一種基于溶液除濕技術的低溫型冷卻塔熱力分析

程 艷，涂淑平

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

引言

蒸發冷卻技術是利用水蒸發所需的潛熱進行制冷，目前蒸發冷卻技術應用較成熟的技術是冷卻塔技術［1，2］。夏季，由于空氣的相對濕度較高，因而冷卻水蒸發量較少，導致冷卻塔效率較低，出水溫度較高。論文為克服此不利氣候條件的影響，提出了利用企業廢氣，通過溴化鋰溶液對冷卻塔進氣除濕，提高冷卻塔效率，降低出水溫度這一低溫型冷卻塔。

此低溫型冷卻塔工作原理:溴化鋰濃溶液再生部分:過熱水蒸氣在盤管內通過溶液再生器，溴化鋰稀溶液被加熱，溴化鋰稀溶液中的水蒸氣大量蒸發，從而變為溴化鋰濃溶液。冷卻塔除濕部分:濃溶液通過濃溶液罐進入新風除濕器，與吸入塔中的空氣進行直接接觸，吸收空氣中的水蒸氣，變為稀溶液，通過稀溶液罐進入廢熱溶液再生裝置，此塔除濕部分的循環依此進行。冷卻塔循環水部分:吸入塔中的外界空氣經過除濕器，溴化鋰濃溶液從吸收器的上部通過噴嘴向下噴射，與進塔空氣進行直接熱濕交換，吸收空氣中的水蒸氣，使空氣的含濕量及相對濕度降低。處理后的空氣在風機作用下向冷卻塔上部運動，同時冷卻塔循環水通過冷卻塔配水裝置從高處噴下，噴頭將水噴射成霧狀，均勻布置在冷卻塔填料層中，與空氣進行熱濕交換?？諝馀c溴化鋰溶液進行熱濕交換后相對濕度較低，使得冷卻塔循環水大量蒸發，而蒸發所需的大量潛熱使得冷卻塔循環水溫度降低，整個循環依此進行 （如圖1）。

圖1 低溫型冷卻塔原理示意圖

1 空氣與噴淋水換熱的熱力計算

設計條件:冷卻塔進出水溫度為35℃/30℃，溴化鋰濃溶液與稀溶液的溫差為10K?？諝獬凉袂昂髤等绫?。對于過熱蒸汽的參數，可查過熱水蒸氣物理性質表，本計算設計廢熱蒸汽平均溫度為400K，其參數如表2。

選用根據焓差法建立的EXCELL格式函數計算軟件［3］，計算出相應冷卻塔內各參數的數值，結果如表3。

表1 除濕前后空氣參數

表2 過熱蒸汽參數

表3 冷卻塔內各參數的數值

2 溴化鋰溶液除濕熱力計算

2.1 溴化鋰溶液的結晶

按照設計要求，溴化鋰濃溶液罐向除濕器提供濃溴化鋰溶液，來對進塔空氣進行除濕。溴化鋰溶液物理性質決定需選擇一個較好的濃溶液狀態點。

圖2 溴鋰溶液結晶溫度與質量分數的關系

從圖2可看出，當溴化鋰溶液的質量分數上升時，其結晶溫度也上升;當溴化鋰溶液質量分數降低時，其結晶溫度也降低。其中，當溴化鋰溶液質量分數超過64.86%之后，溴化鋰溶液的結晶溫度急劇上升。因此本計算中，濃溶液罐中的溴化鋰溶液溫度應小于該轉折點。

2.2 溴化鋰溶液的水蒸氣分壓力和比焓

對于本設計中吸收器部分，驅動溴化鋰溶液對進塔空氣進行除濕的動力是溴化鋰濃溶液的水蒸氣分壓力與進塔空氣的水蒸氣分壓力之差，因此需分析溴化鋰溶液水蒸氣分壓力與溶液溫度及溶液質量分數之間的關系［4］。

由溴化鋰溶液的p－t圖可知，當溴化鋰溶液溫度一定時，水蒸氣分壓力隨質量分數的變大而減小，隨質量分數的減小而上升;當水蒸氣分壓力一定時，溴化鋰溶液的溫度隨質量分數的減小而增大，反之亦然;當溴化鋰溶液溫度一定時，水蒸氣分壓力隨溴化鋰溶液質量分數的減小而降低，反之亦然［5］?？紤]到廢汽溫度一般不低于80℃，為了提高廢熱的利用率，溴化鋰濃溶液的溫度tBrLi=60℃，為了防止溴化鋰溶液結晶問題，質量分數ε=60%，對應溴化鋰溶液的水蒸氣分壓力為932.54Pa，定壓比熱容:cp=1.84kJ/kg·K。

2.3 熱量交換計算

在系統的吸收器部分，溴化鋰濃溶液吸收進塔空氣中的水蒸氣，使得進塔空氣的相對濕度和焓均降低。

由表1知:除濕前干球溫度為34℃，相對濕度83%，

而空氣密度:

除濕后空氣焓值:

又由表2可知，空氣的質量流速:

流動面積:

空氣質量流量:

所以溴化鋰濃溶液單位時間內吸收的水蒸氣質量:

水蒸氣液化所放出的潛熱:

為了簡化計算，在計算濃溶液與空氣熱濕交換的過程時，不考慮空氣中水蒸氣的質量損失，空氣所獲得的冷量:

由能量守恒:空氣減少的能量與空氣中水蒸氣液化所放出的潛熱均被溴化鋰溶液吸收，即:

而

得:

3 溴化鋰稀溶液與過熱水蒸氣換熱的熱力計算

在發生器部分，溴化鋰稀溶液在過熱水蒸汽作用下，溫度升高，溴化鋰稀溶液中水分蒸發。對于發生器，本設計選用管殼式換熱器，溴化鋰溶液在殼程中，過熱水蒸氣在管程中，在殼體上，開有一些小孔，用于溴化鋰溶液蒸發出的水蒸氣排出。對于殼管式換熱計算。

由表2得:

且有換熱總量:

由公式:

求得:

4 結論

1）本論文提出了一種低溫型冷卻塔設計方案，方案中用溴化鋰濃溶液對進塔空氣進行除濕，溴化鋰溶液再生熱源選用企業生產經過程中產生的過熱水蒸氣，合理利用了企業的廢熱。

2）由EXCELL格式函數計算軟件，根據當地氣象參數及設計條件，方便快捷地計算出了冷卻塔的尺寸大小、進出塔空氣及進出塔冷卻水的狀態參數。

3）根據三個主要熱力發生過程中能量守恒，由設計條件計算出了進塔空氣的流量、所需溴化鋰的流量及所需水蒸氣的流量，完成了整個過程的熱力計算分析。

［1］MARIJKE S，ARNOLD A.Performance evaluation of evaporative cooling using whole－building hygrothermal simulations［J］．Applied ThermalEngineering2009，29（14）:2870－2875

［2］黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用 ［M］．北京:中國建筑工業出版社，2010

［3］劉進進.溶液除濕在蒸發冷卻技術中的應用 ［D］．上海海事大學碩士學位論文，2013

［4］鐘怡.燃氣發動機驅動復合轉輪除濕空調系統的應用［J］．煤氣與熱力，2005，25（1）:43－47

［5］賈春霞，代彥軍，吳靜怡.硅膠－氯化鋰復合干燥劑除濕轉輪性能優化［J］．煤氣與熱力，2008，28（10）:A30－A32