结合超声雾化技术的液体除湿系统分析

王俐¹，连之伟¹，刘蔚巍²

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海，200240；

2. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410075)

摘  要：对传统的填料塔式除湿方式进行改进，引入超声雾化技术，建立数学模型，对此新系统所需雾化量进行计算；对除湿过程中的颗粒沉降过程进行数学分析，得出气液混合管道中粒径、管径、管长的组合原理；对除雾器进行选择，使其能同时满足除雾和低压降的要求；分析此系统与其他液体除湿系统相比所具有的优点。研究结果表明：结合超声雾化技术的液体除湿系统达到同样的除湿效果，液气比(即液体与气体的质量比)大大降低，是Fumo填料塔式实验中液气比的1/5；推荐气液混合管道的长度为2~4 m，雾化颗粒粒径为20 μm左右；除雾器推荐选用丝网除沫器；与填料塔式相比，相同的除湿剂通过雾化作用产生的反应表面积是填料式的几十到几百倍，减少了除湿剂用量，降低了动力消耗；与喷淋塔相比，超声雾化方式能够产生粒径和初始速度都很小的优质液滴，同时，能够有效保证空气的除湿反应时间。

关键词：液体除湿；超声波；雾化；液气比；沉降

中图分类号：TU831          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)01-0240-07

Analysis of liquid-desiccant dehumidifying system combined with ultrasound atomization technology

WANG Li¹, LIAN Zhi-wei¹, LIU Wei-wei²

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;

2. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Packed-bed dehumidification was improved by introducing ultrasound atomization technology. The structure diagram was given. Mathematical model was established to analyse the required quantity of atomized liquid-desiccant. Settlement process of liquid droplets was also mathematically analyzed to get the combination principle and some simple combination patterns of droplet size, pipe diameter and pipe length. Appropriate mist eliminator was considered. The results show that the liquid-air ratio is much lower than that of other dehumidification forms, the length of the air-liquid mixing pipe commended to be 2-4 m, the appropriate droplet diameter is 20 μm, the mesh mist eliminator is chosen for its good effect and lower pressure drop. Compared with packed-bed form, the ultrasound-atomization combined form can produce much more reacting area with the same quantity of liquid-desiccant. Compared with the spray-tower form, this new combined form can produce fine and minimal liquid droplet coming out with much low velocity, which ensures the dehumidifying time.

Key words: liquid-desiccant dehumidification; ultrasound; atomization; liquid-air ratio; settlement

液体除湿技术是一种以吸湿性溶液为工作介质，通过溶液与空气直接接触，调节空气湿度的技术。由于液体除湿过程不需要负担冷负荷，同时，溶液再生温度较低，可以很好地利用低品位热源(如工业废热、太阳能等)驱动，近年来发展十分迅速^[1-2]。液体除湿按照除湿器内是否同时进行溶液冷却分为内冷型和绝热型2种基本模式。前者虽然可以通过在除湿过程中带走溶液吸收空气中的水分所产生的溶解热来提高除湿性能^[3]，但是，其结构复杂，应用不广泛。绝热型除湿器多采用填料式，在其除湿单元中，除湿液喷洒在填料顶部，在贯穿填料过程中形成液膜，空气以叉流或者逆流的形式通过填料层，在液膜表面进行热质交换，完成除湿过程。在除湿器内，液体除湿过程主要发生在填料的润湿内表面上，因此，填料是整个除湿器的核心部件。若填料的比表面积大，则除湿过程的有效反应表面积大；若孔隙率高，则空气通过填料时的阻力小；若润湿性能好，则对于同样的反应面积，溶液耗量小。但是，比表面积增大会使阻力增大；同时，由于受润湿性能的影响，有效反应面积总是小于实际填料内表面积，而且为了达到一定的反应表面积，在实际操作中，液气比也总是远大于理论计算值。鉴于除湿器填料部件目前存在的技术瓶颈问题，本文引入超声雾化技术，省去绝热型除湿器中的填料部件，以便在减小除湿过程中除湿液使用量和空气通过除湿器的阻力降的同时，提高溶液的利用率。

