吳宣楠，葛天舒

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們越來越重視所居住的空氣環(huán)境的健康性和舒適性。由于冬季空氣中含濕量很低，供暖時采用表面式空氣換熱器對室內(nèi)空氣進(jìn)行等濕加熱后，使空氣相對濕度下降，導(dǎo)致空氣比較干燥。為了緩解空氣干燥，很多家庭和辦公場所會使用加濕器。傳統(tǒng)加濕器的加濕方法主要有水加濕法、蒸氣加濕法和霧化加濕法等。這些方法都是基于將水變成水蒸氣或者將水霧化后噴入被調(diào)節(jié)空氣進(jìn)行加濕[1-4]。然而，這些加濕方法產(chǎn)生的水霧為空氣中的細(xì)菌滋生提供合適的條件[5]，人長期生活在這樣的環(huán)境中容易引起呼吸性疾病，更為嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致肺炎[6-8]。此外，人們常常習(xí)慣直接將自來水加入加濕器，自來水中的氯離子和微生物就有可能隨水霧一起被吹入空氣中，造成空氣污染；如果自來水硬度較高，加濕器噴出的水霧中因含有鈣鎂離子會產(chǎn)生白色粉末，從而進(jìn)一步污染室內(nèi)空氣[9-11]。

為了克服并解決傳統(tǒng)加濕器中的這些問題，許多科技工作者提出無水加濕技術(shù)。除濕轉(zhuǎn)輪主要用于除濕或吸附空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物[12-16]。然而除濕轉(zhuǎn)輪還可用于干燥空氣的加濕，即無水加濕；該加濕方法是利用室外空氣中的水分對室內(nèi)空氣進(jìn)行加濕，無水霧或蒸氣產(chǎn)生，極大減少了霉菌以及細(xì)菌生長的危險性，有助于提升室內(nèi)空氣的品質(zhì)[17]。近年來，無水加濕技術(shù)的相關(guān)研究工作受到了廣泛重視。楊國忠等[18]采用分子篩吸濕盤對干燥空氣進(jìn)行加濕，實(shí)驗(yàn)中吸濕盤固定不動，采用兩個相同的吸濕盤進(jìn)行吸濕風(fēng)路和加濕風(fēng)路交替切換，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)加濕。袁琪等[19]采用旋轉(zhuǎn)式除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)對干燥空氣進(jìn)行連續(xù)加濕，其中除濕轉(zhuǎn)輪被劃分為吸收區(qū)、冷卻區(qū)和脫吸區(qū)3 部分，最優(yōu)工況下的加濕量可達(dá)到521 g/h，然而轉(zhuǎn)輪中所用吸附劑的名稱或類型未被介紹描述。李榮年等[20]針對國內(nèi)無水加濕轉(zhuǎn)輪市場空白的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套以陶瓷纖維紙為基材、以硅膠為吸附劑的無水加濕轉(zhuǎn)輪，在5 ℃、相對濕度為50%的焓差室中測試的加濕量為239 g/h，但該套無水加濕轉(zhuǎn)輪的具體加工工藝被保密。綜上所述，盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多關(guān)于采用吸附轉(zhuǎn)輪進(jìn)行無水加濕的研究，但是卻鮮有關(guān)于操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對除濕轉(zhuǎn)輪加濕性能影響的報道，因此這一部分空白需要被補(bǔ)充。

本文針對無水加濕系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，研究了無水加濕系統(tǒng)中操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對加濕性能的影響規(guī)律，以期為優(yōu)化和提高除濕轉(zhuǎn)輪的無水加濕性能提供指導(dǎo)。

