加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究

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温度对正向渗透脱盐过程中的影响机制

温度对正向渗透脱盐过程中的影响机制

2正向渗透的原理
渗透过程是水从高化学势区域穿过一种选择 性透过膜,到达低化学势区域的过程。膜两侧溶液 的渗透压差为提供了驱动力,半透膜阻隔了大部分 溶质分子和离子。正向渗透(FO)利用溶液渗透压 差,而不是水力压差(例如RO工艺)作为驱动力 来让水分子透过渗透膜【2】。FO的结果是FS--倾tj被 浓缩,而DS一侧则被稀释。
osmosis system
4结果与讨论
3材料与方法
3.1原液与汲取液 原液(FS)与汲取液(DS)都是由NaCI(分 析纯)组成。FS的浓度分别为0M(蒸馏水)、0.IM、 O.5M,DS的浓度控制为1.0M NaCll4。】。 4.1最大渗透压差下的水通量 在该组试验中,FS采用蒸馏水,CA膜的活性 层朝向DS,即AL.DS模式(图3),这样可将CA 膜支撑层中的内部浓化极差降至较低水平【lo】,从而diffΒιβλιοθήκη mnlkm…tu”profiles
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3.3平板式正向渗透反应系统设计 FO主体反应器在膜的两侧各有一个反应廊道。 反应廊道的尺寸为77mm×26ram×5ram。反应时采 用同向流,DS和FS依靠两台蠕动泵(泵体: wT600.2J,泵头:KZ25;保定兰格)进行循环, 蠕动泵转速为60rpm,流量为144ml/min。在膜的 两侧都用尼龙衬网进行加固。反应装置如图2所示 【9】。DS和FS溶液的温度采用4种组合: ①DS与FS均为20.0℃; ②DS与FS均为40.0℃; ③DS为20.0℃,FS为40.O℃; ④DS为40.0"C,FS为20.0℃。 温度波动范围为士2.0"C,采用加热棒以及温控

换热器加湿强化传热的实验研究

换热器加湿强化传热的实验研究

第42卷第10期2013年10月热力发电T H E R M A L P O W ER G E N E R A T l0NV01.42N o.100C t.2013换热器加湿强化传热的实验研究[摘要][关键词] [中图分类号] [D oi编号]杜弘1,徐彤彤2,杜1.西安恒瑞工程流体设备有限公司2.西安交通大学动力工程多相流国,陕西西安江1710061家重点实验室,陕西西安710049通过实验研究了干、湿工况下空气冷却器单排管翅片管的传热和阻力特性。

结果表明,在同样条件下加湿后阻力增加,风速越大阻力增加越多;加湿后由于表面的蒸发使换热系数随之增加。

根据实验结果分析给出了加湿后空气冷却器的换热系数计算关联式,为室外空气冷却器的设计提供参考。

空气冷却器;单排管翅片管;加湿;传热特性;阻力特性T K264.1[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)10—0094—04 10.3969/j.i ssn.1002—3364.2013.10.094E xpe r i m ent a l s t udy on heat t r ans f er enhancem ent w i t hw a t e r s pr ayi ng i n heat exchangerD U H on91,X U T ongt on92,D U J i an911.X i'an H e n gr ui En gi ne er i ng F l ui d E qui pm ent C o.,Lt d.,X i'an710061,C hi na2.St at e K e y Labo r a t or y of M uhi phas e Fl ow i n P ow er E ng i nee r i ng,X i'an Ji aot ong U ni ver s i t y,X i'an710049,C hi naA bs t r a ct:T he devel opm ent of ai r—cool i ng t echnol ogy ef f e ct i vel y s a ve s w a t e r r esour ce s.B ut it i s l ar gel y i nf l uence d by t he envi r onm ent al t em per a t ur e.So w at er s pr ay s ys t em i s a ppl i ed t o i m pr o ve cool i ng ca pac i t y of t he equi p m ent s and enhance hea t exchange pr oper t y of t he ai r s i de he at ex—c ha nger.A ga i nst t he si ng l e—r O W f i n t ube,t he cha r act er i st i cs of he at t r ansf e r and f l ow r es i st ance of t he ai r cool e r under dr y and w et c ondi t i on w er e e xpe r i m ent a l l y i nves t i gat ed.R e sul t s s how e d t hat,under t he s am e condi t i ons,not onl y t he f l ow r es i st ance but al s o t he hea t t r ansf e r coef f i ci en t i n—c r e as ed af t er t he w at er w a s s pr a ye d.A cc or di ng t o t he e xpe r i m ent al da t a,expr e ss i on of t he hea t t r a nsf er coef f i ci en t w as obt a i ned,pr ovi di ng t e chni cal s uppor t f or desi gn of t he out door ai r cool er.K ey w or ds:A i r—cool i ng;si ngl e—r ow f i n t ube;he a t t r ansf e r per f or m a nce;r e si st a nc e cha r act er i st i cs空冷换热器以空气作为冷却介质,受环境温度影响较大。

溶液除湿空调盐溶液物性研究

溶液除湿空调盐溶液物性研究

溶液除湿空调盐溶液物性研究作者:张伟荣刘晓华李震江亿简介:表面蒸汽压、密度、粘度、溶解度是溶液除湿空调系统中除湿剂的主要物性参数。

本文详细介绍了混合盐溶液物性参数的实验测量方法,从除湿工质基本要求出发,以提高溶液性能和经济性为原则,总结并提出了几种混合工质的特点。

关键字:混合溶液表面蒸汽压粘度密度溶解度除湿盐溶液0 引言近年来,溶液除湿空调的发展越来越受到人们关注。

除湿溶液的特性对于整个系统的性能有着重要的影响,直接关系到系统的除湿效率和运行情况。

所期望的除湿溶液特性有:具有较低的表面蒸汽压、较高的溶解度、低粘度,高沸点,溶液性质稳定,低挥发性、低腐蚀性,无毒性,溶质价格低廉,容易获得等等。

由于粘度大和易挥发等缺点,乙二醇、三甘醇等有机溶液已逐渐被溴化锂、氯化锂等盐溶液替代。

盐溶液虽然具有一定的腐蚀性,但塑料等防腐材料的使用,可以有效的防止盐溶液对管道等设备的腐蚀;另外盐溶液不会挥发到空气中影响、污染室内空气,相反还具有除尘杀菌功能,有益于提高室内空气品质,所以盐溶液成为优选的液体除湿剂。

根据所需溶液的特性,目前应用较为广泛的是LiBr溶液、LiCl溶液等,但这两种溶液的价格较高。

为了达到效能与经济性的统一,不少学者开始混合溶液物性的研究工作。

由于除湿所使用的盐溶液严重偏离理想溶液的性质,因此混合溶液几乎没有可遵循的计算定律,给进一步研究混合特性带来了较大的不便。

Ahmed等人提出估计混合除湿剂性质时应该使用简单的混合规则,其中蒸汽压的计算结果在溶液低浓度时,很好的与实验结果相符,但在高浓度时偏差随温度的升高而增大。

我们研究了溶液表面蒸汽压、密度、粘度以及溶解度的实验测量方法,总结了前人关于混合溶液的研究结果,计划通过实验方法测量各物性参数,拟和出计算公式。

1 除湿溶液物性参数与测量方法1.1 表面蒸汽压除湿溶液除湿性能的好坏与其表面蒸汽压的大小有直接关系。

由于被处理空气的水蒸气分压力与除湿溶液的表面蒸气压之间的压差是水分在湿空气和除湿溶液之间传递的动力,因而在除湿过程中,溶液的表面蒸汽压越低,在相同的处理条件下,溶液的除湿能力越强,与所接触的湿空气达到平衡时,湿空气具有更低的含湿量。

