新型液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的研制及性能研究

張麗娜,武校剛,魏莉莉,郭秀娟,汪新民

（1.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211；2.浙江凱迪制冷設(shè)備有限公司,浙江 嵊州 312462）

0 引言

我國(guó)江南地區(qū)夏季氣候具有 “炎熱濕潤(rùn),雨熱同期” 的特點(diǎn)?？照{(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著降溫、除濕的雙重重任，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)通常采用7℃的低溫冷源對(duì)空氣進(jìn)行冷凝除濕，結(jié)合再熱，以達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的，但再熱過(guò)程造成了能源浪費(fèi)[1，2]。溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)為降低空調(diào)運(yùn)行能耗提供了解決思路[3]，它對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行獨(dú)立的控制和調(diào)節(jié)，避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)熱濕聯(lián)合處理帶來(lái)的能量損失，液體除濕劑由于具有較好的熱質(zhì)傳遞效果用于溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，吸附空氣中的水分以達(dá)到除濕的目的[4-6]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)液體除濕空調(diào)系統(tǒng)做了大量研究工作，早在1955年，Lof[7]首次提出了利用三甘醇的開式循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)的概念。近代，許多研究者從節(jié)能的角度，進(jìn)一步研究和發(fā)展了這項(xiàng)技術(shù)，如劉道平[8]、Mork[9]對(duì)液體除濕的傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，Takaoki[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析了影響除濕塔、再生塔設(shè)備性能的因素。梁亞英[11]提出了一種LiCI-H2O溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，可以將30℃左右的環(huán)境溫度降低到21.3℃。以上研究局限于理論模型分析、數(shù)值模擬和單體除濕器、再生器的性能分析，內(nèi)容多為：液體除濕空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，仍需與傳統(tǒng)空調(diào)結(jié)合實(shí)現(xiàn)降溫除濕；對(duì)空氣濕度變化及系統(tǒng)的制冷除濕效果評(píng)價(jià)未見報(bào)道。

本文基于液體除濕和蒸發(fā)冷卻技術(shù)，自行研制了一種新型液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行制冷、除濕性能的實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)充分利用天然冷源蒸發(fā)冷卻技術(shù)降低空氣溫度，并回收天然冷源的冷量對(duì)除濕過(guò)程降溫，以提高除濕效率。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

新型液體除濕空調(diào)系統(tǒng)放置于面積為60 m2的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)值是：空氣入口溫度為28℃，相對(duì)濕度為74%，該系統(tǒng)選用CaCl2溶液作為除濕劑，CaCl2溶液入口濃度為40%～53%。以整個(gè)液體除濕空調(diào)系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，研究系統(tǒng)的降溫除濕性能。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要測(cè)量如下參數(shù)：空氣環(huán)境溫度、濕度；冷卻水進(jìn)、出水溫度；發(fā)生器進(jìn)口和蒸發(fā)冷卻器出口的空氣溫度、濕度和流量；進(jìn)、出吸收器和發(fā)生器溶液的溫度、流量和濃度；溶液加熱量、風(fēng)機(jī)和蠕動(dòng)泵功率。

空氣溫度測(cè)量采用T型熱電偶做測(cè)溫元件，溶液溫度采用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量，以上溫度均經(jīng)安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集器采集記錄，溫度精度為±0.1℃。濕度采用測(cè)量各點(diǎn)的濕球溫度，結(jié)合該點(diǎn)的干球溫度而得到。空氣流量采用畢托管和微壓差計(jì)測(cè)量，根據(jù)各點(diǎn)空氣氣流的動(dòng)壓，換算出空氣流速及管道內(nèi)空氣的流量。試驗(yàn)過(guò)程中用稱重法測(cè)量CaCl2溶液濃度，電子稱測(cè)量精度為0.1 g。測(cè)量溶液的流量用紐凱BR4000Z35高精度蠕動(dòng)泵，分辨率為0.1 rpm。溶液加熱通過(guò)電加熱棒實(shí)現(xiàn)，電加熱棒最大功率為1000 W，采用國(guó)產(chǎn)青智三相電測(cè)量表測(cè)量。試驗(yàn)研究了冷源溫度為19.4℃、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為3000～3600 r/min時(shí)，CaCl2溶液濃度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)制冷除濕性能的影響。

