內(nèi)熱再生式除濕器除濕再生性能研究

呂寧 張輝 陳振乾

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210000)

LüNing Zhang Hui Chen Zhenqian

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210000，China)

內(nèi)熱再生式除濕器除濕再生性能研究

呂寧 張輝 陳振乾

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210000)

提出一種內(nèi)熱再生式固體除濕器，描述了其物理模型和工作中傳熱傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并編寫(xiě)了基于有限差分法的數(shù)值求解程序?qū)ζ淇刂品匠探M進(jìn)行求解。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了除濕器在除濕再生過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，除濕器在不采用內(nèi)冷措施的情況下對(duì)夏季室內(nèi)的高濕氣體或微環(huán)境內(nèi)的低濕氣體均具有較高的除濕效率，再生時(shí)間遠(yuǎn)小于有效除濕時(shí)間，吸附床床體壓降小，對(duì)室內(nèi)小型空間的除濕需求具有很好的適用性。

微環(huán)境；固體除濕器；硅膠；數(shù)值模擬；性能實(shí)驗(yàn)

LüNing Zhang Hui Chen Zhenqian

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210000，China)

與常規(guī)大空間內(nèi)的除濕需求相比，文物柜、航海中精密儀器的存儲(chǔ)空間等小型空間內(nèi)微環(huán)境的除濕需求具有其自身的特殊性。主要表現(xiàn)為除濕過(guò)程中需保證微環(huán)境溫濕度的相對(duì)穩(wěn)定，以及對(duì)空氣品質(zhì)、噪聲等方面的更高要求[1]。與冷凝除濕或溶液吸附除濕方法相比，固體吸附除濕因其除濕過(guò)程易于控制、材料無(wú)腐蝕性、運(yùn)動(dòng)部件少且可利用低品位能源進(jìn)行再生等特點(diǎn)[2]，在針對(duì)此類(lèi)微環(huán)境的除濕上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)固體吸附除濕技術(shù)做了相關(guān)研究，除了已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)，當(dāng)前的研究?jī)?nèi)容主要集中在新型再生方式的研發(fā)、提高現(xiàn)有固定床的熱濕傳遞效率，以及高效吸附劑材料的研制等方面[3－5]。國(guó)外的Mina E等[6－7]首次提出了除濕劑電滲再生的概念；A Ramzy K等[8]研究了不同吸附劑填充方式對(duì)除濕器工作性能的影響。在國(guó)內(nèi)，姚曄等[9－11]論證了固體除濕劑超聲波再生的可行性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波再生的效果和能耗做了分析，完善了固體除濕劑超聲波再生技術(shù)；劉曉茹等[12]提出了一種內(nèi)冷卻緊湊式叉流除濕器，通過(guò)增加次邊換熱結(jié)構(gòu)控制主邊吸附劑的工作溫度來(lái)提高除濕器的除濕效率，實(shí)則是對(duì)固定床的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)；還有一些學(xué)者在開(kāi)發(fā)新型改性吸附材料方面做了工作[13－14]，如郭敬花等[15]對(duì)改性硅膠和分子篩混合物的除濕性能做了相關(guān)研究。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外對(duì)固體吸附除濕技術(shù)的研究已經(jīng)比較深入，但對(duì)固體除濕器具體產(chǎn)品的研究卻仍然較少，該文針對(duì)微環(huán)境的除濕需求特點(diǎn)和缺乏適用除濕器的現(xiàn)狀提出了一種內(nèi)熱再生式除濕器，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)其除濕、再生性能進(jìn)行了研究。

1 內(nèi)熱再生式除濕器的物理模型

內(nèi)熱再生式除濕器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用細(xì)孔硅膠作吸附劑，除濕器出入口均設(shè)有均流板保證氣流均勻，PTC加熱器在除濕過(guò)程中關(guān)閉，進(jìn)入再生過(guò)程后開(kāi)啟，再生氣體使用室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)下的空氣。

