常用除湿溶液的性质分析 - 1 清华大学建筑技术

以溴化锂溶液为基料，通过常规乳化的方式将相变材料溶于其中，相变材料的相变温度在 15~35ºC。
由于相变材料具有在一定温度范围内物理状态改变的能力，在对其加热的过程中，当温度达到熔化温度
时，相变材料就会从固态转变到液态。在整个熔化的过程中，相变材料会吸收并储存大量的潜热，并且
相变材料的温度还能保持不变。即利用相变材料在相变过程中可以吸收大量热量并恒温的特性，使得除
此处着重讨论影响传热传质过程的主要物性参数：表面蒸汽压与比热容。
3.1 表面蒸汽压
在焓湿图上，虽然各种溶液对应的浓度各不相同，但是对于某一湿空气状态均有溶液的状态与之对
应。各种除湿的溶液其差别在于，由于盐溶液结晶线的限制，在焓湿图左侧的有些区域溶液的状态是达
不到的。不同的溶液，其结晶线并不相同，因而可以覆盖的湿空气焓湿图上的区域并不相同。从图 1~ 图 3 的比较可以看出：氯化钙溶液的结晶线范围最窄，即氯化钙溶液可能处理到的空气区域最窄。
20
40
60
80
时间 /min
(a) 除湿过程
(b) 再生过程
图 4 表面活性介质对除湿/再生过程的实验测试结果
4.3 加入相变材料 陈晓阳等[12]提出了在除湿溶液中加入相变材料的方法。在除湿溶液中加入相变材料，通过相变材
料吸收吸湿过程中释放的热量从而维持溶液的温度基本不变，从而保证其具有较强的吸湿性能。
1. 引言
在溶液除湿空调系统中，湿空气的除湿过程是依赖于除湿溶液较低的表面蒸汽压来进行的，可以说 对溶液除湿空调系统的研究最早是从除湿溶液的物性研究开始的。在溶液除湿剂为循环工质的除湿空调 系统中，除湿剂的特性对于系统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 的除湿剂特性有：相同的温度、浓度下，除湿剂表面蒸汽压较低；除湿剂对于空气中的水分有较大的溶 解度，这样可提高吸收率并减小溶液除湿剂的用量；除湿剂在对空气中水分有较强吸收能力的同时，对 混合气体中的其他组分基本不吸收或吸收甚微，否则不能有效实现分离；低粘度，以降低泵的输送功耗， 减小传热阻力；高沸点，高冷凝热和稀释热，低凝固点；除湿剂性质稳定，低挥发性、低腐蚀性，无毒 性；价格低廉，容易获得。
2. 常用盐溶液除湿剂的种类与性能
盐溶液与空气中的水蒸气分压力差是二者进行水分传递的驱动势，当溶液的表面蒸汽压低于空气的 水蒸气分压力时，空气被除湿，吸收水蒸气的溶液浓度降低需要浓缩再生才能重新使用。加热后的溶液 当其表面蒸汽压高于空气中的水蒸气分压力时，溶液中的水分进入空气中，溶液被浓缩再生，空气被加 湿。利用溶液与空气之间的热量与质量的传递过程，可以实现对空气的除湿与加湿处理过程。溶液的表 面蒸汽压随着等[10]在LiCl溶液中分别添加十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺，研究对于传质的
增强作用。研究结果表明：十二烷基硫酸钠强烈影响LiCl溶液的表面张力，从而强化了溶液和空气间的
热质交换作用；而聚丙烯酰胺不影响LiCl溶液的表面张力，因而不影响热质交换性能。 易晓勤等[11]实验研究了十二烷基硫酸钠对于LiBr除湿与再生过程的影响。通过搭建实验台，进行了
下，可以吸收 23700 J 的潜热。由于水蒸气的汽化潜热是 2500 J/g，也就意味着除湿溶液可以吸收 9.5 g
的水蒸气冷凝释放的热量而保持温度几乎不变。
5. 结论
本文对除湿空调系统中的常用盐溶液除湿剂的性质进行了分析。得到以下一些结论：
1. 与溶液的温度、表面蒸汽压（水蒸气分压力）分别相同的空气状态即为与溶液等效的空气状态，因
顺流
除湿
加入金属纳米粒子，Nu 增加，但 Sh 基本无影响。作者将原 10
因解释为：溶液液膜的厚度很小。
[8] 2003
逆流 顺流
除湿 再生
加入金属纳米粒子，Nu 和 Sh 均有增加，能够增强其冷却与 10
传质效果，但增加的幅度并不大。
加入金属纳米粒子，对再生过程无影响，溶液的再生浓度基 60
本不变化。
静池内溶液除湿与再生实验，对比分析了有无表面活性介质的实验结果。最后得到结论：加入表面活性
介质能够加快吸收（或排出）水分的能力。
60
80
相对湿度 /% 相对湿度 /%
55
无活性介质
70
有活性介质 50
60
45
50 40
无活性介质
35
40
有活性介质
30 0
50
100 150 200
时间 /min
30 0
逆流
再生
60
加入金属纳米粒子，对再生过程无影响，溶液的再生浓度基
本不变化。
[9] 2004
顺流或逆流， 板稍有倾斜
除湿
加入金属纳米粒子，可以增强溶液的导热系数，但由于液膜 10
的厚度很小，因而对于除湿降温、再生过程的影响很小。
4.2 加入表面活性介质
表面活性介质具有强化传热传质过程的作用。由于除湿溶液与空气直接接触，因而挥发性等类表面
