陳小蘭,趙 映,朱和霖,孫 敢,王洪亮,張瑞宏

(1.揚(yáng)州技術(shù)師范學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009;2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009)

1 前言

吸附除濕法是采用吸附材料吸附空氣中的水蒸氣,這種除濕法分靜態(tài)和動態(tài)兩種[1,2]。對于靜態(tài)吸附方法,當(dāng)室內(nèi)的容積增大時,就要增多吸附劑量,并且需要經(jīng)常更換吸附劑,很不經(jīng)濟(jì),顯然動態(tài)吸附比靜態(tài)吸附效果更好[3～5]。而動態(tài)吸附處理空氣量大,可在低溫、低濕狀態(tài)獲得低露點的空氣,再生熱源除使用電能外,還可利用蒸氣、煤氣、太陽能、工業(yè)廢熱等低品位的熱源,節(jié)約大量的能源,不用壓縮機(jī),沒有氟氯烴對大氣臭氧層的污染問題[6～9]。設(shè)備在接近大氣的條件下運行,旋轉(zhuǎn)部件少,結(jié)構(gòu)和維護(hù)簡單,噪聲低,運行可靠,因而這種除濕法受到廣泛重視[10]。文章設(shè)計了一種適合封閉空間除濕的吸附除濕系統(tǒng),對用于除濕的吸附劑層數(shù)、分布密度以及通過吸附劑層的空氣流速等因素與除濕效果、能耗的關(guān)系進(jìn)行了研究。

2 試驗設(shè)計

吸附除濕系統(tǒng)原理如圖1所示,由加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。a.加濕系統(tǒng)采用超聲波高頻振蕩,將水霧化為1～5 μ m的超微粒子,通過風(fēng)動裝置將水霧擴(kuò)散到空氣中,從而達(dá)到均勻加濕空氣的目的。標(biāo)準(zhǔn)加濕量為大于或等于250 mL/h,水箱容積為5 L。b.除濕系統(tǒng)包括離心風(fēng)機(jī)、電動機(jī)、調(diào)速器、吸附劑層等。c.測試系統(tǒng)測量的值為電動機(jī)能耗、時間及濕空氣的流速,其中電動機(jī)能耗由電表直接讀數(shù),除濕用時由人工氣候室的控制面板上的時控器記取,濕空氣的流速由86型多功能測速儀測量。

圖1 吸附除濕系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of adsorption dehumidification system

試驗過程中吸附劑初始層數(shù)為兩層,吸附劑鋪放密度為2 505.7 g/m2。濕空氣氣流速度為0.2、0.5、0.7、0.9 m/s。試驗所用的儀器及工具是感量為1 g的架盤天平、YC-D205型亞都超聲波加濕器、86型直讀式多功能測速儀、電表。供氣系統(tǒng)為人工氣候室:容積為 3 350 mm×1 850 mm×2 450 mm,工作環(huán)境溫度為20℃,相對濕度80%,通過除濕過程要求將相對濕度降至60%,人工控溫精度為±1℃,控濕精度為 ±10%。試驗中選用膨脹珍珠巖作為吸附劑。其顆粒內(nèi)部是蜂窩狀結(jié)構(gòu)、無毒、無味、不腐、不燃、耐酸、耐堿。特點是容積密度輕、絕熱及吸音性能好,具有吸附能力。此種吸附劑中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%～72%的SiO2,12%～18%的Al2O,還有少量的 K2O、Na2O、Fe2O3、CaO、MgO等。一般吸附劑層數(shù)越多越有利于除濕,試驗選定3層吸附劑層,并將放置吸附劑層的支承板設(shè)計為鋼絲網(wǎng)狀的板。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

濕空氣流速、吸附劑層數(shù)、吸附劑鋪放密度等參數(shù)對除濕系統(tǒng)的除濕性能有直接關(guān)系。在除濕過程中,進(jìn)行了濕空氣流速、吸附劑層數(shù)和吸附劑鋪放密度的單因素試驗和三因素三水平正交試驗,初始狀態(tài)的濕度為80%,試驗指標(biāo)為除濕量的單位能耗和除濕耗時。測量結(jié)果見表1。

表1 除濕性能試驗測量結(jié)果Table 1 Results of dehumidification performance tests

3.2 分析與討論

3.2.1 濕空氣流速對除濕性能的影響

圖2為濕空氣流速與單位耗能和除濕消耗時間的關(guān)系。從圖2中可以看出,增大流速對除濕過程是有利的,這與普通干燥機(jī)相反。對于普通干燥機(jī)而言,增大氣流速度,會使排出干燥器的廢氣帶走的熱量增加,致使熱損失提高,單位熱耗增加,從而干燥機(jī)的熱效率降低。但隨著氣流速度增大至一定程度,由于空氣流量急劇增大,能量消耗也增大,單位能耗便不再降低,甚至可能增大。因此,這種吸附除濕法在一定范圍內(nèi)可采用相對較高的濕空氣流速,提高除濕效率。

圖2 氣流速度對除濕性能的影響Fig.2 Influence of air velocity on dehumidification performance

3.2.2 吸附劑層數(shù)對除濕性能的影響

試驗時濕空氣流速為0.5 m/s,吸附劑鋪放密度為2 871.4 g/m2,吸附劑層數(shù)的為1,2,3層。結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,隨著吸附劑層數(shù)的增加,除濕能耗和除濕耗時都逐漸減少。其原因是隨著吸附劑層數(shù)的增加,濕空氣與吸附劑球之間傳質(zhì)較充分,除濕能力提高,去水量增大,所用的時間就相對減少,單位耗能就下降了。

