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一种新型多级台阶式鼓泡加湿器的设计空气加湿

a机械工程部，法赫德国王石油矿产大学（KFUPM），Dhahran 31261，沙特阿拉伯
b巴基斯坦伊斯兰堡H-12校区机械与制造工程学院（SMME），国立科技大学（NUST）
c可再生能源研究卓越中心（CoRERE），法赫德国王石油矿产大学研究所（KFUPM），沙赫兰达兰31261

创新要点

设计并测试了一种新型多级阶梯式泡罩柱加湿器。
实现更高的系统性能并降低压降。
两级鼓泡加湿器的绝对湿度增加7-9％。
三级泡罩柱加湿器的绝对湿度增加18-21％。

摘要

最佳性能的新型多级阶梯式泡罩塔的操作参数、通过实验确定加湿器设计、改进的加湿 - 除湿（HDH）海水淡化系统可以通过将这种加湿器与除湿器集成而获得、该压降变化与不同水柱高度的关系、评估空气的表面速度、 以绝对值评估单级，两级和三级鼓泡柱加湿器、进水温度在35-75℃范围内变化时的湿度。绝对湿度
随着入口水温的升高呈指数增长、由两级和三级泡罩塔加湿器实现的湿度分别为7-9％，比单级鼓泡加湿器高出18-21％。

介绍

预计到2030年，每年饮用水需求量将达到6900亿立方米，主要是由于世界需求的迅速增加。现有淡水供应量为4200亿立方米每年远低于预计的饮用水需求量[1]。在发展中国家，问题更为严重。清洁水的不可用是80-90％的根本原因，
造成30％死亡的水源性疾病[2]。而且，在未来25年这些数字可能会增加四倍以上，[3]。考虑到现有和正在到来的淡水危机，大多数国家将不可避免地采用海水淡化技术来提供饮用水[4]。
海水淡化已经是一个成熟的领域，许多国家通过此技术获得饮用水。传统的海水淡化技术有：反渗透（RO），多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）。这些技术在有大规模可行时，具有高度的能源密集性和经济性[5]。但是，用于分散供应到偏远地区的小型海水淡化系统需求量很大。因此，非常需要开发一种水脱盐系统，其具有独立/离网功能来生产电力饮用水到偏远地区[6]。
加湿除湿（HDH）是基于载气的热技术[7]，非常适合作为分散使用小型海水淡化系统[8]。这项技术有几个优点，包括简单的功能，能够利用余热资源和低品位能源，成本低所需建筑材料和适度投资[9]。其难处在于提出一种高效，可靠和经济高效的方案设计，使HDH海水淡化成为真正潜力系统。一些探索HDH作为可用的淡化后咸水。早期的设计[10-16] HDH系统的效率较低，使由于其无效的除湿。因此，大多数后来的研究[17-21]的主要关注点是改善除湿HDH系统的过程，有些关注已经用于改善加湿处理。

加湿是海水淡化系统HDH水中的关键过程之一。有很多设备可以用于加湿过程。这些设备包括喷雾器塔，湿壁塔，填充塔塔和泡罩塔[22]。泡沫柱是加湿的创新设计，它可以使空气穿过多孔板的装置，随着气泡的移动通过热水柱，发生传热和传质同时，在热水柱中形成气泡。泡沫中的传热和传质速率较高，色谱柱使它们具有吸引力，可用作多相反应器，在冶金、生物、医学和化学过程有多重工艺[23]。但是，使用泡沫柱HDH海水淡化系统中的加湿器非常有限。只有很少的研究[24-28]已经进行了调查泡沫柱作为HDH水淡化的加湿器的情况。此外，以前执行的所有操作都采用了单级设计泡沫柱加湿器。在单级设计中，水和空气流是在鼓泡塔中均匀混合，并且系统不可逆性差异的增大的原因在于当下温度差异很大。因此，一种新型的多级鼓泡柱加湿器如图1所示在本研究中被提出和实施。在多级配置中，水路和空气流路径的分割是以每个温差阶段的高低为依据。因此，系统中存在较低的不可逆性。这种设计的其他优点是其阶梯式配置允许水流保持最低的限度，所需水柱高度和流经各个阶段的水在重力的作用下，气泡中的最小水深色谱柱导致空气的侧压力较低。

多级阶梯式配置也有助于实现通过加热和加湿来提高在加湿器内的整个路径上的绝对湿度空气。图2描绘在加湿器中运行的空气加湿过程单级，两级和三级配置的情况。单级加湿器配置中的空气湿化过程由心理测量图上的线A-B表示。在单级加湿器配置里面，水和空气流在泡罩塔中均匀混合，温度较高这种差异增加了系统的不可逆性存在。两级加湿器中的空气加湿过程配置由第二行A-20表示阶段和心理测量学第一阶段的20-B0线图表。随着阶段的数量从1增加到2，炎热潮湿第二泡罩塔阶段出口处的空气（用。表示）心理测量图上的第20点）也通过邻居第一个泡沫柱阶段（由心理测量学上的线20-B0表示）图表）。第一泡沫柱运行在更高的位置温度与第二列相比，在两级配置的加湿器出口处允许空气吸收更多的水分并达到更高的绝对湿度。同样，当加湿器配置在三阶段操作时，第三泡罩柱出口处的空气阶段（由心理测量图上的点300表示）也是如此。通过相邻的第二个气泡柱阶段（如图所示由心理测量图上的300-200行）和第一个泡泡列阶段（由心理测量学上的线200-B00表示）图表）。这样可以让空气有更多的时间进行传热和传质，以三级配置运行的空气在加湿器的出口处变得更热和更潮湿以。

