熱虹吸管換熱器應(yīng)用于除濕系統(tǒng)的節(jié)能性分析

王佳敏,夏學(xué)鷹,李 棟,趙孝保,蘇曉翔

(1.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210023) (2.聯(lián)發(fā)智能科技股份有限公司,福建 廈門 361000)

空氣濕度是衡量人體熱舒適性的重要指標(biāo),針對濕負(fù)荷較大的場所,通常采用的除濕方式有冷卻除濕、溶液除濕等. 冷卻除濕是先進(jìn)行降溫除濕[1],然后進(jìn)行再熱處理,所使用的再熱設(shè)備大多為電加熱器[2]. 該除濕方式降溫、再熱過程均需消耗能量,且相互抵消,浪費(fèi)能量. 溶液除濕過程是基于除濕溶液與空氣中水蒸氣分壓力之差,推動水蒸氣在氣相與液相間的遷移,進(jìn)而達(dá)到除濕效果[3]. 但需要通過加熱再生才能實(shí)現(xiàn)溶液的循環(huán)利用,且其設(shè)備復(fù)雜,體積龐大,設(shè)備內(nèi)部溶液會腐蝕金屬[4]. 因此研究節(jié)能型的除濕技術(shù)具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

近年來,熱虹吸管以其良好的均溫性和高效的傳熱性能,已逐漸應(yīng)用于除濕領(lǐng)域. Hill等[5]研究了熱管熱交換器應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的除濕特性,指出熱管可使系統(tǒng)的除濕能力提高25%～55%. Yau等[6-8]對熱帶濕熱氣候地區(qū)熱管熱交換器應(yīng)用于除濕系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了研究. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加裝熱管換熱器后,空調(diào)能耗可顯著降低. Jouhara等[9]和朱培根等[10]研究了熱管換熱器在空氣處理機(jī)組上的應(yīng)用. 實(shí)驗(yàn)表明,熱管調(diào)溫除濕機(jī)單位電能除濕量比普通除濕機(jī)提高47%,能源消耗明顯下降.

本文設(shè)計(jì)制造了熱虹吸管換熱器,將其應(yīng)用于普通冷凍除濕機(jī)中,構(gòu)造了熱虹吸管除濕機(jī),并對熱虹吸管除濕機(jī)的除濕過程進(jìn)行了對比研究,分析了加裝熱虹吸管換熱器對其系統(tǒng)除濕量的影響,分別從除濕能耗比、析濕系數(shù)及能量利用率等方面對其節(jié)能性進(jìn)行了分析,為熱虹吸管除濕機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 熱虹吸管換熱器

為了構(gòu)建熱虹吸管除濕系統(tǒng),首先設(shè)計(jì)并制造了熱虹吸管換熱器,各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示. 其中熱虹吸管材質(zhì)采用紫銅管,工質(zhì)為水,充液率15%.

表1 熱虹吸管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The structure parameter of thermosiphon heat exchanger

1.過濾網(wǎng);2.熱虹吸管蒸發(fā)段;3.制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器;4.風(fēng)機(jī);5.隔板;6.熱虹吸管冷凝段;7.制冷系統(tǒng)冷凝器;8.風(fēng)機(jī).圖1 除濕機(jī)系統(tǒng)測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring point arrangement for dehumidifier system

1.2 熱虹吸管除濕機(jī)性能測試方案

為了分析熱虹吸管除濕機(jī)的除濕性能,構(gòu)建了熱虹吸管除濕機(jī)性能測試平臺. 整個(gè)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、熱虹吸管換熱器系統(tǒng)組成,熱虹吸管換熱器置于制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器與冷凝器之間,實(shí)現(xiàn)濕空氣的預(yù)冷與再熱.

如圖1(a)所示,經(jīng)焓差實(shí)驗(yàn)室處理的濕空氣首先經(jīng)熱虹吸管蒸發(fā)段預(yù)冷降溫,降溫后的濕空氣進(jìn)入制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器降溫除濕,除濕后的空氣再經(jīng)熱虹吸管冷凝段,實(shí)現(xiàn)空氣再熱,最終經(jīng)制冷系統(tǒng)冷凝器加熱成適宜溫度的低濕空氣,完成濕空氣的整個(gè)除濕升溫過程.

為了對加裝上述熱虹吸管換熱器的除濕機(jī)的除濕性能及其節(jié)能性進(jìn)行量化分析,系統(tǒng)共布置5個(gè)測點(diǎn)測量空氣參數(shù),測點(diǎn)位置如圖1(a)所示,對進(jìn)口空氣、熱虹吸管蒸發(fā)段出口空氣、制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器出口空氣、熱虹吸管冷凝段出口空氣及制冷系統(tǒng)冷凝器出口空氣進(jìn)行測量. 為了對比分析,在未裝熱虹吸管換熱器的普通除濕機(jī)系統(tǒng)上布置了3個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)位置如圖1(b)所示. 為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,兩組實(shí)驗(yàn)a、c、e測點(diǎn)位置一致. 熱虹吸管除濕機(jī)測試系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)物圖如圖2所示. 試驗(yàn)測試具體空氣參數(shù)如表2所示.