1 無水加濕工作原理

無水加濕裝置系統(tǒng)中的核心部件是除濕轉(zhuǎn)輪，一般是由基材和吸附劑結(jié)合而成，通常其內(nèi)部擁有大量的瓦楞形空氣流通孔道。無水加濕系統(tǒng)原理如圖1所示。除濕轉(zhuǎn)輪分為吸收區(qū)和脫吸區(qū)兩部分，這兩部分可以采用聚四氟乙烯密封條實(shí)現(xiàn)運(yùn)動密封。運(yùn)行時，室外的處理空氣在處理風(fēng)機(jī)的牽引下通過除濕轉(zhuǎn)輪的吸收區(qū)，處理空氣中的部分水分被除濕轉(zhuǎn)輪吸附，被除濕的處理空氣經(jīng)處理風(fēng)機(jī)被排至室外；吸附了水分的除濕轉(zhuǎn)輪在電機(jī)的帶動下由吸收區(qū)緩慢轉(zhuǎn)至脫吸區(qū)，此時再生空氣經(jīng)過熱源被加熱成高溫空氣并穿過除濕轉(zhuǎn)輪的脫吸區(qū)，使除濕轉(zhuǎn)輪中被吸附的水分實(shí)現(xiàn)脫附并將其帶離除濕轉(zhuǎn)輪，使除濕轉(zhuǎn)輪恢復(fù)吸附能力；離開除濕轉(zhuǎn)輪的再生空氣由于脫附了除濕轉(zhuǎn)輪中的水分而含濕量增加，在再生風(fēng)機(jī)的牽引下被送至室內(nèi)，用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的相對濕度，實(shí)現(xiàn)無水加濕。在脫吸區(qū)恢復(fù)吸附能力的除濕轉(zhuǎn)輪在電機(jī)的帶動下緩慢進(jìn)入吸收區(qū)，重新吸附室外處理空氣中的水分，再進(jìn)入脫吸區(qū)進(jìn)行脫附，如此循環(huán)往復(fù)，保證整個系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性，可連續(xù)對室內(nèi)空氣進(jìn)行無水加濕。

圖1 無水加濕系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)模型

本文研究了在典型冬季環(huán)境氣候條件下對室內(nèi)空氣進(jìn)行加濕，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725—2004[21]，所選用典型冬季室外環(huán)境條件為干球溫度7 ℃，濕球溫度6 ℃。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，處理空氣和再生空氣均為室外空氣（兩者含濕量相同）。

2.1 無水加濕系統(tǒng)模型

無水加濕是轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的另一種應(yīng)用，故無水加濕系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一致[22]。圖2所示為用于無水加濕的除濕轉(zhuǎn)輪及其正弦曲線形空氣流通孔道，選取其中某一個空氣流通孔道為研究對象，然后在微元體dz內(nèi)采用集總參數(shù)法建立了一維傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值求解[22]，如圖3所示。

圖2 除濕轉(zhuǎn)輪及其內(nèi)部正弦曲線形空氣流通孔道

圖3 正弦曲線形空氣流通孔道內(nèi)部微元體[22]

在該數(shù)學(xué)模型中認(rèn)為吸附劑在多孔基材內(nèi)部是均勻分布的，因此需要將吸附劑與多孔基材視為一整體。所以，本文采用吸附劑與多孔基材整體的飽和吸附量方程代替原來的純吸附劑的飽和吸附量方程。吸附劑與多孔基材整體對水蒸氣的飽和吸附量方程為：

式中，φw為空氣相對濕度，%；w為吸附劑與多孔基材整體對水蒸氣的吸附量，kg/kg。

2.2 操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化

不同參數(shù)的基準(zhǔn)值和變化值見表1。

表1 操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的基準(zhǔn)值及變化值

在模擬研究中處理空氣的入口工況保持恒定（即典型冬季室外環(huán)境工況），再生空氣含濕量與處理空氣含濕量相同。在此基礎(chǔ)之上，研究無水加濕系統(tǒng)中其他操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對加濕性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)選出最佳參數(shù)組合。其中操作參數(shù)包括再生溫度、空氣流速和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；結(jié)構(gòu)參數(shù)包括轉(zhuǎn)輪厚度和再生區(qū)域圓心角。

3 結(jié)果分析

3.1 評價指標(biāo)

為了評價無水加濕系統(tǒng)的加濕能力，本文采用再生側(cè)含濕量增量作為整個系統(tǒng)加濕能力評價指標(biāo)。再生側(cè)含濕量增量ΔY體現(xiàn)了再生空氣通過轉(zhuǎn)輪前后含濕量的變化，ΔY越大，表明該無水加濕系統(tǒng)的加濕能力越強(qiáng)，其表達(dá)式為：

式中，ΔY為再生側(cè)含濕量增量，g/(kg 干空氣)；Yreg,out為再生空氣出口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；Yreg,in為再生空氣入口處的含濕量，g/(kg 干空氣)。

為了描述無水加濕系統(tǒng)的加濕性能和能量利用率，引入加濕性能系數(shù)（Humidification Coefficient of Performance，HCOP）：