实验设置和程序

设计了图3和图4所示的实验室规模设置，并用于调查所提出的加湿器的性能。图3描绘了所提出的加湿器的示意图而图4显示了实际实验的照片建立。多级实验装置的外壳是使用10毫米厚的有机玻璃片构建而成。有机玻璃是一种透明的具有热导率的热塑性材料0.19 W / m K.使用透明材料可以进观察实验进行过程中单元内的过程。另一个，使用有机玻璃的优点是其低导热性减少了系统的热量损失。有机玻璃也被用来构建300毫米的三个泡沫柱。 300毫米十字剖面呈阶状空气通过穿孔在气泡中的热水池中形成气泡列。 300毫米的多孔板的横截是由300毫米由2毫米厚的黑色丙烯酸有机玻璃板制成。每个穿孔板将气泡柱分成下部和上部。使用400W鼓风机和空气引入空气，通过直径为25 mm的CPVC管道，可调节每个气泡柱下部的流速。下车厢每个泡罩塔的气流用于分配气流均匀地穿过多孔板。上部隔间每个气泡柱的一部分被用作决定热水池的池中哪些空气通过形成气泡。

实验程序

1. 实验通过使用空气吹入空气开始鼓风机（1）。 如果首先引入水而不吹空气，水将流过多孔板（5）。

1. 来自鼓风机的空气体积流量是可调的，并通过连接到a的孔板流量计（2）测量压力计（3）测量穿过孔口的压降板，允许计算空气流量。 干球使用Ktype测量气流的湿球温度热电偶（4）在空气进入加湿器之前。
2. 当空气流过多孔板时，受热水被引入罐（6）。 体积流量使用转子流量计测量（8）测量水量期望值通过节流阀（7）。 加湿器中水的温度是在进水前用热电偶（9）测量的。
3. 热空气和潮湿空气的干球/湿球的温度使用加湿器出口处的热电偶（11）记录。一个由5个NI 9213热电偶组成的数据采集系统安装在NI cDAQ-9178 USB机箱中，其模块已连接到电脑。 使用Labview程序显示并存储热电偶读数。 实时处理的热电偶读数每2秒取一次，并测量平均温度，每5分钟使用开发的热电偶记录。
   测量值的不确定性以计算仪器和随机的固定误差的平方和在不同测量过程中观察到错误根为单位进行计算[29]。该水温以及干球/湿球温度的空气用K型热电偶进行测量plusmn;267-316度，准确度为plusmn;0.1度。估计的不确定性的热电偶以及数据采集系统是plusmn;0.25度。通过空气的绝对湿度，使用干球/湿球温度，在心理计算在加湿器的不同位置。测量的不确定性绝对湿度值为plusmn;0.93％。体积使用浮子式转子流量计，测量水的流量其范围为1-7 L / min，精度为满量程的plusmn;5％。空气的体积流量是采用根据ISO 5167设计和安装的孔板空气流量计进行测量为基准。孔板流量计是连接到范围为0.1-50厘米的U型管压力计H2O，精度为plusmn;0.1厘米。 U型管压力计提供用于计算的孔板上的压降空气的体积流量。空气的测量不确定性体积流量被气泡柱的横截面积分开，以获得空气的表面速度。空气的表观速度值为plusmn;0.79cm / s。价值在空气的表面速度的交叉检查与帮助具有0-25.4 m / s范围的热线风速计精度为满量程的plusmn;1.5％。

3结果与讨论

实验研究中的主要难点之一在于泡沫柱加湿器是几何的优化多孔板的特点，使压降更低通过穿孔实现无漏水。因此，设计并测试了三种不同的多孔板。该在过程中使用的三个穿孔板的几何特征实验工作见表1。

多孔板的三种设计在不同的地方进行了测试空气的表观速度和结果如图5所示。由于使用了设计1，所以达到了最小压降。较大的孔径和较高的开口面积比相比另外两种设计更佳。但是，从中观察到漏水实验过程中的穿孔。孔直径是在设计2中保持数量从3mm减少到2mm孔与设计1相同，即105个孔以克服水分泄漏。尽管设计2在防止漏水方面有效从穿孔开始，压降很高。高压下降是由于设计2中的低开放面积比。因此，设计3中2毫米孔的数量增加到149个，与设计2相比更多的孔增加了开口面积比，并减小压降。此外，没有泄漏在实验期间用设计3观察。因此，设计3被选为实验的最佳选择建立。