2 空調(diào)系統(tǒng)研制

2.1 工作原理

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)進(jìn)口空氣的溶液除濕及蒸發(fā)冷卻處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的冷卻、除濕雙重作用。液體除濕的原理為利用CaCl2溶液吸收空氣中的水分，因除濕過(guò)程會(huì)釋放熱量而影響除濕效果，故采用回收天然冷源的冷量對(duì)此過(guò)程降溫。而后，通過(guò)加熱再生溶液，完成除濕和再生的循環(huán)?？諝庵评湓硎抢锰烊焕湓吹恼舭l(fā)冷卻對(duì)高溫空氣進(jìn)行降溫，再輸送到室內(nèi)，達(dá)到調(diào)整室內(nèi)空氣溫度的要求。以上兩個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)空氣溫、濕度的耦合調(diào)節(jié)，大大提高能源利用率和對(duì)于空氣的調(diào)控程度。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

液體除濕空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，主要由蒸發(fā)冷卻器、吸收器，發(fā)生器、蠕動(dòng)泵等構(gòu)成。室外濕熱空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)入吸收器，與氯化鈣濃溶液在填料層進(jìn)行熱質(zhì)交換作用，濃溶液吸收空氣中的水分變成稀溶液，空氣被除濕后經(jīng)吸收器上部進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器；低溫水在蒸發(fā)冷卻器中從上至下噴淋至空氣管道上，使空氣降溫后流出，向房間送風(fēng)。稀溶液從吸收器底部流出而進(jìn)入發(fā)生器，被加熱器加熱變成濃溶液，經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入吸收器開始新的除濕過(guò)程。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖

2.2.1 蒸發(fā)冷卻器

蒸發(fā)冷卻器的作用是將來(lái)自吸收器的空氣冷卻降溫。吸收器中的除濕過(guò)程釋放潛熱使空氣溫度有所上升，將其通入蒸發(fā)冷卻器中，從外部引入的低溫水在裝置上部進(jìn)行噴淋，水在銅管表面形成一層液膜，強(qiáng)化了與銅管中空氣的換熱，實(shí)現(xiàn)降低空氣溫度的目的。

蒸發(fā)冷卻器箱體用PP材料制成，換熱管采用導(dǎo)熱性好的銅管，考慮到銅管與PP管焊接不嚴(yán)，故將銅管端口做成喇叭口，與卡套接口連接，中間再加以墊片密封，解決了蒸發(fā)冷卻器氣密性差的問(wèn)題。

2.2.2 吸收器

吸收器實(shí)物圖及設(shè)計(jì)圖如圖2、3所示。吸收器設(shè)計(jì)為內(nèi)冷型除濕器，空氣自其下側(cè)進(jìn)入、與除濕溶液直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換作用，空氣中的水蒸氣進(jìn)入溶液而被除濕，除濕過(guò)程釋放大量的汽化潛熱。從蒸發(fā)冷卻器流出的冷卻水，自吸收器的下部引入，在吸收器中吸收溶液除濕釋放的熱量而強(qiáng)化除濕效果。

吸收器采用管式填料噴淋塔結(jié)構(gòu)，填料為聚丙烯塑料球，它帶有薄肋片，增大氣液接觸面積，可增進(jìn)除濕效果。濃溶液經(jīng)吸收器頂端噴嘴霧化噴淋而下，形成細(xì)小的液滴，濕熱空氣由吸收器底部與濃溶液逆流接觸，進(jìn)一步撞擊分散液滴，液滴破碎變小，依靠溶液表面水蒸氣和濕熱空氣水蒸氣分壓力差實(shí)現(xiàn)除濕過(guò)程。

圖2 吸收器實(shí)物圖

圖3 吸收器設(shè)計(jì)圖

2.2.3 發(fā)生器

發(fā)生器的作用是將吸收器中流出的稀溶液加熱成濃溶液，恢復(fù)除濕功能，進(jìn)而與吸收過(guò)程構(gòu)成一個(gè)完整的溶液除濕再生循環(huán)。為防止氯化鈣溶液結(jié)晶影響除濕效果，在發(fā)生器底部安裝穩(wěn)控型加熱棒，實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制，確保氯化鈣溶液溫度在掌控范圍內(nèi)。

3 除濕制冷性能及分析

3.1 CaCl2溶液濃度對(duì)除濕制冷效果的影響

圖4為CaCl2溶液濃度對(duì)空氣出口相對(duì)濕度的影響。由圖可見，隨著CaCl2溶液濃度的升高，空氣出口相對(duì)濕度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。在濃度為47%時(shí)，空氣進(jìn)出口相對(duì)濕度變化最大，即除濕效果最好。

