溴化鋰水溶液常壓下沸騰再生實(shí)驗(yàn)研究

弓仲凱 裴清清

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

溴化鋰水溶液常壓下沸騰再生實(shí)驗(yàn)研究

弓仲凱 裴清清

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

針對常規(guī)除濕溶液LiBr水溶液，在常壓條件下，展開沸騰再生過程實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求確定了正交實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)因素包括溶液初始濃度、初始溫度、熱流密度、冷卻水流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對于常壓下沸騰再生速率的影響程度依次為熱流密度、初始溫度、初始濃度、冷卻水流量。其中熱流密度和初始溫度對再生速率影響顯著。

溴化鋰水溶液 常壓 沸騰再生 再生速率 正交試驗(yàn)

0 引言

溴化鋰水溶液是除濕空調(diào)常用的一種除濕劑[1]。高濃度的溴化鋰水溶液通過與被處理空氣間的水蒸氣分壓力差吸收空氣中的水蒸氣，從而完成對空氣的除濕過程。溶液吸收空氣中水分后，需進(jìn)行濃縮再生以恢復(fù)吸濕能力。目前溶液的再生研究主要集中于加熱稀溶液，增大其水蒸氣分壓力，與空氣接觸，使溶液中的水分進(jìn)入空氣，實(shí)現(xiàn)溶液的再生[2]。其優(yōu)點(diǎn)是可以使用60～80℃的低品位熱源（包括太陽能、工業(yè)余熱、熱泵等），然而這種溶液再生過程受再生空氣狀態(tài)影響較大。再生空氣濕度較高時(shí)，工作效率低，限制了除濕空調(diào)的使用范圍[3]。

在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用沸騰式濃縮，受室外環(huán)境影響小，可以作為液體除濕空調(diào)的再生手段[4～6]，應(yīng)用前景十分廣闊。

溶液除濕空調(diào)的工作環(huán)境一般在常壓下，現(xiàn)針對常壓下LiBr水溶液的沸騰再生展開實(shí)驗(yàn)研究。本文利用正交試驗(yàn)方法對影響常壓沸騰再生的幾種因素進(jìn)行主次分析，為今后溶液沸騰式再生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)并自行搭建了常壓沸騰再生實(shí)驗(yàn)平臺（圖1）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括沸騰再生裝置、數(shù)據(jù)采集器、調(diào)壓器等幾部分。沸騰再生裝置由不銹鋼板焊接而成，內(nèi)置4.5kW電加熱管，水蒸氣通過上部冷凝器與冷卻水換熱，形成冷凝水。冷凝器與加熱筒體有氣密裝置，保證其良好氣密性。沸騰再生裝置與調(diào)壓器相連，通過調(diào)壓器改變電加熱管的輸入功率。筒體內(nèi)部溶液溫度由熱電偶與數(shù)據(jù)采集裝置，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取。筒體外部貼有1cm厚絕熱保溫材料，減少其散熱損失。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)測量

本實(shí)驗(yàn)使用的儀器包括:熱電偶、電子天平、萬用表、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀等，各儀器參數(shù)簡介如表1。

表1 測試儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本文以沸騰再生裝置作為實(shí)驗(yàn)單元，以溶液水分蒸發(fā)率作為反映再生效果的標(biāo)志，通過控制實(shí)驗(yàn)因素的變化，來達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。

影響常壓條件下再生效果的因素主要有:溶液的初始濃度、初始溫度、初始質(zhì)量、熱流密度、冷卻水流量、加熱時(shí)間等。為了全面并有效地研究溶液沸騰再生性能的影響因素，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，選擇以下4個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素，初始質(zhì)量和加熱時(shí)間保持定值，分別為4545g和480s。其它因素取值見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)因素范圍

再生實(shí)驗(yàn)根據(jù)表2的不同實(shí)驗(yàn)元素的范圍進(jìn)行取值，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)助手完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)四個(gè)因素，五個(gè)水平的正交實(shí)驗(yàn)方法建立正交實(shí)驗(yàn)表，選取L25(54)正交表，即做25次實(shí)驗(yàn)。水平分布及正交實(shí)驗(yàn)方案分別見表3和表4。

表3 水平數(shù)對應(yīng)表

表4 正交實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)正交試驗(yàn)表的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在穩(wěn)定的條件下得出每個(gè)方案的蒸發(fā)率，進(jìn)行極差分析（表5）和方差分析（表6）。

表5 極差分析表

表6 方差分析表

定義單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生水蒸氣的質(zhì)量為蒸發(fā)率，單位g/s，表征再生速率。根據(jù)表5繪制趨勢圖，得到各個(gè)因素對溶液水分蒸發(fā)率的影響的趨勢，見圖2～5。

