液体除湿剂氯化钙再生特性的实验研究_赵纯清

液体除湿剂氯化钙再生特性的实验研究赵纯清，丁淑芳，周勇，徐俊（华中农业大学工学院武汉430070）摘要:在农业工程领域，对空气进行除湿（降温）技术有着广泛的应用，如应用在我国南方夏季温室的除湿降温、农产品的低温干燥、农产品生产及储藏间的温湿度调节等方面。氯化钙溶液作为空气除湿（降温）系统中除湿剂，具有较好的经济性和适用性，并可通过太阳能和地热能进行再生。实验研究表明，浓度为30%—34%的氯化钙溶液在温度为50℃—75℃的热源条件下可实现再生。影响再生的效果的主控因子是再生温度、蒸发面积、再生时间。关键词:农业工程；空气除湿；除湿剂；氯化钙；再生中图分类号：文献标识码：A文章编号：0引言空气除湿是利用一些物理或者化学方法吸收空气中的水分从而使空气的湿度降低。目前应用于农业工程领域的空气除湿技术主要有通风除湿、冷却除湿、液体吸收除湿、固体吸附除湿、压缩空气除湿等方法[1]。其中液体除湿系统具有连续处理较大量的空气且空气的减湿幅度大、除湿剂喷洒可除去空气中的有害物质（如尘埃、细菌、霉菌等）、除湿剂可利用低品位热能（如太阳能、地热能）再生而实现节能的绿色除湿方式[2]。因此，在农业工程领域中，如在我国南方夏季温室的除湿降温[3-5]、农产品的低温干燥和储藏、畜禽舍的防潮除菌、农产品加工车间的温湿度调节等方面[6,7]，液体除湿系统具有较广泛的应用。液体除湿系统的关键技术之一是除湿剂的选择和再生，目前通常采用溴化锂、氯化锂、氯化钙等的水溶液作为除湿剂。溴化锂、氯化锂化学性能稳定，吸湿性能好，但是价格昂贵，在建筑环境和工业生产中有广泛的应用[8-10]。氯化钙作为液体除湿系统的除湿剂，其吸湿性能好，价格便宜(只有溴化锂、氯化锂的1/16)，成本低且易再生，因此，在农业工程领域中通常考虑使用氯化钙作为除湿剂，但是氯化钙具有腐蚀性，在实际应用中多考虑使用非金属材料来防腐[11]。目前国内外学者对除湿剂的吸湿特性研究较多，对它们的再生特性特别对氯化钙再生特性研究甚少[12-14]。因此加强对除湿剂氯化钙再生特性的研究，使之较广泛地应用于农业工程领域，具有较强的理论与实际意义。1材料与方法1.1实验材料本实验氯化钙水溶液用（CaCl2）配制，无水氯化钙纯度≥96%，其它物质如水分、水不溶物、金属等总含量≤4%，当吸湿量达本身重量的150%时全部溶解。再生实验仪器使用HH-2型数显恒温水浴锅，其可控温度为0℃-100℃，装水容积6L,氯化钙溶液再生通过水浴锅内内径分别为50mm、65mm、81mm、101mm的烧杯进行。1.2实验设计根据平板太阳能集热器（集热板尺寸：长×宽×高=1200mm×1000mm×95mm）在日平均气温30℃-35℃条件下，实测集热器内水温在50℃-75℃，考虑到实际应用中平板太阳能集热器的蒸发面积已经国标化，实验蒸发面积影响只通过不同烧杯里氯化钙溶液再生时的蒸发面积不同进行单因素影响实验。设计实验的再生温度六水平（50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃），参考氯化钙溶液的水蒸气压力-重量浓度图、空气的焓湿图，分析氯化钙溶液的水蒸气压力和空气中水蒸气压力，氯化钙溶液再生时的初始重量浓度设计三水平（30%、32%、34%），再生时间设计三水平（60min、90min、120min）。1.3实验数据的测定方法对于氯化钙溶液的浓度测定，配备氯化钙溶液的初始浓度根据无水氯化钙的纯度计算所需的无水氯化钙的重量和所需蒸馏水的重量，然后用EDTA标准溶液测定氯化钙的浓度。在标定溶液浓度的条件下，根据溶液的初始重量和再生后溶液重量计算水分蒸发量，可折算出再生后溶液的浓度，实验测试时只测定氯化钙溶液的水分蒸发量（g）。溶液的重量用型号为TMP-500上皿式电子称（精度0.01g）测定。再生时间用秒表测定。2结果与分析2.1实验方案安排及实验结果由于所考察的因素再生温度A、初始浓度B、再生时间C是不等水平，且假设A、B、C三因素间两两有交互作用，故选用混合型正交表L18(61×36)。