1  基于雾化技术的绝热型除湿装置

基于超声雾化技术的绝热型除湿装置如图1所示。由图1可见：待处理空气首先由风机送入雾化室，然后，携带超声雾化作用产生的除湿剂盐雾进入气液混合管道；最后，在气液分离室与盐雾分离变成干燥空气出去。盐雾被气液分离室的除雾器捕获并聚集为大颗粒液滴落入气液分离器的底部集中，通过溶液泵送往再生装置进行再生。再生之后的浓溶液又重新被送入雾化发生装置进行雾化。整个除湿过程依此步骤循环。

1.1  雾化室

雾化室的核心部件为超声波雾化装置，其简图如图2所示^[4]。超声波雾化装置主要由超声波发生器和震荡片组成。超声波发生器将超声信号传输到在厚度方向上振动的压电陶瓷换能器，换能器的机械振动传给液体，使液体产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用。这种空化作用所产生的冲击波将以换能器的振动频率不断反复振动，使液面上产生有限幅度的表面张力波。这种波的波动飞散，使液体雾化。超声雾化现象首先是由Wood等^[5]发现的，其雾化特性大大优于普通的喷嘴雾化特性，消耗功率极低，产生的液滴初始速度几乎为0 m/s，可制得高浓度分散均匀的几μm到几十μm的小液滴，有利于输运和沉积^[6-7]。雾化液滴的直径可以通过调节频率来调节，其平均直径与超声频率有如下关系^[8]：

            (1)

式中：为雾颗粒的平均直径；为超声波频率；为被雾化溶液密度；f为被雾化液体的表面张力。盐雾产生可以通过调整输入能量即功率来调节，功率越大，产生的盐雾量越大。

图1  结合超声雾化技术的除湿系统图

Fig.1  System diagram of dehumidification process combining ultrasound atomization technology

图2  超声雾化装置结构简图

Fig.2  Structure diagram of ultrasound atomization device

1.2  气液混合管道

气液混合管道是除湿过程的主要发生场所。在这里，空气和除湿剂盐雾进行充分混合，在其混合过程中，由于盐液滴的浓度较高，在微小液滴表面附近的边界层空气中，水蒸气分压力低于空气的水蒸气分压力，因此，水蒸气分子由空气向边界层迁移，同     时，边界层中增加的水蒸气分子被盐雾颗粒吸收，若反应时间足够长，则盐雾颗粒边界层空气中的水蒸气分压力与空气的水蒸气分压力相同，此时雾化除湿过程结束。

1.3  气液分离室

气液分离室主要用来分离盐雾雾化颗粒和已经被除湿的空气，其主要部件是除雾器。由于雾化所产生的颗粒较小，如何有效解决飞沫问题至关重要。目前，除雾的方法很多，较为常用的除雾器有惯性式、折流式、旋流板式、旋风分离器等^[9]。各种除雾器的操作原理不尽相同, 分别适用于不同的颗粒粒径范围。

2  几个关键问题

图1 所示系统在运行过程中，存在下列需要解决的关键问题。

2.1  雾化量的选择

雾化设备的选择要保证其产生的盐雾量能够满足待处理空气的除湿要求。为确定雾化量，对图1中的除湿过程进行以下假设：整个反应过程为绝热过程；除湿剂溶液的比热容不变；在反应过程中，混合管段进口处空气携带的雾化溶液温度和浓度保持不变；反应时间足够长；出口处空气和液滴温度相同；水蒸气分压力相同。

根据上述假设，考虑液体除湿过程中液体在除湿段与空气的热质交换过程，可以得到进口段到出口段的能量守恒方程：

    (2)

式中：G_a为空气的流量；G_l为除湿剂的流量；h_a,0为进口空气焓；h_l,0为进口除湿剂焓；h_a为出口空气焓；h_l为出口除湿剂焓；φ₀为进口空气含湿量；φ为出口空气含湿量。其中，进出口空气焓可以表示为：

式中：t_a,0为进口空气温度；t为出口处除湿剂和空气的温度。

以氯化锂溶液为例，溶液焓、浓度和温度有如下关系^[10]：

式中：t_l,0为进口除湿剂温度；c₀为进口除湿剂浓度；c为出口除湿剂浓度。

在整个反应过程中质量守恒，即：空气中水分的减少量等于除湿剂水分的增加量,得到下面质量方程：

 (3)

