徐惠斌， 胡自成， 宋新南， 顾 锋

（江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

溶液除湿空调利用除湿剂在高浓度时强烈的吸湿能力，直接吸收被处理空气中的水蒸气，达到除湿的目的。由于具有环境友好、盐溶液在空气中具有杀菌净化作用，可以形成温湿度独立控制空调系统等一系列优势，在湿负荷大的场所，具有很好的应用前景，已受到众多专家学者的关注[1－3]。

除湿剂的再生过程是除湿空调工作的重要环节。加热后填料塔喷淋，通入室外空气带走水分是目前除湿剂再生的主要方式，其优点是可以使用60～80℃的热源，包括与热泵组合使用[4]。然而这种溶液再生过程受室外空气状态影响较大，在室外空气湿度较高的区域工作效率低，限制了除湿空调的使用范围。沸腾式浓缩在工业生产中应用广泛[5]，受室外环境影响小，有望作为液体除湿空调的重要再生手段，具有广阔的应用前景。

除湿剂的沸腾特性研究对沸腾式再生器的设计有重要意义。LiCl水溶液属于电解质溶液，作为除湿剂被广泛应用于除湿空调[6]。目前，有关电解质溶液沸腾特性的研究是匮乏的，尤其是较高浓度的电解质溶液[7－9]。而实际工程应用中，为了获得较好的除湿效率，需要降低溶液的表面水蒸气分压力，一般除湿剂工作浓度都较高。LiCl水溶液除湿适用浓度范围一般为30%～40%。文中对常压下LiCl浓溶液的沸腾传热特性展开实验研究，为溶液沸腾换热的机理认知和工程应用提供参考。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验系统主要包括沸腾容器、冷凝器和加热装置。沸腾容器用有机玻璃制成，上部开有小通气孔维持池内气压与大气压相等。冷凝器对沸腾时产生的蒸气进行冷凝回流，以保持沸腾池内溶液浓度稳定。加热装置由紫铜圆柱导热件和电加热器实现加热，加热表面为50mm×50mm×2mm的紫铜板。电加热器缠绕在紫铜棒的底部，整个加热装置进行了严格保温，实验装置如图1所示。

温度测量使用TC1008型多路温度测量仪记录，配合使用精度为0.1℃的K型热电偶。总加热量由电压表和电流表测定后直接求得，加热表面的有效加热量由总加热量并考虑到试验装置存在一定的散热损失后修正获得。

图1 实验装置示意图

1.2 实验方法

药品选用一水氯化锂，化学分析纯。溶液浓度以溶液质量浓度ζ表征，定义如下：

式中：msalt—— 水合物去掉结合水后净含盐的质量；

mwater—— 配制溶液时加入的纯水与结合水质量之和。

表面张力测量仪器选用JYW－200B型微控自动界面张力仪，精度0.1m·N／m。为避免沸腾滞后的影响，沸腾实验采用降热流密度方式进行。

1.3 数据处理

沸腾换热系数h定义为：

式中：q—— 热流密度；

TW—— 加热壁面温度；

Tsat—— 溶液饱和温度。

按照式（3）进行误差分析[10]：

可得实验工况下沸腾换热系数相对误差均小于10%。

2 实验结果及分析

在水中添加盐，对沸腾换热的影响主要可以从两个方面分析：一是使工质的物性发生变化；二是使沸腾过程复杂化[9]。

2.1 溶液表面张力

表面张力被认为是影响沸腾的重要因素。表面张力的变化对气泡核化、脱离能够产生显著影响。众多学者在分析添加盐对沸腾换热的影响时，在物性方面，都重点立足于张力变化[7－8]。

不同质量分数LiCl水溶液在25℃下的表面张力测试结果如图2所示。

图2 不同浓度氯化锂水溶液的表面张力

图中数据为3次测试的平均值。

由实验结果可知，LiCl溶液的表面张力高于纯水的表面张力，并随着浓度的增加而上升。LiCl溶液是强电解质溶液，在水溶液中以离子形式存在，离子吸引水分子，从而趋向于把水分子拖入溶液内部。令溶液增加单位表面积所做的功中，须额外附加克服静电引力消耗的功。随着溶液浓度的增加，溶液离子浓度增大，离子对于水分子的吸引力增大，表面张力也就随之增大。