圖2 熱虹吸管除濕機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of thermosiphon dehumidifier test system

表2 熱虹吸管除濕性能試驗(yàn)測試參數(shù)Table 2 Test parameters for dehumidificatio performance of thermosiphon

圖3 熱虹吸管除濕過程焓濕圖Fig.3 Enthalpy-Humidity diagram of thermosyphon in dehumidification process

1.3 熱虹吸管應(yīng)用于除濕系統(tǒng)的節(jié)能潛力

為了分析熱虹吸管應(yīng)用于除濕系統(tǒng)的節(jié)能潛力,給出了熱虹吸管除濕機(jī)的除濕過程焓濕圖,如圖3所示. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器以后,利用熱虹吸管的蒸發(fā)段可首先對進(jìn)入制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的濕空氣進(jìn)行預(yù)冷,從而減少蒸發(fā)表冷器的冷負(fù)荷,增加單位功率除濕量,同時(shí)可利用熱虹吸管預(yù)冷吸收的熱量對進(jìn)入制冷系統(tǒng)冷凝器的空氣進(jìn)行再熱,提高空氣溫度,從而實(shí)現(xiàn)能量的有效利用.

圖4 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕過程對比Fig.4 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕過程比較

以環(huán)境溫度27 ℃,空氣相對濕度60%,雷諾數(shù)1 042.5(以測點(diǎn)a處空氣流速為基準(zhǔn),以熱虹吸管外徑為定型尺寸)的濕空氣測試工況為例,對普通除濕機(jī)與加裝上述熱虹吸管換熱器的除濕機(jī)就除濕過程進(jìn)行對比分析. 圖4(a)和圖4(b)分別給出了普通冷凍除濕過程及加裝熱虹吸管換熱器后除濕過程的空氣狀態(tài)焓濕圖.

如圖4(a)所示,普通冷凍除濕過程中濕空氣狀態(tài)變化過程為點(diǎn)1-3-5. 從圖中可以看出,濕空氣在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器點(diǎn)1處由27 ℃經(jīng)冷卻-冷凝除濕至點(diǎn)3處(17.1 ℃),此過程中蒸發(fā)器承擔(dān)全部顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷,隨后濕空氣由冷凝器再熱至點(diǎn)5處(40.95 ℃).

加裝熱虹吸管換熱器后,濕空氣狀態(tài)變化過程變?yōu)辄c(diǎn)1-2-3-4-5,如圖4(b)所示. 由圖可知,進(jìn)口濕空氣首先經(jīng)熱虹吸管蒸發(fā)段點(diǎn)1處由27 ℃冷卻降溫至點(diǎn)2處(20.95 ℃),此過程熱虹吸管承擔(dān)部分顯熱負(fù)荷,使得進(jìn)入制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的濕空氣溫度降低,蒸發(fā)器承擔(dān)的顯熱負(fù)荷減少,冷量主要用于冷凝除濕,除濕量增加,冷凝除濕后,空氣狀態(tài)到達(dá)點(diǎn)3處(15.1 ℃),隨后濕空氣再次流經(jīng)熱虹吸管冷凝段,利用吸收的蒸發(fā)器前濕空氣的熱量,使得濕空氣上升至21.6 ℃(點(diǎn)4處),最后由制冷系統(tǒng)冷凝器再熱至46.7 ℃(點(diǎn)5處).

對比分析可知,加裝熱虹吸管換熱器后,進(jìn)入蒸發(fā)器的濕空氣溫度由27 ℃降至20.95 ℃,同時(shí)由于熱虹吸管冷凝段對空氣進(jìn)行再熱,出冷凝器的空氣溫度由40.95 ℃提高到46.7 ℃. 整個(gè)過程,普通除濕機(jī)的除濕能耗比為0.91 kW·h/kg,而熱虹吸管除濕機(jī)除濕能耗比為0.67 kW·h/kg,能耗比降低了26.4%. 由此可見,加裝熱虹吸管換熱器可顯著降低系統(tǒng)除濕能耗比,相同功耗條件下,除濕效果顯著提升.

2.2 除濕量對比分析

為了進(jìn)一步量化分析加裝熱虹吸管換熱器后除濕機(jī)除濕性能,對普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)的除濕量進(jìn)行了對比分析.

