一种基于溶液除湿技术的低温型冷却塔热力分析

程 艳，涂淑平

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

引言

蒸发冷却技术是利用水蒸发所需的潜热进行制冷，目前蒸发冷却技术应用较成熟的技术是冷却塔技术［1，2］。夏季，由于空气的相对湿度较高，因而冷却水蒸发量较少，导致冷却塔效率较低，出水温度较高。论文为克服此不利气候条件的影响，提出了利用企业废气，通过溴化锂溶液对冷却塔进气除湿，提高冷却塔效率，降低出水温度这一低温型冷却塔。

此低温型冷却塔工作原理:溴化锂浓溶液再生部分:过热水蒸气在盘管内通过溶液再生器，溴化锂稀溶液被加热，溴化锂稀溶液中的水蒸气大量蒸发，从而变为溴化锂浓溶液。冷却塔除湿部分:浓溶液通过浓溶液罐进入新风除湿器，与吸入塔中的空气进行直接接触，吸收空气中的水蒸气，变为稀溶液，通过稀溶液罐进入废热溶液再生装置，此塔除湿部分的循环依此进行。冷却塔循环水部分:吸入塔中的外界空气经过除湿器，溴化锂浓溶液从吸收器的上部通过喷嘴向下喷射，与进塔空气进行直接热湿交换，吸收空气中的水蒸气，使空气的含湿量及相对湿度降低。处理后的空气在风机作用下向冷却塔上部运动，同时冷却塔循环水通过冷却塔配水装置从高处喷下，喷头将水喷射成雾状，均匀布置在冷却塔填料层中，与空气进行热湿交换。空气与溴化锂溶液进行热湿交换后相对湿度较低，使得冷却塔循环水大量蒸发，而蒸发所需的大量潜热使得冷却塔循环水温度降低，整个循环依此进行 （如图1）。

图1 低温型冷却塔原理示意图

1 空气与喷淋水换热的热力计算

设计条件:冷却塔进出水温度为35℃/30℃，溴化锂浓溶液与稀溶液的温差为10K。空气除湿前后参数如表1。对于过热蒸汽的参数，可查过热水蒸气物理性质表，本计算设计废热蒸汽平均温度为400K，其参数如表2。

选用根据焓差法建立的EXCELL格式函数计算软件［3］，计算出相应冷却塔内各参数的数值，结果如表3。

表1 除湿前后空气参数

表2 过热蒸汽参数

表3 冷却塔内各参数的数值

2 溴化锂溶液除湿热力计算

2.1 溴化锂溶液的结晶

按照设计要求，溴化锂浓溶液罐向除湿器提供浓溴化锂溶液，来对进塔空气进行除湿。溴化锂溶液物理性质决定需选择一个较好的浓溶液状态点。

图2 溴锂溶液结晶温度与质量分数的关系

从图2可看出，当溴化锂溶液的质量分数上升时，其结晶温度也上升;当溴化锂溶液质量分数降低时，其结晶温度也降低。其中，当溴化锂溶液质量分数超过64.86%之后，溴化锂溶液的结晶温度急剧上升。因此本计算中，浓溶液罐中的溴化锂溶液温度应小于该转折点。

2.2 溴化锂溶液的水蒸气分压力和比焓

对于本设计中吸收器部分，驱动溴化锂溶液对进塔空气进行除湿的动力是溴化锂浓溶液的水蒸气分压力与进塔空气的水蒸气分压力之差，因此需分析溴化锂溶液水蒸气分压力与溶液温度及溶液质量分数之间的关系［4］。

由溴化锂溶液的p－t图可知，当溴化锂溶液温度一定时，水蒸气分压力随质量分数的变大而减小，随质量分数的减小而上升;当水蒸气分压力一定时，溴化锂溶液的温度随质量分数的减小而增大，反之亦然;当溴化锂溶液温度一定时，水蒸气分压力随溴化锂溶液质量分数的减小而降低，反之亦然［5］。考虑到废汽温度一般不低于80℃，为了提高废热的利用率，溴化锂浓溶液的温度tBrLi=60℃，为了防止溴化锂溶液结晶问题，质量分数ε=60%，对应溴化锂溶液的水蒸气分压力为932.54Pa，定压比热容:cp=1.84kJ/kg·K。

2.3 热量交换计算

在系统的吸收器部分，溴化锂浓溶液吸收进塔空气中的水蒸气，使得进塔空气的相对湿度和焓均降低。

由表1知:除湿前干球温度为34℃，相对湿度83%，

而空气密度:

除湿后空气焓值:

又由表2可知，空气的质量流速:

流动面积:

空气质量流量:

所以溴化锂浓溶液单位时间内吸收的水蒸气质量:

水蒸气液化所放出的潜热:

为了简化计算，在计算浓溶液与空气热湿交换的过程时，不考虑空气中水蒸气的质量损失，空气所获得的冷量:

由能量守恒:空气减少的能量与空气中水蒸气液化所放出的潜热均被溴化锂溶液吸收，即:

而

得:

3 溴化锂稀溶液与过热水蒸气换热的热力计算

在发生器部分，溴化锂稀溶液在过热水蒸汽作用下，温度升高，溴化锂稀溶液中水分蒸发。对于发生器，本设计选用管壳式换热器，溴化锂溶液在壳程中，过热水蒸气在管程中，在壳体上，开有一些小孔，用于溴化锂溶液蒸发出的水蒸气排出。对于壳管式换热计算。

由表2得:

且有换热总量:

由公式:

求得:

4 结论

1）本论文提出了一种低温型冷却塔设计方案，方案中用溴化锂浓溶液对进塔空气进行除湿，溴化锂溶液再生热源选用企业生产经过程中产生的过热水蒸气，合理利用了企业的废热。

2）由EXCELL格式函数计算软件，根据当地气象参数及设计条件，方便快捷地计算出了冷却塔的尺寸大小、进出塔空气及进出塔冷却水的状态参数。

3）根据三个主要热力发生过程中能量守恒，由设计条件计算出了进塔空气的流量、所需溴化锂的流量及所需水蒸气的流量，完成了整个过程的热力计算分析。

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

［2］黄翔.蒸发冷却空调理论与应用 ［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010

［3］刘进进.溶液除湿在蒸发冷却技术中的应用 ［D］．上海海事大学硕士学位论文，2013

［4］钟怡.燃气发动机驱动复合转轮除湿空调系统的应用［J］．煤气与热力，2005，25（1）:43－47

［5］贾春霞，代彦军，吴静怡.硅胶－氯化锂复合干燥剂除湿转轮性能优化［J］．煤气与热力，2008，28（10）:A30－A32