圖2 蒸發(fā)率隨溶液初始濃度（A）的變化趨勢

圖3 蒸發(fā)率隨溶液初始溫度（B）的變化趨勢

圖4 蒸發(fā)率隨熱流密度（C）的變化趨勢

圖5 蒸發(fā)率隨冷卻水流量（D）的變化趨勢

結(jié)合趨勢圖、極差分析表和方差分析表對各個(gè)參數(shù)對再生速率的影響進(jìn)行分析：

1）極差分析：由表5分析可知，對比不同水平下各個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值的數(shù)值，可得，在25組實(shí)驗(yàn)方案中最佳方案為A2B5C5D5即參數(shù)A（溶液初始濃度）中0.4%為最優(yōu)水平，參數(shù)B（溶液初始溫度）中80℃為最優(yōu)水平，參數(shù)C（熱流密度）中164kW/m2為最優(yōu)水平，參數(shù)D（冷卻水流量）中260L/h為最優(yōu)水平。極差分析中溶液初始溫度、熱流密度、冷卻水流量最優(yōu)水平均為邊界值，是因?yàn)閰?shù)的試驗(yàn)范圍有限，且再生量的變化是參數(shù)的單調(diào)函數(shù)。四個(gè)因素中對再生速率影響程度依次為熱流密度、溶液溫度、溶液濃度、冷卻水流量。

2）方差分析：極差分析法反映了各影響因素對實(shí)驗(yàn)變量影響程度的大小關(guān)系。但這種方法不能區(qū)分試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)同試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，也就是說，不能區(qū)分因素各水平間對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由于因素水平不同引起的，還是由于試驗(yàn)誤差引起的，無法估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。此外，各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計(jì)，不能提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷所考察因素作用是否顯著。為了彌補(bǔ)極差分析的缺陷，需采用方差分析法，計(jì)算出偏差平方和，自由度，F(xiàn)比，F(xiàn)臨界值（a=0.05），當(dāng)F統(tǒng)計(jì)量＞F臨界值時(shí)，認(rèn)為該因素對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響[7～8]，由表6分析可知熱流密度對再生速率結(jié)果有顯著性影響，各因素的影響程度依次為熱流密度，溶液初始溫度、溶液初始濃度、冷卻水流量，與直觀分析的結(jié)果相同。顯著性因素在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)選擇較好的水平，而對不顯著的因素，從成本、操作方便等角度加以選擇。

3）從趨勢圖2～5中可以獲取各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對再生罐內(nèi)的再生速率的影響：①再生速率與溶液的初始濃度成反比，溶液的初始濃度越低，水分的蒸發(fā)率越大。②再生速率與熱流密度成正比關(guān)系，近似線性變化，熱流密度越大，容器內(nèi)水分的蒸發(fā)率也隨之增大，影響最為明顯。因此應(yīng)當(dāng)適宜地提高熱流密度，但是為了防止水分蒸發(fā)過快而導(dǎo)致溶液結(jié)晶，外部熱源的加熱量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。③水分的蒸發(fā)率與溶液初始溫度成正比關(guān)系，水分的蒸發(fā)率隨著初始溫度的升高而增大。并且隨著溫度達(dá)到70℃以后，溫度對再生速率的影響逐漸增大。④水分的蒸發(fā)率與冷卻水流量成正比關(guān)系，隨冷卻水流量的增加，溶液的再生效率略有增大。

3 結(jié)論

正交試驗(yàn)分析表明：

1）對再生速率的影響因素按主次排序依次為熱流密度、溶液初始溫度、溶液初始濃度和冷卻水流量。

2）熱流密度和溶液初始溫度對蒸發(fā)率結(jié)果影響顯著。在對再生器的運(yùn)行控制優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮熱流密度的影響。

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Expe rim e nt Study of Boiling Re ge ne ra tion of LiBr Aque ous Solution a t Norm a l Atm os phe ric Pre s s ure

GONG Zhong-kai,PEI Qing-qing
College of Civil Engineering,Guangzhou University

Experiments on the boiling regeneration of the LiBr aqueous solution were conducted in the paper.Through orthogonal experiment design,experimentally studies the influences of initial solution concentration,initial solution temperature,heat flow density,and the cooling water flow rate on the regeneration performance.Orthogonal experimental analysis show that the sequencing of various factors in the influence on the regeneration performance is the heat flow density,initial solution temperature,initial solution concentration,the cooling water flow rate.Heat flow density and initial solution temperature have a significant impact on the regeneration rate.

LiBr aqueous solution,normal atmospheric pressure,boiling regeneration,regeneration rate,orthogonal experiment

1003-0344（2015）02-026-4

2014-1-9

弓仲凱（1988～），男，碩士研究生；廣州大學(xué)土木工程學(xué)院（510006）；E-mail:995977428@qq.com

國家科技支撐計(jì)劃（2011BAJ01B01-04）