning systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 20: 186-200.

[9] GONNED K, GROSSMAN G. Experimental investigation of a liquid desiccant system for solar cooling and dehumidification[J]. Sol Energy, 2007, 81: 131-138.

[10] 殷勇高, 张小松, 权硕. 溶液除湿冷却系统的再生性能实验研究[J]. 工程热物理学报, 2005, 26(6): 915-917.
YIN Y G, ZHANG X S, QUAN S. Experimental study on regeneration performance of liquid desiccant cooling system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(6): 915-917

[11] CONDE M R. Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides: formulations for use in air conditioning equipment design[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43(4): 367-82.

[12] FUMO N, GOSWAMI D Y. Study of an aqueous lithium chloride desiccant system: air dehumidification and desiccant regeneration[J]. Sol Energy, 2002, 72(4): 351-361.

[13] YIN Y G, ZHANG X S, CHEN Z Q. Experimental study on dehumidifier and regenerator of liquid desiccant cooling air conditioning system[J]. Building and Environment, 2007, 42: 2505-2511.

[14] BASSUONI M M. A simple analytical method to estimate all exit parameters of a cross-flow air dehumidifier using liquid desiccant[J]. Journal of Advanced Research, 2013, 2: 1-8.

[15] YIN Y G, ZHANG X S. A new method for determining coupled heat and mass transfer coefficients between air and liquid desiccant[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51: 3287-3297.

[16] LONGO G A, GASPARELLA A. Experimental and theoretical analysis of heat and mass transfer in a packed column dehumidifier/ regenerator with liquid desiccant[J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2005, 48(25/26): 5240-5254.

[17] LIU X H, YI X Q, JIANG Y. Mass transfer performance comparison of two commonly used liquid desiccants: LiBr and LiCl aqueous solutions[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52: 180-190.

[18] KORONAKI I P, CHRISTODOULAKI R I, PAPAEFTHIMIOU V D,. Thermodynamic analysis of a counter flow adiabatic dehumidifier with different liquid desiccant materials[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50: 361-373.

[19] YIN Y G, ZHENG B J, CHEN T T,. Investigation on coupled heat and mass transfer coefficients between compressed air and liquid desiccant in a packed dryer[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 93: 1218-1226.

[20] NAKAZATOMI M, SHUIMIZU H, MIYAKE G, SEKOGUCHI K. Rising characteristic of a single measure gas slug in stagnant liquid: effect of pressure[J]. JSME International Journal SeriesⅡ, 1992, 35: 113-119.

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

国家科技支撑计划项目（2014BAJ01B06）；江苏省杰出青年基金项目（BK20140026）。

2015-12-29收到初稿，2016-04-07收到修改稿。

联系人：殷勇高。第一作者：邵彬（1991—），男，硕士研究生。