通过表头设计，根据实验方案测定的实验指标及结果如表1所示。试验号A(℃)B(%)A×BC(min)A×CB×C误差e水分蒸发量yi(g)11（50℃）1（30%）32(90min)2123.13212（32%）11(60min)1211.85313（34%）23(120min)3333.4042（55℃）1212312.81522331135.26623123223.8273（60℃）1131329.54832223115.54933312233.31104（65℃）1113135.9811422322210.941243321318.01135（70℃）13332113.5514521223310.021553211126.35166（75℃）12212312.651762313328.0918631321114.99K18.3847.6646.2028.3943.6641.2546.75K211.8941.7041.6943.1745.2046.1241.87K318.3939.8841.3557.6840.3841.8740.62K424.93K529.92K635.73T=129.24k12.7937.9437.704.7327.2776.8757.792k23.9636.956.9487.1957.5337.6876.978k36.136.6476.899.6136.736.9786.77k48.31k59.973k611.91R5.781.2960.814.8810.8030.8121.022r3.701.651.036.211.021.031.30优水平A6B1C3注：表中r=m1/2dR为折算后的极差。m-各因素的水平重复次数,d-折合系数表1试验安排及试验结果Table1Thearrangementandtheresultoftheexperiment2.2实验结果的极差分析试验结果表中所计算出的r值代表了各因素Ki平均值的波动范围，其值愈大，表明该因素对氯化钙溶液再生的影响效应愈强。通过比较r值的大小，可以列出各因素对氯化钙溶液再生时的水分蒸发量影响的主次顺序为C—A—B。同时，由r值的大小可以看出A×B、A×C、B×C等交互作用与误差e相比较，对试验指标的影响甚微，即所考察的各主要因素间的交互作用不显著。由于Ki平均值数值的不同是由各因素不同水平所引起的差异，所以Ki平均值数值的大小反映了每个因素各水平对试验指标的影响大小，由此得到各因素的最优水平为A6、B1和C3。通过以上分析，在试验确定的各因素的区间内，最佳的试验效果为A6B1C3，即在再生温度为75℃、氯化钙溶液浓度为30%、再生时间为120min时，再生时的水分蒸发量最大,再生效果最好。2.3实验结果的方差分析在实验结果的极差分析中，由于A×B、A×C、B×C等交互作用与误差e相比较，对试验指标的影响甚微，为了提高检验精度，将因素差异的平方和SSA×B、SSA×C和SSB×C并入SSe中，即SSe,＝SSA×B＋SSA×C＋SSB×C＋SSe。根据实验结果表1计算的方差分析表见表2。总变异来源平方和自由度方差F临界值A186.44537.2928.91B5.5222.762.14C71.50235.7527.71A×B2.452A×C2.022B×C2.352e3.502F0.01(5,8)=6.63F0.01(2,8)=8.65F0.05(5,8)=3.69F0.05(2,8)=4.46F0.01(5,8)=2.73F0.1(2,8)=3.11总变异373.782SSe’=1.032Se’=SSe’/8=1.29表2方差分析表Table2Thetableofvarianceanalysis由方差分析表的计算结果可知，A因素：FA=28.91F0.01(5,8)=6.63，表明再生温度对氯化钙溶液水分蒸发量影响极显著。B因素：FB=2.14F0.1(2,8)=3.11，表明氯化钙溶液的初始浓度对其水分蒸发量影响不显著。