第二篇---加湿除湿海水淡化装置的理论与实践研究

第二篇---加湿除湿海水淡化装置的理论与实践研究

加湿除湿海水淡化装置的理论与实践研究E.H. Amer , H. Kotb, G.H. Mostafa, A.R. El-Ghalban埃及Shebin El-Kom,Menoufiya大学工学院机械动力工程系文章信息:文章发布过程:2008年8月10日接收,2009年6月30接受,2009年10月13日网上公布关键词:海水淡化,加湿器,除湿器,数值模拟,试验研究,水分生产率摘要本文主要是关于海水淡化加湿除湿系统的理论和试验研究。

本系统基于一个水开式循环系统和空气的闭式循环系统。

空气可以通过自然或是强制循环。

本系统模型基于各种热量和质量平衡方程和他们的数值解。

运行参数对系统特性的影响已经研究过。

试验测试设备已经组合安装完毕。

试验设备已经配置有适当的测量和控制装置。

已经在不同的试验条件下使用不同的包装材料进行了具体的试验。

已经用实验方法得到了热量和传质系数并且适应于形式上的经验关联式。

调查研究的结果显示系统的生产率随着通过装置的水的质量流量比的增加而增加。

冷凝器出口水温随着加湿器进口水温的增加而增加,也随着水流量的增加而减少。

加湿器进口水温和水流量越高,冷凝器进口和出口的空气温度和湿度比越大。

运用木石板包装的并通过强制空气循环得到了5.8升/小时的最佳值。

相对于由高水温的强制空气循环得到的海水淡化装置的成果没有重要的改进。

由测量值得到的理论值的平均相对偏差冷凝器进口空气温度是(−0.9%),冷凝器出口湿度比是(3.8%),冷凝器出口水温是(−1%)。

1.简介运用加湿除湿过程的海水淡化已经证明是一个从海水得到淡水的有效的方法。

这项技术有一些优势:像容量的可变性,设施和生产成本的稳定性,简单,并且有应用低温能源的可能。

这个加湿除湿过程比较适合于淡水需求量较少时,现在通用的加湿除湿设备都是非常轻小的机组,包含两个交换器:一个加湿空气的蒸发器和一个回收蒸馏水的冷凝器。

与其他的蒸馏过程相比,大气压力下的加湿除湿过程函数,其中的部分并不服从机械要求。

溶液除湿空调系统的研究综述

溶液除湿空调系统的研究综述

溶液除湿空调系统的研究综述摘要全球能源问题日益凸显,各行业均在提倡节能减排,空调能耗备受关注,而溶液除湿空调系统比传统空调系统更加节能环保。

近年,各国科研人员对溶液除湿空调系统进行了大量的研究。

本文详细论述了溶液除湿空调系统的发展,并详细介绍了国内外科研工作者进行的除湿溶液性能的研究、溶液除湿系统的实验研究和溶液除湿系统的模拟研究,并提出了溶液除湿空调系统未来需要解决的关键问题。

关键字:除湿溶液;实验研究;模拟研究1引言近年来,世界性能源消耗问题越来越受关注,各行各业都在制定措施减少能源系统的二氧化碳排放量。

建筑能耗作为社会总能耗的重要组成部分,建筑节能也成为了倡导节能减排政策、实现社会可持续发展的重要工作之一。

根据国际能源署发布的报告,空调系统用能占建筑总能耗的最大比重,预计到2050年,空调系统用能将占全球总能耗的30%。

预计2016-2050年,全球制冷能源消耗姜总850GW增长至3350GW,二氧化碳排放量增加一倍。

因此,必须使用节能环保的空调系统来满足日益增长的制冷需求,同时减少碳排放。

目前,传统空调系统普遍采用的热湿处理方式是通过空气冷却器对空气进行冷凝除湿降温,同时除去室内热负荷和湿负荷,虽然起到了一定的排热排湿效果,但是这种热湿耦合的空气处理方式却存在诸多弊端。

空调系统送风需要满足室内的排湿要求,传统空调采用表冷器对空气进行冷却和冷凝除湿,那么冷源的温度需要低于室内空气的露点温度。

一般空调显热负荷约占总负荷的50%-70%,而潜热负荷约占30%-50%。

在冷凝除湿方式中,占比一半以上的显热负荷本可以通过较高温度的冷源排除,但却由于占比较小的潜热负荷的存在,要与其共用低温冷源进行处理,造成了能量利用品位上的浪费。

在一些公共建筑中,人员发生大幅变化时会造成热湿比变化幅度过大,传统空调的冷凝除湿方式只能适应于热湿比在较小范围内波动的情况,热湿比幅度变化较大时若依然采用传统冷凝除湿方式,必然会引起湿度或者温度不能满足需求。

真空制盐输盐系统除湿设计

真空制盐输盐系统除湿设计

Dehumidifying Design of Salt Transportation System of VacuumSalt Making SystemPu Ming(CNSIC Yulin Salt and Chemical Co.,Ltd Yulin Shanxi 719009)Abstract:Due to the steam filled in the air in the wet salt transportation belt room and the condenser drops from the roof of the room which makes wet salt transportation become the worst working process in CNSIC Salt and Chemical Company.Through study ,research and according to the actual situation,we designed and installed a set of dehumidifying system after calculation of the wind speed,wind volume ,wind resistance and network layout in detail in 2012which gets ideal effect.Key words:dehumidifying,network,wind speed,wind volume,dehumidifying effect摘要:中盐榆林盐化有限公司600kt/a 真空制盐湿盐输送皮带间水蒸汽散发弥漫,工房顶上的凝结水到处滴洒,使湿盐输送成为工作环境、工作条件最差的工序。

通过调研、考察,2012年,结合实际情况,经详细的管网布置,风速、风量、风阻计算,设计安装了一套除湿装置,投运后取得了非常理想的除湿效果。

双热质耦合加湿除湿海水淡化性能试验分析

双热质耦合加湿除湿海水淡化性能试验分析

第37卷,总第214期2019年3月,第2期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.37,Sum.No.214Mar.2019,No.2 双热质耦合加湿除湿海水淡化性能试验分析汲 超,韩 东,王景炎(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏 南京 210000)摘 要:基于加湿除湿海水淡化技术,采用直接接触式除湿方法,设计了双热质耦合加湿除湿海水淡化装置。

构建了相关的试验系统,并对海水淡化装置的热力性能进行了试验测试,获得了双热质耦合加湿除湿海水淡化系统设计工况点下的热力性能,并对海水流量、空气流量和气体分布器与海水淡化系统性能的依变规律进行了研究。

测试结果表明:在双热质耦合加湿除湿海水淡化系统设计工况下,装置造水量和单位体积造水量分别达到5.3kg·h-1和16.56kg·m-3·h-1;产水量随着海水流量增加先增加12.5%后减小20.6%;减小空气流量装置的造水量减小了9.7%;加湿器引入气体分布器,装置的产水量增加11.3%。

关键词:传热传质;加湿除湿;海水淡化;热力学性能;试验;节能中图分类号:P747 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)02-0134-06 Performance Analysis Experimentally of a Dual Heat and Mass Transfer Coupled Humidification Dehumidification DesalinationJI Chao,HAN Dong,WANG Jing-yan(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210000,China)Abstract:A dual heat and mass transfer coupled humidification dehumidification(HDH)desalination device by direct contact dehumidification method was designed based on the humidification dehumidifica⁃tion desalination technology.The thermal performance of dual heat and mass transfer coupled HDH desal⁃ination system under the design conditions was obtained by experiment.The effect of seawater flow rate, air flow rate and gas distributor on the performance of the HDH desalination system were also experimen⁃tally studied in this paper.The experimental results indicate that under the design conditions of dual heat and mass transfer coupled HDH desalination system,the total water yield of the HDH desalination unit and the water yield per unit volume of the device can reach5.3kg·h-1and16.56kg·m-3·h-1.The water yield of the desalination unit increases by12.5%first and then decreases by20.6%,with increas⁃ing the seawater mass flow rate.Reducing the air mass flow rate,the water yield of the unit decreases by 9.7%.The water yield of the unit increases by11.3%due to the application of the gas distributor in the humidifier.Key words:heat transfer and mass transfer;humidification dehumidification;desalination;thermody⁃namic properties;experiment;energy conservation收稿日期 2018-07-15 修订稿日期 2018-08-22基金项目:国家自然科学基金项目(51406081)作者简介:汲超(1990~),男,硕士研究生,主要从事热质同传研究。