2.2 溶液沸腾温度

沸腾温度对除湿溶液的沸腾再生有重要意义，决定着实际工程应用中，可用热源温度的最低标准。LiCl溶液常压下的沸腾温度测试结果如图3所示。

图3 不同浓度氯化锂水溶液的沸腾温度

由实验结果可知，LiCl溶液的沸腾温度随着浓度的增加而升高。这是因为由于溶液中存在不挥发的溶质LiCl盐，阻碍了溶液中水的气化，所以，LiCl溶液的沸腾温度要高于纯水在同一压强下的沸腾温度。在LiCl水溶液除湿工作浓度区间内（30%～40%），其沸腾温度范围为121～136℃。因此，沸腾式发生器对热源温度的要求并不高，许多工业废热源都能使其稳定运行。

2.3 溶液沸腾特性

氯化锂水溶液常压下的池内核态沸腾换热实验结果如图4所示。

图4 氯化锂水溶液池内核态沸腾换热系数

实验浓度范围内，溶液沸腾换热系数均低于纯水的沸腾换热系数，处于纯水的50%左右水平，而且溶液沸腾换热系数还随浓度的增加而降低。

这一现象按照沸腾理论，从张力的角度可理解为纯水内加入氯化锂盐后，导致张力的增加，从而使得气化核心减少，气泡脱离半径增大，脱离频率降低，从而降低传热系数。另外，氯化锂溶液具有较高的粘度，使得气泡的生长、脱离阻力增大，也使得氯化锂溶液沸腾换热系数较纯水低。

沸腾过程方面，盐溶液沸腾换热属于多组分混合物沸腾换热，其过程区别于单一组分液体的沸腾过程。简单来说，在沸腾换热过程中，沸腾表面溶液中的轻质组分（水）先沸腾，随着沸腾的进行，轻质组分丢失量增大，壁面附近的难挥发组分（氯化锂）所占的质量份额增加，溶液浓度提高，引起热物性发生较大的变化，局部相变温度升高，使得加热面的有效过热度降低，最终导致换热效率降低。这也被称为混合效应[8－9]。

事实上，还有其它一些因素影响着溶液沸腾换热，如接触角、密度等都与传热过程有关。

3 结 语

实验研究了常压下高浓度氯化锂溶液的沸腾传热特性，得出以下结论：

1）实验范围内，氯化锂溶液的沸腾温度随着浓度的增加而升高。氯化锂溶液的沸腾换热系数远低于纯水，并随浓度的增加而降低。

2）沸腾换热过程受工质诸多物性参数的共同影响，溶液沸腾换热机理较单一组分液体沸腾更为复杂，有待进一步深入研究。

[1]唐艺丹，刘晓华.溶液除湿空调系统在工业厂房应用的能耗分析[J].暖通空调，2010，40（4）：131－135.

[2]孙健，施明恒，赵云.液体除湿空调再生性能的实验研究[J].工程热物理学报，2003，24（5）：867－869.

[3]刘晓华，张涛，江亿.采用吸湿剂处理湿空气的流程优化分析[J].暖通空调，2011，41（3）：77－87.

[4]白莉，尹军，杨金刚，等.以城市污水为热（冷）源的供热与空调实验研究[J].长春工业大学学报：自然科学版，2007，28（1）：59－63.

[5]熊军，刘泽华，寇广孝.燃气驱动液体除湿空调系统及其节能分析[J].煤气与热力，2004，24（8）：448－450.

[6]赵云，施明恒.太阳能液体除湿空调系统中除湿剂的选择[J].工程热物理学报，2001，22：165－168.

[7]S H Najibi，H Muller－Steinhagen，M Jamialahmadi.Boiling and nonboilil1g heat transfer to electrolyte solutions[J].Heat transfer Engineering，1996，17（4）：46－63.

[8]M Jamialahmadi，A Helalizadeh，H Muller－Steinhagen.Pool boiling heat transfer to electrolyte solutions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47：729－742.

[9]V V Wadekar，P D Hills.Evaporative heat transfer to solutions containing dissolved solids：effect of vapour－liquid equilibrium and mass transfer[J].Institution of Chemical Engineers，2001，79（A）：477－483.

[10]庄大伟，彭浩，胡海涛，等.基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性[J].制冷学报，2011，32（6）：9－13.