填料式液体除湿系统传递过程理论解及验证

    填料式液体除湿系统的研究对于发展液体除湿技术及液体除湿制冷空调技术具有重要意义[1].目前已有一些学者对逆流填料式液体除湿系统的一维热质传递过程进行了研究[2,3],然而关于交叉流填料式液体除湿系统的热质传递过程的研究则不多见.交叉流填料式液体除湿系统主要由除湿部和再生部组成,在进行热质传递分析时,二者可以等同看待.它们均具有如图1所示的装置结构:液体吸湿剂溶液由喷淋管均匀地喷淋在填料层顶部,空气则从一侧穿过填料层,溶液与空气间呈交叉流动;在温度差和浓度差推动力作用下,发生相际传热传质.交叉流系统中的热质传递过程在数学上可以视作二维问题,比逆流系统要复杂一些,因而增加了对所建立的数学模型进行解析求解的难度.目前尚未见到有关交叉流填料式液体除湿系统传热传质过程解析模型的文献报导.

    本文将交叉流填料式液体除湿系统中的空气参数和溶液参数按其流动方向分别作一维处理,对建立的传递过程数学模型经适当简化后进行解析求解,并用实验对得到的近似解析解进行验证.

    1 数学模型的建立及其解析解

    假定如下:①填料层中发生的热质传递过程与外界是绝热绝湿的;②填料是由高吸湿性材料构成的,填料能被充分地浸润,传热和传质的界面相同;③填料表面液膜很薄,加之填料不规则通道对液膜的扰动性很强,因而可以认为传热传质阻力主要取决于气相,液相阻力可以忽略;④沿两流体流动的方向无导热和质扩散;⑤忽略溶液的溶解积分热;⑥溶液在横向能够充分混合,其参数仅沿其流动方向变化;⑦空气在横向能够充分混合,其参数仅沿其流动方向变化.

    根据以上假定,可以将交叉流填料层中吸湿剂溶液与空气间的热质传递过程抽象为如图2所示的物理模型:在除湿过程中,填料层中的溶液在自上而下的流动过程中从空气中吸湿,浓度变稀,温度升高;空气在填料层的流动过程中,含湿量则逐渐降低,温度可能升高,也可能下降,这与喷淋溶液的温度等因素有关.在再生过程中,溶液、空气参数沿其流动方向的变化趋势与除湿过程正好相反.图中填料层在空气流向的长度为L,在溶液流向的高度为H,与两流体流动相垂直方向的宽度为W.传递过程的边界条件为

    式中:ha为主流空气的焓,kJ•kg^-1;Xa为主流空气的含湿量,kg•kg-1;ma,ml分别为干空气总流量和吸湿剂溶液总流量,kg•s^-1;tl为溶液温度,e;N为溶液质量浓度;下标l表示进口参数.

    从填料层中取体积为dxW的微元体,其进出口参数如图3所示(垂直于纸面方向微元体的尺寸为W).根据质能守恒定律,在该微元体上可以建立以下微分方程.