电渗析再生溶液除湿技术在养猪场保育舍的应用

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  [摘 要]养猪场保育舍猪只对温度、湿度以及空气品质等环境条件要求非常高,当这些条件不能被满足时保育猪就可能会生病乃至死亡。据调查,很多养猪场都采用湿帘——风机系统,基本可以满足保育猪对温度以及新风量的要求。但是该系统不仅不能降低保育舍内空气的湿度,还会增加额外的新风湿负荷,导致保育舍整体湿度过高。在一般除湿装置中,吸湿溶液可以有效的吸收空气中的水蒸气,但是水蒸气的凝结潜热绝大部分会随之进入溶液,导致溶液的温度显著升高,从而降低溶液与空气之间的传质驱动力。因此,本文提出采用电渗析再生除湿溶液系统对冷湿空气进行除湿,和湿帘——风机系统同时运行,分别承担湿负荷和冷负荷,进行温湿度独立控制。一方面,除湿溶液可以将冷空气处理到相应的湿度;另一方面,湿冷空气对除湿装置外壁进行冷却,抑制或降低溶液的温升,维持溶液与空气之间的传质驱动力。所以,將电渗析再生溶液除湿系统和湿帘——风机系统同时应用到养猪场保育舍,可以为养猪场营造合适的温湿环境。
  [关键词]溶液除湿 温湿度独立控制 电渗析技术 养猪场保育舍
  中图分类号:TE235 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)23-0395-03
  湿帘——风机系统因其价格低廉,设备本身构造简单,降温速度快,耐用稳定等优点,在养猪场中广泛应用。但空气通过湿帘后相对湿度变大(约为90%),再加上猪体本身呼吸、出汗散湿,粪便散湿等会造成猪舍中整体湿度过高,较高的空气湿度利于病原性真菌、寄生虫、细菌的发育,导致猪球虫病的传播和廨、湿疹等皮肤病的发生。机体的抵抗力因此减弱、发病率增加,从而导致传染病的蔓延。低温高湿下,猪易患各种呼吸道疾病,发生肌肉炎、感冒、神经痛等病。而在湿度很低的环境中,猪的皮肤水分蒸发很快引起皮肤干燥,影响猪的健康以及生产质量。保育猪刚进行断奶,受到各种因素的刺激,死亡率增加,因此,保持保育舍合理的湿度尤为重要。但是大多数养猪场保育舍中都没有设湿度控制系统,并且鲜少有文献研究猪舍除湿方面的内容。
  李晓华等[1]对溶液除湿空气处理方式的原理和装置进行了全面阐述。国内多名学者也对溶液除湿在各领域的应用进行了研究[2-4]。
  本文提出将光伏驱动溴化锂溶液再生除湿系统应用到养猪场保育舍中。溶液除湿(或称溶液调湿、液体除湿)是一种能够有效满足空气湿度处理需求、综合利用多种品位能源的高效除湿方式。光伏溶液再生技术采用太阳能,利用电渗析原理,从而将电解质与水分离以浓缩溶液,达到了再生除湿溶液的目的,以使溴化锂溶液实现循环利用。
  一、溶液除湿原理介绍
  溴化锂溶液对水蒸气有很强的吸收能力,当其与空气直接接触进行热湿交换,能达到升高或降低空气湿度的目的。同时设置再生装置对吸湿溶液进行浓缩再生,可以使除湿溶液循环利用。溴化锂(LiBr)是一种稳定的物质,在大气中不变质、不挥发、不分解,无毒,溶解度是食盐的3倍左右。具有一定的腐蚀性,可以使用塑料等防腐材料防止对管道等设备的腐蚀。常压情况下,溴化锂沸点在1200℃以上,而水的沸点仅为100℃。溴化锂溶液的表面蒸气压和水蒸气的分压力近似相等。当溶液与空气直接接触并达到平衡时,两者的温度与水蒸气分压力分别对应相等,在这种情况下,溶液的等效含湿量与溶液状态相平衡的湿空气的含湿量相等,因此可以通过水蒸气的含湿量求出溶液的等效含湿量。参见式(1-1),其中和分别是大气压和溶液的表面蒸气压。
  图1表示了LiBr溶液浓度与表面蒸气压在不同温度下的对应关系。被处理空气的水蒸气分压力与吸湿溶液的表面蒸气压之间的压差是水分传递的驱动力,因而相同情况下,溶液的浓度越高,所对应的表面的蒸气压越低,与空气之间的水蒸气的浓度差越大,溶液的除湿能力越强,和溶液接触之后空气所能达到的湿度越低。从图中可以看出,LiBr溶液的等浓度线与湿空气的等相对湿度线基本重合;相同溶液浓度下,溶液的温度越低,其等效含湿量也越低,溶液的吸湿能力越强。