圖1 內(nèi)熱再生式除濕器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig·1 Structure diagramof iternally-heating regenerated dehumidifier

2 除濕器內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

2·1 控制方程組

本文對(duì)除濕器工作時(shí)內(nèi)部區(qū)域的氣固兩相微控制體做了能量守恒和質(zhì)量守恒分析，對(duì)氣流在吸附劑中的流動(dòng)過(guò)程、氣固兩相之間的熱質(zhì)交換過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型，其控制方程組如式(1)～式(7)所示。模型中忽略了接觸熱阻以及物性參數(shù)隨溫度的變化，并做了二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)化，進(jìn)行與水蒸氣有關(guān)的計(jì)算時(shí)使用理想氣體模型。

連續(xù)性方程:

Brinkman-Forcheheimer方程:

氣體能量守恒方程:

吸附劑能量守恒方程:

水蒸氣質(zhì)量守恒方程:

線性驅(qū)動(dòng)力模型:

平衡吸附量計(jì)算公式:

2·2 初始條件和邊界條件

初始條件:

其中:u為氣體徑向速度，m/s；w為氣體軸向速度，m/s；tg為氣體溫度，℃；ts為吸附劑溫度，℃；c為水蒸氣質(zhì)量濃度，kg/m3；q?為吸附質(zhì)量百分比；r1為加熱器半徑，m；r2為除濕器內(nèi)徑，m。

使用SIMPLE算法求解流場(chǎng)，各方程之間彼此耦合，通過(guò)不斷迭代進(jìn)行求解。數(shù)學(xué)模型的求解結(jié)果需做網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，進(jìn)行除濕計(jì)算時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)取1 s，再生計(jì)算時(shí)取1 min；幾何坐標(biāo)步長(zhǎng)5 mm。經(jīng)計(jì)算，此計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量加密一倍時(shí)的計(jì)算結(jié)果相差小于1%，因此可基本排除數(shù)值解的網(wǎng)格依賴性。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3·1 實(shí)驗(yàn)裝置

論文搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)除濕器除濕再生過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。使用由Sensirion公司生產(chǎn)的SHT75系列的溫濕度傳感器對(duì)除濕器出口氣流溫濕度進(jìn)行測(cè)量，濕度測(cè)量范圍0%～100%RH，溫度測(cè)量范圍－40～123.8℃。使用上海菱生CYR-2D型差壓變送器測(cè)量除濕器進(jìn)出口壓差，美國(guó)雙杰JJ-Y系列電子天平測(cè)量除濕器質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由CCTRTD104模塊采集，并與上位機(jī)通訊，最后由編寫(xiě)的Delphi程序記錄。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖Fig·2 SchematiCdiagramof experimental data acquisition system

由泓格公司生產(chǎn)的7066模塊和繼電器對(duì)PTC加熱器、氣泵的起停動(dòng)作進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)除濕器除濕、再生、冷卻過(guò)程之間的切換。為了保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，溫濕度采集空間、除濕器氣流出口側(cè)立面及橡膠軟管均做保溫處理。

除濕器通過(guò)內(nèi)置PTC材料制作的加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附床的再生，其特點(diǎn)是當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)電阻會(huì)趨于無(wú)窮大，因此可以實(shí)現(xiàn)溫度的自恒定。對(duì)于除濕器來(lái)說(shuō)，再生溫度越高，再生的速度就越快，再生效果也會(huì)越好，但受到細(xì)孔硅膠溫度承受能力的限制，實(shí)驗(yàn)中PTC加熱器設(shè)定溫度不能無(wú)限升高。結(jié)合所使用硅膠的實(shí)際情況，定做加熱器的設(shè)定溫度為150℃。由于加熱器自身具有一定熱容，通電后需一定時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定溫度，其溫度變化規(guī)律經(jīng)測(cè)量后使用公式進(jìn)行擬合。

