代咪咪，鄒同華，嚴(yán)雷，賈賈

（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134）

在我國(guó)，建筑能耗占據(jù)能源總消耗量的比例越來越大，其中暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑能耗的50%～60%[1]，而空調(diào)能耗中有30%～50%[2]是用來降低空氣中含濕量的。故而如何減少空調(diào)系統(tǒng)中除濕能耗已成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究的一個(gè)重要方向。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)是一種將室內(nèi)溫度和濕度分開控制的新型空調(diào)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，它既避免了熱濕負(fù)荷耦合處理造成的能量浪費(fèi)，又能充分滿足人們對(duì)室內(nèi)濕度的要求。應(yīng)用于新型空調(diào)系統(tǒng)的各類除濕方法中，轉(zhuǎn)輪除濕以其良好的除濕性能引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[3-8]。

轉(zhuǎn)輪除濕是利用干燥劑吸附處理空氣中的水分從而降低空氣含濕量的方法。其中干燥劑性能的好壞是影響轉(zhuǎn)輪除濕性能的關(guān)鍵因素。目前應(yīng)用于除濕轉(zhuǎn)輪的干燥劑主要有氯化鋰、硅膠和分子篩等，但這些干燥劑分別在吸濕性和穩(wěn)定性等方面存在缺點(diǎn)。復(fù)合干燥劑的出現(xiàn)彌補(bǔ)了單一材料的不足，使其性能得到了改善。賈春霞等[9-10]測(cè)試了新型復(fù)合干燥劑和硅膠的平衡吸附性能，結(jié)果顯示前者的吸濕能力是后者的2 倍以上，并對(duì)硅膠基復(fù)合干燥劑轉(zhuǎn)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析。蔣贛等[11]采用硅溶膠作為分子篩的黏合劑、分散劑制備了陶瓷纖維基硅膠/分子篩復(fù)合吸附劑，具備不同濕度條件下較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附量。方玉堂等[12]討論了硅溶膠濃度、分子篩含量等對(duì)復(fù)合物吸附性能的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了60℃和80℃再生溫度下3種干燥劑轉(zhuǎn)輪的除濕性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要包括：溫濕度調(diào)節(jié)箱、除濕轉(zhuǎn)輪、再生加熱器、電極式加濕器、控制系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)以及過濾裝置等。部分試驗(yàn)臺(tái)儀器參數(shù)見表1[13]。實(shí)驗(yàn)中：處理空氣通過過濾器進(jìn)入溫濕度調(diào)節(jié)箱，經(jīng)加濕、加熱或冷卻到實(shí)驗(yàn)工況后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)進(jìn)行除濕；再生空氣通過過濾器后經(jīng)加熱加濕到所需溫度和濕度后送入轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)，處 理空氣與再生空氣在轉(zhuǎn)輪中反向流動(dòng)。

圖1 除濕轉(zhuǎn)輪性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表1 部分實(shí)驗(yàn)臺(tái)儀器的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用到的測(cè)量?jī)x器有：溫濕度傳感器（處理側(cè)和再生側(cè)溫度測(cè)量范圍分別為-40～60℃和-40～120℃，精度為±0.3℃；濕度測(cè)量范圍0～100%，精度±3%）、風(fēng)速傳感器（測(cè)量范圍1～5m/s，精度±2%）。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為3 個(gè)不同材料的轉(zhuǎn)輪，由廠家定制。分別是聚苯硫醚（PPS）硅膠轉(zhuǎn)輪、PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪和厚度都是100mm 的PPS 與PPM 加工在一起的轉(zhuǎn)輪。PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪具有82%的活性硅膠上膠率，PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪含有37%的分子篩和45%的活性硅膠。

2 實(shí)驗(yàn)方案

采用單因素變量方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在選定實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)工況參數(shù)后，分別控制單一變量對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量記錄，依次調(diào)節(jié)影響除濕性能的5 個(gè)因素。每一個(gè)參數(shù)的選擇，以空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到的室外空氣參數(shù)為依據(jù)（表2）。