  填料式除湿塔的除湿效率很高,填料作为溶液和空气的媒介起到增加二者接触面积的作用。根据研究发现,规整填料的几何形状规则,气液拥有特定的流路,不仅提供了较大的接触面积,还有效降低了流体阻力。一般除湿装置中,吸湿溶液吸收空气中的水蒸气后,水蒸气会散发出凝结潜热,绝大部分热量进入溶液,溶液的温度会升高,从而溶液与空气之间的传质驱动力降低。根据刘晓华等(2006)做的实验可得除湿前后溶液的浓度变化很小(不超过0.3%),但是温度升高了4~6℃,从而显著降低了溶液的除湿能力。因此,若是能将这部分凝结潜热带走,则可抑制温升,减少传质驱动力的降低。
  再生部分改变传统的热驱动模式,根据李秀伟等伟等[v]提出的光伏驱动除湿溶液再生,采用由若干个电渗析堆构成再生装置。电渗析堆的工作方式是基于电渗析技术。在电场的作用下进行渗析时,离子能有选择地透过膜而迁移,其原理如图2所示。阴、阳离子交换膜在正负极之间交替放置,当电极间存在电势差时,阳离子会向负极移动,相应地,阴离子会向阳极移动。阳离子能通过阳离子交换膜,无法通过阴离子交换膜;同样地,阴离子能通过阴离子交换膜,无法通过阳离子交换膜。阴阳离子的这一运动,使得一些隔间的离子浓度升高(称之为浓缩室),而相邻区域的离子浓度下降(称之为稀释室)。通过这种方式,能得到浓缩的除湿溶液和洁净水。光伏驱动再生过程中的计算参见李秀伟等(2014)。
  二、将溶液除湿再生装置应用到养猪场原因
  将溶液除湿技术养猪场保育舍,主要考虑以下几个方面的原因:
  保育舍处在极其潮湿的环境下,会引起细菌滋生,长期处于高湿环境下尤其是在同时温度高的环境中的生长的保育猪容易导致采食量下降、生长停滞、疾病多发、死亡率升高,直接降低经济效益,保育猪舍最适宜的湿度为55%~75%。湿帘——风机系统是由纸质多孔湿帘、水循环系统、风机组成,广泛应用于养猪场保育舍。在水泵与重力作用下,水从上往下流,在湿帘波纹状的纤维表面形成总面积相当于水帘外观面积10倍以上的褶皱型水膜,未饱和的空气流经多孔、湿润的湿帘表面时,大量水分吸收空气中的热量蒸发,从而降低空气自身的温度。   室外空气通过湿帘降温加湿可近似看作为一个等焓过程,水蒸发要吸收空气中的热量,蒸发后的水蒸气又被空气带走,实际热质交换过程受到多种因素影响,不能用数学方法确定湿帘实际出风温度和湿度,但根据经验,可以得出湿帘实际出风温度略高于湿球温度,湿度约为90%左右。因此将上述溴化锂溶液除湿系统与湿帘——风机降温系统结合起来运行使用,一方面空气经过除湿塔处理可以降低相对湿度;另一方面,湿帘多余的湿冷空气可掠过除湿塔体外侧对其进行冷却,可近似认为除湿塔中溶液与空气进行热质交换时溶液温度不变且与通过湿帘的湿冷空气温度相同,简化溶液与空气的热质交换过程。
  由此看来,湿帘——风机系统可以为保育舍提供足够的新风量以及较为合适的温度,但是此系统不仅不能承担室内湿负荷,而且由于其湿度过大,更是造成了保育舍内湿度过高。因此考虑给猪舍增加除湿系统。
  溶液除湿空气处理方式利用溴化锂溶液直接吸收空气中的水蒸气,可有效满足空气湿度处理要求,综合利用多种品味能源,与常规冷凝除湿方式相比不会产生冷凝水,并且溴化锂溶液本身具有杀灭微生物的作用,因此不会造成微生物污染。
  绝热型除湿装置是区别于内冷型除湿装置而言的,是指内部没有冷却水用来带走凝结潜热的除湿装置,并非与外界环境完全绝热。除湿装置多由不易腐蚀的不锈钢制成,当除湿装置与外界具有一定温差时,装置与外界环境存在热交换。除湿装置放置在靠近湿帘处,由于空气通过湿帘后温度降低,由于湿帘本身面积较大,室内进风量较小,多余冷湿空气有些浪费。当除湿装置内部凝结潜热进入溶液中时,热量先是传递到除湿装置壳体,然后通过导热和对流换热等可被冷空气带走。因此,用这部分多余冷量在除湿装置外部进行冷却,相当于对除湿装置进行“外冷”,实现了资源的充分利用,达到一个更好的除湿效果。
  当前普遍采用热能驱动,即稀溶液受热升温,使溶液中的水分子挥发,获得浓度较高的溶液.此种方法存在一定缺陷:一方面,环境湿度影响大,再生过程中传质的动力是除湿溶液和周围空气之间的水蒸气分压力差,如果环境空气是高温潮湿的,再生传质效果难以保证;另一方面,除湿溶液再生后温度会升高,这不利于之后的除湿,需要额外的冷量来冷却再生溶液,这将引起能量的浪费。采用太阳能光伏板给电渗析堆供电,为再生过程提供电能,电渗析技术可以实现将电解质与水分离,得到浓溶液和水。该方法不仅利用清洁可再生能源,而且避免了热能驱动的缺陷,具有较好的前景。
