不同干燥劑轉輪的除濕性能

代咪咪，鄒同華，嚴雷，賈賈

（天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室，天津300134）

在我國，建筑能耗占據能源總消耗量的比例越來越大，其中暖通空調系統的能耗約占建筑能耗的50%～60%[1]，而空調能耗中有30%～50%[2]是用來降低空氣中含濕量的。故而如何減少空調系統中除濕能耗已成為空調系統節(jié)能研究的一個重要方向。溫濕度獨立控制空調系統是一種將室內溫度和濕度分開控制的新型空調系統。與傳統空調系統相比，它既避免了熱濕負荷耦合處理造成的能量浪費，又能充分滿足人們對室內濕度的要求。應用于新型空調系統的各類除濕方法中，轉輪除濕以其良好的除濕性能引起了國內外眾多學者的關注[3-8]。

轉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輪除濕性能的關鍵因素。目前應用于除濕轉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。復合干燥劑的出現彌補了單一材料的不足，使其性能得到了改善。賈春霞等[9-10]測試了新型復合干燥劑和硅膠的平衡吸附性能，結果顯示前者的吸濕能力是后者的2 倍以上，并對硅膠基復合干燥劑轉輪最優(yōu)轉速進行了分析。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/分子篩復合吸附劑，具備不同濕度條件下較高的靜態(tài)和動態(tài)吸附量。方玉堂等[12]討論了硅溶膠濃度、分子篩含量等對復合物吸附性能的影響。本文通過實驗對比分析了60℃和80℃再生溫度下3種干燥劑轉輪的除濕性能。

1 實驗裝置介紹

實驗裝置如圖1 所示，主要包括：溫濕度調節(jié)箱、除濕轉輪、再生加熱器、電極式加濕器、控制系統、風機以及過濾裝置等。部分試驗臺儀器參數見表1[13]。實驗中：處理空氣通過過濾器進入溫濕度調節(jié)箱，經加濕、加熱或冷卻到實驗工況后進入轉輪除濕區(qū)進行除濕；再生空氣通過過濾器后經加熱加濕到所需溫度和濕度后送入轉輪的再生區(qū)，處 理空氣與再生空氣在轉輪中反向流動。

圖1 除濕轉輪性能測試實驗臺

表1 部分實驗臺儀器的參數

實驗所用到的測量儀器有：溫濕度傳感器（處理側和再生側溫度測量范圍分別為-40～60℃和-40～120℃，精度為±0.3℃；濕度測量范圍0～100%，精度±3%）、風速傳感器（測量范圍1～5m/s，精度±2%）。

實驗對象為3 個不同材料的轉輪，由廠家定制。分別是聚苯硫醚（PPS）硅膠轉輪、PPM 分子篩轉輪和厚度都是100mm 的PPS 與PPM 加工在一起的轉輪。PPS 硅膠轉輪具有82%的活性硅膠上膠率，PPM 分子篩轉輪含有37%的分子篩和45%的活性硅膠。

2 實驗方案

采用單因素變量方法設計實驗，在選定實驗的基準工況參數后，分別控制單一變量對實驗進行測量記錄，依次調節(jié)影響除濕性能的5 個因素。每一個參數的選擇，以空調系統運行過程中可能會遇到的室外空氣參數為依據（表2）。

表中水平2 是設定的基準工況參數。再生濕度為5%，分別在60℃、80℃再生溫度的條件下，依次改變實驗中要研究的單個因素進行試驗，同時其他因素設定為基準工況參數。

表2 實驗工況參數

3 除濕性能評價指標

采用除濕性能系數（DCOP）和除濕量（D）作為評價指標，對處理側空氣入口溫濕度、處理和再生風速、轉輪轉速等影響因素進行分析。DCOP 是對除濕轉輪整體除濕性能和能源利用情況的綜合評價，DCOP 越高，說明轉輪的除濕性能越好；除濕量D反映了轉輪處理側空氣在經過轉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

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

（2）除濕量

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

4 結果與分析

4.1 處理空氣入口溫度對除濕性能的影響

由圖2 和圖3 可知，當處理側溫度從20℃升高至40℃，3 種不同干燥劑材料轉輪的除濕量和除濕性能系數整體上均是減小的，而PPM 分子篩轉輪在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，干燥劑材料進入再生區(qū)時的初始溫度增大，在再生區(qū)溫度升高較為迅速，再生效果提高，但繼續(xù)增大不利于處理側干燥劑對處理空氣中水分的吸附。60℃再生溫度時，PPS 硅膠轉輪和PPS/PPM 各半轉輪的除濕量、除濕性能系數比較接近。再生溫度升高到80℃，相比60℃，3 個轉輪的除濕量和除濕性能系數都明顯增大，其中PPM/PPS 各半轉輪的除濕量和除濕性能系數最大。 這是由于再生溫度升高，各半轉輪PPM 分子篩一側的再生效率大大提高。

圖2 處理空氣入口溫度對除濕量的影響

圖3 處理空氣入口溫度對除濕性能系數的影響

4.2 處理空氣入口相對濕度對除濕性能的影響

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

4.3 處理空氣入口風速對除濕性能的影響

如圖6 所示，PPS 硅膠轉輪除濕量隨處理風速的增大而減小，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態(tài)吸濕能力要優(yōu)于硅膠，所以當處理風速增大時，其除濕能力增強，表現在除濕量上就是除濕量的增加。60℃再生溫度時，PPS/PPM 各半轉輪的除濕量與PPS 硅膠轉輪相差很小，80℃時PPS/PPM 各半轉輪的除濕量較大。PPS/PPM 各半轉輪在處理側受到硅膠材料的影響，當再生溫度升高后，除濕量增加，但是不如PPM 分子篩的除濕量高。