C因素：FC=27.71F0.01(2,8)=8.65，表明再生时间对水分蒸发量影响极显著。3小结与讨论1)液体除湿（降温）系统在农业工程中具有广泛的应用，该系统的关键技术之一是除湿剂的选择和再生，目前通常采用溴化锂、氯化锂、氯化钙等的水溶液作为除湿剂，由于溴化锂、氯化锂价格昂贵，为了节约成本，提高除湿剂使用的经济性和适用性，在农业生产中通常选择氯化钙溶液作为除湿剂。2)在农业工程领域的一般空气除湿（降温）的要求下，对氯化钙的选用有两种，一种是工业用氯化钙（CaCl2.2H2O），纯度为70%—75%左右，当其吸湿量达本身重量的100%时全部溶解。一种是无水氯化钙（CaCl2），纯度≥96%，其它物质如水分、水不溶物、金属等总含量≤4%，当吸湿量达本身重量的150%时全部溶解。工业用氯化钙溶液与无水氯化钙特性相近，且工业用氯化钙的价格只有无水氯化钙的35%左右，因此利用工业用氯化钙的水溶液作为液体除湿剂较经济。3）根据氯化钙的浓度-水蒸气压力图分析，在50℃-75℃温度条件下，浓度为30%-34%的氯化钙溶液可实现再生，为了实现农业生产中充分利用绿色能源以达到节能环保和经济性要求，利用太阳能和地热能通过再生装置对氯化钙溶液进行再生在实际应用中完全可行。4）由于氯化钙溶液对金属具有腐蚀性，因此在设计除湿（降温）系统及除湿剂再生子系统时要充分考虑系统的防腐能力，目前较通用的方法是在除湿剂中加缓蚀剂或使用防腐材料来制造相关设备解决除湿剂的腐蚀问题。5）为了提高氯化钙的再生效率，在利用太阳能和地热能时尽可能提高再生温度、增加再生时的蒸发面积、加强蒸发面的空气流动、增加再生时间等方法来加大氯化钙溶液的水分蒸发量，获得较好的再生效果。再生时当氯化钙溶液的浓度提高到其水分蒸发速度和吸收速度动态平衡时，溶液水分蒸发量与时间无关。6）氯化钙溶液的再生过程是一个较复杂的传热传质过程[15,16]，再生后的氯化钙溶液温度较高，溶液表面的水蒸气分压力较大，直接使用喷淋除湿效果较差，只有当氯化钙溶液自然冷却到20℃左右后使用除湿效果较好。利用太阳能地热能作为热源对氯化钙溶液进行再生以及对氯化钙的再生特性研究是一个探索性的研究，只有充分利用低品位能源资源，才能实现农业工程生产中遇到的环保节能问题和降低生产成本问题。本文通过对氯化钙再生特性的研究和其他特性分析，为农业工程实际生产中更好地利用氯化钙作为除湿剂来解决实际生产中对空气温湿度进行调节的问题提供科学依据。参考文献:[1]唐亮，祖述程．空气的除湿处理技术[J]．中国新技术产品.2010,7：8[2]曹峰，喻李葵.液体除湿技术在建筑环境与设备中的应用及发展趋势[J].制冷空调与电力机械，2007,6:69-72[3]张继元，赵纯清，陈传艳.温室除湿降温系统的研究与设计初探[M].见:管小冬主编，国际农业生物环境与能源工程论坛论文集.北京:中国农业科学技术出版社，2003，202－204[4]赵纯清，张继元.温室除湿降温系统中除湿室结构的设计[J].华中农业大学学报自然科学版,2004,3:355-358[5]赵纯清，张继元，丁淑芳.除湿降温系统用于温室降温的可行性探索[J].农机化研究，2004,5:77-78[6]徐学利，张立志，朱冬生．液体除湿研究进展[J]．暖通空调，2004，34(7)：22-28．[7]方承超，黄强华，孙克涛.太阳能液体除湿空调系统研究现状[J].新能源，1995,17（7）：8-11[8]张亚红.日光温室空气湿度环境及除湿技术研究[J].宁夏农学院学报，2001，1:32－36[9]杨英，李心纲，李维毅等.高湿环境下太阳能液体除湿特性的试验研究[J].河北建筑科技学院学报，1999，3:40－45[10]第四机械工业部第十设计研究院.空气调节设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1983，390－419[11]廖朝钟.氯化钙盐水的腐蚀和防护途径[J].全面腐蚀控制，1992，3：