无水加湿系统性能模拟与分析

2021-10-30吴宣楠葛天舒

制冷技术 2021年4期

吴宣楠，葛天舒

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

随着社会经济的快速发展以及人民生活水平的提高，人们越来越重视所居住的空气环境的健康性和舒适性。由于冬季空气中含湿量很低，供暖时采用表面式空气换热器对室内空气进行等湿加热后，使空气相对湿度下降，导致空气比较干燥。为了缓解空气干燥，很多家庭和办公场所会使用加湿器。传统加湿器的加湿方法主要有水加湿法、蒸气加湿法和雾化加湿法等。这些方法都是基于将水变成水蒸气或者将水雾化后喷入被调节空气进行加湿[1-4]。然而，这些加湿方法产生的水雾为空气中的细菌滋生提供合适的条件[5]，人长期生活在这样的环境中容易引起呼吸性疾病，更为严重的可能会导致肺炎[6-8]。此外，人们常常习惯直接将自来水加入加湿器，自来水中的氯离子和微生物就有可能随水雾一起被吹入空气中，造成空气污染；如果自来水硬度较高，加湿器喷出的水雾中因含有钙镁离子会产生白色粉末，从而进一步污染室内空气[9-11]。

为了克服并解决传统加湿器中的这些问题，许多科技工作者提出无水加湿技术。除湿转轮主要用于除湿或吸附空气中的挥发性有机化合物[12-16]。然而除湿转轮还可用于干燥空气的加湿，即无水加湿；该加湿方法是利用室外空气中的水分对室内空气进行加湿，无水雾或蒸气产生，极大减少了霉菌以及细菌生长的危险性，有助于提升室内空气的品质[17]。近年来，无水加湿技术的相关研究工作受到了广泛重视。杨国忠等[18]采用分子筛吸湿盘对干燥空气进行加湿，实验中吸湿盘固定不动，采用两个相同的吸湿盘进行吸湿风路和加湿风路交替切换，实现了连续加湿。袁琪等[19]采用旋转式除湿转轮实现对干燥空气进行连续加湿，其中除湿转轮被划分为吸收区、冷却区和脱吸区3 部分，最优工况下的加湿量可达到521 g/h，然而转轮中所用吸附剂的名称或类型未被介绍描述。李荣年等[20]针对国内无水加湿转轮市场空白的现状，开发了一套以陶瓷纤维纸为基材、以硅胶为吸附剂的无水加湿转轮，在5 ℃、相对湿度为50%的焓差室中测试的加湿量为239 g/h，但该套无水加湿转轮的具体加工工艺被保密。综上所述，尽管现有文献中已经有很多关于采用吸附转轮进行无水加湿的研究，但是却鲜有关于操作参数和结构参数对除湿转轮加湿性能影响的报道，因此这一部分空白需要被补充。

本文针对无水加湿系统建立数学模型，研究了无水加湿系统中操作参数和结构参数对加湿性能的影响规律，以期为优化和提高除湿转轮的无水加湿性能提供指导。

1 无水加湿工作原理

无水加湿装置系统中的核心部件是除湿转轮，一般是由基材和吸附剂结合而成，通常其内部拥有大量的瓦楞形空气流通孔道。无水加湿系统原理如图1所示。除湿转轮分为吸收区和脱吸区两部分，这两部分可以采用聚四氟乙烯密封条实现运动密封。运行时，室外的处理空气在处理风机的牵引下通过除湿转轮的吸收区，处理空气中的部分水分被除湿转轮吸附，被除湿的处理空气经处理风机被排至室外；吸附了水分的除湿转轮在电机的带动下由吸收区缓慢转至脱吸区，此时再生空气经过热源被加热成高温空气并穿过除湿转轮的脱吸区，使除湿转轮中被吸附的水分实现脱附并将其带离除湿转轮，使除湿转轮恢复吸附能力；离开除湿转轮的再生空气由于脱附了除湿转轮中的水分而含湿量增加，在再生风机的牵引下被送至室内，用于调节室内空气的相对湿度，实现无水加湿。在脱吸区恢复吸附能力的除湿转轮在电机的带动下缓慢进入吸收区，重新吸附室外处理空气中的水分，再进入脱吸区进行脱附，如此循环往复，保证整个系统运行的连续性，可连续对室内空气进行无水加湿。

图1 无水加湿系统原理

2 系统模型

本文研究了在典型冬季环境气候条件下对室内空气进行加湿，根据标准GB/T 7725—2004[21]，所选用典型冬季室外环境条件为干球温度7 ℃，湿球温度6 ℃。在系统运行过程中，处理空气和再生空气均为室外空气（两者含湿量相同）。