在整个除湿过程中，反应充分，在除雾器附近的空气水蒸气分压力与除湿剂表面水蒸气分压力相同，得到下面方程：

        (4)

式中：P_l(ε,t)为除湿剂表面水蒸气分压力，可以由液体浓度和温度表示^[11]。将初始条件代入式(4)就可以得到空气和氯化锂盐溶液在理想情况下经过气液混合管道后的出口状态。将模拟计算结果与Nelson等^[12]所做塔式除湿结果相对比，如图3所示。其中：液气比为液体与气体的质量比；η_cond为除湿效率。

从图3可见：对应于相同的空气初始状态，达到同样的除湿效果；结合雾化技术的除湿方式，其耗液量约为文献[12]中填料塔式耗液量的1/5。实际选择除湿剂量时，可以选择液气比为1，考虑到实际过程中很难实现完全反应，可以在这个量级上适当调整。

图3  液气比对比

Fig.3  Comparison of liquid-air ratio

2.2  气液混合管道中液滴的沉降

在实际过程中，除湿反应时间主要由风速和管道长度决定。为了合理选择混合管道长度，必须要考虑液体的沉降问题。

对液滴在管道中进行竖直方向的受力分析。液滴在空气携带过程中竖直方向受到重力F_g、空气中的浮力F_a和垂直方向的空气阻力F_dv的作用。液滴的密度为ρ_l，空气的密度为ρ_a。假设液滴直径在空气中始终保持为球形直径d₁，液滴下落的瞬时速度为v，则各受力表达式为：

               (5)

               (6)

             (7)

其中：C_dv为垂直方向的阻力系数，C_dv=24/Re；Re为雷诺数，Re=(ρ_ad_lv)/μ_a。

液滴下落时，分为2个阶段。当下落速度很小时，即F_dv+F_a＜F_g时，液滴为变加速运动，加速度方向垂直向下：

          (8)

式中：m为液滴质量，。

随着下落速度逐渐变大，到F_dv+F_a=F_g时达到平衡状态，v不再增加，在垂直方向为匀速直线运动。将w为达到平衡状态时液滴在垂直方向的下落速度定义为末速度，则

     (9)

            (10)

经计算可知，对于粒径为10，20和40 μm的盐雾颗粒进入管道后0.02 s内就能加速到非常接近于末速度w，如图4所示。因此，可以近似地用w作为空气携带液滴过程中的液滴下降速度。

图4  沉降速度与时间的关系

Fig.4  Relationship between settling velocity and time

假设空气流速为1.5 m/s，采用除湿液体质量分数为35.5%、温度为20 ℃的氯化锂溶液。当盐雾颗粒粒径为10，20和40 μm时，分析液滴的空气携带率与具有一定管径的管长的关系。

空气的液滴携带率定义为空气携带的液滴量与混合管道进口处空气携带的液滴量之比。

对管长进行积分，对应于一定管径的管道，粒径为10，20和40 μm的盐雾颗粒的空气携带率随管长的变化情况如图5所示。

根据图5以及确定的携带率，可以选择管径、管长和粒径组合情况。为了尽可能保证管长，同时考虑除湿系统占用空间的问题，较好的管长范围为2~4 m，若选定管长为3 m，同时保证出口液滴携带率在80%以上，管径和粒径组合选择图5中曲线1，2，3，4，5，6，7和9对应的条件。为了尽可能地扩大接触面积，同时降低除雾器设备的阻力，可以选择中间粒径20 μm。

图5  管道长度与液滴携带率关系图

Fig.5  Relationship between pipe length and carrying rate

2.3  除雾器的选择

尽管目前的除雾器技术能够满足多种场合的不同要求，但是，不同类型的除雾器达到同样的除湿效果其阻力降不一样。除雾器的选择应该保证同样的除雾效果具有较低的压力损失。表1所示^[9]为对应于一定除雾标准的可选除雾器总类以及阻力降。从表1可以看出：对于同一种除雾设备，颗粒直径越小，则阻力降和系统动力消耗越大。因此，需要据表1合理确定图1所示系统中的除雾器形式。