加湿湍流扩散燃烧特性的实验与数值研究

加湿湍流扩散燃烧特性的实验与数值研究

绪论
1.1 研究背景
为了提高能源的利用效率同时适应现在越来越严格的环境保护要求 对于 高效清洁能源利用方式的需求日益受到重视 轮机循环 湿空气透平循环 注蒸汽燃气轮机循环 注水燃气
HAT 循环 等先进热力循环成为人们研究的重点 该系统不但利用了循环中 同时使压气机出口的
其中 HAT 循环被称为 21 世纪的先进循环动力系统 的热量 空气湿化
IV
上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明 所呈交的学位论文 独立进行研究工作所取得的成果
是本人在导师的指导下
除文中已经注明引用的内容外
本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 标明 均已在文中以明确方式
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担
而且还利用了燃气轮机排气向饱和器提供热水 含有水蒸汽的空气依次通过回热器
进入燃烧室燃烧后进入涡轮
湿空气增加的质量流量和混合气所具有的高比焓提供了额外的动力而不需要从 涡轮获得额外的压缩功 这样就提高了效率和增加了动力输出 在此类循环的
燃烧过程中存在大量水, 水蒸汽,或者接近饱和状态的湿空气, 我们称这些燃烧过 程为加湿燃烧过程. 加湿燃烧过程增加了燃气轮机燃烧过程的复杂性 详细了
中对化学平衡模型和层流小火焰模型计算的结果进行了比较 计算比较了不同进口含湿量情况下燃烧室内的温度场 速度场 以及 H2O O 和 OH 的组份浓度场 研究发现 随着水蒸汽浓度的 升高 燃烧室内的最高温度有所下降 O 自由基的浓度下降而 OH 作者还介绍了 NOX 的生成机理并从化学反应机
自由基的浓度升高
III
上海交通大学硕士学位论文
摘要
to investigate the mechanism of humid air combustion. During the design process, the author placed high premiums on the following two aspects. First, research on the mechanism of humid air combustion can be carried out with this facility. Secondly, it will be convenient for the application of advanced laser diagnostics during the experimental research of combustion flow field and non-reactive flow field. Different modeling methods for turbulent combustion have been studied in this paper in order to select advisable model for the numerical simulation. Using the data of the designed experimental facility, methane/air turbulent diffusion flames have been simulated with the commercial CFD software packages FLUENT under three different humidity (the moisture level is 0%, 5% and 10% respectively). During the process of the numerical simulation, partial-equilibrium model and flamelet model were compared with each other. The temperature field, velocity field, H2O, O and OH concentrations was compared under different moisture lever of inlet air. Higher moisture level will lower the highest temperature and the O mass fraction will decrease while the OH mass fraction will increase. The author also introduced the formation mechanism of NO X and the influence of O and OH elements on combustion and the formation of NO X. Key Words: humid air combustion, laser diagnostics, turbulent diffusion combustion, chemical reaction, numerical simulation

加湿除湿技术用于高盐工业废水脱盐的实验研究

加湿除湿技术用于高盐工业废水脱盐的实验研究
Abstract: Thirty-four different water samples of highsalt industrial wastewater were desalinated by humidification-dehumidification and evaporation experiments. Based on the experimental results, the feasibility study of the universal application of the humidification-dehumidification technology in actual industry is conducted. Combining with the water quality
展 介 绍
1436
同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)
第 49 卷
为对高盐废水的水质适应性更好,废水经蒸发处理 后减量可达原废水体积的 90%~98%[5],且盐类物 质可以结晶析出等优点,是目前现有的,应用范围最 广、最安全,所得处理出水水质较好的含盐废水蒸发 方法。
根据工艺条件和流程的不同,热蒸发法分为多 级闪蒸、机械蒸汽再压缩技术、真空蒸发技术、低温 多 效 蒸 发 和 加 湿 除 湿 (humidification and dehumidification,HDH)蒸发等技术[6]。前三者受变 压控制和设备的密封性等限制,操作运行较为复杂, 设备成本较高。低温多效蒸发设备庞大,热效率尚 待提高。在加湿除湿蒸发中,盐水和干空气在加湿 装置里直接接触,水分蒸发进入空气导致空气被加 温加湿,盐类等杂质被留在废水中;携带水分和热量 的空气又经冷凝除湿,析出淡水,完成高盐废水的脱 盐[7]。该技术在一个相对低温、常压的运行条件下, 以规模灵活多变、设备运维要求低的工艺体系,即可 稳定地完成对各种高盐废水的脱盐处理[8-9]。

