3种除湿方式的对比试验研究

2020-09-15马雪健郭春梅李胜英孟丹东董思航

流体机械 2020年8期

马雪健，郭春梅，李胜英，孟丹东，董思航

（1.天津城建大学，天津 300384；2.天津住宅科学研究院有限公司，天津 300100；3.中国航天建筑设计研究院，北京 100032；4.北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100080）

0 引言

溶液除湿系统具有巨大的节能潜力，许多学者对其进行了大量研究［1-2］。与绝热式除湿器相比，内冷式除湿器由于除湿剂的温升较低，能显著提高除湿器的效率的优点。因此，国内外学者对内冷式除湿器进行了大量的研究。Deng等［3］通过降膜除湿器的试验研究对溶液浓度努塞尔数进行了修正。Chung等［4］的试验结果表明，在低温冷冻剂条件下，带肋卷式喷雾器的传质效果比无肋卷式喷雾器更理想。Yin等［5］在板式换热器的基础上，设计了一种新型的内冷/加热式除湿器/再生器。通过试验，研究了冷却水温度、空气流量和除湿温度对除湿过程的除湿性能和冷却效率的影响，并对内冷除湿与绝热除湿进行了比较。近年来，许多学者发现相对于单一的内冷除湿器，组合式除湿器性能更加优越，Jain等［6］研究并设计了一种混合除湿系统，其中显热和潜热同时发生在空气和溶液的界面上，溶液在蒸发器中冷却。Abdel Salam 等［7］对一种新型的利用冷（热）水冷却（热）干燥剂溶液的3种流体气液膜能量交换器进行了试验研究。孙方田等［8］结合吸收式热泵和溶液除湿技术特征，提出了基于吸收式制冷和除湿溶液再生的复合冷源系统。与常规冷源系统相比，新型复合冷源系统年供冷性能系数提高了175%，供冷成本降低了33%，年电耗量降低了77%，可实现深度利用工业废热，大幅降低电网夏季负荷压力。黄志甲等［9］以提高除湿新风系统除湿能力和性能系数为目的，设计了高温水预冷型溶液除湿新风系统和转轮全热回收型溶液除湿新风系统。结果表明组合式除湿新风系统的除湿能力是常规溶液除湿新风系统的1.2～1.3倍，具备推广的可行性。李鹏魁等［10］介绍了辐射空调专用的两级新风除湿机的工作原理，并对设计开发的该两级新风除湿机进行了性能测试。测试结果表明，该除湿机除湿效果显著。

以上分析表明，在除湿过程中，液体干燥剂的温度升高导致除湿效率下降，为了更好地抑制溶液温度的升高，将溶液除湿与其它制冷方式结合效果显著。因此，本试验设计基于间接蒸发冷却的内冷式溶液除湿系统，将溶液除湿与蒸发冷却结合。

近年来，为了提高除湿器的除湿效率，许多学者对除湿器表面的润湿性进行了研究。在静态条件下，接触角表示液体在固体表面的扩散能力。Young［11］在1805年提出了均匀各向同性表面上凝聚蒸汽滴接触角的方程。Wenzel［12］考虑了表面粗糙度对接触角的影响，并对Young提出的关系式进行了修改。在动态条件下，液体与固体表面的接触面积是液体沿固体表面流动时热质交换的重要影响因素之一。Kang等［13］发现当水膜沿板表面自上而下流动时，其水流截面近似为梯形，活性剂增加了板表面的润湿率。活性剂不仅可以改善水膜在板上的润湿效果，而且随着活性剂浓度的增加，液滴的厚度也随之减小。正如Yin等［5］所指出的，溶液的除湿面积对除湿系统的性能和节能起着至关重要的作用。为了加强溶液除湿空调中空气与溶液之间的热质交换过程，Qi等［14］建议在除湿器表面添加二氧化钛超亲水自洁涂层，并用紫外线激活，同时测试3种SUS304、SUS316和SUS410样品对30%溴化锂溶液和DEI的影响。结果表明，与无涂层二氧化钛超亲水自洁涂层相比，溴化锂溶液的接触角减小了1/6，水的接触角减小了1/7。数值模拟发现，添加一种超亲水的二氧化钛自洁涂层，使湿区面积增加了5～7倍，空气与溶液的热交换量和质量交换量分别增加了1.2倍和2倍。

以上分析表明，提高湿化率对提高除湿性能是有效的。因此，本试验采用纳米二氧化钛来提高润湿率。在干燥剂溶液除湿过程中，湿空气中的水汽分压高于溶液表面的水汽分压，因此水蒸气从湿空气转移到除湿溶液中。在这一过程中，水蒸气从气态释放出大量的汽化潜热，导致溶液和空气温度的升高。因此，分别进行2组试验，旨在比较改变润湿性后的内冷式除湿器（WPHE）和未改变润湿性的内冷式除湿器（IPHE）之间的差异，研究入口参数对除湿过程的影响。