除濕器結(jié)構(gòu)尺寸、各物性參數(shù)及加熱器溫度擬合公式如表1所示。

表1 除濕器尺寸及吸附劑物性參數(shù)Tab·1 Parameters of dehumidifier and adsorbent

3·2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)條件為南京夏季室內(nèi)工況，首先進(jìn)行再生實(shí)驗(yàn)，隨后將實(shí)驗(yàn)后的除濕器冷卻至室溫并進(jìn)行除濕實(shí)驗(yàn)。再生實(shí)驗(yàn)中，再生氣體直接取室內(nèi)空氣，不需要單獨(dú)制備，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菫榱丝疾斐凉衿髟诮o定工況下的再生速度與再生程度。除濕實(shí)驗(yàn)分兩組，實(shí)驗(yàn)1的入口氣體使用高含濕量的室內(nèi)空氣，以考察除濕器在最不利情況下的除濕性能，而事實(shí)上，除濕器在正常情況下的除濕對(duì)象往往是微環(huán)境內(nèi)的循環(huán)低濕氣體，根據(jù)國(guó)際文物保護(hù)機(jī)構(gòu)制定的博物館標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)的博物館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，書(shū)畫(huà)、織繡品類(lèi)文物保存較適宜的溫濕度環(huán)境為溫度(18±2)℃，相對(duì)濕度(55± 5)%。因此，實(shí)驗(yàn)2中入口氣體改為經(jīng)過(guò)預(yù)降溫除濕處理的低溫低濕空氣，對(duì)除濕器正常工作條件下的性能進(jìn)行檢測(cè)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

3·3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果的對(duì)比分析如圖3～圖8所示。為了便于分析，定義參數(shù)平均吸附質(zhì)量百分比θ＝×100%。

圖3為實(shí)驗(yàn)1條件下再生過(guò)程中除濕器出口空氣含濕量與溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。在圖中我們可以看到，進(jìn)入再生階段后除濕器出口空氣含濕量在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，峰值約為環(huán)境空氣含濕量的2倍，隨后較為快速的下降，在約200 min后逐漸趨于入口值。這是因?yàn)樵偕^(guò)程開(kāi)始后，PTC加熱器周?chē)絼囟鹊纳仙沟迷偕^(guò)程快速進(jìn)行，除濕器出口空氣含濕量也隨之顯著上升，但隨著該過(guò)程的持續(xù)，加熱器附近的吸附劑逐漸趨于再生完全，且吸附劑自身存在熱容熱阻，遠(yuǎn)離加熱器的吸附劑溫度低于靠近加熱器吸附劑的溫度，再生速度相對(duì)較慢，因此整個(gè)吸附床的平均再生速度也隨之減緩，出口空氣含濕量相應(yīng)下降。400 min后，其值幾乎不再發(fā)生變化。

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Tab·2 Parameters of experiment condition

圖3 再生時(shí)出口空氣的含濕量變化Fig·3 Variation ofmoisture content at outlet in regeneration process

圖4為再生過(guò)程中除濕器整個(gè)吸附床平均吸附質(zhì)量百分比隨時(shí)間的變化。該參數(shù)是評(píng)價(jià)再生過(guò)程進(jìn)行程度的重要指標(biāo)。相對(duì)應(yīng)于出口空氣含濕量的變化，進(jìn)入再生過(guò)程后吸附劑平均吸附質(zhì)量百分比的下降速率也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，200 min內(nèi)下降約12%。200 min以后，吸附百分比的下降趨勢(shì)有明顯的減緩，因此根據(jù)其再生特點(diǎn)，除濕器的再生時(shí)間可控制在200 min以內(nèi)，以在保證再生效果的前提下減小能耗，在隨后對(duì)除濕過(guò)程的分析中可以看到，此再生時(shí)間能夠確保除濕器具有良好的除濕效果。事實(shí)上，為了使除濕器的性能具有一定余量，再生實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有使用除濕過(guò)程結(jié)束時(shí)的吸附床，而是重新裝填了在周?chē)h(huán)境中吸附飽和了的吸附劑，此吸附劑的平均吸附質(zhì)量百分比要高于前者，因此實(shí)際情況下除濕器的再生速度要更快一些。