2.1 无水加湿系统模型

无水加湿是转轮除湿系统的另一种应用，故无水加湿系统的数学模型与转轮除湿系统数学模型一致[22]。图2所示为用于无水加湿的除湿转轮及其正弦曲线形空气流通孔道，选取其中某一个空气流通孔道为研究对象，然后在微元体dz内采用集总参数法建立了一维传热传质数学模型并进行数值求解[22]，如图3所示。

图2 除湿转轮及其内部正弦曲线形空气流通孔道

图3 正弦曲线形空气流通孔道内部微元体[22]

在该数学模型中认为吸附剂在多孔基材内部是均匀分布的，因此需要将吸附剂与多孔基材视为一整体。所以，本文采用吸附剂与多孔基材整体的饱和吸附量方程代替原来的纯吸附剂的饱和吸附量方程。吸附剂与多孔基材整体对水蒸气的饱和吸附量方程为：

式中，φw为空气相对湿度，%；w为吸附剂与多孔基材整体对水蒸气的吸附量，kg/kg。

2.2 操作参数和结构参数的变化

不同参数的基准值和变化值见表1。

表1 操作参数和结构参数的基准值及变化值

在模拟研究中处理空气的入口工况保持恒定（即典型冬季室外环境工况），再生空气含湿量与处理空气含湿量相同。在此基础之上，研究无水加湿系统中其他操作参数和结构参数的变化对加湿性能的影响规律，从而优选出最佳参数组合。其中操作参数包括再生温度、空气流速和转轮转速；结构参数包括转轮厚度和再生区域圆心角。

3 结果分析

3.1 评价指标

为了评价无水加湿系统的加湿能力，本文采用再生侧含湿量增量作为整个系统加湿能力评价指标。再生侧含湿量增量ΔY体现了再生空气通过转轮前后含湿量的变化，ΔY越大，表明该无水加湿系统的加湿能力越强，其表达式为：

式中，ΔY为再生侧含湿量增量，g/(kg 干空气)；Yreg,out为再生空气出口处的含湿量，g/(kg 干空气)；Yreg,in为再生空气入口处的含湿量，g/(kg 干空气)。

为了描述无水加湿系统的加湿性能和能量利用率，引入加湿性能系数（Humidification Coefficient of Performance，HCOP）：

式中，HCOP 为加湿性能系数；Yreg,out为再生空气出口处的含湿量，g/(kg 干空气)；Yreg,in为再生空气入口处的含湿量，g/(kg 干空气)；L为水蒸气的蒸发潜热，kJ/kg，取值2,358 kJ/kg；hreg,out为再生空气出口处的比焓，kJ/kg；hreg,in为再生空气入口处的比焓，kJ/kg。

湿空气的比焓计算公式：

式中，h为湿空气的比焓，kJ/kg；T为湿空气温度，℃；Y为湿空气含湿量，g/(kg 干空气)。

3.2 再生温度对无水加湿性能的影响

图4所示为再生温度对无水加湿系统加湿性能的影响。由图4 可知，再生侧含湿量增量随再生温度的升高近似呈线性规律增加，当再生温度为90 ℃时，再生侧含湿量增量为9.75 g/(kg 干空气)；当再生温度为120 ℃时，再生侧含湿量增量可达12.55 g/(kg 干空气)。由于再生温度越高，转轮的吸湿量越低，所以被释放出来的水蒸气量越多，造成再生侧含湿量增量增加。

图4 再生温度对无水加湿性能的影响

整个无水加湿系统的加湿性能系数HCOP随再生温度的升高呈现先上升后下降的趋势，当再生温度为90 ℃时，系统的HCOP 达到最大值0.576。当再生温度太高时，更多的热量将会被转轮吸收，再生空气中的能量没有被高效利用，使得HCOP 呈现下降趋势。然而针对再生温度的整个变化范围，当再生温度由50 ℃增加至120 ℃时，系统HCOP 的最大变化量仅为0.068，由此可见再生温度对系统HCOP 的影响较小。

3.3 空气流速对无水加湿性能的影响

图5所示为空气流速对无水加湿系统加湿性能的影响。

图5 空气流速对无水加湿性能的影响

由图5 可知，再生侧含湿量增量随空气流速的增大呈现先增加后减小的趋势，当空气流速为1 m/s时，再生侧含湿量增量仅为 2.33 g/(kg 干空气)；当空气流速为3.0 m/s 时，再生侧含湿量增量达到最大值10.11 g/(kg 干空气)。由此可见空气流速对再生侧含湿量增量影响较大，最佳空气流速为3 m/s 左右。因为当空气流速进一步增大（大于3 m/s）时，再生空气与转轮的接触时间迅速减少，再生空气难以从转轮中带走更多的水蒸气，从而使得再生侧含湿量增量降低。