圖5 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕量比較Fig.5 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

圖5給出了普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕量對比圖,從圖中可以看出,不同雷諾數(shù)條件下,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕系統(tǒng)的除濕量均高于普通除濕機(jī)的除濕量. 與普通除濕機(jī)相比,雷諾數(shù)分別為836.22、 1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64 時(shí),除濕量各增加了1.73 kg/h、1.3 kg/h、1.32 kg/h、1.31 kg/h、1.39 kg/h,除濕量增加的百分比分別為39.2%、28.1%、25.9%、24.1%、24.3%. 可見,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機(jī)的除濕能力顯著提高. 這是因?yàn)闈窨諝饬鹘?jīng)熱虹吸管換熱器后,其承擔(dān)了濕空氣的部分顯熱負(fù)荷,使得進(jìn)入蒸發(fā)表冷器的濕空氣溫度降低,蒸發(fā)器承擔(dān)的顯熱負(fù)荷量減少,冷量主要用于濕空氣的冷凝除濕,從而使得除濕量顯著增加. 由圖可知,加裝熱虹吸管換熱器后,不同工況下,其除濕量至少增加24%.

2.3 除濕能耗比對比分析

除了除濕量,除濕能耗比(specific power consumption,SPC)也是衡量除濕系統(tǒng)性能的重要指標(biāo). 以產(chǎn)生1 kg凝結(jié)水的壓縮機(jī)功率消耗表示[11].

(1)

式中,SPC為除濕能耗比,kW·h/kg;W為壓縮機(jī)功率,kW;M為除濕量,kg/h.

表3給出了進(jìn)口濕空氣參數(shù)為tg=27 ℃、φ=60%的條件下,不同雷諾數(shù)的普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)的除濕量、除濕功耗值,從而由公式(1)可求得SPC.

表3 除濕能耗比對比Table 3 Comparison of dehumidification energy consumption ratio

圖6給出了不同雷諾數(shù)時(shí),普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕能耗比對比. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機(jī)的除濕能耗比顯著降低. 這是因?yàn)榕c普通除濕系統(tǒng)相比,熱虹吸管除濕機(jī)除濕量增加,而功耗基本相同,除濕能耗比必然降低. 從圖中可以看出,隨著雷諾數(shù)的增加,除濕能耗比逐漸降低. 雷諾數(shù)分別為836.22、1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64時(shí),熱虹吸管除濕機(jī)的除濕能耗比分別降低37.1%、26.4%、22.8%、20.6%、24.7%,除濕能耗比的下降率均在20%以上. 由此可知,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機(jī)除去相同質(zhì)量的水分,耗功降低. 可見,熱虹吸管除濕機(jī)具有顯著的節(jié)能性.

圖6 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)除濕能耗比比較Fig.6 Comparison of dehumidification energy consumption ratio between ordinary dehumidifier and thermosyphon dehumidifier

2.4 析濕系數(shù)對比分析

熱濕交換中全熱量與顯熱量的比值稱為析濕系數(shù)(ξ)[12],析濕系數(shù)越大,意味著潛熱交換量越大,凝結(jié)水析出能力越強(qiáng). 為了從熱量交換的角度分析除濕系統(tǒng)的除濕能力,對普通除濕機(jī)以及熱虹吸管除濕機(jī)的析濕系數(shù)進(jìn)行了對比.

普通除濕機(jī)的析濕系數(shù)ξ1可用表冷器前后濕空氣參數(shù)表示:

(2)

加裝熱虹吸管換熱器后的系統(tǒng)析濕系數(shù)ξ2可表示為:

(3)

式中,h1為系統(tǒng)入口測點(diǎn)處的空氣焓值,kJ/kg;h2為熱虹吸管蒸發(fā)段之后蒸發(fā)器之前測點(diǎn)處的空氣焓值,kJ/kg;h3為蒸發(fā)器之后熱虹吸管冷凝段前測點(diǎn)處的空氣焓值,kJ/kg.

表4給出了進(jìn)口濕空氣參數(shù)為tg=27 ℃、φ=60%的條件下,不同雷諾數(shù)工況下的普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù),由此可得兩種除濕機(jī)的析濕系數(shù).

表4 析濕系數(shù)對比Table 4 Comparison of wet precipitation coefficient

圖7 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)析濕系數(shù)的比較Fig.7 Comparison of moisture removal coefficients between ordinary dehumidifiers and thermosyphon dehumidifiers

圖7給出了普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)析濕系數(shù)之間的對比. 從圖中可以看出,熱虹吸管除濕機(jī)的析濕系數(shù)ξ2明顯高于普通除濕機(jī)的析濕系數(shù)ξ1,說明加裝熱虹吸管換熱器后,蒸發(fā)器除濕過程中,顯熱量占比減少,蒸發(fā)器的冷量主要用于冷凝除濕,潛熱交換占比增加,除濕量增大. 由圖7 可知,不同雷諾數(shù)下,與普通除濕機(jī)相比,熱虹吸管除濕機(jī)的析濕系數(shù)各增加36.8%、37.4%、32.7%、31.8%、30.9%. 因此,從析濕系數(shù)分析可知,熱虹吸管除濕機(jī)除濕能力顯著提升.

