关于影响转轮除湿机性能的因素分析

1   前言

随着世界能源和环境问题的进一步突出,除湿供冷技术的优越性开始被人们认识并且逐步得到发展,转轮除湿机是除湿供冷空调技术中的关键设备,全面了解其性能是正确选择和配置除湿供冷空调系统的基础。分析影响转轮除湿机性能的因素主要从转轮本体参数和空气参数两方面来考虑,转轮本体参数的优化工作可以由设备制造商来完成,提供相应的数据和图表来描述其产品全性能,便于使用者选择;空气方面的参数是由系统设计工程师来确定,具体应用于实际工程之中。

2   转轮本体参数的影响

转轮除湿机中的转轮本体参数是指吸湿剂质量分数、吸湿剂的厚度、吸湿剂的比表面积、吸湿剂颗粒大小、吸湿剂的温度、转轮的转速、再生区扇形角等。有的转轮本体参数是由吸湿剂性质决定的,如吸湿剂颗粒的直径越小,气固接触的面积越大,而且减少了吸湿剂内部扩散的距离,缩短了再生阶段的时间;但是颗粒越小,颗粒间的孔隙率也减小,使气流穿透阻力增加。有的转轮本体参数是由除湿转轮的形状确定的,如吸湿剂的放置方式会影响到接触面积。

有些转轮本体参数是由除湿和再生过程气流决定的,如吸湿剂的温度,在空气处理过程中的吸湿剂温度越高,越有利于提高吸湿剂表面水蒸汽的压力,加速吸湿剂水分的汽化,而且可以降低吸湿剂内部溶液的粘度,有利于水分向外扩散,但是在再生过程中,吸湿剂内外温度并不是一致的,一般是表面温度高于内部温度,由于内外温度差和湿度差的推动方向正好相反,其综合结果是减小了内部扩散的推动力,对解吸再生是不利的。

2.1 吸湿剂质量分数的影响

除湿转轮是由不能吸湿的支撑材料和吸湿剂组成的,吸湿剂所占总的质量的百分比称为吸湿剂质量分数f。有研究表明,在相同的质量下,f值增大,吸湿剂的质量增加,除湿机出口的空气湿度降低,空调系统的制冷量增加,COP值也增大。在0~0.6之间,吸湿剂质量分数对除湿性能的影响最大,超过0.6后其影响能力大为减弱,在实际应用中一般取f值为0.8~0.85,而且减小金属支撑材料的比例也可以有效降低除湿转轮的总热容量,有利于改善转轮系统的除湿性能。

2.2 转轮转速的影响
转轮转速也是影响其性能的重要因素,全热交换器与除湿机对转速的要求是不同的。提高转速可以使换热效果增强,但是这样由于吸湿剂在再生区停留的时间变短,得不到充分的再生,会使除湿效果降低;转速太低则使吸湿剂在除湿区停留的时间过长,会造成靠近再生区的部分区域的吸附剂由于饱和而失去继续除湿的能力,也会降低除湿效果;所以从除湿机的性能考虑,选择合适的转速是较关键的步骤。确定转速可以从除湿量、制冷量和COP等方面来考虑:在5 r/h 的转速时除湿效果最好,在10r/h的转速时系统的COP最高,故转轮的转速宜选择在5~10r/h之间[3,6-8]。

2.3 再生区扇形角的影响

转轮的再生扇形角体现了除湿与再生的吸湿剂所占的比例,从除湿、系统性能及系统制冷量等角度来考虑,再生区扇形角jR的影响是不相同的。从除湿角度来看,在除湿区和再生区空气流量一定的条件下,再生区扇形角太小会使吸附剂不能充分再生,降低除湿效果;但是再生区域太大,又会使除湿区域减小,吸附剂得不到充分冷却,也会降低除湿性能,因此必定存在一个最优比例。

