各种因素对转轮除湿机性能影响的综合分析(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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[6]。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。

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。

结论

总而言之说,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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