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

4.4 再生空氣入口風速對除濕性能的影響

如圖8 所示，3 個轉輪的除濕量都隨著再生風速的增大而增大。當再生風速增大到2.5m/s 時，60℃和80℃下PPS/PPM 各半轉輪的除濕量分別為7.06g/kg 和9.33g/kg，比另外兩個轉輪都大。

如圖9 所示，當再生風速從1.5m/s 增大到2.5m/s，3 個轉輪的DCOP 都是升高的。60℃再生溫度下，再生風速為1.5m/s 和2.0m/s 時，PPS 硅膠轉輪和PPS/PPM 各半轉輪的DCOP 相差不大；到了2.5m/s 時，PPS/PPM 各半轉輪的DCOP 明顯較大。而80℃再生溫度下，PPS/PPM 各半轉輪的DCOP 始終是最大的。說明擁有較高再生溫度時，再生風速越大越有利于PPS/PPM 各半轉輪進行除濕。

圖4 處理空氣入口相對濕度對除濕量的影響

圖5 處理空氣相對濕度對除濕性能系數的影響

圖6 處理空氣入口風速對除濕量的影響

圖7 處理空氣入口風速對除濕性能系數的影響

圖8 再生空氣入口風速對除濕量的影響

圖9 再生空氣入口風速對除濕性能系數的影響

4.5 轉輪轉速對除濕性能的影響

如圖10 所示，PPS 硅膠轉輪和PPM 分子篩轉輪的除濕量隨轉輪轉速升高而增大。相比60℃再生溫度，80℃時PPS 硅膠轉輪的除濕量增大的較快。60℃和80℃再生溫度下，隨轉速從6r/h 增大到10r/h，PPM 分子篩轉輪除濕量分別增加了1.3g/kg和0.9g/kg。PPS/PPM 各半轉輪在60℃再生溫度時的除濕量與轉速呈負相關，隨著轉速增加而減少；而80℃再生溫度下，除濕量先略微增大后減小，變化幅度很小。說明各半轉輪在8r/h 附近已經達到最優(yōu)轉速。

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

5 結 論

圖10 轉輪轉速對除濕量的影響

圖11 轉輪轉速對除濕性能系數的影響

通過實驗，改變影響轉輪除濕性能的6 個因素， 對比分析了3 種不同干燥劑除濕轉輪的除濕量和除濕性能系數，得出以下結論。

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

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

[1] 周晉，楊偉，張國強. 建筑節(jié)能技術（4）暖通空調系統節(jié)能[J]. 大眾用電，2007（4）：40-42.

[2] 張秀平，潘云鋼，田旭東，等. 標準風機盤管用于溫濕度獨立控制系統的適應性研究[J]. 流體機械，2009，37（1）：72-76，49.

[3] Dhar P L，Singh S K. Studies on solid desiccant based hybrid air-conditioning systems[J]. Applied Thermal Engineering，2001，21：119-134.

[4] 楊穎，王晗，張偉，等. 分級再生式轉輪除濕空調系統的性能分析[J]. 低溫與超導，2013，41（1）：41-44.

[5] 臘棟，代彥軍，李慧，等. 單轉輪兩級太陽能除濕空調運行特性研究[J]. 工程熱物理學報，2010，31（11）：1817-1820.

[6] 喬望東，花向陽. 輪轉除濕機在中溫室空調設計中的應用[J]. 暖通空調，2008，38（8）：93-96．

[7] Elzahzby Ali M，Kabeel A E，Bassuoni M M，et al. Effect of inter-cooling on the performance and economics of a solar energy assisted hybrid air conditioning system with six stages one-rotor desiccant wheel[J]. Energy Conversion and Management，2014，78：882-896.

[8] Wrobel Jan，Morgenstern Paula，Schmitz Gerhard. Modeling and experimental validation of the desiccant wheel in a hybrid desiccant air conditioning system[J]. Applied Thermal Engineering，2013，51（1-2）：1082-1091.

[9] 賈春霞，吳靜怡，代彥軍，等. 復合干燥劑轉輪性能測試及其應用[J]. 上海交通大學學報，2006，40（8）：1283-1286

[10] 賈春霞，吳靜怡，代彥軍，等. 硅膠基復合干燥劑轉輪最優(yōu)轉速分析[J]. 化學工程，2009，37（4）：11-14.

[11] 蔣贛，方玉堂，丁靜，等. 陶瓷纖維基硅膠/分子篩復合吸附劑的實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2011，32（7）：1218-1220.

[12] 方玉堂，蔣贛，匡勝嚴，等. 硅膠/分子篩復合物的制備及吸附性能[J]. 硅酸鹽學報，2007，35（6）：746-749.

[13] 賈賈，鄒同華，于蓉，等. 不同干濕氣候區(qū)除濕轉輪的性能比較[J]. 流體機械，2014，42（6）：65-69.

[14] 鐘金華，代彥軍，賈春霞，等. 干燥劑轉輪動態(tài)除濕特性實驗研究[J]. 上海交通大學學報，2005，39（8）：1205-1208.