在实际应用中,对再生区扇形角jR的要求应该兼顾以下方面的考虑:吸附剂再生容易,并且能够得到充分再生;出口处的处理空气湿度也可以降得很低;除湿机具有较高的性能系数,得到单位冷量所消耗的能量小;制冷机的制冷量较大。满足以上综合要求才能够可以较好地确定再生区扇形角。一般情况下,因为再生空气的温度较高,转轮的再生区域约占转轮总面积的1/4,即再生区扇形角jR为900。若改变再生空气温度、再生空气的流量等,为使之能够有效再生,都需要改变除湿转轮再生区扇形角。

3、空气参数对除湿性能的影响

转轮除湿供冷空调系统中的空气包括处理空气和再生空气,处理空气的参数(温度、湿度、流速等)直接影响到转轮除湿机的除湿性能,而再生空气的参数(温度、湿度、流速等)直接影响到除湿机的再生性能,进而影响除湿机的吸附除湿性能,因此这两者是相互制约的。了解两类空气中各参数的影响,对于配置合适的系统,使之高效、节能运行是有利的。

3.1 处理空气参数的影响

对于全新风式和循环式的空调系统,处理空气最终都要送入空调区域,它的参数直接影响到空调的效果和系统的能耗,因此人们对处理空气参数对空调系统的影响是较重视的,也开展了相应的研究工作。

3.1.1 进口处处理空气温度的影响

除湿机处理空气的进口温度受到系统形式的影响:全新风系统的进口温度一般是室外气温;回风系统的温度则是空调房间的温度;混合系统则可以通过调节新、回风比例来达到适当的温度。了解不同温度下吸湿剂的吸湿性能是有必要的。

分析吸附剂在不同温度下的吸附等温线可以知道同一类吸附剂在相同的压力下,温度越高,吸附剂的吸附能力越低;吸湿剂的吸湿性能也是随着空气温度的升高而降低的。在实际工程中希望通过降低进口空气的温度来提高除湿转轮的性能。可以通过预冷措施来降低除湿转轮进口的处理空气温度,使转轮对较低温度的空气进行除湿。预冷会使除湿供冷空调系统的性能明显改善:对于同样的空气初始条件和最终处理要求,采用预冷措施之后,可以使冷量增加约13%,COP提高4%。但是预冷需要提供冷源、换热器,增加了系统的初投资;预冷空气被预冷后,与冷却空气之间的温差减小了,减小了传热的动力;应综合考虑这些不利因素对供冷空调系统性能的影响。

3.1.2 进口处处理空气湿度的影响

进口处理空气湿度的影响可以从以下方面来分析:

(1)在干球温度相同时,空气的相对湿度越大,其含湿量也越大,空气中水蒸汽的分压力越接近饱和水蒸汽分压力,与吸湿剂表面空气的压力差增大,增大了除湿的推动力,可以使设备的除湿量增加。

(2)在含湿量相同时,空气中水蒸汽的分压力是定值,此时空气的相对湿度越大,其干球温度越低,除湿转轮表面空气的饱和水蒸汽分压力越低,有利于除湿过程的进行。

(3)在相对湿度相同时,空气的含湿量越高,空气的干球温度也越高,处理空气的温度升高会使得除湿转轮表面的饱和空气温度升高,从而使之饱和水蒸汽分压力也升高,这对于空气的除湿是不利的;但是空气含湿量的增加会使得空气中的水蒸汽分压力相应升高,这是除湿的有利因素;因此对除湿过程的影响需要将两者综合考虑。

