羅經(jīng)發(fā) ， 鄧立生 ，黃 宏宇 ，陳穎 ，劉林

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 511346；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣州 511458；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 前言

濕度控制對(duì)改善人居條件、發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)、保障生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的空調(diào)除濕方法是利用蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)將空氣冷卻至其對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度之下，使空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水析出而降低空氣的含濕量［1］，這類除濕系統(tǒng)消耗了大量的高品位能源，給能源和環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的危機(jī)。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)除濕系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛而又深入的研究。固體吸附除濕系統(tǒng)可以利用工業(yè)余熱、太陽(yáng)能等低品位熱能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以降低高品位能源消耗，使其成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

固體干燥劑材料在吸附過(guò)程中會(huì)不可避免的釋放吸附熱，而吸附熱的存在會(huì)導(dǎo)致干燥劑溫度上升，使固體吸附除濕系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法實(shí)現(xiàn)等溫除濕，從而降低除濕系統(tǒng)性能，同樣, 吸附熱也會(huì)使處理空氣的溫度升高,增加了對(duì)處理風(fēng)降溫的能耗［2］。然而太陽(yáng)能集熱產(chǎn)生的溫度往往只有50～70℃，而通常的固體除濕系統(tǒng)要求的熱源溫度達(dá)到100℃以上，因此利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)固體吸附除濕大大降低了其性能。傳統(tǒng)的固定床除濕系統(tǒng)和轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)難以克服吸附熱對(duì)干燥劑除濕性能造成的影響，盡管臘棟［3］等通過(guò)兩級(jí)輪轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)降低了吸附熱對(duì)除濕性能的影響，但這造成系統(tǒng)體積龐大且仍無(wú)法完全的解決這一問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，Lavan Z［4］等通過(guò)將固體干燥劑材料與傳統(tǒng)換熱器結(jié)合，提出內(nèi)冷型固定床除濕換熱器的概念?；谶@一概念北京航空航天大學(xué)的鄭毅［5］和袁衛(wèi)星［6］在熱源溫度95℃ 的再生工況下分別對(duì)內(nèi)冷卻緊湊式固體除濕換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字模擬，結(jié)果表明通過(guò)消除吸附熱可以提高除濕換熱器的除濕性能影響。

因此，本文針對(duì)太陽(yáng)能等50～70℃的熱源溫度，制作交叉流結(jié)構(gòu)的固體涂層除濕換熱器，開(kāi)展不同低再生溫度工況下交叉流固體涂層除濕換熱器的除濕性能研究。

1 交叉流固體涂層除濕換熱器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 交叉流固體涂層除濕換熱器結(jié)構(gòu)

圖1 交叉流固體涂層除濕換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

本文所研發(fā)制作的交叉流固體涂層除濕換熱器如圖1所示，其結(jié)構(gòu)和換熱器原理與板翅式換熱器類似，其主要由平行隔板和翅片疊裝而成，在隔板與翅片之間形成許多流通斷面的流道。除濕換熱器的一側(cè)流道內(nèi)通過(guò)粘結(jié)劑將固體干燥劑材料均勻的涂覆在其翅片壁面上，從而制成如圖的交叉流除濕換熱器。具有固體干燥劑的除濕換熱器流道稱為主邊流道，在運(yùn)行過(guò)程時(shí)，該側(cè)流道的空氣同時(shí)與干燥劑進(jìn)行熱、質(zhì)傳遞；相應(yīng)的，另一側(cè)流道稱為次邊流道，該側(cè)流道的氣流只進(jìn)行熱量交換。本文所研制的交叉流固體涂層除濕換熱器的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 交叉流固體涂層換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1中翅片高度即為主、次邊流道高度，除濕換熱器的總質(zhì)量為6.198kg，實(shí)驗(yàn)中所用的硅膠干燥劑顆粒粒徑13μm，交叉流固體涂層除濕換熱器內(nèi)硅膠干燥劑涂覆量為248.5g，粘結(jié)劑為SBR乳膠。

1.2 工作原理及過(guò)程

圖2為以空氣冷卻介質(zhì)的交叉流固體涂層除濕換熱器系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖。其主要組成部件包括：提供除濕過(guò)程中所需冷卻空氣及處理空氣的低溫供風(fēng)系統(tǒng)；為再生干燥劑提供高溫再生空氣的高溫供風(fēng)系統(tǒng)；涂覆有硅膠干燥劑的交叉流固體涂層除濕換熱器；以及溫、濕度傳感器等測(cè)試設(shè)備。

固體涂層除濕換熱器系統(tǒng)運(yùn)行分為除濕階段和再生階段。在除濕階段，低溫供風(fēng)系統(tǒng)提供恒溫恒濕的入口處理空氣，在風(fēng)機(jī)的推動(dòng)下處理空氣流經(jīng)交叉流固體涂層除濕換熱器的主邊流道（1→2），期間空氣中的水蒸氣在干燥劑的吸附作用下被硅膠干燥劑吸附，從而降低空氣中的含濕量。同時(shí)，冷卻空氣經(jīng)過(guò)除濕換熱器的次邊流道（3→4），除濕換熱器兩側(cè)進(jìn)行熱量交換，硅膠在吸附過(guò)程中產(chǎn)生的吸附熱被冷卻空氣帶走，使硅膠干燥劑近似達(dá)到等溫吸附的理想狀態(tài)。最后，經(jīng)除濕后的空氣被送入房?jī)?nèi)。硅膠干燥劑吸附飽和后，除濕階段結(jié)束，此時(shí)需要對(duì)硅膠干燥劑進(jìn)行再生。在再生階段，將高溫再生空氣通入主邊流道（5→6），水蒸氣在高溫空氣的作用下逐漸從硅膠干燥劑上脫附，當(dāng)達(dá)到脫附平衡后，除濕換熱器完成了再生階段。至此，固體涂層除濕換熱器系統(tǒng)經(jīng)歷了除濕及再生兩個(gè)階段，即系統(tǒng)完成了一個(gè)完整的周期循環(huán)。