溶液调湿空调冬季加湿特性实验

溶液调湿空调冬季加湿特性实验

溶液调湿空调冬季加湿特性实验牛润萍;孟富强;王紫叶;王世政【摘要】The performance of liquid desiccant air-conditioning system was improved by studying the humidity-humidifying characteristics of the humidified air conditioner. The experimental test was carried out to reduce the performance of liquid desiccant air conditioning in winter. The effects of inlet parameters and air inlet parameters on humidification performance of air conditioners were analyzed. And then the humidification performance was evaluated by humidifying amount and humidification efficiency. The results showed that: Humidifing efficiency and Humidifing amount increased with the flow of liquid and Humidifing amount of the inlet air; they decreases with the increased of the Humidifing amount of air and the concentration of inlet liquid. The increase of inlet air flow makes the Humidifing amount increase and the Humidifing efficiency decreases. Therefore, it can be concluded that increasing the flow of liquild and the Humidifing amount of inlet air temperature can improve the performance of liquid desiccant air-conditioning system.%目的研究溶液调湿空调冬季加湿特性, 改善空调系统冬季加湿性能.方法搭建溶液调湿空调系统, 在冬季工况下进行实验测试, 分析溶液入口参数、空气入口参数对调湿式空调加湿性能的影响规律;采用加湿量和加湿效率评价指标对其加湿性能进行评价分析.结果加湿效率和加湿量随着溶液流量和进口空气温度含湿量的增加而增加;加湿效率和加湿量随着空气含湿量和进口溶液质量分数增加而下降;进口空气流量的增加使得加湿量增加而加湿效率减少.结论适当增加溶液流量和进口空气温度含湿量可以改善溶液调湿空调冬季加湿性能.【期刊名称】《沈阳建筑大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2018(034)003【总页数】8页(P542-549)【关键词】环保节能;加湿实验;加湿量;加湿效率;溶液调湿空调系统【作者】牛润萍;孟富强;王紫叶;王世政【作者单位】北京建筑大学环境与能源工程学院,北京 100044;北京建筑大学环境与能源工程学院,北京 100044;北京建筑大学环境与能源工程学院,北京 100044;北京建筑大学环境与能源工程学院,北京 100044【正文语种】中文【中图分类】TU831随着工业水平的不断发展和人民生活水平的不断提高,人们对自己生活和工作的环境的品质要求也不断提高,优质的工作生活环境带来了更大的能源消耗,工业的发展为社会提供更多能源的同时也给生态环境带来了污染和破坏.近年来,我国大部分城市出现了严重的雾霾天气,直接威胁到了全国绝大部分人口的生活和健康,国家在治理这种恶劣天气的过程中也付出了巨大代价[1].这主要是由于人们对居住环境要求的提高使得建筑能耗在我国社会总能耗当中占有的比例不断上升[2],其中建筑相关的能耗将要达到社会总能耗的46.7%[3].据统计,在建筑能耗当中空调系统能耗又占据着建筑能耗非常大的比重,将近建筑能耗的50%左右,在空调系统当中大约有40%~60%的能耗用于空调系统的加湿和除湿处理过程[4].对空调系统节能的研究具有重要意义,而溶液调湿空调系统可以利用低品位的能源降低能源消耗,在运行机理上比传统空调更有节能优势,因此在空调节能方面溶液调湿空调系统成为研究的突破口.除此之外,我国北方地区冬季和春季是一年当中最干燥的季节,此时加上冬季采暖和空调的使用使得室内的空气更加干燥,过于干燥的室内环境容易使人生病,影响身体健康,所以冬季对室内进行加湿有利于人们的生活质量提高.溶液调湿空调系统不仅具有对室内空气除湿的功能同时还具有加湿的功能,因此对溶液调湿空调系统的加湿研究越来越受到广泛的关注[5].在溶液除湿空调系统当中溶液和空气作为系统运行的重要组成部分,很多研究者对溶液调湿空调系统的再生器进口处的溶液和空气性能参数对空调除湿性能进行了大量研究:黄志甲等[6]对溶液除湿系统中的传热传质过程进行研究,得出了其中的耦合关系,并通过建立数学模型来进行模拟;王敏等[7]对溶液除湿系统中的传热传质过程进行了热力学分析,构建了相关的数学和物理模型进行数值模拟,并且对进口参数对除湿效果影响规律进行了分析;Sun Jian[8]等人对逆流型降膜除湿进行了模拟,得出了三种提高空调系统除湿性能的方法;Zhang L Z,钱俊飞以及Moon C G 等[9-11]都对叉流除湿器进行了研究,得出线管的关联式并且提出了相关的理论.虽然对溶液调湿系统入口参数对系统性能的研究不断加深,但是目前研究的的内容大多数都是对空调系统夏季溶液除湿性能的研究,对于冬季利用溶液调湿空调系统进行加热和加湿的实验研究和相关的实验数据研究的较少.基于此,笔者对溶液调湿空调系统进行实验研究,并对实验得出的数据进行分析,得出进口溶液和进口空气参数对系统加湿性能的影响规律;可选用加湿量和加湿效率两个指标作为评价空调系统的加湿性能,笔者所得结论可以为改善相同类型的溶液除湿系统的加湿性能提供借鉴.1 热泵驱动的溶液除湿空调系统笔者使用一种热泵驱动的溶液除湿空调系统,将传统的压缩式制冷系统中的空调部件与溶液除湿空调系统中的空调部件结合起来,采用蒸发式冷凝器作为压缩式制冷系统和溶液除湿空调系统的结合部件.蒸发式冷凝器可以用于除湿溶液的再生,也可以用于传统压缩式制冷空调系统中制冷剂的放热.调湿式蒸发器是除湿溶液的除湿部件,同时也是传统压缩式制冷系统中制冷剂的吸热部件[12-13].传统的压缩式制冷空调系统利用蒸发式冷凝器的传热传质原理是把系统当中的除湿溶液喷淋在蒸发器的盘管上,利用除湿溶液来吸收空气当中的湿负荷,利用蒸发器上水分蒸发生成的冷量消除空气的显热负荷,从而实现对新风冷却除湿的处理过程;同样笔者采用系统中冷凝器也是利用同样的原理,利用冷凝热量对除湿溶液进行再生,这样就减少了溶液除湿系统当中用于除湿溶液再生的所需要的系统能耗.溶液调湿空调系统实现了压缩式制冷空调系统当中冷凝器排放的热量和蒸发器排放的冷量的综合利用,该空调系统的结构示意图如图1 所示.图1 溶液调湿空调系统Fig.1 Liquid desiccant air-conditioning system diagram2 溶液调湿空调系统实验研究2.1 实验目的笔者对系统冬季工况进行实验测试,在实验室通过改变进口溶液和空气的参数,来测试影响出口溶液和空气的参数,然后对实验数据进行整理,最后总结出进口溶液和空气的参数对系统加湿性能的影响规律,实验得出的传热传质规律有助于改善相似产品的性能.2.2 实验方法和实验参数笔者在实验开始前用恒温槽将预先配置好的氯化锂溶液送入到再生式蒸发冷凝器和调湿式蒸发器的水箱里面,之后再打开压缩机开始对压缩机进行预热,等到系统的压力正常以后开启风机,然后再开启循环水泵进行测试.测试数据需要在一个相对稳定的工况下测量得到,所以需要系统首先运行一段时间以后待系统稳定的时候,测量得到的数据认为是可靠有效的.同时为了得到稳定可靠的数据,需要其他辅助的设备或者人为进行调控实验.实验具体调控的方法如下.(1)空气温度调节:通过调节电加热的摆放的位置和调节电加热的档位数;(2)空气流量调节:通过调节变频器的频率和调节进风口栏栅的遮挡程度;(3)空气的含湿量调节:通过调节加湿器的摆放位置和调节空气加湿器的档位数;(4)溶液流量调节:改变球形阀的开度;(5)溶液的质量分数调节:向溶液中添加溶质或者溶剂;(6)溶液温度调节:调节恒温槽的设定温度.每1组的实验参数如表1所示.2.3 评价方法在溶液除湿空调系统的除湿和再生装置中,温度差和水蒸气的分压力分别为传热和传质的驱动力.系统当中的空气和溶液之间进行传热传质的过程是一种热湿耦合的过程,传热和传质过程相互之间是存在影响的,目前用来评价溶液除湿系统的除湿装置和再生装置性能的方法主要有两个[14].(1)总量评价法总量评价法指评价加湿量的大小,计算式为mw=Ma(ωa,in-ωa,out).(1)式中:mw 为加湿量,即水分蒸发量,g/s;ωa,in 进口空气含湿量,g/kg;ωa,out出口空气的含湿量,g/kg;Ma 为空气流量,m3/s.