可见在除湿供冷空调系统中以空气的含湿量作为空气湿度衡量标准是较为准确的,而含湿量直接对应的是空气的露点温度,因此将空气的露点温度作为空气湿度的控制量是合适的。

3.1.3 处理空气流速的影响

空气的流速越低,空气与吸湿剂的接触时间越多,两者之间的热、质交换也越充分,但是单位面积的处理空气量较小。增大空气的流速,会使对流换热系数和传质系数增加,这是空气与吸湿剂之间的对流传质的有利因素;但是风速增大也使两者之间的接触时间缩短,可能会使得处理空气在转轮中还没有被有效除湿就出转轮,对除湿不利,可能导致空气不能达到预定的湿度。故合适的空气流速也是此类空调系统的重要参数,设计合理的除湿转轮中一般是将处理空气在转轮中的通过时间设定在约0.2s,转轮总的传热单元数NTU约为10。处理空气流速对于实际工程应用的影响主要体现在处理空气流量的确定:在除湿转轮的规格确定之后,处理空气的流量不应该超出转轮的额定流量过多。

3.2 再生空气参数的影响

除湿转轮中吸湿剂解吸再生性能主要体现在两个方面:一是吸湿剂最终能够达到的干燥状态,这取决于吸湿剂的平衡含水量;二是达到最终干燥状态的再生速率,这包括吸湿剂表面的汽化速率和吸湿剂内部水分的扩散传递速率,其大小取决于以上两种速率中的主要影响部分,主要是由速率较低的过程所支配;平衡含水量与再生速率是相互影响的,人们在应用研究中侧重于再生速率的影响。

转轮除湿机中吸附剂的再生过程实质是将水分赶出吸附剂,进入再生空气的过程,吸湿剂的再生过程主要受到吸湿剂与热空气两方面因素的影响。吸湿剂参数对除湿机性能的影响主要体现在:吸湿剂形状、吸湿剂的放置方式、吸湿剂温度等;热空气参数对除湿机性能的影响主要体现在:温度、含湿量、流动速度、与吸湿剂的接触情况等。在实际应用中,更容易控制的是再生空气的参数,因此人们更关注再生空气对除湿机性能的影响:空气含湿量不变时,提高空气的温度,不但可以加强汽化和带走水分的能力,而且可以对吸湿剂进一步升温,提高吸湿剂表里之间水分的扩散速率,对恒速干燥阶段和减速干燥阶段都有利,但是每种吸湿剂都存在允许的最高温度值;空气的含湿量越低,带走吸湿剂中水分的能力越强,干燥过程的推动力越大,因而干燥速率越高;提高热空气的流动速度,可以有效地强化干燥过程,对传热和传质都有利,但是空气流速大,与吸湿剂的接触时间短,热能的有效利用率降低;空气与吸湿剂的良好接触有利于吸湿剂的干燥均匀,合理安排气流,获得较大的气固接触面积,可以有效地强化再生过程。以下重点探讨再生空气的温度、湿度和流速等参数对转轮除湿机性能的影响。

3.2.1 进口处再生空气温度的影响

再生空气的温度是直接影响到转轮除湿机性能的重要参数,若在较低的再生温度下,转轮中进行的主要是全热交换过程;随着温度的升高,转轮中吸湿剂解吸再生的趋势才逐渐明显,直至整个过程都是由解吸再生趋势控制。人们希望能够充分利用低品位的热源来作为转轮解吸再生的能源,低品位能源可能温度不高,使得再生空气被升温的幅度有限。再生空气温度是如何影响转轮除湿机的性能,再生空气的温度降至何值时仍可确保进行的主要是除湿过程,都是人们所关心的问题。所以确定再生空气温度对转轮除湿机性能的影响,如何判断转轮中进行的传热传质过程是全热交换过程还是吸湿-解吸再生过程,导致两者分界点的再生温度在何处,是本文研究的重点之一。

在转轮式全热交换器中,两股空气的主要过程是将处理空气中的水分传递给再生空气,并且将低温侧的温度升高,此时转轮除湿的数学模型应该改为全热交换器的数学模型;而且由于全热交换过程最合适的热空气区扇形角jR是1800,若此时仍然按照除湿过程来设置再生区扇形角jR为900,也不能够使全热交换过程高效率地进行;此外作为全热交换器的转轮的转速也比除湿转轮所要求的转速要快得多。这些都是研究转轮除湿过程必需考虑的问题。

