英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

基于金属丝网规整填料溶液式空气除湿的传热与传质系数的求值

摘要：本论文，介绍了一种拥有良好的传热与传质特征的高性能规整填料被广泛应用于溶液空气除湿系统以及溶液的再生。并且，空气相界面操作、传热与传质系数对于一种规整填料溶液除湿塔的设计是必不可少的。本论文研究了当空气与溶液接触时界面传热与传质现象，在理论上研究了氯化钙、氯化锂、50%氯化钙与50%氯化锂的混合剂（称为有效成本的溶液除湿剂）等三种溶液除湿剂在空气接触式除湿系统中的传热与传质系数的求值。此外，气相的传递系数与空气和溶液的流速以及空气的温度有关，然而液相的传递系数不仅与空气和溶液的流速，而且与溶液的浓度和温度有关。最后，还讨论并对比了三种溶液除湿剂的研究结果。

关键词：空气 干燥 氯化钙 氯化锂 热交换 设计 性能

1、前言

近期，Waugaman等人详细的提出了，在大量的混合型空气调节系统中，除湿剂通调常用于除去潜在的冷负荷并且传统的空调通常用于制冷。除湿系统有一些主要的优点：他们能够提供关键的潜能从而有效的节约能量并且减少化石原料的消耗。由于除湿系统高效的通风性能与新鲜空气转换率，室内空气质量得到有效的改善。然而，除湿制冷系统在效率、费用、尺寸、可靠性以及其预期寿命等方面还需要改善与提升。

固体与溶液两种除湿剂都可以用于空气的除湿。大量研究者都在讨论并研究溶液除湿系统的优良性能。混合溶液除湿制冷系统需要除湿器和再生器两种空气除湿联用装置。关于溶液除湿器与再生器的三种基本结构（布液器、填料塔以及喷淋管布置和填料塔结构）都得到了非常多的关注。虽然散装填料塔因其相对较高的比表面积有更好的传质性能，但是其压降很大。本论文研究了一种应用于溶液除湿塔的规整填料。

2、填料及其传递速率

代表着最新发展方向的拥有优良的传质与传热性能的规整填料与传统的散装填料进行对比发现，规整填料在单位体积传质与传热系数的低压降方面表现出优良的性能，此外，规整填料更易于安装。目前，规整填料正逐步被应用于除湿与再生操作。

基于散装或规整填料除湿器与再生器的设计需要传质与传递系数等相关参数，但是规整填料塔的相关数据在公开的文献中非常有限。Potnis 和 Lenz等人实验研究了基于太阳能溴化锂溶液除湿系统中Tripack聚丙烯散装填料与Munters CELDEK规整填料在除湿器和再生器中的应用，得到了基于每单元流速的叉流填料床层的局部液相传质系数。这些传质系数与实验测定的扩散系数被用于得到无量纲关系。Chung 等人也实验研究了散装填料（聚丙烯flexi环与鲍尔环）和规整填料（交叉波形纤维素与聚氯乙烯）在氯化锂除湿器中的应用。用Buckingham pi方法可以求出整体气相传热与传质的关系式。以上的关联式总结在表格1中。

Bravo等人研究了应用于精馏条件下金属丝网规整填料中气相和液相两者的传质关系，但是他们没有考虑液相传质阻力。很清楚的可以看到，从以上的文献中仅仅一小部分论文涉及到关于规整填料在溶液除湿系统中的数据。

金属丝网规整填料以及波纹板的结构见附图1a。填料层里流体流动通道的当量直径影响着这种类型的填料的传热与传质系数，而当量直径可以通过不同流动截面积的水力半径的算术平均数求得。三角形与菱形的空气流通路径的几何图形见图1b。简化计算、三角形与菱形的几何图见图1c，这些几何图形可用于估算水力半径与当量直径。为了使空气与液体在相邻填料层间呈周期性分布，空气流动通道通常为轴向倾斜60°。表2列出了填料的几何形状学习信息。本论文研究并发展了氯化钙溶液、氯化锂溶液、50%氯化钙和50%氯化锂混合溶液等三种不同类型的溶液除湿剂在金属丝网规整填料中的性能。各个阶段的传热与传质系数也是相互联系的。

3、系统分析

Bravo等人的方法可用于定义空气在三角形与菱形截面流动的当量直径。三角形通道的水力半径可通过下式求出：

菱形通道的水力半径可通过下式求出：

一个通道的当量直径可以通过这两种水力半径的算术平均值求得，见下式：

在液固系统大量的传热与传质研究表明填料的孔隙率对于传热与传质系数的求值也是很重要的。规整填料的孔隙率可通过下式求得：

单位体积的有效比表面积为：

空气和液体的速度也与持液量与压降有关。溶液通过填料下降的作用力为重力。三种作用力的合力，即：液体浮力、蒸汽压降、以及蒸汽对于液膜的反作用。有效引力可通过下式求出：

在规整填料塔中，持液量的了解对于有效界面区域计算是必要的。溶液的物理性质、形状以及填料的性质对于持液量的确定非常重要。总持液量指的是在操作条件下由静态和动态组分组成的总液量。静持液量即当塔停止气、液两相供料，经适当时间排液，直至无滴液时积存于填料层中的液体量。溶液的表面张力直接影响了溶液的的静持液量。动持液量即填料塔停止气、液两相进料的瞬间起流出的液体量，也即填料塔操作时液体流过填料的量。下式表示了静持液量、动持液量、总持液量的关系：