(2)传热传质效率法一般采用加湿效率来表示溶液对空气加湿过程进行的充分程度[15-16].加湿效率的表1 不同实验进口参数Table 1 Different experimental import parameters实验空气流量/(kg·s-1)溶液流量/(kg·s-1)空气干球温度/℃空气含湿量/(g·kg-1 )溶液温度/℃溶液质量分数/%实验10.2510.33315.24.08216.25240.3640.33315.24.08216.25240.3190.33315.24. 08216.25240.3830.33315.24.08216.25240.4090.33315.24.08216.2524实验20.3090.34814.53.62216.50240.3090.63514.53.62216.50240.3090.77614.53. 62216.5024实验30.3080.36413.83.87917.05240.3080.36414.43.87917.05240.3080.36415.33. 87917.05240.3080.36416.23.87917.05240.3080.36417.33.87917.05240.3080. 36418.83.87917.0524实验40.3060.34815.43.63116.75240.3060.34815.44.2416.75240.3060.34815.45.0 0216.75240.3060.34815.45.69716.7524实验50.2980.33314.23.52715.65240.2980.33314.23.52716.33240.2980.33314.23. 52718.57240.2980.33314.23.52720.4224实验60.3100.34814.63.70817.56240.3100.34814.63.70817.56270.3100.34814.63. 70817.5630(2)式中:εY为加湿效率;ωs,in 为溶液入口等效含湿量,g/kg;ωa,in为进口空气含湿量,g/kg;ωa,out为出口空气含湿量,g/kg.3 实验结果和分析3.1 进口空气质量流量的影响图2表示空气质量流量变化时的加湿量和加湿效率变化的趋势.实验条件见表1中由图2可以看出,随着空气流量的增加,加湿效率减小而加湿量增大.由此表明加湿量和加湿效率变化趋势并不是在任何情况下都相同的,所以不能只用加湿量或者加湿效率一个指标来评价一个系统的加湿性能.出现以上情况是因为当空气流量增加时,溶液和空气之间的传热传质系数也随之增加,空气和溶液之间的进行传热传质的时间变短,交换过程不能够充分进行,所以会导致出口的含湿量减少,进、出口的空气的含湿量差减小,加湿效率随着空气流量增加而减小[17-19].随着进口处空气流量增加空气进出口含湿量差值变化较小,加湿量随进口空气质量流量的增加而增加.图2 加湿量和加湿效率随空气流量变化Fig.2 The humidification amount and humidification efficiency when air flow rate changes3.2 进口溶液流量的影响图3描述了加湿量、加湿效率随着喷淋溶液流量的变化趋势.实验条件见表1中的实验2.图3 加湿量和加湿效率随溶液流量变化Fig.3 The humidification amount and humidification efficiency when the solution mass flow rate changes由图3可以看出,随着溶液质量流量的增大,加湿量和加湿效率均增大.随着溶液流量增加,溶液的喷淋流量变大,溶液流量增加就会优化换热管表面的溶液膜层的分布情况,增强溶液和管内制冷机的热交换程度,管内的制冷剂和管外的溶液进行热交换的热量增大,溶液进出口温度变大;溶液的表面平均温度升高,溶液的表面压力升高,空气的水蒸气压力不变,溶液的表面压力和水蒸气的压力差变大,导致空气出口含湿量变大[20].空气质量流量不变,溶液质量流量增加,空气的进、出口含湿量差增大,加湿量和加湿效率跟随着溶液质量流量增加而增加.3.3 进口空气温度的影响图4描述了加湿量、加湿效率随着进口空气温度的变化趋势.实验条件见表1中的实验3.图4 加湿量和加湿效率随进口空气温度变化Fig.4 The humidification amount and humidification efficiency when the inlet air temperature change由图4可知,随着进口空气温度的升高,加湿量和加湿效率都是随之升高的.因为空气与溶液之间的温度差减小,导致溶液的平均温度升高,溶液表面温度的升高会升高溶液表面蒸汽压力,溶液表面的蒸汽压力和水蒸气压力差变大加强了溶液和空气之间的传质驱动力,导致溶液向空气进行的传质增加,出口空气含湿量增加.空气温度升高会使出口空气的当中的含湿量增加,空气进、出口的空气含湿量差也会随着增大,导致加湿效率变大,空气流量不变加湿量也变大.3.4 进口空气含湿量的影响加湿量和加湿效率随着进口空气含湿量的变化趋势如图5所示.实验条件见表1中的实验4.图5 加湿量和加湿效率随进口空气含湿量变化Fig.5 The humidification amount and humidification efficiency when inlet air moisture content changes由图5可以看出,随着进口空气的含湿量增加,加湿量、加湿效率呈现下降趋势.当空气入口含湿量增大时,空气当中的水蒸气分压力和溶液表面的蒸汽压力差变小,溶液和空气之间的传质驱动力变小,所以加湿效率下降[21].进口空气当中的含湿量增加,空气吸收水分的能力减小,但是空气当中的含湿量仍然小于溶液当中的等效含湿量,所以在交换过程中空气当中的含湿量仍然增加,空气流量不变的情况下含湿量差变小,加湿量也随之减小.3.5 进口溶液温度的影响图6描述了进口溶液温度变化时加湿量、加湿效率的变化趋势.实验条件见表1中的实验5.由图6可知,随着进口溶液温度的不断变大,加湿量、加湿效率趋势都是随之升高.进口溶液的温度升高,进口溶液表面的等效含湿量也会因为温度升高随之变大,溶液和空气之间的含湿量差值变大,传质驱动力也随之增大.空气流量不变,溶液和空气传质程度增加,空气出口含湿量增加,进出口的含湿量差变大,出口空气的加湿量和空气的含湿量都随进口溶液的温度升高而变大.对溶液和进口空气提高同样温度的情况下,提高溶液的温度要比升高空气温度对加湿效果更加显著.从图中可以看出,溶液温度和空气温度同样提高5 ℃的情况下,溶液的含湿量因为溶液温度的增加的影响而增加了0.186 8 g/kg、加湿量增加了0.049 8 g/s,空气的含湿量因为空气温度的增加而增加了0.831 g/kg 、加湿量增加了0.244 8 g/s.溶液表面等效含湿量的增加直接受到溶液的温度增加的影响,溶液温度升高增加溶液和空气之间的传质驱动力[22-23].图6 加湿量和加湿效率随进口溶液温度变化Fig.6 The humidification amount and humidification efficiency when inlet solution temperature changes加湿效率同样会随着溶液的温度升高而增大,因为溶液温度升高导致空气进、出口含湿量差值增大,相当于式(2)中的分子变大.同时进口空气的含湿量不变,溶液表面的等效含湿量随着溶液温度升高而增大,两者之间含湿量差值增大,相当于式(2)中的分母也变大,两种含湿量差都增大的结果是加湿效率增大.所以加湿效率会随着溶液温度的升高而变大,而且当溶液和空气提升相同的温度时,升高溶液温度更加能够影响系统的加湿性能.3.6 进口溶液质量分数的影响图7图描述了进口溶液质量百分比浓度升高时加湿量、加湿效率随着的变化趋势.实验条件见表1中的实验6.图7 加湿量和加湿效率随进口溶液质量分数变化Fig.7 The humidificationamount and humidification efficiency when imported solution concentration changes由图7可以看出,随着进口溶液质量分数的增大,加湿量和加湿效率都降低.溶液的溶质质量百分比不断增大的过程中,溶液的表面等效含湿量会随质量浓度增大而减少,溶液含湿量和空气的含湿量之间的差值减小,两者之间的传质驱动力也减小,溶液向空气中传递的湿量减少,空气出口含湿量就会降低;空气质量不变的情况下,进、出口空气的含湿量差变下加湿量变小.对于加湿效率,进口处的溶液等效含湿量变大,空气含湿量不变,两者的差值变大,出口空气的含湿量降低,进、出口空气的含湿量差值变小,导致加湿效率变小.所以可以得出溶液质量分数增加会减小溶液和空气之间的传质能力.4 结论(1)当空气流量的增加时,溶液调湿空调系统的加湿量增加但是溶液调湿空调系统的加湿效率下降,两者变化的趋势相反因此不能单独用加湿量单一指标来评价系统的加湿性能,需要综合考虑两个指标.(2)增大喷淋流量,升高进口空气温度和含湿量都会使得加湿量、加湿效率上升.(3) 进口溶液温度和进口空气温度都升高相同温度时,溶液温度相比于空气的温度对系统的加湿性能影响更大,所以增加进口溶液的温度更加有利于提高室内舒适度.(4)进口溶液质量分数越高越不利于系统加湿性能,应适时向系统中补充水量以维持其加湿性能.参考文献[1] 刘浩强.建筑施工对雾霾天气的影响及防治建议[J].