圖2 固體涂層除濕換熱器系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)研究交叉流固體涂層除濕換熱器在不同運(yùn)行工況下的除濕效果，并檢驗(yàn)除濕換熱器在有內(nèi)冷卻情況下對(duì)除濕性能的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量的變量參數(shù)包括空氣在除濕換熱器進(jìn)出口的相對(duì)濕度、溫度以及空氣流量。實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)試儀器有：溫度計(jì)（久茂，型號(hào)：PT100，精度：±0.15℃），低溫濕度計(jì)（維薩拉，型號(hào)：HMD82，精度：±5%RH），高溫濕度計(jì)（羅卓尼克，型號(hào)：KOY532，精度：±3%RH）以及流量計(jì)（型號(hào)：FH-RS-C03，±1.5%）。

2.2 除濕性能分析

該固體涂層除濕換熱器系統(tǒng)的運(yùn)行工況按照不同再生溫度、不同送風(fēng)含濕量及有無(wú)內(nèi)冷將實(shí)驗(yàn)分為6組，每組實(shí)驗(yàn)的溫濕度運(yùn)行條件如表2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主邊流道入口處理空氣流量為120m3/h，無(wú)內(nèi)冷時(shí)次邊流道冷卻空氣流量為0m3/h，有內(nèi)冷卻時(shí)次邊流道冷卻空氣流量為150m3/h。

表2 固體涂層除濕換熱器實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況

2.2.1 再生空氣溫度對(duì)除濕性能的影響

圖3 再生溫度對(duì)出口含濕量的影響

再生溫度的高低直接影響著除濕系統(tǒng)對(duì)熱源品位的選擇，探究不同再生溫度對(duì)除濕固體涂層除濕換熱器除濕性能的影響，可以獲取其在不同品位熱能下的除濕特性，從而提升對(duì)能源的有效利用。在研究不同再生溫度的影響時(shí)，保持入口處理空氣溫度為30℃，入口處理空氣含濕量為18.50g/kg，再生空氣溫度從50℃到70℃。

從圖3可以看出在不同的再生溫度下，固體涂層除濕換熱器的出口含濕量有明顯的變化。當(dāng)再生溫度從50℃升高到60℃和70℃時(shí)，系統(tǒng)的最大瞬時(shí)除濕量分別從1.74g/kg提高到2.06g/kg和2.39g/kg，最大瞬時(shí)除濕量分別提高了18.3%和37.3%。這是因?yàn)椋咴偕鷾囟扔欣诠枘z干燥劑再生得更完全，當(dāng)在相同送風(fēng)條件下時(shí)，干燥劑與處理空氣中水蒸氣的分壓差較大，從而使其吸附性能得到提升，所以提升了除濕系統(tǒng)的除濕效果。

2.2.2 入口處理空氣含濕量對(duì)除濕性能的影響

圖4 處理空氣含濕量對(duì)出口含濕量的影響

由圖可以看出，增加處理空氣的入口含濕量，除濕系統(tǒng)的最大瞬時(shí)除濕量也相應(yīng)的增大，當(dāng)入口含濕量從15.6g/kg分別提升到18.5g/kg和21.1g/kg時(shí)，最大瞬時(shí)除濕量也分別從1.41g/kg提升到2.39g/kg和3.49g/kg，最大瞬時(shí)除濕量分別提高了69.5%和147.5%。其原因與提高再生溫度的效果類似，當(dāng)增大處理空氣入口含濕量時(shí)，提高了處理空氣與干燥劑之間的水蒸氣分壓差，從而強(qiáng)化了兩者之間質(zhì)量傳遞，增強(qiáng)了除濕效果。

2.2.3 內(nèi)冷卻對(duì)除濕性能的影響

吸附熱是制約固體吸附除濕系統(tǒng)除濕性能的重要因素，消除吸附熱對(duì)除濕性能的影響是本文研究目的之一。圖5為除濕換熱器除濕階段分別在有內(nèi)部冷卻和無(wú)內(nèi)部冷卻情況下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。由圖可以看出，在剛開(kāi)始進(jìn)行除濕時(shí)，交叉流除濕換熱器出口含濕量都急劇下降，對(duì)比可知采用內(nèi)部冷卻時(shí)其出口含濕量下降得比無(wú)內(nèi)部冷卻的更為明顯。隨著干燥劑內(nèi)的吸濕量逐漸增加，其的吸濕能力下降，出口含濕量下降達(dá)到最低值后有逐漸上升，直至到達(dá)吸附平衡。

圖5 內(nèi)冷卻對(duì)出口含濕量的影響

3 結(jié)論

本文針對(duì)低溫?zé)嵩礈囟?0-70℃的情況，制作了交叉流固體除濕換熱器，并在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了不同再生溫度、不同進(jìn)口處理空氣含濕量及采用內(nèi)冷卻對(duì)除濕性能的影響。結(jié)果表明，采用次邊流道進(jìn)行內(nèi)冷卻可以減小吸附熱對(duì)除濕性能的影響。其次，交叉流固體涂層除濕換熱器的瞬時(shí)除濕性能隨著再生溫度及處理空氣入口含濕量的升高而升高，當(dāng)再生溫度從50℃升高到70℃使時(shí)，最大瞬時(shí)除濕量可提高37.3%，當(dāng)入口含濕量從15.6g/kg提升到21.1g/kg時(shí)，最大瞬時(shí)除濕量提高了將近147.5%。