在选择多孔板的最佳设计（即，设计3），进行实验以确定最佳值
空气的表观速度和水柱高度的值给出加湿器的最佳性能。最初，湿润器以单级结构及其性能运行根据湿气中的蒸气量进行评估空气（绝对湿度）在加湿器的出口处。如图6所示，空气的表面速度对绝对值的影响加湿器出水时的湿度身高保持在; （a）1厘米，（b）3厘米，和（c）5厘米。结果表明，绝对湿度达到最高值最低水柱高度为1厘米，空气表观速度25厘米/秒是248克/千卡。进一步增加空气的表面在水柱高度为1厘米时的速度稍微降低加湿器出口处的绝对湿度。这是由于空气流动，导致水柱中的空气接触时间较短很快通过1厘米的浅水柱高度。对于水柱高度为3厘米和5厘米的所有其他实验，绝对湿度随着增加而增加空气表面速度。更高的绝对湿度空气表面速度归因于形成更多的气泡尺寸相对较大，可提供更大的界面区。因此，发生更好的传热和传质泡沫专栏。最大绝对湿度达到3厘米和5厘米的水柱高度为242克/千卡238 gw / kga。就绝对湿度而言，水柱高度1厘米，3厘米和5厘米的最佳结果是以25厘米/秒，30厘米/秒的空气表面速度获得30厘米/秒，分别。

空气和水的表观速度的最佳值从单级实验获得的柱高度是根据多级气泡中的压降进行分析柱加湿器。 图7描绘了总压降三个阶段的最优值下的表观速度空气和水柱高度。 结果显示，压力在水柱高度为5厘米和3厘米处滴水较高表观速度30厘米/秒比在水柱高度1厘米，表面速度为25厘米/秒。 因此，一个水柱高度为1厘米，表面速度为25厘米/秒提供了一个达到最佳平衡，以获得更好的系统性能压力下降。

加湿器入口处的水温是最影响加湿器性能的。因此对单阶段，两阶段和三阶段泡沫柱加湿器的功能进水温度表现进行了分析和比较。表现进行了评估，就水温而言在绝对湿度条件下加湿器的入口在35-75度的范围内变化。该水柱高度保持在1cm并引入空气以25厘米/秒的表面速度。显示结果在图8中。不管阶段的数量如何，增加入口水温绝对湿度随着指数增加而增加。但是，阶段数的增加会增加潮湿空气的停留时间用于进一步加热和加湿。结果，在达到更高的绝对湿度加湿器的出口。最大绝对湿度在75℃时达到单级，两级和三级加湿器的功率分别为248 gw / kga，264 gw / kga和298 gw / kga。

通过实现绝对湿度的百分比增加，两级和三级加湿器相对于作为功能的单级加湿器的绝对湿度进水温度如图9所示。结果表明即通过两阶段和三阶段实现的绝对湿度泡沫柱加湿器分别为7-9％和18-比单级鼓泡加湿器高21％。

4.结果与公布数据的比较

比较本研究中使用的加湿器的性能与蒸气含量差异方面公布的数据作为入口水温的函数。图10显示了所获得的蒸汽含量差异的比较在目前的研究和三个不同的文献研究。Garg等人[30]与土着人一起使用了填充床加湿器结构来增强其多效性的蒸发过程HDH海水淡化系统。报道的蒸汽含量差异70°C时的值为66 gw / kga。 Dai和Zhang [31]指出使用具有较大表面积和较大表面积的降膜增湿室强制对流。该研究得出的结论是，该系统执行在更高的温度范围（70-90？C）更好，并报告了在85℃时蒸汽含量差值为174 gw / kga。El-Agouz和Abugerah [24]研究了泡沫的表现柱加湿器并报告实现的蒸汽含量入口水的差值为85 gw / kga和110 gw / kga温度分别为55℃和60℃。蒸气的值在本研究所达到的内容差异之下优化的单级配置在55度时为89 gw / kga在60℃时为115 gw / kga，远高于上述数值Garg等人[30]和戴和张[31]。Agouz和Abugerah [24]在本研究中对舞台加湿器进行了比较公布的结果显示在没有太多在蒸汽含量差异时结果单一。但是，那三级加湿器达到蒸汽含量的差异60°C时配置为139 gw / kga，这是显着的相比Agouz和其他公布的结果更高Abugerah [24]。蒸汽含量的差值越大，由于空气加热和加湿的几个阶段，实现了三级配置。空气加热和空气的概念Chafik早些时候介绍了几个阶段的加湿过程[32]开发优化的太阳能HDH海水淡化厂可以为小型社区生产10立方米/天。蒸汽含量差异据Chafik报道，在15个阶段后，60摄氏度时的产量为138 gw / kga的空气加热和加湿过程相媲美本研究在加湿器运行时获得的结果三阶段配置。因此，本研究的结果在加湿过程中显示出显着的改进这最终有助于改善性能完成HDH海水淡化系统。

5结论

以下是本研究的主要结果目的是为了获得最佳的操作条件一种新颖的加湿器设计：

1加湿器设计采用多级配置，通过增加向空气传递热量和质量显著提高它在加湿器中的停留时间。因此，空气离开加湿器更

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