式中，HCOP 為加濕性能系數(shù)；Yreg,out為再生空氣出口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；Yreg,in為再生空氣入口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；L為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg，取值2,358 kJ/kg；hreg,out為再生空氣出口處的比焓，kJ/kg；hreg,in為再生空氣入口處的比焓，kJ/kg。

濕空氣的比焓計(jì)算公式：

式中，h為濕空氣的比焓，kJ/kg；T為濕空氣溫度，℃；Y為濕空氣含濕量，g/(kg 干空氣)。

3.2 再生溫度對無水加濕性能的影響

圖4所示為再生溫度對無水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖4 可知，再生側(cè)含濕量增量隨再生溫度的升高近似呈線性規(guī)律增加，當(dāng)再生溫度為90 ℃時，再生側(cè)含濕量增量為9.75 g/(kg 干空氣)；當(dāng)再生溫度為120 ℃時，再生側(cè)含濕量增量可達(dá)12.55 g/(kg 干空氣)。由于再生溫度越高，轉(zhuǎn)輪的吸濕量越低，所以被釋放出來的水蒸氣量越多，造成再生側(cè)含濕量增量增加。

圖4 再生溫度對無水加濕性能的影響

整個無水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨再生溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)再生溫度為90 ℃時，系統(tǒng)的HCOP 達(dá)到最大值0.576。當(dāng)再生溫度太高時，更多的熱量將會被轉(zhuǎn)輪吸收，再生空氣中的能量沒有被高效利用，使得HCOP 呈現(xiàn)下降趨勢。然而針對再生溫度的整個變化范圍，當(dāng)再生溫度由50 ℃增加至120 ℃時，系統(tǒng)HCOP 的最大變化量僅為0.068，由此可見再生溫度對系統(tǒng)HCOP 的影響較小。

3.3 空氣流速對無水加濕性能的影響

圖5所示為空氣流速對無水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。

圖5 空氣流速對無水加濕性能的影響

由圖5 可知，再生側(cè)含濕量增量隨空氣流速的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)空氣流速為1 m/s時，再生側(cè)含濕量增量僅為 2.33 g/(kg 干空氣)；當(dāng)空氣流速為3.0 m/s 時，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值10.11 g/(kg 干空氣)。由此可見空氣流速對再生側(cè)含濕量增量影響較大，最佳空氣流速為3 m/s 左右。因?yàn)楫?dāng)空氣流速進(jìn)一步增大（大于3 m/s）時，再生空氣與轉(zhuǎn)輪的接觸時間迅速減少，再生空氣難以從轉(zhuǎn)輪中帶走更多的水蒸氣，從而使得再生側(cè)含濕量增量降低。

此外，整個無水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP 隨空氣流速的增大而不斷增加。當(dāng)空氣流速為1 m/s 時，系統(tǒng)的HCOP 僅為0.073；當(dāng)空氣流速增大到4.0 m/s 時，系統(tǒng)的HCOP 可達(dá)到0.848，說明空氣流速對系統(tǒng)HCOP 影響顯著。

3.4 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對無水加濕性能的影響

圖6所示為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對無水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖6 可知，再生側(cè)含濕量增量隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為8 r/h 時，再生側(cè)含濕量增量為11.07 g/(kg 干空氣)；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增至32 r/h 時，再生側(cè)含濕量增量為3.30 g/(kg 干空氣)。通常轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為8 r/h。

圖6 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對無水加濕性能的影響

無水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加同樣呈不斷減小趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為8 r/h時，系統(tǒng)HCOP 可達(dá)0.845；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為32 r/h時，系統(tǒng)HCOP 降低至0.116。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速不斷增加時，被再生空氣加熱的轉(zhuǎn)輪很快進(jìn)入除濕區(qū)，而除濕區(qū)被處理空氣冷卻的轉(zhuǎn)輪很快進(jìn)入再生區(qū)，再生空氣中很多能量被用于加熱轉(zhuǎn)輪，使得再生空氣能量利用效率降低，進(jìn)而使得HCOP 降低。

3.5 轉(zhuǎn)輪厚度對無水加濕性能的影響

圖7所示為轉(zhuǎn)輪厚度對無水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖7 可知，再生側(cè)含濕量增量隨轉(zhuǎn)輪厚度的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度為0.075 m 時，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值10.07 g/(kg 干空氣)。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪厚度進(jìn)一步增大時，再生空氣溫度沿著轉(zhuǎn)輪厚度方向逐漸降低，使得在轉(zhuǎn)輪再生區(qū)入口端脫附的水蒸氣在轉(zhuǎn)輪再生區(qū)出口端被轉(zhuǎn)輪部分吸附，使得再生側(cè)含濕量增量降低。