在空气调节工程中，除湿剂分为有机溶液与无机溶液两种，有机溶液为三甘醇、二甘醇等，无机溶 液为溴化锂、氯化锂、氯化钙溶液等。三甘醇是最早用于溶液除湿系统的除湿剂（Lof，1955），但由于 它是有机溶剂，粘度较大，在系统中循环流动时容易发生停滞，粘附于空调系统的表面，影响系统的稳 定工作，而且二甘醇、三甘醇等有机物质易挥发，容易进入空调房间，对人体造成危害，上述缺点限制 了它们在溶液除湿系统中的应用，已经被金属卤盐溶液所取代。溴化锂、氯化锂等盐溶液虽然具有一定 的腐蚀性，但塑料等防腐材料的使用，可以防止盐溶液对管道等设备的腐蚀，而且成本较低，另外盐溶 液不会挥发到空气中影响、污染室内空气，相反还具有杀菌净化功能，有益于提高室内空气品质，所以 盐溶液成为优选的溶液除湿剂。
壁面之间的传热作用，从而维持溶液较强的除湿（再生）能力，从原理上说可以增进除湿（再生）效果。
但从Ali的模拟分析中，对叉流的效果较明显，其余情况的增强作用并不明显。强化传热传质的核心思 想是：促进溶液与低温壁面（再生时为高温壁面）的传热作用，从而维持溶液的温度，使其保持较高的
除湿（再生）能力。相当于增加了溶液的热容量。
的表面蒸汽压（等效含湿量）越低，因而其具有的吸湿能力越强。
为解决溶液温升的问题，目前常用的方法之一是使用带内冷型的除湿器，利用冷却介质（水、空气
等）将除湿过程释放出的热量带走，使除湿溶液维持较强的吸湿能力，这样溶液除湿前后的浓度变化较
大，利于除湿溶液的再生，提高整个系统效率。但这种方法的缺点是制作工艺复杂。另一种常用的方法
常用除湿溶液的性质分析1
清华大学建筑技术科学系 易晓勤 刘晓华 江亿
摘要 在溶液除湿空调系统中，通过溶液与空气间的传热传质实现了对空气的除湿或加湿的处理过程。 溶液的性质会直接影响除湿空调系统性能的优劣。本文以常用除湿溶液为例，将溶液状态表示在焓湿图 上，并在此基础上讨论了影响溶液传热传质的主要参数—表面蒸汽压和比热容，并总结了文献中强化传 热传质性能的方法：在溶液中添加金属纳米粒子、表面活性介质和相变材料等等。 关键词 除湿溶液 表面蒸汽压 比热容 传热传质 强化作用
是分级除湿，在各级之间增加冷却水，即每一级内为绝热除湿，除湿后温度较高的溶液在流入下一级之
前被冷却水冷却，重新恢复吸湿的能力。
4. 通过在溶液中加入其他物质强化传热传质的性能
4.1 加入金属纳米粒子 在Ali等人的研究过程中，通过加入纳米级Cu粒子增强除湿过程的性能（CaCl2为除湿剂）。所研究
的除湿/再生装置，均为内冷型/内热型的热质交换装置，假定壁面为等壁温。表 1 是三种不同情况的添 加效果比较。对于内冷型（内热型）的除湿（再生）装置，加入金属纳米粒子可以增进溶液与冷（热）
表 1 Ali 等研究结果汇总
文献
型式
除湿 /再生
壁面温 度 /ºC
模拟结果
加入金属纳米粒子，不仅可以增强传热（冷却）效果，还同
[7] 2004
叉流
除湿
时增强传质效果。而且，随着纳米粒子的加入浓度的提高， 10
传质效果的增强更加显著。原因在于：通过壁面的低温传热
作用，有效抑制溶液温升，保证溶液的吸湿性能。
温度 /oC
(3)
55
50 结晶线
60%
55%
45
40
35
30
50% 45% 40% 30% 20%
饱和线
25
20 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
含湿量 /(kg/kg)
图 1 溴化锂（LiBr）溶液在焓湿图上的
55
50
结晶线 50%
40%
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40
35
30
30%
20% 10% 饱和线
温度 /oC
此可将溶液状态表示在湿空气焓湿图上，而且盐溶液的等质量浓度线与湿空气的等相对湿度线基本
55
50
结晶线
45%
40%
45
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20%
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饱和线
30
温 度 /oC
25
25
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0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
含湿量 /(kg/kg)
图 2 氯化锂（LiCl）溶液在焓湿图上的状态
3. 不同溶液的性质差异
20 0
0.01
0.02
0.03
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0.05
含湿量 /(kg/kg)
图 3 氯化钙（CaCl2）溶液在焓湿图上的状态
除了密度、粘度、腐蚀性、价格等性能，Ertas研究了混合溶液的性能，将廉价但性能较差的CaCl2溶 液与价格昂贵但性能较好的LiCl溶液混合，结果是混合溶液的黏度降低、溶解度增大，按 1:1 混合可获 得最佳性价比[1]。
本文从促进传热传质的目的出发，讨论了常用除湿盐溶液影响传热传质的两个重要参数：表面蒸汽 压和比热容，并总结了几种改善除湿溶液传热传质性能的方法。