吸湿剂可能在不同的再生温度下工作,此时除湿机的性能如何是人们关心的问题。吸湿剂的再生过程分为预热期、等速干燥和减速干燥等阶段,在不同的阶段,温度的影响是不尽相同的。再生空气的温度都高于此时吸湿剂的温度,吸湿剂被空气加热,吸湿剂在向外蒸发水分的同时,温度也升高,当吸湿剂的表面温度与空气的湿球温度相等时就达到稳定状态。对于同一吸湿剂而言,如果再生空气的温度升高,会使吸湿剂的表面温度上升,吸湿剂的表面温度上升之后,其表面的蒸发压力也提高了,即与吸湿剂表面接触的空气的水蒸汽分压力提高,这样可以使再生的速度增加,缩短再生的时间。对于不等温的吸附体系,可以利用“温度波”与“浓度波”概念来分析吸附干燥过程。在一般情况下,温度比质量传递要快,即“温度波”走在“浓度波”之前。温度波的前沿速度与温度无关,在理想的情况下,温度波在柱内的移动速度是恒定的;实际过程中,由于热阻的存在,前沿不断变宽,随着波形的不同,以不同的温度向前移动。

作者认为:判断转轮中进行的主要是全热交换过程还是除湿-解吸再生过程的关键是看转轮除湿机出口处处理空气的露点温度,空调系统送风状态点的露点温度所对应的再生空气温度可作为两者的分界点。若出口处处理空气的露点温度低于空调送风状态点的露点温度,转轮中进行的主要是吸湿-解吸再生过程;若高于送风状态点的露点温度则可认为进行的主要是全热交换过程,此空调系统达不到设计的湿度控制要求;因此转轮除湿供冷空调系统的参数控制应该以此为依据。

3.2.2 进口处再生空气湿度的影响。

吸湿剂的再生过程实际是吸湿剂的干燥过程,此时推动水蒸汽由吸湿剂向再生空气传递的动力是吸湿剂表面的水蒸汽分压力与再生空气中的水蒸汽分压力之差。除湿机进口再生空气的湿度对除湿机性能的影响的研究并不全面,对于这种因素的影响应该结合温度的影响来共同考虑,这是因为再生空气比吸湿剂的温度高,因而传递热量给吸湿剂,使吸湿剂的温度同时升高。再生空气中的水蒸汽分压力主要与大气压力和空气的含湿量有关[4]。 式中:

Pw:水蒸汽分压力(Pa)

B: 大气压力(Pa)

d:空气含湿量[kg (kg干空气)-1]

当大气压力和空气中的含湿量不变时,升高空气的温度,水蒸汽的分压力是不会改变的,但是饱和水蒸汽分压力增加,从而使空气的相对湿度减小,即空气的不饱和程度增大,这样使得再生用的热空气具有更加强的接受水蒸汽的能力;这时转变成主要是再生空气温度对转轮的解吸再生性能的影响。若再生空气的温度不变,减小空气的相对湿度,空气中的水蒸汽分压力减小,加大了与吸湿剂表面接触的空气的水蒸汽分压力之差,从而加强了水分传递的推动力。此时将再生空气的相对湿度降低的实质是需要进行除湿的,或者是将室外新风与循环风进行混合得到,以获得较低的相对湿度(含湿量)。再生空气被加热的过程是等湿加热过程,一般是在加热之前来改变其含湿量。与干球温度相比较而言,再生空气的湿度对除湿转轮的性能影响较小,而且控制也更为复杂。但是了解再生空气湿度的影响可以为转轮除湿空调系统在不同地区、不同时间的应用所采用的技术措施提供参考。