以CaCl2溶液濃度47%的情況下為例，空氣入口相對(duì)濕度為74%，而空氣出口下降到了60%，空氣的相對(duì)濕度參數(shù)符合《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]要求，證明該系統(tǒng)具有良好的除濕性能。CaCl2溶液濃度在一定的范圍內(nèi)才能發(fā)揮較好的除濕效果，溶液濃度過(guò)低，吸收效果減弱；而溶液濃度過(guò)高，溶液易發(fā)生結(jié)晶，又會(huì)導(dǎo)致除濕性能下降，無(wú)法保證系統(tǒng)穩(wěn)定使用。

圖5為CaCl2溶液濃度對(duì)空氣出口溫度的影響。由圖5可見，在濃度為47%時(shí)，空氣出口溫度由28℃降到最低值23℃。隨著濃度上升，溶液結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致除濕減弱，進(jìn)而影響制冷過(guò)程。說(shuō)明溶液濃度在47%時(shí)系統(tǒng)會(huì)獲得良好的使用效果。

圖4 CaCl2溶液濃度對(duì)空氣出口相對(duì)濕度的影響

圖5 CaCl2溶液濃度對(duì)空氣出口溫度的影響

3.2 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)除濕制冷效果的影響

圖6 與圖7為蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)空氣出口相對(duì)濕度和溫度的影響。由圖6、7可見，隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的提升，溶液和空氣在吸收器內(nèi)得以充分接觸，從而加強(qiáng)了空氣與溶液之間的熱質(zhì)交換，提高了除濕性能。蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速在3 300 r/min時(shí)，系統(tǒng)具有良好的降溫除濕性能。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，溶液吸收空氣中水分的速率增加，此過(guò)程所釋放熱量的速率隨之上升，由于吸收器中的冷卻水與溶液的換熱量一定，空氣吸收了除濕過(guò)程所釋放的余熱，導(dǎo)致出風(fēng)口溫度上升；蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速增加，使溶液流動(dòng)速度增大，在吸收器內(nèi)形成湍流流動(dòng)，不可避免地將液態(tài)水帶入空氣中，使出風(fēng)口相對(duì)濕度會(huì)呈上升趨勢(shì)，最終使得系統(tǒng)除濕和制冷性能均減弱，說(shuō)明保持蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的除濕有著重要意義。

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)空氣出口相對(duì)濕度的影響

圖7轉(zhuǎn)速對(duì)空氣出口溫度的影響

3.3 運(yùn)行時(shí)間對(duì)除濕制冷效果的影響

圖8 和圖9為運(yùn)行時(shí)間對(duì)空氣出口相對(duì)濕度與溫度的影響。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，空氣出口相對(duì)濕度和溫度均呈下降趨勢(shì)。在系統(tǒng)運(yùn)行到25 s時(shí)，出口空氣參數(shù)已顯示出明顯的除濕和制冷效果：空氣的相對(duì)濕度由進(jìn)口的74%，下降到出口的60%，空氣溫度也由28℃下降到23℃，空氣的相關(guān)參數(shù)達(dá)到了夏季室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)指標(biāo)。而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，出口空氣相對(duì)濕度和溫度變化趨于一個(gè)穩(wěn)定范圍。證明本系統(tǒng)反應(yīng)速度快、可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到除濕制冷要求。

圖8 運(yùn)行時(shí)間對(duì)空氣出口相對(duì)濕度的影響

圖9 運(yùn)行時(shí)間對(duì)空氣出口溫度的影響

4 結(jié)論

本研究利用CaCl2液體除濕和天然冷源蒸發(fā)冷卻技術(shù)研制了新型液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，得出以下結(jié)論：

（1）隨著CaCl2溶液濃度和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的升高，空氣出口相對(duì)濕度和溫度均呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)。當(dāng)CaCl2溶液濃度為47%、蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速為3 300 r/min時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行25 s即可使進(jìn)口空氣相對(duì)濕度由74%降低至60%，溫度從28℃降低到23℃。

（2）該系統(tǒng)可回收天然冷源降溫后的冷卻水用于吸收除濕過(guò)程釋放的熱量，節(jié)能效果明顯。