1 试验研究

1.1 试验仪器

本试验提出了一种基于蒸发冷却的内冷型溶液除湿器，除湿芯体中任何2个连续流动通道表示一次空气发生冷却和除湿，在每个通道中，一次空气与板的一侧的干燥剂溶液直接接触，同时，二次空气（来自空调空间的回风）与板另一侧的水接触。在这种情况下，冷却二次空气从板另一侧的一次空气中排出热量，从而利用间接蒸发冷却。根据文献［15］，除湿芯体设计为45°角，以达到更好的试验效果，除湿芯体模型及尺寸如图1和表1所示，芯体材质为防腐蚀的环氧铝箔，板厚0.2 mm。

图1 除湿器除湿芯体模型

表1 除湿芯片的尺寸

该系统包括3个泵、3个水箱、1个温度可调的冰箱、流量计、阀门、1个内冷式除湿器、1个加热器、1个冷却器、PPR管和一些控制设备等，如图2所示。2个储液桶和水箱均为相同尺寸的立方体，尺寸为457 mm×403 mm×130 mm。采用HF12N立式恒温恒湿机调节室内空气干湿球温度，达到稳定的试验件，该机制冷量为12.6 kW，风量3 000 m3/h，温度调节范围为0～150 ℃，湿度调节范围为30%～98%相对湿度，符合试验要求。如图2，试验进行时，LiCl浓溶液经溶液泵泵入除湿芯体一次通道中与一次空气充分接触，进行除湿过程，除湿后的稀溶液收集在稀溶液桶中。同时冷却水经水泵泵入除湿芯体的二次通道中与二次空气充分接触，进行蒸发过程，之后水被回收到循环水箱中。二次通道中的水蒸发过程中吸热，一次通道中的流体被冷却，抑制了除湿溶液的温升。当二次通道中无流体通过时可视为绝热过程。整个试验装置的一次空气通道、二次空气通道、溶液进出口、冷却水进出口位置如图2所示，测量仪器参数见表2。

图2 系统

表2 测量装置及精度

1.2 试验流程

利用数据采集器监测并采集一、二次空气侧进出口温湿度，数据采集仪扫描时间间隔为10 s，当各测点温度变化幅度在±0.5℃，相对湿度变化在±5%，维持时间5 min以上，则表示除湿达到稳定状态。试验测试流程如下：

（1）调节室内恒温恒湿空调处理机将试验房间的温湿度稳定在试验环境；

（2）启动一、二次空气侧风机（当进行绝热试验时只开启一次空气侧风机），并将其调至试验设定风量；

（3）待风量稳定后打开风道内的加热器、加湿器将一、二次侧空气温湿度调节至研究设置的工况点；

（4）在一、二次侧空气温湿度稳定在设置工况点下启动喷淋水泵与溶液泵（当进行绝热实验时不启动喷淋水泵），待水泵与溶液泵流量稳定后，记录流量并监测溶液与水各测点温度的变化情况；

（5）当各测点温湿度达到新的稳定后，记录一、二次侧空气温度及相对湿度值。

（6）待试验进行1.5～2 h后，关闭风机、溶液泵和水泵，准备下一组试验。

1.3 纳米二氧化钛

纳米二氧化钛是一种性能优良的新型无机材料。它具有附加值高、粒径小、比表面积大、光催化活性、紫外线吸收能力强、表面活性高、导热性和耐腐蚀性好等特点。而且，由于其成本低、无毒、无二次污染等特点，在许多领域得到了广泛的应用，引起了人们的广泛关注。本试验采用纳米二氧化钛改善除湿器的润湿率［16］，主要成分为二氧化钛（TiO2）和3-乙氧基硅丙基胺（KH550），其中KH550为表面改性剂。首先，用100 ml乙醇稀释30 ml二氧化钛，通过剧烈搅拌和旋转蒸发得到淡棕色胶体。然后加入盐酸（36%）和硝酸（60%）作为协同酸催化剂。最后，将混合物在70 ℃下加热 3 h，在 160 ℃下灭菌 8 h，在 80 ℃烘箱中染色得到纳米级。

1.4 涂层程序

Zhong等［16］指出为了提高板表面的润湿性，需要配置质量浓度为1%的纳米二氧化钛溶液，其中质量浓度计算公式如下：

式中 mTiO2——Nano-sized TiO2的质量，g；

mw——水的质量，g。

首先，根据公式配出1%浓度的纳米二氧化钛溶液，然后用喷枪均匀喷洒PHE。由于纳米二氧化钛颗粒需要特殊的光照条件，表面结构才会发生变化，导致其亲水性。因此，最终的试验装置为二氧化钛喷涂和添加紫外线灯设备。