砖瓦,2015(4):53-56.(LIU Haoqiang. 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DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.04.009加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究从硕,陈佳明,蔡景成,孙瑞松,董建华,郭飞(大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连 116024)摘 要:基于加湿除湿(HDH)原理,搭建在低温常压下运行的新型脱盐系统,详细介绍系统的结构和工作原理. 在相关假设的基础上对加湿除湿过程进行热力学分析,开展空气循环体积流量、进料体积流量和料液温度等操作参数对系统产水性能影响的实验研究. 实验结果表明,系统产水量随着料液温度和进料体积流量的增加而增大;与预期相反,系统产水量随空气循环体积流量的增加而先增大后减小;当进料体积流量为60 L/h 、料液温度为57 °C 、空气循环体积流量为180 m 3/h 时,系统最大产水量和脱盐率分别达到1.7 kg/h 、大于99.99%;当料液温度为38 °C 时,系统最大造水比和单位体积产水能耗分别为3.8、166 kW·h/m 3. 由于具有结构紧凑、模块化设计、操作简单、维护成本低、可以与可再生能源结合等特点,该系统在海水淡化领域颇具竞争力. 上述研究表明,该系统虽然有很大的提升空间,但很有希望应用于分散式小规模淡水生产.关键词: 加湿除湿;脱盐;热力学分析;造水比;单位体积产水能耗中图分类号: P 747 文献标志码: A 文章编号: 1008−973X (2019)04−0684−08Thermodynamic analysis and experimental study on humidification-dehumidification desalination systemCONG Shuo, CHEN Jia-ming, CAI Jing-cheng, SUN Rui-song, DONG Jian-hua, GUO Fei(School of Energy and Power Engineering , Dalian University of Technology , Dalian 116024, China )Abstract: A novel desalination system operated at low temperature and atmospheric pressure was constructed basedon the mechanism of the humidification-dehumidification (HDH) process. The configuration and working principle of the system were described. The thermodynamic theories of the HDH process were analyzed based on assumptions.The effect of the operating parameters on the performance of the desalination system was analyzed, including the air circulation flow rate, the feed flow rate and the solution temperature. The experimental results indicated that the water yield of the system increased with the solution temperature and the feed flow rate. The water yield was observed to increase first and then decrease by increasing air circulation rate contrary to expectation. At the feed flow rate of 60 L/h, the feed temperature of 57 °C, and the air circulation rate of 180 m 3/h, the maximum yield and salt rejection ratio of the system can reach 1.7 kg/h and more than 99.99%, respectively. When the feed temperature is 38 °C, the maximum gained output ratio and specific thermal energy consumption of the system can reach about 3.8and 166 kW·h/m 3, respectively. It’s a competitive technology for the seawater desalination field due to the advantages of compact structure, modular design, easy operability, low maintenance cost, and great compatibility with renewable energy. Results show that the proposed system has great promise for decentralized small-scale water production applications, although it still has much room to be improved.收稿日期:2018−08−30. 网址:/eng/fileup/HTML/201904009.htm基金项目:大连市青年科技之星资助项目(2017RQ027);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(DUT17JC05).作者简介:从硕(1994—),男,博士生,从事海水淡化的研究. /0000-0002-7969-2470. E-mail :congshuo@通信联系人:郭飞,男,教授,博导. /0000-0002-1802-6490. E-mail :feiguo@第 53 卷第 4 期 2019 年 4 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.53 No.4Apr. 2019Key words: humidification-dehumidification; desalination; thermodynamic analysis; gained output ratio; spe-cific thermal energy consumption目前,常用的海水淡化技术有反渗透法、低温多效蒸馏、多级闪蒸等[1-3]. 反渗透法是在高压泵的作用下,水分子通过反渗透膜实现盐与水的分离[4];该方法需要持续地提供电能或机械能,且随着料液浓度的增大,高压泵做功增加导致处理成本增加,产水品质下降,膜的使用寿命缩短,浓缩后的料液无法进一步处理[4-5]. 传统的多效蒸馏式和多级闪蒸式技术往往因一些共性问题而难以商业化推广使用. 1)装置庞大复杂、体积大、投资成本高;2)随着料液浓度的增加,蒸发器内部表面会产生严重结垢和腐蚀的问题,装置传热效率降低,这对材料的耐高温、耐腐蚀性能提出很高的要求,污垢处理和装置维护成本增加[6-7].加湿除湿技术(humidification- dehumidifica-tion,HDH)是一种新型的热法脱盐技术[8-11]. 该技术模拟自然界的降雨循环过程,以流动空气作为水蒸气的载体,空气在加湿系统内与热料液进行热质交换;空气被升温加湿后,携带一定量的水蒸气后进入除湿系统除湿,利用空气的湿度差,多余的水蒸气冷凝成淡水,剩余料液达到浓缩的效果[12]. 与其他技术相比,HDH脱盐技术具有结构设计简单、设备投资和操作成本较低、可利用低品位能源或可再生能源等优点[13-14]. HDH脱盐技术在海水淡化、工业废水浓缩、垃圾渗滤液浓缩处理和生活污水处理等领域具有广阔的应用前景.目前,HDH海水淡化的研究主要集中在系统优化、提高产水量、性能评估等方面[10, 15-16]. Nawayseh 等[17]对加湿器中的传热传质系数进行理论评估,给出传质系数随运行参数的变化. Farsad等[18]对采用HDH技术的太阳能海水淡化进行数值模拟研究,建立加湿器、除湿器及其他循环部件的质量和能量守恒方程. Dai等[19]对HDH太阳能海水淡化进行实验研究,结果表明,系统性能与料液温度、料液质量流量、空气质量流量等因素密切相关.加湿器内的空气加湿过程是影响HDH脱盐系统性能及系统优化的关键因素[20]. 近年来,研究者为了提高加湿器的传质系数,开发了喷淋、鼓泡、降膜等多种形式的加湿器. 常泽辉等[21]基于喷淋加湿除湿原理,设计两级多效太阳能苦咸水淡化装置,开展实验和理论研究;结果表明,性能系数最大可以达到2.0左右,装置性能系数的理论计算值和试验测试值吻合较好. 