3.2.3 吸附劑鋪放密度對除濕性能的影響

試驗時濕空氣初始流速為0.7 m/s,吸附劑層數(shù)為3層,吸附劑鋪放密度為:2 150.0、2 505.7、2 871.4 g/m2。試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著吸附劑鋪放密度的增加,除濕能耗和除濕用時都降低,除濕效果有利。其原因是隨著吸附劑鋪放密度的增加,濕空氣流與吸附劑顆粒之間的總傳熱傳質(zhì)面積增大,從而提高了濕空氣與吸附劑顆粒之間的傳熱傳質(zhì)能力。由此導(dǎo)致單位時間內(nèi)去水量增大,即除濕速率增大,所以單位能耗下降,除濕耗時相對減少。

圖3 吸附劑層數(shù)對除濕性能的影響Fig.3 Influence of number of adsorbent piles on dehumidification performance

圖4 吸附劑鋪放密度對除濕性能的影響Fig.4 Influence of adsorbent laying density on dehumidification performance

3.2.4 除濕影響因素分析

各參數(shù)的影響見圖5所示。由圖5可以看出,對于SPC來說,參數(shù)的最佳組合為u3,n3,X3;對于T來說,參數(shù)的最佳組合為u3,n3,X2。

圖5 各因素對SPC指標(biāo)的影響Fig.5 Influence of each factor on SPC

2)計算各項指標(biāo)的極差,在表1中,各試驗指標(biāo)的極差為:

式(1)中,Ymaxj為該指標(biāo)試驗結(jié)果中的最大數(shù);Yminj為該指標(biāo)試驗結(jié)果中的最小數(shù)。

由此,SPC極差R1=0.000 5,T極差R2=56。

3)計算各項試驗指標(biāo)觀察值的評分值,將觀察值的極差Rj分為100分,中間的值YM與最差值Ymin(或Ymax)的差越大,得的分越高,其計算式為:

式(2)中,Yj為各項試驗指標(biāo)觀察值的評分值。

對于除濕能耗:

對于除濕耗時:

4)因素、水平的權(quán)數(shù)如表2所示。

表2 各因素、水平的權(quán)數(shù)Table 2 Weight of each factor and level

由表2可以看出,Wu3＞W(wǎng)u2＞W(wǎng)u1,Wn3＞W(wǎng)n2＞W(wǎng)n1,WX3＞W(wǎng)X2＞W(wǎng)X1。所以其最佳組合應(yīng)為u3,n3,X3;其次是 u2,n2,X2。

4 結(jié)語

1)隨著氣流速度的增加,除濕速度也就隨之增大,除濕耗時也相應(yīng)地減少,在一定范圍內(nèi)可采用相對較高濕空氣流速,提高除濕效率。

2)隨著吸附劑層數(shù)的增加,除濕能耗和除濕耗時都逐漸減小,除濕能力提高,去水量增大,單位耗能下降。

3)隨著吸附劑鋪放密度的增加。除濕能耗和除濕耗時都降低,對除濕效果有利。

4)對于除濕能耗S,除濕耗時T的影響,參數(shù)u為最大,其次是n,再次是X。除濕影響因素正交試驗的最佳組合應(yīng)為:濕空氣流速u為0.9 m/s,吸附劑層數(shù) n為 3層,吸附劑鋪放密度 X為2 871.4 g/m2。

[1]Trigui M,Barrington S F,Gauthier L.Effects of humidity on tomato wateruptake,yield,and dehumidification cost[J].Canadian Agricultural Engineering,1999,41(3):135-140.

[2]Araki V.Effects of environmental conditions on plant water status in tomato[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science,1993,61(4):827-837.

[3]Xu H L,Wang R,Gauthier L,et al.Tomato leaf photosynthetic responses to humidity and temperature under salinity and water deficit[J].Pedosphere,1999,9(2):105-112.

[4]Tauscher R,Dinglreiter U,Durst B,et al.Transport processes in narrow channels with application to rotary exchangers[J].Heat and Mass Transfer,1999,35:123-131.

[5]Zhang L Z,Jiang Y.Heat and mass transfer in a mmbrance-based enthalpy recovery ventilatior[J].Journal of Membrance Science,1999,163(1):29-38.

[6]Niu J L,Zhang L Z.Membrance-based enthalpy exchanger:material considerations and clarification of moisture resistance[J].Journal of Membrance Science,2001,189(2):179-191.

[7]Zhang L Z,Niu J L.Effectiveness correlations for heat and moisture transfer processes in an enthalpy exchanger with membrance cores[J].ASME Journal of Heat Transfer,2002,122(5):922-929.

[8]Zhang Y P,Jiang Y,Zhang L Z,et al.Analysis of thermal performance and energy saving effect of membrance based heat recovery ventilator[J].Energy,2000,25(6):515-527.

[9]Pieters J G,Deltour J M J J,Debruyckere M J G.Onset of ondensation on the inner and outer surface of greenhouse covers during night[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1995,61(3):165-171.

[10]Uzun S,Demir Y,Cemek B.The effect of different roof ntilation gaps and plastic types applied to plastic greenhouse on the growth,development and yield of some vegetable crops[J].Ondokuzmayis Universitesi,Ziraat Fakultes Dergist,2000,15(1):46-55.