圖4 再生時(shí)吸附床平均吸附質(zhì)量百比的變化Fig·4 Variation of Qin regeneration process

圖5為再生時(shí)出口氣流溫度的變化趨勢(shì)，它可以很好地反映再生過(guò)程中整個(gè)吸附床的平均溫度變化。由圖5可知，出口氣流溫度開(kāi)始時(shí)上升很快，但很快趨于平緩上升。這是因?yàn)槲絼囟壬仙揭欢ǔ潭群箝_(kāi)始脫附，吸附劑從PTC加熱器處得到的熱量不再用于吸附劑本身溫度的上升，轉(zhuǎn)而提供脫附過(guò)程所需的熱量；隨著一些吸附劑完成再生，吸附床平均溫度也繼續(xù)上升，并逐漸與周?chē)h(huán)境之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于除濕器本身而言，整個(gè)再生過(guò)程中吸附床床體的平均溫度越高，除濕器的再生速度也就相對(duì)越快。因此，除濕器吸附床床體溫度進(jìn)入穩(wěn)定上升階段所需的時(shí)間在很大程度上反映了除濕器的再生性能。在實(shí)驗(yàn)條件下，除濕器出口氣流溫度進(jìn)入平緩上升階段所需時(shí)間較長(zhǎng)，約為20 min，這與加熱器本身具有一定熱容，且與硅膠顆粒之間存在較大的接觸熱阻有關(guān)。

圖5 再生時(shí)出口空氣的溫度變化Fig·5 Variation of temperature at outlet in regeneration process

圖6～圖7為進(jìn)入除濕過(guò)程后除濕器出口含濕量與溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖6可以看出:出口氣流含濕量在進(jìn)入除濕過(guò)程后迅速下降至最低值，隨后緩慢上升，新再生過(guò)的除濕器在30 min內(nèi)對(duì)周?chē)h(huán)境條件下的高濕氣體具有接近40%的平均除濕效率，而累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到4 h以后，除濕器的除濕效率仍然能維持在20%以上，吸附溫升引起的除濕效果下降現(xiàn)象并不明顯。這主要是由處理氣流流量較小導(dǎo)致，而較為和緩的除濕效果對(duì)于維持微環(huán)境內(nèi)濕度的相對(duì)穩(wěn)定是十分有利的。多孔介質(zhì)比表面積大，氣固兩相之間具有很好的換熱效果，吸附過(guò)程所放出的熱量大多由被處理氣流帶出，由圖7可以看出:連續(xù)工作時(shí)除濕器出口氣流溫度會(huì)有較大幅度升高，為了維持除濕空間內(nèi)溫度的相對(duì)穩(wěn)定，可使用高溫冷源對(duì)出口氣流進(jìn)行降溫處理。由于模型中沒(méi)有考慮除濕器金屬筒體熱容，以及保溫材料覆蓋不嚴(yán)等因素，出口溫度實(shí)驗(yàn)值略低于計(jì)算值。

圖6 除濕時(shí)出口空氣的含濕量變化Fig·6 Variation ofmoisture content at outlet in dehumidification process

圖7 除濕時(shí)出口空氣的溫度變化Fig·7 Variation of temperature at outlet in dehumidification process