2 性能评价

2.1 性能评价指标

本文主要分析了一次空气入口温度、含湿量和质量流量对装置除湿性能的影响。分析了系统的除湿量、传质系数和换热效率。

除湿量M通过以下计算确定：

式中 mp——一次空气质量流量；

wp——一次空气含湿量；

in，out——下标，进口、出口。

除湿器的传质系数hD可定义为：

式中 A——传质区域面积；

wes——LiCl溶液等效含湿量。

除湿器的板交换效率e可以确定如下：

式中 hp——一次空气焓值；

hes——LiCl溶液等效焓值。

2.2 一次空气含湿量的影响

除湿工艺的目的是用浓溶液除去空气中的水蒸气。因此，在试验条件下mp为常数，除湿量完全取决于一次空气的含湿量差Δw。即在其他参数保持不变的情况下，仅改变wp,in（19～30 g/kg）。

在IPHE和绝热除湿器（APHE）除湿过程中，进出口空气的含湿量差Δw随着一次空气入口含湿量的增加而增加且呈上升趋势如图3所示。这是由于一次风入口含湿量的增加使溶液表面的分压力与空气中水蒸汽的分压差显著增大所致。当wp,in为24 g/kg时，APHE的Δw增长趋势减缓，但IPHE的Δw增长趋势仍在继续，这是由于APHE中溶液的温度上升速度快于IPHE中溶液的温度。因此，与APHE相比，IPHE可将Δw提高约20%到80%。

图3 一次空气含湿量对含湿量差的影响

图3示出了IPHE和WPHE装置除湿性能的比较。从图中可以看出，随着一次空气入口的含湿量在IPHE和WPHE除湿过程中都增加，进出口空气的含湿量差Δw也在增加，当含湿量相同时，IPHE和WPHE的趋势大致相同。一次空气入口的浓度范围为19～30 g/kg。然而，观察到WPHE的除湿性能总是优于IPHE，这可以通过扩大WPHE装置的PHE板的湿润面积来解释，从而改善了除湿器的性能，提高了10%。

2.3 一次空气质量流量的影响

在这组试验中，一次流的流速为0.03 kg/s的最低流速，上限为0.05 kg/s，试验参数见表3。

表3 试验参数

APHE和IPHE除湿过程中，一次空气流速对除湿量（ΔM）变化的影响，如图4所示。

图4 一次空气流量对除湿量和传质系数的影响

入口和出口空气之间的除湿量差ΔM随着2个除湿过程中一次空气流量的上升而增加，这是由于一次空气流量上升导致的传质系数显著增加所致。此外，与APHE相比，IPHE的传质系数的增长趋势更快。当一次空气进口流量在0.03～0.05 kg/s范围内时，急剧上升，这可以用试验气流速度下的ΔM来解释，传质系数hp的上升速度快于气流速度。这种行为是由于空气体积的增加有助于将溶液表面的蒸汽压保持在较低的水平，这在增强溶液与一次空气之间的热量和质量交换方面是有效的。随着一次空气流量的增加，IPHE的除湿性能优于APHE。ΔM提高了10%～20%。增加8%～16%。

如图4所示，对IPHE和WPHE装置的除湿性能进行了比较。从图中可以看出，无论除湿量ΔM变化或传质系数hD，2种除湿方法在IPHE和WPHE除湿中的趋势大体相同。但是，WPHE的增长趋势高于IPHE，且WPHE的除湿性能始终优于IPHE。这是由于WPHE装置的PHE板的润湿面积扩大，从而提高了除湿器的性能。WPHE除湿能力明显提高了7%～20%。增长了25%～52%。

2.4 一次空气温度的影响

在这组试验中，一次空气的最低温度为26 ℃，最高温度为36 ℃，试验参数见表3。

图5示出了对IPHE和WPHE装置的除湿性能进行的比较。从图5中可以看出，在APHE和IPHE除湿过程中，随着一次空气入口温度的升高，进出口空气之间的含湿量差Δw呈下降趋势。这是由于溶液表面与空气中水蒸汽的分压差随着一次风入口温度的升高而显著减小。图中清楚地表明，在相同的体积和入口条件下，随着一次入口温度的升高，APHE的Δw迅速下降，下降速率高于IPHE。反之，一次风入口温度的升高导致传热温差增大，从而提高传热效果。由图可知，与APHE相比，IPHE的板交换效率e的变化趋势平稳。此外，IPHE的板交换效率e高于APHE，差异在10%～20%之间。

图5 一次空气温度对含湿量差和换板效率的影响

从图还可看出，随着一次空气入口温度的升高，2个除湿位置的含湿量差Δw减小。然而，相对于WPHE，IPHE的Δw急剧下降，并且下降的速度比WPHE的下降速度快。此外，在34℃时，WPHE的Δw的下降趋势逐渐趋于平坦。相比之下，IPHE的Δw仍然缓慢下降。试验结果表明，WPHE的换热效率e始终优于IPHE，这可以通过扩大WPHE装置中PHE板的润湿面积来解释，从而提高了换热效果e。因此，板换效率提高，WPHE高于IPHE，提高约80%～120%。