此外，整个无水加湿系统的加湿性能系数HCOP 随空气流速的增大而不断增加。当空气流速为1 m/s 时，系统的HCOP 仅为0.073；当空气流速增大到4.0 m/s 时，系统的HCOP 可达到0.848，说明空气流速对系统HCOP 影响显著。

3.4 转轮转速对无水加湿性能的影响

图6所示为转轮转速对无水加湿系统加湿性能的影响。由图6 可知，再生侧含湿量增量随转轮转速的增加而减小，当转轮转速为8 r/h 时，再生侧含湿量增量为11.07 g/(kg 干空气)；当转轮转速增至32 r/h 时，再生侧含湿量增量为3.30 g/(kg 干空气)。通常转轮转速设定为8 r/h。

图6 转轮转速对无水加湿性能的影响

无水加湿系统的加湿性能系数HCOP随转轮转速的增加同样呈不断减小趋势，当转轮转速为8 r/h时，系统HCOP 可达0.845；当转轮转速为32 r/h时，系统HCOP 降低至0.116。因为当转轮转速不断增加时，被再生空气加热的转轮很快进入除湿区，而除湿区被处理空气冷却的转轮很快进入再生区，再生空气中很多能量被用于加热转轮，使得再生空气能量利用效率降低，进而使得HCOP 降低。

3.5 转轮厚度对无水加湿性能的影响

图7所示为转轮厚度对无水加湿系统加湿性能的影响。由图7 可知，再生侧含湿量增量随转轮厚度的增大呈现先增加后减小的趋势，当转轮厚度为0.075 m 时，再生侧含湿量增量达到最大值10.07 g/(kg 干空气)。因为当转轮厚度进一步增大时，再生空气温度沿着转轮厚度方向逐渐降低，使得在转轮再生区入口端脱附的水蒸气在转轮再生区出口端被转轮部分吸附，使得再生侧含湿量增量降低。

图7 转轮厚度对无水加湿性能的影响

整个无水加湿系统的加湿性能系数HCOP随转轮厚度的增加呈现不断减小的趋势，当转轮厚度为0.05 m 时，系统HCOP 可达0.911；当转轮厚度增加至0.2 m 时，系统HCOP 仅为0.152。因为当转轮厚度不断增加时，再生空气的温度沿转轮厚度方向不断降低，再生空气用于加热转轮使其能量利用率降低，使得系统的HCOP 降低。

3.6 再生区域圆心角对无水加湿性能的影响

图8所示为转轮厚度对无水加湿系统加湿性能的影响规律。由图8 可知，再生侧含湿量增量随再生区域圆心角的增加先增加后减小，当再生区域的圆心角为120°时，再生侧含湿量增量达到最大值9.876 g/(kg 干空气)。因为当再生区域的圆心角小于120°时，随着再生区域的圆心角的增大，转轮在再生区域停留时间在不断增加，这样转轮有足够的时间被再生空气加热而使得水蒸气被脱附，从而使得再生侧含湿量增量增加。当再生区域的圆心角大于120°时，随着再生区域的圆心角的增大，转轮除湿区域面积减小使得转轮吸湿量减小，从而使得转轮再生侧含湿量增量也相应减小。

图8 再生区域圆心角对无水加湿性能的影响

整个无水加湿系统的加湿性能系数HCOP随再生区域的圆心角的增加同样呈现先增大后减小的趋势，当再生区域的圆心角为120°时，系统HCOP达到最大值0.668。

3.7 参数优选

为了在冬季满足室内空气湿度调节的需求，无水加湿系统的再生侧含湿量增量需达到或超过10 g/(kg 干空气)。为了节约能源并充分利用低品位热能，无水加湿系统可由工业废热或太阳能驱动，这些热源的温度通常低于100 ℃。综合考虑再生侧含湿量增量、HCOP 以及系统安全性，无水加湿系统的再生温度选择90 ℃为宜。空气流速选择3 m/s为宜，此时再生侧含湿量增量达到最大值，并且HCOP 达到0.697。再生侧含湿量增量和系统HCOP均随转轮转速的增加而不断减小，所以转轮的转速选择8r/h 为宜。转轮厚度选择0.075 m 为宜，此时再生侧含湿量增量取得最大值，并且系统HCOP 为0.76。当再生区域的圆心角为120°时，再生侧含湿量增量和系统HCOP 均取得最大值，所以再生区域的圆心角取120°为宜。通过以上分析，在典型冬季室外环境运行工况下得到无水加湿系统参数的优选结果如表2所示。