刘忠等[22]基于鼓泡蒸发和空气载湿气液相平衡机理,设计具有多效鼓泡蒸发强化传热传质过程的增湿-去湿太阳能海水淡化系统,性能系数可以达到2.8左右.李正良等[23]基于降膜蒸发与降膜凝结机理,设计建造具有四效回热性能的吸收式太阳能海水淡化系统,性能系数可以达到3.0左右.本文在以往研究的基础上,设计搭建新型的喷淋加湿和填料塔加湿相结合的小型HDH脱盐系统,采用空气和料液双循环的方式进行加湿除湿,提高了加湿效率和能量利用效率. 在相关假设的基础上,对加湿除湿过程中的传热传质进行热力学分析;通过改变空气循环体积流量、进料体积流量、料液温度等运行参数,对系统的产水性能进行实验研究.1 HDH脱盐系统示意图及工作原理1.1 系统示意图系统的结构示意图如图1所示. 该系统由空气加湿系统和空气除湿系统2个循环系统组成,采用风机驱动空气循环流动,采用水泵驱动热料液和冷却水循环流动. 空气加湿系统用于给冷空12345678161718191591413121110T c,2T v,3T c,1T v,4T v,2T v,1T f,2T f,11-冷却水喷淋器;2-除湿器;3-除湿器填料;4-除湿器筛板;5-转子流量计;6-冷却水箱;7-冷却盘管;8-冷却水泵;9-淡水箱;10-蒸发喷淋器;11-加湿器;12-加湿器填料;13-加湿器筛板;14-转子流量计;15-料液泵;16-风机;17-调压器;18-料液箱;19-电加热器图 1 加湿除湿脱盐系统结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of humidification-dehumid-ification desalination system第 4 期从硕, 等:加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究[J]. 浙江大学学报:工学版,2019, 53(4): 684–691.685气升温加湿,包括加湿器、料液泵、流量控制器、风机、电加热器、料液箱;空气除湿系统用于给热湿空气降温除湿,包括除湿器、冷却水箱、冷却盘管、流量控制器、淡水箱.1.2 系统工作原理系统的工作原理如下:料液箱中的料液经电加热器加热至一定温度后,分别经由料液泵和加湿器上部的蒸发喷淋器进入加湿器,流量大小由转子流量计控制;筛板位于加湿器的下部,且与加湿器固定连接,筛板上方放置有多孔填料,喷淋下来的热料液与加湿器内筛板上方的填料发生碰撞、铺展、破碎、飞溅等现象,填料的多孔结构使得填料表面的料液与空气的接触面积大大增加;冷空气由风机驱动经管道进入加湿器的下部,冷空气在加湿器内向上流动的过程中与料液进行热质交换,料液中的部分水分蒸发,以水蒸气的形式和冷空气混合,使冷空气升温加湿,剩余未被蒸发的料液经筛板孔隙流至料液箱,进行下一次循环;升温加湿后的热湿空气经管道进入除湿器下部,在除湿器内向上流动的过程中,与除湿器上部冷却水喷淋器喷淋的冷却水进行热质交换,空气被降温除湿,冷凝产生的淡水与冷却水混合后经筛板孔隙流至淡水箱,被收集起来.由于在系统运行过程中,只有水蒸气能够与空气混合后进入除湿器,而料液中的非挥发性物质如无机盐被留存下来,料液得到进一步浓缩.该小型HDH脱盐系统具有如下特点:1)系统采用喷淋加湿和填料塔加湿相结合,辅之以空气强制流动的工艺方法进行空气加湿,提高了加湿效率;2)系统采用料液和空气双循环流动的方式,除湿后的冷空气进入加湿器循环加湿,未被蒸发的料液继续在加湿器内喷淋蒸发,相应热量得以回收利用,使得系统能耗降低,能量利用效率提高;3)系统在常压下运行,无需真空泵和气液分离器,结构简单,制造成本低;4)系统对料液温度的要求不高,在料液温度较低(< 40 °C)时系统也可运行,产水量和产水品质稳定、可靠.2 小型HDH脱盐性能测试系统小型HDH脱盐系统的实物图如图2所示,底面尺寸为50 cm×60 cm,总体高度为145 cm. 该系统的加湿器和除湿器结构相同,为了方便实时观察加湿器喷淋加湿和除湿器除湿冷凝的情况,壳体均采用PMMA材质的透明管材,外径为20 cm,内径为19 cm,高度为50 cm,具有耐高温(软化温度为80~95 °C)、耐酸碱腐蚀、耐盐腐蚀的优点.填料均选用PP多面空心球,直径为3.8 cm,填料堆积高度为20 cm,具有高孔隙率(87%)、高比表面积(325 m2/m3)、耐高温(软化温度为80~100 °C)、耐腐蚀等优点. 连接管道选用PVC管材,外径为16 cm,内径为15.4 cm,密度小、耐酸碱、耐高温(软化温度为80~85 °C),有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力. 料液箱和淡水箱选用PP材质,具有较好的耐高温性. 风机选用耐高温、耐潮湿的管道式风机,料液泵选用隔膜增压泵(EC-103-75,佛山三角洲电器科技有限公司).在试验测试过程中,选用电加热器对料液箱中的料液进行加热,料液温度由智能温控仪(上海民熔电气有限公司)进行控制. 加湿器上部的热料液进口和下部的热料液出口分别布置有温度传感器,除湿器上部的冷却水进口和下部的冷却水出口分别布置有温度传感器,温度由温度巡检仪(MIK5700,杭州美控自动化技术有限公司)进行实时监测记录. 进料体积流量和冷却水流量均由转子流量计(LZB-10WB,常州双环热工仪表有限公司)控制. 空气循环体积流量由调压器调节风机工作电压控制,实现无极调速,循环风速由风速仪(DT-8893,深圳华盛昌机械实业有限公司)进行监测记录.3 性能测试及评价3.1 系统性能测试3.1.1 系统最优空气循环体积流量测试 在实验过程中,选用自来水作为料液和冷却水,使用电20 cm20 cm料液箱冷却水泵温度控制器风机调压器加湿器料液泵除湿器淡水箱图 2 小型加湿除湿脱盐实验系统Fig.2 Small scale humidification-dehumidification desalina-tion experimental system686浙 江 大 学 学 报(工学版)第 53 卷加热器加热料液,通过智能温控仪使进入加湿器的热料液温度控制为(55±1)°C,调节进料体积流量为10 L/h,冷却水循环体积流量为50 L/h,冷却水温度控制为20~25 °C,调节调压器使得系统空气循环体积流量分别为20、70、110、145、180、215、240 m3/h.具体实验步骤如下. 在实验运行前,巡检系统,保证管道连接、阀门连接和温度传感器布置正常;分别记录淡水箱和料液箱初始液位;将风速仪置于系统连接管道内部,调节风机输入电压,使得空气循环体积流量为实验所需值;开启热水泵和电加热器,待进入加湿器的热料液温度达到实验所需值时,开启冷却水泵和风机,调节进料体积流量和冷却水循环体积流量,由温度记录仪连接计算机,使用软件每隔60 s记录一次数据;实验稳定运行1 h后停止,待液面平稳后,记录淡水箱终止液位.3.1.2 系统最优循环进料体积流量测试 在实验过程中,选用自来水作为料液和冷却水,选用电加热器加热料液,通过智能温控仪使进入加湿器的热料液温度控制为(55±1)°C,调节冷却水循环体积流量为50L/h,冷却水温度控制为20~ 25 °C,系统空气循环体积流量为180 m3/h,调节转子流量计使得进料体积流量分别为10、20、30、40、50、60 L/h. 具体实验步骤同上.3.1.3 料液温度对系统性能影响测试 在料液温度对系统性能影响的测试过程中,选用海水作为料液,2018年4月14日取自大连星海湾(东经121°57′,北纬38°88′),总盐质量分数约为3.5%.在实验过程中,选用去离子水为冷却水,调节冷却水循环体积流量为50 L/h,冷却水温度控制为25~27 °C,系统空气循环体积流量为180 m3/h,进料体积流量为60 L/h,调节智能温控仪使进入加湿器的热料液温度分别为35、38、41、43、47、52、57 °C. 具体的实验步骤同上.3.2 热力学分析对于该小型HDH脱盐系统,为了便于开展产水量的理论计算,进行如下简化. 假定系统内部大气压始终保持为1个大气压;忽略填料与壳体之间的导热及辐射换热;假定系统为封闭系统,无空气进出系统;假定料液中不存在不凝结气体.系统在运行过程中,输入系统的能量可以由下式进行计算:Q sys,inρfq V,f h f,1h f,2c p,f式中:为输入系统的总能量,为实验温度下料液的密度,为进料体积流量,为流入加湿器的料液的质量焓,为流出加湿器的料液的质量焓,为料液比定压热容,T f为料液的温度.比定压热容可以由下式[24]进行估算:在系统加湿过程中,加湿器内的热料液与冷空气进行换热,则加湿器中冷空气获得的换热量为Q v,1q V,v h v,1h v,2c p,v式中:为冷空气获得的总能量,ρv为空气的密度,为空气循环体积流量,为流入加湿器的空气的质量焓,为流出加湿器的空气的质量焓,为空气比定压热容,T v为空气的温度.在系统除湿过程中,除湿器内的冷却水与热湿空气进行换热,则除湿器中的能量平衡方程为Q v,2h v,3h v,4Q condρcondq V,condh c,1h c,2c p,c式中:为热湿空气释放的总能量,为流入除湿器的空气的质量焓,为流出除湿器的空气的质量焓,为冷却水获得的总能量,为实验温度下冷却水的密度,为冷却水循环体积流量,为流入除湿器的冷却水的质量焓,为流出除湿器的冷却水的质量焓,为冷却水比定压热容,T c为冷却水的温度. 