3.2.3 再生空气流速的影响

再生空气的流速直接影响吸湿剂再生速度的大小,对流换热系数因流速的增加而增大,传热系数也因流速的增加而增加,这样使总的再生过程时间都缩短了;而且可以通过调节再生空气的流速来适应处理空气流量及状态参数的变化。总之再生空气流速的增加强化了再生过程,使得转轮的再生速度加快,但是此时不改变再生区扇形角,可能会再生后的转轮区域被加热,升高吸湿剂的温度,从而影响吸湿过程的进行;而且从系统的能耗考虑,流速增加会导致再生热量的需求增大,在转轮再生侧的换热效率降低,系统的COP将下降;所以在额定工况下应慎重考虑改变空气流速,若改变再生空气流速,应相应调节再生区扇形角,再生空气的温度等参数,在实际的应用中,用户来改变再生区扇形角是不可行的,因此多采用调节再生空气温度的方法。

4、 工作环境的影响

转轮除湿机可以应用在不同的地区,环境的改变对其性能的影响如何也是人们所关心的问题,此处主要探讨大气压力、空气清洁程度等方面的影响。

4.1 大气压力的影响

除湿机的性能受到大气压力变化的影响,在不同的大气压力下,除湿机的性能有所变化。分析大气压力对系统的影响主要是从吸湿剂的吸附特性、空气的参数变化及风机的性能曲线等方面考虑,因此对于质量流量和体积流量为标准的系统,压力的影响是不尽相同的。

当大气压力从1atm下降到0.8atm时:

(1)以质量流量为标准的系统:换热器的性能不变,蒸发冷却器的换热性能改善,除湿机的除湿性能下降,对所有的再生和除湿剂而言,COP和冷量都提高了6~8%,系统的阻力增加了20%,对应的能耗增加了44%,使总的COP下降了4%。

(2)以体积流量为标准的系统:热交换器的性能提高了2~4%,蒸发冷却器的换热性能改善,除湿机的除湿性能下降,对所有的再生和除湿剂而言,COP和提高了8%,冷量减少了14%,系统的阻力不变,使总的COP提高了5%。

这些情况表明在不同地区使用转轮除湿供冷空调系统,应该考虑当地大气压力对系统性能的影响,且应明确是以质量流量为准还是以体积流量为准。我国的地域辽阔,转轮除湿机的使用地点直接影响到除湿机的性能特点。

4.2 空气洁净度的影响

除湿机处理空气和再生空气的洁净度直接影响到吸湿剂的性能,主要是因为转轮除湿机中吸附剂在吸附空气中水分的同时,也将空气中的细小颗粒吸附,这是吸附剂本身所具有的特性,这将导致吸湿剂的劣化。吸附剂的劣化会直接影响到转轮除湿机的除湿性能,根据吸湿剂劣化的程度,除湿供冷空调系统的COP和冷量将减少10%~35%。在一定的劣化范围内,可以采用以下方法来消除其影响:

(1)空气过滤:通过设置空气过滤器可以有效地除去进入除湿机的空气中的灰尘,但是空气过滤器的设置增加了风系统的阻力,风机的余压需要相应增加,这样增加了初投资和运行费用。增设了空气过滤设备后还必须注意定期的清洗和更换,虽然会增加一些费用,但是对于延长除湿设备的使用寿命是必要的。

(2)吸湿剂的深度再生:在很高的温度下实现吸湿剂的再生可以驱除尘粒,但是这并不是根本的方法,因为如果不加处理地将再生后的空气排入大气中将造成新的污染;而且提高再生空气的温度,要求的能源的品位越高,花费的代价越大,过高的再生空气温度也可能会影响吸湿剂的性能。

(3)调整运行参数:如加快除湿机的转速,调整的情况取决于吸湿剂的类型、衰减的类型和再生的方法等。

5、结论

归纳认为:影响转轮除湿机性能的因素很多,但是除湿转轮的本体参数基本都是由设备制造商确定的,其可变化的幅度不大;工程设计人员主要应考虑空气参数和应用环境的影响,明确处理空气被除湿后的露点温度是需要控制的重要参数。只有全面了解转轮除湿机性能才能够合理配置除湿供冷空调系统。

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