  三、养猪场保育舍除湿系统设计方案
  将绝热型除湿器和湿帘风机系统结合起来,使除湿塔紧挨保育舍走廊外侧湿帘放置,如图3所示。保育舍内设三台风机,风口设在漏粪板下方,顶板布满送风口,室内在风机的作用下形成负压,引导经除湿塔处理过的空气进入室内,然后将污浊空气从下方的风口排出,形成垂直通风。湿冷空气从外侧掠过除湿塔,与除湿塔表面进行对流换热,可使除湿塔体温度降低,抑制或降低除湿塔内溶液的温升,从而可以近似认为除湿塔中的除湿过程为等温过程,简化了除湿塔前后空气的参数计算。
  图4为除湿——再生系统图,包括除湿系统和再生系统两部分。LiBr溶液在再生装置中利用电渗析原理浓缩,LiBr浓溶液进行热质交换以后通入浓缩室之后,经电渗析浓缩分为两部分,一部分通入除湿塔进行下一步热质交换,此时阀门5开启阀门7关闭,另一部分浓溶液进入储液罐1中储存,此时阀门8开启阀门6关闭,稀溶液从淡化室中进入储液罐2,阀门4打开阀门3关闭,稀溶液继续进入淡化室淡化直至储液罐2中的无离子,此时关闭阀门4打开阀门3,将水放出至储水槽中,关闭阀门5开启阀门7富余浓溶液进入储液罐2,阀门6开启阀门8关闭,阀门2开启阀门1关闭,储液罐1中的濃溶液进入淡化室中进行循环。储液罐1和储液罐2不断交换角色得到浓溶液和淡化水。
  浓溶液进入除湿部分,自上而下由喷头呈雾状喷出,溶液经由填料流下过程中与自下而上的湿空气呈逆流接触,进行充分热质交换后,进入除湿塔下方接的管道,管道连接多个除湿塔,具有一定的坡度,可使LiBr稀溶液直接流入再生装置,利用太阳能光伏板为再生过程提供电能,使溶液再生对LiBr溶液进行电渗析,从而得到具有良好除湿性能的浓溶液。
  四、保育舍具体参数对比计算
  现在由一具体例子来说明养猪场保育舍应用溶液除湿的具体计算过程。一间保育舍长30m宽5.4米高2.3米,南北走向,南墙外为走廊,湿帘安在走廊另一侧,南墙上方开有进风口。共有12个猪栏,每个猪栏中大约有30只保育猪。保育猪的散湿量为2.2,散热量为4.5,每只保育猪质量约为10,室外空气温度为30℃,相对湿度为55%。通过湿帘后,温度降为23.7℃,相对湿度增至90%。取保育舍设计温度26℃,相对湿度为65%,含湿量为13.71。
  1.首先我们根据冷负荷确定室内进风量。
  保育舍内猪只产热量为;
  猪舍墙体材料为砖墙,泡沫混凝土,水泥砂浆,白灰粉刷墙体。传热系数为0.78,墙体厚度为370mm。因猪舍与猪舍之间温度差值较小,东西两侧墙体热负荷近似为0。南北两侧墙体各有1×1规格的双层金属窗框,80%玻璃窗户。南侧窗户传热系数为3.02。北侧窗户传热系数为2.36。屋面为石棉瓦,保温棉,铝箔透风板材料,其传热系数为1.05。南侧墙体逐时冷负荷计算温度为27℃,舍内设计计算温度为25℃。将以上数据代入公式
  2.计算除湿装置要承担的总湿负荷,求出最终处理后空气的状态参数
  除湿装置位于湿帘和猪舍之间,二者都存在湿负荷,因此除湿装置除去的湿量应为二者之和。
  可以求出溶液进口等效含湿量,查图5,在23.7℃下对应的溶液浓度为45%。即通入LiBr浓溶液浓度为45%,质量流量14.82时,可使空气的相对湿度从90%降为57.9%,从而使保育舍内湿度降为65%,达到了保育猪只对湿度的要求。
  五、结论
  1.采用温湿度独立控制系统,湿帘风机系统可承担室内的热负荷,溴化锂溶液除湿再生系统承担养猪场保育舍内的湿负荷,可以根据保育舍内需要的温湿度进行合理的调控,避免了传统冷却除湿只能以温度调控为主,在条件允许的情况下才调节湿度的缺点。
  2.溴化锂溶液具有良好的除湿效果,可以根据需要调整溶液的浓度和流量以达到预期的除湿效果,并且具有除尘杀菌功能,有益于提高室内空气的品质。
  3.电渗析再生技术利用电能进行溶液的再生,不会带来多余热量,是除湿溶液再生的一个较好的发展方向。
  参考文献
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