表1  各种除雾器的特性

Table 1  Characteristic of various mist eliminators

从表1可以看出：常用除雾器中丝网式除雾器是比较好的选择，除雾范围广，而且阻力降也比较低。高志昌等^[13]对不同粒径液滴进行丝网除雾效率分析，得出丝网垫厚度为150 mm，气雾流速增加到8 m/s，阻力降也只有499.8 Pa。因此，丝网式除雾器的阻力降很小。由表2^[13]所示的除雾器效率与垫厚关系可知：对于直径为20 μm盐雾颗粒，选择网垫厚度100 cm时，除雾效率可接近100%。

表2  除雾器效率与垫厚的关系

Table 2  Relationship between efficiency and pad thickness of demister

3  超声雾化除湿系统与其他除湿系统的比较

3.1  与填料塔式除湿系统的对比

结合超声雾化技术的除湿系统(见图1)是在填料塔式除湿的基础上进行修改而得到的新型除湿系统。与塔式除湿系统一样均属于绝热型除湿系统，因此，均可以通过冷却进口处的溶液来提高除湿系统的除湿效率。但是，其在形式上与填料塔式除湿系统有明显区别：系统中省去了填料，直接依靠自身雾化来提供反应表面积，更加有效地利用了溶液。

3.1.1  两者的反应表面积的对比

以200 m²/m³(即内表面积与体积之比)的填料为例，假定其液膜厚度为1 mm^[14]，当耗液量为0.2 m³时，在理想情况下，填料能提供的内表面积为200 m²。0.2 m³的氯化锂溶液若完全雾化成直径为10 μm的液滴，则可以产生反应表面积60 000 m²；当完全雾化成直径为100 μm的液滴时，能产生反应表面积6 000 m²，分别是填料的300和30倍。因此，相同的除湿剂量雾化后的溶液能够产生比填料更大的反应表面积。

3.1.2  溶液利用效率的对比

通过式(2)~(4)进行计算，对比Nelson^[12]的实验结果，可以得到经雾化后其除湿剂的除湿量与填料塔式的对比情况，见图6(其中，η_cond表示除湿效率)。

图6  除湿效率对比

Fig.6  Comparison of dehumidifying efficiency

从图6可以看出：当溶液耗量相同时，利用超声雾化后的除湿效果要明显优于普通的填料塔式除湿的效果。同时，从图1可以看出：对应于相同的初始条件，除湿剂剂量越大，除湿效果越好。但是，其存在1个拐点，在拐点以前，除湿效果随溶液增加的幅度很大；在拐点以后，除湿效果随除湿剂量的增加不再明显。所以，为保证溶液的有效利用，应该尽量控制溶液使用量在拐点值以前。通常为了保证填料的充分润湿，普通的填料式除湿剂的用量一般比较大，很容易靠近或超过拐点值。在图1所示系统中，由于超声雾化产生的液体颗粒直径量级很小，使得反应面积大大提高，溶液使用率也相应提高，因此，能够有效地控制溶液利用量在拐点值以前。

3.1.3  能源消耗的对比

图1所示系统其再生部分可与填料塔式除湿采取一样的形式，因此，同样可以实现低品味能源的利用。但是，由于除湿剂用量小，在一定程度上减小了再生能耗；同时，由于去除了填料、喷头和喷淋溶液用泵，因此，与填料塔式除湿相比，动力消耗也大大减少。虽然增加了超声发生装置，但是其能耗特别低，如50 kHz的雾化器其雾化量为50 L/h，功率只需50 W；因此，结合超声雾化技术可以使液体除湿系统耗能更小。

3.2  与喷淋式除湿相对比

从气液接触方式看，图1所示除湿系统与喷淋式除湿方式的热质交换场均是在液滴表面，但是，两者截然不同，体现在：

(1) 在液滴产生方式上，喷淋式除湿利用压力泵和喷嘴产生液滴，而图1所示系统是通过超声雾化技术产生液滴。前者初始速度较大，后者初始速度几乎为0 m/s，具有很好的跟随性。

(2) 两者液滴尺寸不同。喷嘴虽然也可以产生很微小的液滴，但是，需要较大的压力差；同时，在喷淋塔内，由于空气与液滴逆流或叉流进行接触，决定了其液滴直径不能太小。若太小，则很容易导致液滴没有来得及参加反应就被空气携带离开除雾器，因此，喷淋塔内液滴直径多为几百μm到几mm之间。而图1所示系统中，空气与液滴并行，可以在保证液滴具有很小直径的同时，保证气液接触面积和气液接触  时间。

4  结论

(1) 结合雾化技术后的液体除湿系统其溶液利用率更高，当达到Nelson等实验同样的除湿效果时，其溶液耗量减少4/5。

(2) 通过对气液混合管道中的微小液滴进行沉降分析，得出达到一定空气液滴携带率管道长度、管道半径和液滴直径的组合方式。例如：管长为3 m，粒径为20 μm，管道直径在20 cm以上，携带率均在80%以上。

(3) 气液分离室内的除雾器设备可选用丝网除沫器，在实现除雾的同时降低阻力降。

(4) 与填料塔式对比，结合超声雾化技术后，相同的除湿剂能够产生更大的反应表面积，溶液的利用率提高，同时，动力消耗降低。

(5) 采用超声雾化方式能够产生粒径和初始速度都非常小的优质液滴，同时，能够有效保证空气的除湿反应时间。

参考文献：

[1] Daou K, WANG Ru-zhu, XIA Zai-zhong. Desiccant cooling air conditioning: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006, 10(2): 55-77.

[2] Mazzei P, Minichiello F, Palma D. HVAC dehumidification systems for thermal comfort: a critical review[J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25(5/6): 677-707.

[3] Lowenstein A I, Gabruk R S. The effect of absorber design on the performance of a liquid desiccant air conditioner[J]. Ashrae Transactions, 1992, 98(1): 712-720.

[4] 李伟光, 张金, 李勇, 等. 消除空调滴水的超声波装置研究[J]. 制冷学报, 2005, 26(3): 53-56.
LI Wei-guang, ZHANG Jin, LI Yong, et al. The research of ultrasonic device to eliminate water droplets in air-conditioner[J]. Journal of Refrigeration, 2005, 26(3): 53-56.

[5] Wood R W, Loomis A L, The physical and biological effects of high frequency sound waves of great intensity[J]. Phil Mag, 1927, 4: 417-436.

[6] Messing G L, ZHANG Shi-chang, Jayanthi G V. Ceramic powder synthesis by spray pyrolysis[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1993, 76(11): 2707-2726.

[7] Patil P S. Versatility of chemical spray pyrolysis technique[J]. Materials Chemistry and Physics, 1999, 59(3): 185-198.

[8] Lang R J. Ultrasonic atomization of liquids[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1962, 34(1): 6-8.

[9] 时钧, 汪家鼎, 余国琮. 化学工业手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 1996: 81-83.
SHI Jun, WANG Jia-ding, YU Guo-zong. Chemical industry guide[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 1996: 81-83.

[10] 丁照球. 溶液除湿空调系统研究[D]. 武汉: 武汉科技大学城市建设学院, 2007: 14.
DING Zhao-qiu. Study on desiccant air conditioning system[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology. Institute of City Construction, 2007: 14.

[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: 367-382.

[12] Nelson F, Goswami. Study of an aqueous lithium chloride desiccant system: air dehumidification and desiccant regeneration[J]. Solar Energy, 2002, 72(4): 351-361.

[13] 高志昌, 贾贵仁. 丝网式除雾器的性能试验[J]. 油气田地面工程, 1993, 12(1): 60-62.
GAO Zhi-chang, JIA Gui-ren. Performance test of mesh demister[J]. Chinese Journal of Oil-Gasfield Surface Engineering, 1993, 12(1): 60-62.

[14] 王抚华. 化学工程实用专题设计手册[M]. 北京: 学苑出版社, 2002: 79-87.
WANG Fu-hua. Practical thematic design manual of chemical engineering[M]. Beijing: Academy Press, 2002: 79-87.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2009-10-17；修回日期：2010-01-22

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090073110036)；上海市教育委员会科研创新项目(10ZZ14)

通信作者：连之伟(1963-)，男，山东荣成人，教授，博士生导师，从事空调系统节能、热舒适、效率等研究；电话：021-34204263；E-mail: zwlian@sjtu.edu.cn