系统在理想条件下的所产淡水流量[21]为J f,p h f,p式中:为系统产水量,为实验温度下水的汽化潜热. 其中,水的汽化潜热可以通过经验公式[25]计算:式中:T w为冷凝温度.3.3 性能评价指标系统利用加湿除湿原理进行海水淡化,运行过程中的传热传质过程比较复杂,包括电加热器第 4 期从硕, 等:加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究[J]. 浙江大学学报:工学版,2019, 53(4): 684–691.687和料液之间的传热、热料液与冷空气之间的传热传质、热湿空气与冷却水之间的传热传质以及冷却水与水箱的传热过程. 采用系统单位时间产水量、脱盐率、单位体积产水能耗和造水比,衡量该小型HDH脱盐系统的产水性能及能量利用效率.系统的脱盐率(salt rejection ratio,R s)是衡量系统所产淡水品质的重要指标,由下式计算:c p c f式中:、分别为产水和料液中的总溶解固体量.系统的单位体积产水能耗(specific thermal en-ergy consumption,STEC)是衡量小型HDH脱盐系统性能的重要指标之一,为系统生产单位体积淡水所需要的热能量(kW·h/ m3),可以由下式[26]计算:ρp式中:为所产淡水的密度.除了STEC以外,造水比(gained output ratio,GOR)是衡量小型HDH脱盐系统性能的另一重要指标,为有用热量与系统总输入能量的比值,用于评估系统在实验中的热效率. GOR表示系统在热回收方面的效率,可以由下式[9, 26]计算:4 结果讨论与分析4.1 系统最优空气循环体积流量结果分析空气循环体积流量对小型HDH脱盐系统性能的影响如图3所示. 可以看出,当空气循环体积流量为20~240 m3/h时,系统产水量为260~410 g/h,系统实际GOR为0.9~1.2,实际STEC为546~732 kW·h/ m3. 当空气循环体积流量较小(≤ 180 m3/h)时,随着空气循环体积流量的增大,系统产水量和实际GOR增大,实际STEC减小,系统能量利用率提高. 这是由于空气循环体积流量增大(20~ 180 m3/h),所携带的水蒸气量显著增加,产水量显著增大(260~410 g/h),料液进、出加湿器的温差稍有增大(17.6~20.7 °C),综合表现结果是系统的实际GOR增大,实际STEC减小.当空气循环体积流量达到一定值后继续增大(180~240 m3/h),系统产水量和实际GOR开始减小,实际STEC增大,系统能量利用率降低. 这是由于过多的空气会带走大量的热量,使得进入除湿器的实际蒸汽温度降低(36.6 °C降至32.8 °C),单位体积空气的绝对含湿量降低,从而使得空气携带的水蒸气量降低,产水量减小(410 g/h减小至350 g/h),而且料液进出加湿器的温差稍有增大(20.7~22.3 °C),综合表现为系统的实际GOR 减小,实际STEC增大. 对于该系统来说,存在最佳的空气循环体积流量180 m3/h,使得系统的产水量和实际GOR最大,实际STEC最小.4.2 系统最优进料体积流量结果分析进料体积流量对小型HDH脱盐系统性能的影响变化曲线如图4所示. 由图4可以看出,当进料体积流量为10~60 L/h时,系统产水量为410~ 1 530 g/h,系统GOR为1.2~4.7,单位体积产水能耗为137~546 kW·h/m3. 系统的产水量随着进料体积流量的增大而增加,但随着进料体积流量的继续增大,系统产水量增加变缓. 这是由于料液进入加图 3 J f,p,GOR,STEC随q V,v的变化关系Fig.3 Change of J f,p, GOR and STEC with q V,v图 4 J f,p,GOR,STEC随q V,f的变化关系Fig.4 Change of J f,p, GOR and STEC with q V,f688浙 江 大 学 学 报(工学版)第 53 卷湿器后,体积流量的增大(10~30 L/h )会使得离开加湿器的湿空气的实际温度升高(36.6~43.3 °C ),湿空气中的水蒸气量增加,进而除湿器内湿空气与冷却水的温差增大(10.6~17.5 °C ),更多的水蒸气冷凝析出,系统产水量增加. 随着体积流量的继续增大(30~60 L/h ),湿空气与冷却水的温差增大变缓(17.5~23.8 °C ),从而产水量增加变缓.随着进料体积流量的增大,系统实际GOR 迅速增大,实际STEC 迅速减小. 这是由于料液进入加湿器后,体积流量的增大(10~60 L/h )会使得离开加湿器的料液温度升高(34.7~52.1 °C ),从而使得料液进、出加湿器的温差减小(20.7 °C 降至3.0 °C ).温差减小和产水量增加的共同作用结果使得系统的实际GOR 迅速增大,实际STEC 迅速减小. 该小型HDH 脱盐系统选用料液泵的工作范围为0~60 L/h ,所以对于该系统来说,当进料体积流量为60 L/min 时,系统的产水量和实际GOR 最大,实际STEC 最小.4.3 料液温度对系统产水性能和能耗影响t f ,1∆t =t f ,1−t f ,2料液温度对小型HDH 脱盐系统产水性能影响的曲线如图5(a )所示. 图中, 为进入加湿器的料液温度. 从图5(a )可以看出,在进料体积流量和空气循环体积流量一定的条件下,系统产水量随着料液温度的升高而增加;当进料体积流量为60 L/h ,空气循环体积流量为 180 m 3/h 时,料液温度为57 °C 时的系统产水量是35 °C 时的4.53倍. 这是由于随着料液温度的不断升高(35~57 °C ),离开加湿器的热湿空气温度逐渐升高(33.5~49.6 °C );热湿空气相对湿度一直稳定在93%以上,导致热湿空气中水蒸气量逐渐增加,系统产水量随之增加.随着料液温度的升高,料液进、出加湿器的温差Δt ()逐渐增加,由1.3 °C 增加至7.4 °C ,这是由于系统散热损失随着料液温度的升高而逐渐增大. 系统产水脱盐率一直保持在99.99%以上,产水中总溶解固体质量浓度低于4 mg/L ,这说明该系统的产水品质稳定可靠.料液温度对小型HDH 脱盐系统能耗影响的曲线如图5(b )所示. 在进料体积流量和空气循环体积流量一定的条件下,随着料液温度的升高,系统实际GOR 先增大后减小,实际STEC 先减小后增大. 这是由于当料液温度较低(≤ 38 °C )时,温度的增加使得系统产水量增加,料液进、出加湿器的温差没有明显变化(1.20~1.30 °C ),从而使得系统能量利用效率升高. 当料液温度继续增加(> 38 °C )时,料液进、出加湿器的温差显著增加(1.3~7.4 °C ),且增加速率大于产水量增长率,从而使得系统能量利用效率降低. 对于该系统来说,当料液温度为38 °C 时,系统最大GOR 为3.8,最小STEC 为166 kW·h/ m 3.5 结 论(1)本文设计搭建小型HDH 脱盐系统,通过改变空气循环体积流量、进料体积流量、料液温度等运行参数,对系统的产水性能进行实验研究.结果表明,由于系统采用喷淋加湿和填料塔加湿相结合,辅之以空气强制流动的工艺方法进行空气加湿,提高了空气加湿效率;采用料液和空气双循环流动,除湿后的冷空气进入加湿器循环加湿,未被蒸发的料液继续在加湿器内喷淋蒸发,相应显热得以回收利用,系统能量效率提高. 系统对料液温度的要求不高,在料液温度较低(< 40 °C )时系统可以运行,产水量和产水品质稳定可靠.图 5 系统性能随t f,1的变化关系Fig.5 Change of system performances with t f,1第 4 期从硕, 等:加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究[J]. 浙江大学学报:工学版,2019, 53(4): 684–691.689(2)在空气循环体积流量对系统性能影响的实验中,随着空气循环体积流量的增大,系统产水量和GOR 先增大后减小,STEC 先减小后增大,存在最优的空气循环体积流量180 m 3/h ,使得系统产水量最大,能量利用效率最高.(3)在进料体积流量对系统性能影响的实验中,随着进料体积流量的增大,系统产水量起初增大较快,后逐渐变缓,系统GOR 迅速增大,STEC 迅速减小,能量利用效率提高.(4)在料液温度对系统性能影响的实验中,系统产水量随着料液温度的升高而增加,当进料体积流量为60 L/h ,空气循环体积流量为 180 m 3/h 时,料液温度为57 °C 的系统产水量是35 °C 时的4.53倍;随着料液温度的升高,系统GOR 先增大后减小,STEC 先减小后增大,当料液温度为38 °C 时,系统能耗最低,能量利用效率最高,GOR 最大可以达到3.8,STEC 最小可以达到166 kW·h/m 3.参考文献(References):郑智颖, 李凤臣, 李倩, 等. 海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 科学通报, 2016, 61(21): 2344–2370.ZHENG Zhi-ying, LI Feng-chen, LI Qian, et al.State-of-the-art of R&D on seawater desalination technology (in Chinese) [J]. 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