溶液除湿过程热质耦合的理论分析与数值模拟
从理论上分析了溶液除湿过程中传质过程和传热过程之间的耦合关系，建立了相应的数学模型，并对实际的溶液除湿过程进行了数值模拟。结果表明：传质过程对传热过程的影响主要体现在两方面：一是传质通量携带的焓对传热过程的影响，二是水蒸气变成水释放汽化潜热对传热过程的影响，其中汽化潜热的影响较大。而传热过程对传质过程的影响主要体现在温度对传质系数的影响。
1、前言
溶液除湿系统由于具有可利用低品位能源、节约能源消耗、保护环境等优点而广泛应用于建筑、冶金、化工等行业。在溶液除湿过程中，传质与传热现象紧密联系，传质和传热过程同时存在，且相互耦合。国内外很多学者在理论和试验上对除湿过程中空气和溶液的传热传质性能进行了广泛的研究。
目前，对空气和溶液之间的传质传热过程进行建模与分析的方法主要有以下3种：
(1)试验法。这种方法是通过试验的方法建立温湿度效率与运行参数之间的试验关联，虽然易于分析但不能很好地反映传热传质过程。
(2)有限差分模型。这种模型能够很直观简洁地反映溶液与空气之间的传热传质过程，而且方便计算，因此被很多研究学者采用。但这种方法需要以试验为基础得出耦合传质系数的无量纲关联式，再通过假定刘易斯数(Le)来确定耦合传热系数，因此该方法不能从理论上解释传热与传质之间相互影响与耦合。
(3)考虑溶液侧与空气侧传热传质阻力的复杂模型。这种模型是基于Navier-Stokes方程对降膜溶液和空气的温度、浓度以及湿度建立扩散-对流能量和质量方程，然后结合壁面、气液界面和进口参数获取边界条件来探讨溶液与空气之间的传热传质过程。这种模型计算过程很复杂，而且计算量也很大，不便于一般性物理结构的设计与优化。
上述研究工作多偏重于对具体除湿过程进行建模，很少对除湿过程中传热和传质之间的耦合作用进行深入的研究。因此本文针对除湿过程，在基于双膜理论的基础上，深入讨论传热和传质的相互影响，建立传热传质数学物理模型。
2、传热传质过程数学模型的建立
为了从理论上分析传热传质耦合机理，下面分别对传热过程和传质过程进行研究。由于除湿过程和再生过程是反过程，这里仅以除湿吸收过程为例进行探讨。如图1所示，温度为tA，a的空气流过相界面，水蒸气透过气膜进行质量传递，到达另一侧温度为tB，s的主流区，传质通量为m。假设tA，a>tB，s，定义传质方向与传热方向相同时，m值为正数；传质方向与传热方向相反时，m值为负数。
图1 传热传质过程示意
4、结论
(1)传质过程对传热过程的影响主要体现在两方面，一是质量通量携带的焓对传热过程的影响；二是汽化潜热对传热过程的影响。在除湿过程中，溶液浓度逐渐减小，传质通量也逐渐较小，换热系数亦逐渐减小；
(2)传热过程对传质过程的影响主要体现在空气温度和溶液温度对传质系数的影响方面。随着空气温度的升高，传质系数逐渐升高，随着溶液温度的升高，传质系数逐渐下降；
(3)当传热与传质方向相同时，在除湿过程中，随着空气温度的升高，传热系数逐渐减小；随着溶液温度的升高，传热系数逐渐增加。当传热与传质方向相反时，结论相反。