表1

关联式的摘要

作者	关联式
Potnis,Lenz的双层规整填料	除湿器
	再生器
Chung,Ghosh, Hines的交叉波纹纤维规整填料	传质关联式:
	传热关联式
	KGA :总气相传质系数，kmol·m-2·s-1
	hgarsquo;:基于传质的校正传热系数，kw·m-2·K-1
	Mt :水的摩尔质量，kg/mol
	X :盐溶液的质量分数，kg/kg
	Lrsquo;:溶液流速，kg·m-2·s-1
	Grsquo;:空气流速，kg·m-2·s-1
	Kg :气体导热系数，kw·m-1·K-1

C_st表示当只有静持液量时导致所有表面都不会润湿的表面校正因子。关于不同金属规整填料的静持液量与表面校正因子见参考文献。C_op表示当液泛出现时的关联校正因子。关于波纹的倾斜角以及空气密度的弹性变化的对静持液量的高度的校正的表达式为：

Gamma;表示固体表面与液体表面的关联角，这个关联角将影响着材料表面的润湿性能。

对于规整填料。

溶液有较低的表面张力足以润湿填料表面，此外添加表面活性剂可以降低溶液的表面张力。有文献指出懂动持液量于填料的性质无关。单位厚度的动持液量可以定义为影响有效重力的修饰，相关表达式如下：

对于规整填料，静持液量占总持液量的比例通常很小。在相关模型的复杂计算中可以忽略。Hence公式可以简化为：

C_tot表示总持液量的有效比表面积的的校正因子以及相关表达式如下：

无量纲因式表达如下：

由(9)与（10）关联可得（11）

有效气速取决于表面气速、填料的空隙率、流动通道的倾斜以及总持液量。可有下式表示：

波纹填料的毛细管作用可以让液体布满薄层的整个有效区域。有效液速可以表示为：

气体与液体的相互关系可以定义为：

对于规整填料塔的分析与设计，传热与传质系数、有效比表面积很有用的。规整填料的比表面积对气体的速率影响不大，但是对液体的速度影响很大。Rocha等人对波纹填料的比表面积进行了计算：

基于湿润填料表面的气相传质系数可以表述为：

C₁表示常数，基于填料几何计算的无量纲数群Sh_G和Re_G可以定义为：

F_G表示气相传质系数，单位为m/s。Treybal研究了将F表示的传质系数表示为k表示的传质系数。对于规整填料，从有效的数据中可以求得m=0.8以及n=0.333，但是C₁还有待实验确定。Rocha等人求得规整填料的C₁=0.054。联立（20）-（23）式可得基于气相的传质系数为：

与气相传质系数不同，在公开的文献中几乎没有关于液相传质系数的计算。对于液相传质系数的计算，经常用到一个简单基于液体流过波纹填料表面的接触时间的渗透模型。目前的研究表明，溶液阻力很重要，因此，渗透途径可以用修正后的修正时间表示：

对于常见的规整填料C2asymp;0.9。液相传质系数可以表示为：

传质系数可以根据（24）和(26)以及比表面积的公式（19）联立可以得到体积传质系数。通过传热与传质的类比，基于气相的传热系数可以根据下式计算：

相似的液相传热系数可以表示为：

目前开发了一种计算机程序用于计算金属丝网规整填料在不同操作条件下的气相与液相传热、传质系数。

4、结果与讨论

为了进行上述的计算，例如密度、粘度、导热系数以及比热容等不同性质的影响都已编入到计算机程序中。有效的气速与液速应该考虑到来源于总流速与填料几何结构的勾流、孔隙率以及床层厚度等因素。如浓度、温度以及流速等溶液参数的影响以及关联表达公式见（31）-（36）。可以看到h_Ga与F_Ga的关联与溶液的性质无关。它们的关联取决于气体以及液体的流速以及空气的温度。因此，在本论文中阐述的关于h_Ga与F_Ga在各种溶液除湿的金属丝网规整填料中的计算是有效的，可根据下式求解：

可以观察到h_Ga与F_Ga与气体的流速有很大的关系，而与气体的温度关系不大。

不同溶液空气除湿系统的h_Ga与F_Ga关联计算可根据下式求得：

氯化钙-空气除湿系统

氯化锂-空气除湿系统

氯化钙、氯化锂-空气除湿系统

上述关联公式的精确度达99.8%并且没有边缘效应。以上公式的应用范围：U_Ge=8.5-14.5 m/s,U_Le=0.03-0.27m/s,T_G=30-70℃，T_L=30-60℃。氯化钙作为除湿剂：xi;=35-45%；氯化锂作为除湿剂：30-40%。在文献[10-12]中介绍了氯化钙、氯化锂以及氯化钙-氯化锂混合物的不同性质。以上数据是在5吨级的混合溶液除湿剂-蒸汽压缩制冷系统的初步研究中得出的。

为了验证本轮为得到的关联式，Chung等人在实验的基础上通过图2和图3分别将体积传热与传质系数进行了对比。图2提出了目前相关的体积传热系数并且当空气流速增加时只有轻微的变化。Chung等人预测数值的差异可能部分源自于实验操作带来的误差以及不能够营造完全的绝热条件带来的误差。此外，溶液的流速可能太小不足以湿润整个规整填料。由于以上的原因，Chung等人提出的忽视了空气的体积传质系数的实验数据的关联式见表3。为了得到空气的体积传质系数，Chung等人的实验研究忽视了空气温度的影响。需要强调的是，他们并没有提出液体的体积传热与传质系数。

本论文提出的关于液体的体积传热与传质系数的关联式不能够同Potnis与Lenz提出的关联系相比较，因为Potnis与Lenz所用的除湿剂为溴化锂。而且，他们提出的基于固定液

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[147888]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word