表中水平2 是設(shè)定的基準(zhǔn)工況參數(shù)。再生濕度為5%，分別在60℃、80℃再生溫度的條件下，依次改變實(shí)驗(yàn)中要研究的單個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)其他因素設(shè)定為基準(zhǔn)工況參數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

3 除濕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用除濕性能系數(shù)（DCOP）和除濕量（D）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)處理側(cè)空氣入口溫濕度、處理和再生風(fēng)速、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速等影響因素進(jìn)行分析。DCOP 是對(duì)除濕轉(zhuǎn)輪整體除濕性能和能源利用情況的綜合評(píng)價(jià)，DCOP 越高，說明轉(zhuǎn)輪的除濕性能越好；除濕量D反映了轉(zhuǎn)輪處理側(cè)空氣在經(jīng)過轉(zhuǎn)輪前后的濕度變化情況，除濕量越大，說明其除濕能力越高[14]。

（1）除濕性能系數(shù)

式中，qm,p、qm,r分別為處理空氣和再生空氣質(zhì)量流量，kg/s；L 為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱，J/kg；Yp1、Yp2分別為處理空氣進(jìn)出口含濕量，kg/kg；hr1、hr2分別為再生空氣進(jìn)出口比焓，J/kg。

（2）除濕量

式中，Wp1處理空氣進(jìn)口含濕量，g/kg；Wp2處理空氣出口含濕量，g/kg。

4 結(jié)果與分析

4.1 處理空氣入口溫度對(duì)除濕性能的影響

由圖2 和圖3 可知，當(dāng)處理側(cè)溫度從20℃升高至40℃，3 種不同干燥劑材料轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)整體上均是減小的，而PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪在60℃下的除濕量是先略微升高再降低。這是由于隨著處理空氣溫度升高，干燥劑材料進(jìn)入再生區(qū)時(shí)的初始溫度增大，在再生區(qū)溫度升高較為迅速，再生效果提高，但繼續(xù)增大不利于處理側(cè)干燥劑對(duì)處理空氣中水分的吸附。60℃再生溫度時(shí)，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量、除濕性能系數(shù)比較接近。再生溫度升高到80℃，相比60℃，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)都明顯增大，其中PPM/PPS 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)最大。 這是由于再生溫度升高，各半轉(zhuǎn)輪PPM 分子篩一側(cè)的再生效率大大提高。

圖2 處理空氣入口溫度對(duì)除濕量的影響

圖3 處理空氣入口溫度對(duì)除濕性能系數(shù)的影響

4.2 處理空氣入口相對(duì)濕度對(duì)除濕性能的影響

由圖4 和圖5 可知，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)隨著入口空氣相對(duì)濕度的增加而增大。當(dāng)再生溫度為60℃時(shí)，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量比PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪都大，而3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕性能系數(shù)相差不大。在80℃再生溫度下，隨著處理側(cè)入口相對(duì)濕度從70%增大到90%，PPS硅膠轉(zhuǎn)輪的DCOP 提高了43.2%，除濕量增加了2.5g/kg。相比另外兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，變化量最大，說明高濕度工況下，硅膠轉(zhuǎn)輪的除濕性能最好。

4.3 處理空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕性能的影響

如圖6 所示，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪除濕量隨處理風(fēng)速的增大而減小，60℃再生溫度下，其除濕量降低了23.4%；80℃再生溫度下，降低了28.4%；PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪，在再生溫度為60℃和80℃條件下，除濕量分別提高了9.3%和8.4%；由于分子篩材料的動(dòng)態(tài)吸濕能力要優(yōu)于硅膠，所以當(dāng)處理風(fēng)速增大時(shí)，其除濕能力增強(qiáng)，表現(xiàn)在除濕量上就是除濕量的增加。60℃再生溫度時(shí)，PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量與PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪相差很小，80℃時(shí)PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量較大。PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪在處理側(cè)受到硅膠材料的影響，當(dāng)再生溫度升高后，除濕量增加，但是不如PPM 分子篩的除濕量高。