圖7 轉(zhuǎn)輪厚度對無水加濕性能的影響

整個無水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨轉(zhuǎn)輪厚度的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度為0.05 m 時，系統(tǒng)HCOP 可達(dá)0.911；當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度增加至0.2 m 時，系統(tǒng)HCOP 僅為0.152。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪厚度不斷增加時，再生空氣的溫度沿轉(zhuǎn)輪厚度方向不斷降低，再生空氣用于加熱轉(zhuǎn)輪使其能量利用率降低，使得系統(tǒng)的HCOP 降低。

3.6 再生區(qū)域圓心角對無水加濕性能的影響

圖8所示為轉(zhuǎn)輪厚度對無水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響規(guī)律。由圖8 可知，再生側(cè)含濕量增量隨再生區(qū)域圓心角的增加先增加后減小，當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值9.876 g/(kg 干空氣)。因?yàn)楫?dāng)再生區(qū)域的圓心角小于120°時，隨著再生區(qū)域的圓心角的增大，轉(zhuǎn)輪在再生區(qū)域停留時間在不斷增加，這樣轉(zhuǎn)輪有足夠的時間被再生空氣加熱而使得水蒸氣被脫附，從而使得再生側(cè)含濕量增量增加。當(dāng)再生區(qū)域的圓心角大于120°時，隨著再生區(qū)域的圓心角的增大，轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)域面積減小使得轉(zhuǎn)輪吸濕量減小，從而使得轉(zhuǎn)輪再生側(cè)含濕量增量也相應(yīng)減小。

圖8 再生區(qū)域圓心角對無水加濕性能的影響

整個無水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨再生區(qū)域的圓心角的增加同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時，系統(tǒng)HCOP達(dá)到最大值0.668。

3.7 參數(shù)優(yōu)選

為了在冬季滿足室內(nèi)空氣濕度調(diào)節(jié)的需求，無水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量需達(dá)到或超過10 g/(kg 干空氣)。為了節(jié)約能源并充分利用低品位熱能，無水加濕系統(tǒng)可由工業(yè)廢熱或太陽能驅(qū)動，這些熱源的溫度通常低于100 ℃。綜合考慮再生側(cè)含濕量增量、HCOP 以及系統(tǒng)安全性，無水加濕系統(tǒng)的再生溫度選擇90 ℃為宜?？諝饬魉龠x擇3 m/s為宜，此時再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值，并且HCOP 達(dá)到0.697。再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP均隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而不斷減小，所以轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速選擇8r/h 為宜。轉(zhuǎn)輪厚度選擇0.075 m 為宜，此時再生側(cè)含濕量增量取得最大值，并且系統(tǒng)HCOP 為0.76。當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時，再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 均取得最大值，所以再生區(qū)域的圓心角取120°為宜。通過以上分析，在典型冬季室外環(huán)境運(yùn)行工況下得到無水加濕系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)選結(jié)果如表2所示。

表2 無水加濕系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)選擇

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究無水加濕系統(tǒng)中操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對加濕性能的影響規(guī)律，并對整個系統(tǒng)的操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，得出如下結(jié)論：

1）整個無水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量隨再生溫度升高近似呈線性增加，但再生溫度為90 ℃時系統(tǒng)HCOP 達(dá)到最大值；

2）當(dāng)空氣流速為3 m/s 時，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值；再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 均隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增加而不斷降低，以8 r/h 作為轉(zhuǎn)輪的優(yōu)選轉(zhuǎn)速；

3）為了獲得較大的再生側(cè)含濕量增量和較高的系統(tǒng)HCOP，轉(zhuǎn)輪的厚度不宜超過0.1 m；

4）當(dāng)轉(zhuǎn)輪再生區(qū)域圓心角為120°時，再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 同時達(dá)到最佳值；

5）在典型冬季室外環(huán)境運(yùn)行工況條件下，基于優(yōu)選參數(shù)的無水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量均可達(dá)到10 g/(kg 干空氣)，系統(tǒng)HCOP 的變化范圍為0.5～0.9，完全滿足冬季室內(nèi)環(huán)境加濕的需求。