該除濕器的除濕對(duì)象是小型密閉空間，因此其處理氣流往往是在小空間內(nèi)循環(huán)的低濕氣體，這就要求除濕器不僅能在高濕環(huán)境的極限條件下工作，對(duì)微環(huán)境內(nèi)的低濕氣體也同樣要有良好的除濕效果。為了檢測(cè)除濕器在低濕環(huán)境下的工作性能，實(shí)驗(yàn)2將入口空氣改為含濕量低于6.5 g/kg的低濕氣體。圖8為除濕器在實(shí)驗(yàn)2工況下累計(jì)除濕4 h后的出口含濕量變化，由圖可知，此時(shí)除濕器對(duì)于低含濕量氣體具有超過(guò)25%的除濕效率。這是因?yàn)槿肟诤瑵窳繙p小雖然降低了傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，但吸附量減小后吸附熱也相應(yīng)減少，吸附劑溫度的下降又促進(jìn)了吸附過(guò)程的進(jìn)行，兩者作用相互減弱，除濕器總體的吸附能力并沒(méi)有明顯下降。因此，除濕器能夠在周?chē)h(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定的除濕性能。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)2中所使用的入口空氣具有很低的露點(diǎn)溫度，若使用冷凝除濕法對(duì)其進(jìn)行除濕必然會(huì)造成較大的能源浪費(fèi)，而相比之下，使用該除濕器進(jìn)行除濕則能在不消耗過(guò)多能源的前提下獲得較好的除濕效果。

圖8 入口空氣為低含濕量空氣時(shí)出口含濕量的變化Fig·8 Variation ofmoisture content at outlet with low moisture content air income

吸附床工作壓降是固定床吸附除濕器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型等工作時(shí)所需的一個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)多次改變流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，測(cè)得了除濕器在處理不同氣流流量時(shí)的壓降，并由此計(jì)算出吸附床的壓降。小雷諾數(shù)下，壓差與流量之間的關(guān)系服從達(dá)西定律。從圖9中可以看出:流量增大時(shí)壓差呈近似線性升高地趨勢(shì)，床體在計(jì)算流量范圍內(nèi)的壓降約為100～400 Pa，較小的氣體阻力不僅減小了泵耗，也有效降低了除濕器工作時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。

4 結(jié)論

本文針對(duì)內(nèi)熱再生式除濕器工作中傳熱傳質(zhì)過(guò)程所建立的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)Τ凉衿鞯母黜?xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效計(jì)算，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果吻合良好。通過(guò)分析模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):除濕器對(duì)夏季室內(nèi)的高濕氣體或微環(huán)境內(nèi)的循環(huán)低濕氣體均具有較好的除濕效果，累計(jì)除濕時(shí)間達(dá)到4 h后，除濕效率仍能保持在20%以上。內(nèi)置加熱器的再生方式使除濕器具有較快的再生速度，兩臺(tái)除濕器交替工作可對(duì)微環(huán)境進(jìn)行連續(xù)除濕。此外，在設(shè)計(jì)尺寸與填充方式下，吸附床的壓降很小，有效降低了泵耗及除濕器的工作噪聲，除濕器能夠很好地滿足室內(nèi)小空間微環(huán)境小負(fù)荷、高濕度控制標(biāo)準(zhǔn)的除濕需求。

圖9 吸附床壓降與流量的關(guān)系Fig·9 RelationshiPbetween pressure difference on adsorbent bed and flux

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About the author

LüNing，male，master candidate，Southeast University，＋86 18795856832，E-mail:864703585＠qq.com.Research fields: solid adsorption dehumidification.

Study of Dehumidification-regeneration Performance of an Internally-heating Regenerated Dehumidifier

An internally-heating regenerated dehumidifier is proposed，its physical model and mathematical model for heat and mass transfer process are described，andAnumerical procedure based on finite differencemethod is developed to solve the governing equations. By conducting experiment researches，the dehumidifier’s dynamiCbehavior ismeasured，and then compared with simulation data.Result shows that the dehumidifier hasAhigh dehumidification efficiency for both indoor air with highmoisture content in summer and relatively dry air in microenvironmentwithout inner-cooling device，the time consumed in regeneration and cooling process ismuch less than that consumed in dehumidification process，and the pressure droPin fix bed is small，which indicates that the dehumidifier can bewidely used in dehumidification for small indoor space.

microenvironment；solid dehumidifier；silica gel；numerical simulation；performance experiments

TB61＋1；TU834.9

文A

0253－4339(2015)02－0083－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.083

呂寧，男，在讀碩士，東南大學(xué)，18795856832，E-mail: 864703585＠qq.com。研究方向:固體吸附除濕。

2014年8月23日