如圖7 所示，當(dāng)再生溫度為60℃和80℃時(shí)，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPM/PPS 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 均隨處理風(fēng)速的增大先升高后降低，PPM/PPS 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 值較高。PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪DCOP 隨著處理風(fēng)速的增大而升高。當(dāng)處理風(fēng)速在3.5m/s、再生溫度80℃時(shí)，PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪的DCOP 值最高。

4.4 再生空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕性能的影響

如圖8 所示，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕量都隨著再生風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)再生風(fēng)速增大到2.5m/s 時(shí)，60℃和80℃下PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量分別為7.06g/kg 和9.33g/kg，比另外兩個(gè)轉(zhuǎn)輪都大。

如圖9 所示，當(dāng)再生風(fēng)速?gòu)?.5m/s 增大到2.5m/s，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的DCOP 都是升高的。60℃再生溫度下，再生風(fēng)速為1.5m/s 和2.0m/s 時(shí)，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 相差不大；到了2.5m/s 時(shí)，PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 明顯較大。而80℃再生溫度下，PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 始終是最大的。說明擁有較高再生溫度時(shí)，再生風(fēng)速越大越有利于PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪進(jìn)行除濕。

圖4 處理空氣入口相對(duì)濕度對(duì)除濕量的影響

圖5 處理空氣相對(duì)濕度對(duì)除濕性能系數(shù)的影響

圖6 處理空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕量的影響

圖7 處理空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕性能系數(shù)的影響

圖8 再生空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕量的影響

圖9 再生空氣入口風(fēng)速對(duì)除濕性能系數(shù)的影響

4.5 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)除濕性能的影響

如圖10 所示，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪的除濕量隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速升高而增大。相比60℃再生溫度，80℃時(shí)PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪的除濕量增大的較快。60℃和80℃再生溫度下，隨轉(zhuǎn)速?gòu)?r/h 增大到10r/h，PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪除濕量分別增加了1.3g/kg和0.9g/kg。PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪在60℃再生溫度時(shí)的除濕量與轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速增加而減少；而80℃再生溫度下，除濕量先略微增大后減小，變化幅度很小。說明各半轉(zhuǎn)輪在8r/h 附近已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

如圖11 所示，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪的DCOP 隨轉(zhuǎn)速增加而增大。當(dāng)再生溫度為60℃時(shí)，10r/h 時(shí)的DCOP 較6r/h 時(shí)提高了42.4%；當(dāng)再生溫度為80℃時(shí)，10r/h 時(shí)的DCOP 較6r/h 時(shí)提高了1 倍。PPM分子篩轉(zhuǎn)輪的DCOP 也隨著轉(zhuǎn)速的增大而提高。再生溫度為60℃時(shí)，PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的DCOP 隨轉(zhuǎn)速升高而降低，變化幅度很?。?0℃時(shí)，先略微增大再減小。

5 結(jié) 論

圖10 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)除濕量的影響

圖11 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)除濕性能系數(shù)的影響

通過實(shí)驗(yàn)，改變影響轉(zhuǎn)輪除濕性能的6 個(gè)因素， 對(duì)比分析了3 種不同干燥劑除濕轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)，得出以下結(jié)論。

（1）在基準(zhǔn)工況下，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪60℃再生溫度時(shí)的DCOP 相差不大，80℃下，DCOP 從高到低依次為PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪，PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪，PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪。PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪和PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪的除濕量較為接近，都大于PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪。再生溫度從60℃提高到80℃，3 個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕量和除濕性能系數(shù)均增大1 倍左右。

（2）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：PPS 硅膠轉(zhuǎn)輪適用于入口空氣濕度較高的工況；而 PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪和PPS/PPM 各半轉(zhuǎn)輪適用于具有較高處理溫度的工況。處理風(fēng)速大大提高時(shí)，對(duì)于PPM 分子篩轉(zhuǎn)輪提高除濕性能最為有利。相比其他兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，PPS/PPM各半轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)轉(zhuǎn)速最小，為8r/h 左右。

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