2.5 能量利用率比較分析

為了比較加裝熱虹吸管換熱器前后,除濕系統(tǒng)的能量利用狀況,引入能量利用率ζ來分析比較兩者的能量利用能力.

能量利用率定義為冷凝器再熱量及熱虹吸管換熱器有效利用熱量之和與蒸發(fā)器除濕過程能量變化之比.

普通除濕機(jī)能量利用率ζ1可表示為:

(4)

熱虹吸管除濕機(jī)能量利用率ζ2表示為:

(5)

上述各式中,h1,h2,h3同上;h4為冷凝器之前熱管冷凝段之后測點(diǎn)處的空氣焓值,kJ/kg;h5為系統(tǒng)冷凝器之后測點(diǎn)處的空氣焓值,kJ/kg.

圖8 普通除濕機(jī)與熱虹吸管除濕機(jī)能量利用率對比Fig.8 Comparison of energy utilization ratio between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

圖8給出了加裝熱虹吸管換熱器前后除濕機(jī)能量利用率變化曲線. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器后,由于熱虹吸管換熱器的預(yù)冷和再熱效應(yīng),使得能量得到充分有效利用,能量利用率顯著提高,結(jié)果表明,較普通除濕機(jī)的能量利用率至少可提高4.3倍. 從能量有效利用的角度分析,進(jìn)一步體現(xiàn)了熱虹吸管除濕機(jī)的節(jié)能性.

2.6 除濕量與能量利用率試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

為了研究熱虹吸管除濕機(jī)的除濕量與雷諾數(shù)及空氣狀態(tài)間的關(guān)系,以無量綱參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,擬合得到了除濕量、流動雷諾數(shù)及能量利用率間的計(jì)算關(guān)聯(lián)式.

選取參數(shù)m(h2-h3)、Re、ζ2進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,得到擬合關(guān)聯(lián)式如下:

(6)

(7)

式中,m為單位功率除濕量,kg/(h·kW).

用MATLAB擬合得到:a=0.452,b=-0.443,c=1.047. 擬合關(guān)聯(lián)式為:

(8)

式中,雷諾數(shù)與能量利用率適用范圍分別為:600

2.7 誤差分析

本實(shí)驗(yàn)主要的測試參數(shù)包括除濕機(jī)內(nèi)各測點(diǎn)處的空氣溫度、相對濕度及空氣進(jìn)口處的空氣流速. 分析誤差存在的原因主要有兩點(diǎn),一是實(shí)驗(yàn)時(shí)工況環(huán)境的改變,由于實(shí)驗(yàn)是在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)室空間較大,無法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)至設(shè)定工況. 二是試驗(yàn)過程中測試儀器精度影響產(chǎn)生的誤差,包括測量溫度時(shí)使用的K型熱電偶的精度為±0.1 ℃;測量空氣流速使用的葉輪風(fēng)速儀精度為±0.2 m/s;且測量時(shí)由于測點(diǎn)位置受限,也會有誤差的產(chǎn)生.

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制造了熱虹吸管換熱器,以tg=27 ℃,φ=60%的工況為例,對不同雷諾數(shù)條件下,熱虹吸管除濕機(jī)和普通除濕機(jī)的除濕性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),并對除濕量、除濕能耗比、析濕系數(shù)以及能量利用率進(jìn)行了對比分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)與普通除濕機(jī)相比,加裝熱虹吸管換熱器后,不同雷諾數(shù)條件下,除濕機(jī)的除濕量增加24%以上,除濕量顯著提高.

(2)與普通除濕機(jī)相比,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕系統(tǒng)除濕能耗比降低至少20%,熱虹吸管除濕機(jī)的能耗比顯著降低.

(3)與普通除濕機(jī)相比,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機(jī)的析濕系數(shù)提高30%以上,熱虹吸管除濕機(jī)性能提高,除濕能力顯著提升.

(4)與普通除濕機(jī)相比,熱虹吸管除濕機(jī)能量利用率提高4.3倍以上,系統(tǒng)節(jié)能效果顯著.

(5)擬合得到了熱虹吸管除濕機(jī)除濕量、流動雷諾數(shù)以及能量利用率之間的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,為進(jìn)一步拓展試驗(yàn)結(jié)果提供了參考.

研究結(jié)果表明,除濕系統(tǒng)加裝熱虹吸管換熱器后,除濕量顯著提高且節(jié)能性顯著,結(jié)果為熱虹吸管應(yīng)用于除濕系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐.