3種除濕方式的對比試驗研究

馬雪健，郭春梅，李勝英，孟丹東，董思航

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.天津住宅科學(xué)研究院有限公司，天津 300100；3.中國航天建筑設(shè)計研究院，北京 100032；4.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100080）

0 引言

溶液除濕系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能潛力，許多學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究［1-2］。與絕熱式除濕器相比，內(nèi)冷式除濕器由于除濕劑的溫升較低，能顯著提高除濕器的效率的優(yōu)點。因此，國內(nèi)外學(xué)者對內(nèi)冷式除濕器進(jìn)行了大量的研究。Deng等［3］通過降膜除濕器的試驗研究對溶液濃度努塞爾數(shù)進(jìn)行了修正。Chung等［4］的試驗結(jié)果表明，在低溫冷凍劑條件下，帶肋卷式噴霧器的傳質(zhì)效果比無肋卷式噴霧器更理想。Yin等［5］在板式換熱器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的內(nèi)冷/加熱式除濕器/再生器。通過試驗，研究了冷卻水溫度、空氣流量和除濕溫度對除濕過程的除濕性能和冷卻效率的影響，并對內(nèi)冷除濕與絕熱除濕進(jìn)行了比較。近年來，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)相對于單一的內(nèi)冷除濕器，組合式除濕器性能更加優(yōu)越，Jain等［6］研究并設(shè)計了一種混合除濕系統(tǒng)，其中顯熱和潛熱同時發(fā)生在空氣和溶液的界面上，溶液在蒸發(fā)器中冷卻。Abdel Salam 等［7］對一種新型的利用冷（熱）水冷卻（熱）干燥劑溶液的3種流體氣液膜能量交換器進(jìn)行了試驗研究。孫方田等［8］結(jié)合吸收式熱泵和溶液除濕技術(shù)特征，提出了基于吸收式制冷和除濕溶液再生的復(fù)合冷源系統(tǒng)。與常規(guī)冷源系統(tǒng)相比，新型復(fù)合冷源系統(tǒng)年供冷性能系數(shù)提高了175%，供冷成本降低了33%，年電耗量降低了77%，可實現(xiàn)深度利用工業(yè)廢熱，大幅降低電網(wǎng)夏季負(fù)荷壓力。黃志甲等［9］以提高除濕新風(fēng)系統(tǒng)除濕能力和性能系數(shù)為目的，設(shè)計了高溫水預(yù)冷型溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)輪全熱回收型溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)果表明組合式除濕新風(fēng)系統(tǒng)的除濕能力是常規(guī)溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)的1.2～1.3倍，具備推廣的可行性。李鵬魁等［10］介紹了輻射空調(diào)專用的兩級新風(fēng)除濕機的工作原理，并對設(shè)計開發(fā)的該兩級新風(fēng)除濕機進(jìn)行了性能測試。測試結(jié)果表明，該除濕機除濕效果顯著。

以上分析表明，在除濕過程中，液體干燥劑的溫度升高導(dǎo)致除濕效率下降，為了更好地抑制溶液溫度的升高，將溶液除濕與其它制冷方式結(jié)合效果顯著。因此，本試驗設(shè)計基于間接蒸發(fā)冷卻的內(nèi)冷式溶液除濕系統(tǒng)，將溶液除濕與蒸發(fā)冷卻結(jié)合。

近年來，為了提高除濕器的除濕效率，許多學(xué)者對除濕器表面的潤濕性進(jìn)行了研究。在靜態(tài)條件下，接觸角表示液體在固體表面的擴(kuò)散能力。Young［11］在1805年提出了均勻各向同性表面上凝聚蒸汽滴接觸角的方程。Wenzel［12］考慮了表面粗糙度對接觸角的影響，并對Young提出的關(guān)系式進(jìn)行了修改。在動態(tài)條件下，液體與固體表面的接觸面積是液體沿固體表面流動時熱質(zhì)交換的重要影響因素之一。Kang等［13］發(fā)現(xiàn)當(dāng)水膜沿板表面自上而下流動時，其水流截面近似為梯形，活性劑增加了板表面的潤濕率。活性劑不僅可以改善水膜在板上的潤濕效果，而且隨著活性劑濃度的增加，液滴的厚度也隨之減小。正如Yin等［5］所指出的，溶液的除濕面積對除濕系統(tǒng)的性能和節(jié)能起著至關(guān)重要的作用。為了加強溶液除濕空調(diào)中空氣與溶液之間的熱質(zhì)交換過程，Qi等［14］建議在除濕器表面添加二氧化鈦超親水自潔涂層，并用紫外線激活，同時測試3種SUS304、SUS316和SUS410樣品對30%溴化鋰溶液和DEI的影響。結(jié)果表明，與無涂層二氧化鈦超親水自潔涂層相比，溴化鋰溶液的接觸角減小了1/6，水的接觸角減小了1/7。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，添加一種超親水的二氧化鈦自潔涂層，使?jié)駞^(qū)面積增加了5～7倍，空氣與溶液的熱交換量和質(zhì)量交換量分別增加了1.2倍和2倍。

以上分析表明，提高濕化率對提高除濕性能是有效的。因此，本試驗采用納米二氧化鈦來提高潤濕率。在干燥劑溶液除濕過程中，濕空氣中的水汽分壓高于溶液表面的水汽分壓，因此水蒸氣從濕空氣轉(zhuǎn)移到除濕溶液中。在這一過程中，水蒸氣從氣態(tài)釋放出大量的汽化潛熱，導(dǎo)致溶液和空氣溫度的升高。因此，分別進(jìn)行2組試驗，旨在比較改變潤濕性后的內(nèi)冷式除濕器（WPHE）和未改變潤濕性的內(nèi)冷式除濕器（IPHE）之間的差異，研究入口參數(shù)對除濕過程的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗儀器

本試驗提出了一種基于蒸發(fā)冷卻的內(nèi)冷型溶液除濕器，除濕芯體中任何2個連續(xù)流動通道表示一次空氣發(fā)生冷卻和除濕，在每個通道中，一次空氣與板的一側(cè)的干燥劑溶液直接接觸，同時，二次空氣（來自空調(diào)空間的回風(fēng)）與板另一側(cè)的水接觸。在這種情況下，冷卻二次空氣從板另一側(cè)的一次空氣中排出熱量，從而利用間接蒸發(fā)冷卻。根據(jù)文獻(xiàn)［15］，除濕芯體設(shè)計為45°角，以達(dá)到更好的試驗效果，除濕芯體模型及尺寸如圖1和表1所示，芯體材質(zhì)為防腐蝕的環(huán)氧鋁箔，板厚0.2 mm。

圖1 除濕器除濕芯體模型

表1 除濕芯片的尺寸

該系統(tǒng)包括3個泵、3個水箱、1個溫度可調(diào)的冰箱、流量計、閥門、1個內(nèi)冷式除濕器、1個加熱器、1個冷卻器、PPR管和一些控制設(shè)備等，如圖2所示。2個儲液桶和水箱均為相同尺寸的立方體，尺寸為457 mm×403 mm×130 mm。采用HF12N立式恒溫恒濕機調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣干濕球溫度，達(dá)到穩(wěn)定的試驗件，該機制冷量為12.6 kW，風(fēng)量3 000 m3/h，溫度調(diào)節(jié)范圍為0～150 ℃，濕度調(diào)節(jié)范圍為30%～98%相對濕度，符合試驗要求。如圖2，試驗進(jìn)行時，LiCl濃溶液經(jīng)溶液泵泵入除濕芯體一次通道中與一次空氣充分接觸，進(jìn)行除濕過程，除濕后的稀溶液收集在稀溶液桶中。同時冷卻水經(jīng)水泵泵入除濕芯體的二次通道中與二次空氣充分接觸，進(jìn)行蒸發(fā)過程，之后水被回收到循環(huán)水箱中。二次通道中的水蒸發(fā)過程中吸熱，一次通道中的流體被冷卻，抑制了除濕溶液的溫升。當(dāng)二次通道中無流體通過時可視為絕熱過程。整個試驗裝置的一次空氣通道、二次空氣通道、溶液進(jìn)出口、冷卻水進(jìn)出口位置如圖2所示，測量儀器參數(shù)見表2。

圖2 系統(tǒng)

表2 測量裝置及精度

1.2 試驗流程

利用數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測并采集一、二次空氣側(cè)進(jìn)出口溫濕度，數(shù)據(jù)采集儀掃描時間間隔為10 s，當(dāng)各測點溫度變化幅度在±0.5℃，相對濕度變化在±5%，維持時間5 min以上，則表示除濕達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗測試流程如下：

（1）調(diào)節(jié)室內(nèi)恒溫恒濕空調(diào)處理機將試驗房間的溫濕度穩(wěn)定在試驗環(huán)境；

（2）啟動一、二次空氣側(cè)風(fēng)機（當(dāng)進(jìn)行絕熱試驗時只開啟一次空氣側(cè)風(fēng)機），并將其調(diào)至試驗設(shè)定風(fēng)量；

（3）待風(fēng)量穩(wěn)定后打開風(fēng)道內(nèi)的加熱器、加濕器將一、二次側(cè)空氣溫濕度調(diào)節(jié)至研究設(shè)置的工況點；

（4）在一、二次側(cè)空氣溫濕度穩(wěn)定在設(shè)置工況點下啟動噴淋水泵與溶液泵（當(dāng)進(jìn)行絕熱實驗時不啟動噴淋水泵），待水泵與溶液泵流量穩(wěn)定后，記錄流量并監(jiān)測溶液與水各測點溫度的變化情況；

（5）當(dāng)各測點溫濕度達(dá)到新的穩(wěn)定后，記錄一、二次側(cè)空氣溫度及相對濕度值。

（6）待試驗進(jìn)行1.5～2 h后，關(guān)閉風(fēng)機、溶液泵和水泵，準(zhǔn)備下一組試驗。

1.3 納米二氧化鈦

納米二氧化鈦是一種性能優(yōu)良的新型無機材料。它具有附加值高、粒徑小、比表面積大、光催化活性、紫外線吸收能力強、表面活性高、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性好等特點。而且，由于其成本低、無毒、無二次污染等特點，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，引起了人們的廣泛關(guān)注。本試驗采用納米二氧化鈦改善除濕器的潤濕率［16］，主要成分為二氧化鈦（TiO2）和3-乙氧基硅丙基胺（KH550），其中KH550為表面改性劑。首先，用100 ml乙醇稀釋30 ml二氧化鈦，通過劇烈攪拌和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到淡棕色膠體。然后加入鹽酸（36%）和硝酸（60%）作為協(xié)同酸催化劑。最后，將混合物在70 ℃下加熱 3 h，在 160 ℃下滅菌 8 h，在 80 ℃烘箱中染色得到納米級。

1.4 涂層程序

Zhong等［16］指出為了提高板表面的潤濕性，需要配置質(zhì)量濃度為1%的納米二氧化鈦溶液，其中質(zhì)量濃度計算公式如下：

式中 mTiO2——Nano-sized TiO2的質(zhì)量，g；

mw——水的質(zhì)量，g。

首先，根據(jù)公式配出1%濃度的納米二氧化鈦溶液，然后用噴槍均勻噴灑PHE。由于納米二氧化鈦顆粒需要特殊的光照條件，表面結(jié)構(gòu)才會發(fā)生變化，導(dǎo)致其親水性。因此，最終的試驗裝置為二氧化鈦噴涂和添加紫外線燈設(shè)備。

2 性能評價

2.1 性能評價指標(biāo)

本文主要分析了一次空氣入口溫度、含濕量和質(zhì)量流量對裝置除濕性能的影響。分析了系統(tǒng)的除濕量、傳質(zhì)系數(shù)和換熱效率。

除濕量M通過以下計算確定：

式中 mp——一次空氣質(zhì)量流量；

wp——一次空氣含濕量；

in，out——下標(biāo)，進(jìn)口、出口。

除濕器的傳質(zhì)系數(shù)hD可定義為：

式中 A——傳質(zhì)區(qū)域面積；

wes——LiCl溶液等效含濕量。

除濕器的板交換效率e可以確定如下：

式中 hp——一次空氣焓值；

hes——LiCl溶液等效焓值。

2.2 一次空氣含濕量的影響

除濕工藝的目的是用濃溶液除去空氣中的水蒸氣。因此，在試驗條件下mp為常數(shù)，除濕量完全取決于一次空氣的含濕量差Δw。即在其他參數(shù)保持不變的情況下，僅改變wp,in（19～30 g/kg）。

在IPHE和絕熱除濕器（APHE）除濕過程中，進(jìn)出口空氣的含濕量差Δw隨著一次空氣入口含濕量的增加而增加且呈上升趨勢如圖3所示。這是由于一次風(fēng)入口含濕量的增加使溶液表面的分壓力與空氣中水蒸汽的分壓差顯著增大所致。當(dāng)wp,in為24 g/kg時，APHE的Δw增長趨勢減緩，但I(xiàn)PHE的Δw增長趨勢仍在繼續(xù)，這是由于APHE中溶液的溫度上升速度快于IPHE中溶液的溫度。因此，與APHE相比，IPHE可將Δw提高約20%到80%。

圖3 一次空氣含濕量對含濕量差的影響

圖3示出了IPHE和WPHE裝置除濕性能的比較。從圖中可以看出，隨著一次空氣入口的含濕量在IPHE和WPHE除濕過程中都增加，進(jìn)出口空氣的含濕量差Δw也在增加，當(dāng)含濕量相同時，IPHE和WPHE的趨勢大致相同。一次空氣入口的濃度范圍為19～30 g/kg。然而，觀察到WPHE的除濕性能總是優(yōu)于IPHE，這可以通過擴(kuò)大WPHE裝置的PHE板的濕潤面積來解釋，從而改善了除濕器的性能，提高了10%。

2.3 一次空氣質(zhì)量流量的影響

在這組試驗中，一次流的流速為0.03 kg/s的最低流速，上限為0.05 kg/s，試驗參數(shù)見表3。

表3 試驗參數(shù)

APHE和IPHE除濕過程中，一次空氣流速對除濕量（ΔM）變化的影響，如圖4所示。

圖4 一次空氣流量對除濕量和傳質(zhì)系數(shù)的影響

入口和出口空氣之間的除濕量差ΔM隨著2個除濕過程中一次空氣流量的上升而增加，這是由于一次空氣流量上升導(dǎo)致的傳質(zhì)系數(shù)顯著增加所致。此外，與APHE相比，IPHE的傳質(zhì)系數(shù)的增長趨勢更快。當(dāng)一次空氣進(jìn)口流量在0.03～0.05 kg/s范圍內(nèi)時，急劇上升，這可以用試驗氣流速度下的ΔM來解釋，傳質(zhì)系數(shù)hp的上升速度快于氣流速度。這種行為是由于空氣體積的增加有助于將溶液表面的蒸汽壓保持在較低的水平，這在增強溶液與一次空氣之間的熱量和質(zhì)量交換方面是有效的。隨著一次空氣流量的增加，IPHE的除濕性能優(yōu)于APHE。ΔM提高了10%～20%。增加8%～16%。

如圖4所示，對IPHE和WPHE裝置的除濕性能進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，無論除濕量ΔM變化或傳質(zhì)系數(shù)hD，2種除濕方法在IPHE和WPHE除濕中的趨勢大體相同。但是，WPHE的增長趨勢高于IPHE，且WPHE的除濕性能始終優(yōu)于IPHE。這是由于WPHE裝置的PHE板的潤濕面積擴(kuò)大，從而提高了除濕器的性能。WPHE除濕能力明顯提高了7%～20%。增長了25%～52%。

2.4 一次空氣溫度的影響

在這組試驗中，一次空氣的最低溫度為26 ℃，最高溫度為36 ℃，試驗參數(shù)見表3。

圖5示出了對IPHE和WPHE裝置的除濕性能進(jìn)行的比較。從圖5中可以看出，在APHE和IPHE除濕過程中，隨著一次空氣入口溫度的升高，進(jìn)出口空氣之間的含濕量差Δw呈下降趨勢。這是由于溶液表面與空氣中水蒸汽的分壓差隨著一次風(fēng)入口溫度的升高而顯著減小。圖中清楚地表明，在相同的體積和入口條件下，隨著一次入口溫度的升高，APHE的Δw迅速下降，下降速率高于IPHE。反之，一次風(fēng)入口溫度的升高導(dǎo)致傳熱溫差增大，從而提高傳熱效果。由圖可知，與APHE相比，IPHE的板交換效率e的變化趨勢平穩(wěn)。此外，IPHE的板交換效率e高于APHE，差異在10%～20%之間。

圖5 一次空氣溫度對含濕量差和換板效率的影響

從圖還可看出，隨著一次空氣入口溫度的升高，2個除濕位置的含濕量差Δw減小。然而，相對于WPHE，IPHE的Δw急劇下降，并且下降的速度比WPHE的下降速度快。此外，在34℃時，WPHE的Δw的下降趨勢逐漸趨于平坦。相比之下，IPHE的Δw仍然緩慢下降。試驗結(jié)果表明，WPHE的換熱效率e始終優(yōu)于IPHE，這可以通過擴(kuò)大WPHE裝置中PHE板的潤濕面積來解釋，從而提高了換熱效果e。因此，板換效率提高，WPHE高于IPHE，提高約80%～120%。

3 結(jié)論

（1）與絕熱除濕器（APHE）相比，本文提出的基于間接蒸發(fā)冷卻的內(nèi)冷式液體除濕器（IPHE）具有更好的性能。其中除濕量ΔM、板換效率e和傳質(zhì)系數(shù)hD分別提高10%～20%，10%～20%，8%～16%。

（2）通過試驗對比研究發(fā)現(xiàn)通過噴涂納米二氧化鈦改變除濕器的潤濕率（WPHE）有利于除濕性能的提高，改變潤濕率后ΔM板換效率e和傳質(zhì)系數(shù)hD分別提高了7%～20%，80%～120%，25%～52%。