转轮辅助空气取水流程优化及性能分析

2021-12-06刘孟丹王思琪

上海交通大学学报 2021年11期

涂壤，刘孟丹，王思琪

(北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

我国是一个水资源短缺的国家，国务院高度重视城镇、工业、农业节水及水资源高效利用问题.《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》[1]及《中国节水技术政策大纲》[2]明确指出，在完善节水措施基础上，推进非常规水源开发利用，鼓励在缺水以及气候条件适宜的地区推广空气冷却技术，鼓励研究开发运行高效、经济合理的空气冷却技术和设备.

我国西北内陆干燥地区的淡水资源极其短缺，严重影响居民日常生活和农业灌溉需求.虽然内陆干燥地区空气较潮湿地区更为干燥，但是其中仍含有一定量的水蒸气.通过廉价、高效的方法，将空气中水蒸气进行凝结获取淡水，则可有效解决当地淡水资源短缺问题.现有空气取水技术主要分为低温冷却法和太阳能驱动吸附法等.

低温冷却法采用低于空气露点温度的冷源将空气中水蒸气凝结为液态水.现有冷源制取方法主要分为压缩式制冷和半导体制冷.压缩式制冷法取水量在0.13～4.2 kg/h[3-5]，能耗在0.22～1.43 (kW·h)/kg[4-6].受蒸发温度限制，该种装置适用于潮湿地区.半导体制冷由于风量相对较小，取水量在0.02～0.11 kg/h[7-9]，能耗在0.39～5.21 (kW·h)/kg[10-11].在野外用于空气取水时，通常采用太阳能光伏板供电[12].

吸附式空气取水方法具有夜间吸附、白天脱附取水的周期性特征，单位质量吸附材料日取水量为0.049～0.412 kg/d[13-15].此外该方法还可采用太阳能对脱附过程进行驱动[16-17].侴乔力等[18]提出了一种改进的太阳能吸附式空气取水器，其系统取水效率大大提高.此外还有一些学者对吸附材料进行研究，提出了新型的复合吸附剂并对其吸附-解吸性能进行了测定[19-20].由于仅在有充足日照时才有可能发生脱附及水蒸气凝结过程，脱附速率同太阳辐射强度密切相关，文献中单位质量的吸附剂的取水量范围为0.049～0.412 kg/d.可见，吸附法日取水量低，且受脱附温度和气候影响，更适用于太阳强度大、气候潮湿的季节和地区.

综上所述，已有取水方法均适用于潮湿地区，在干燥地区使用，存在取水量小、能耗高的问题[21]，需在已有方法基础上研究适用于干燥地区使用的新流程.本文提出基于转轮加湿及压缩式制冷的空气取水装置，可采用热泵系统或太阳能驱动，通过加湿流程及冷热源系统优化分析，实现系统取水量大、单位取水量能耗低的目标.

1 转轮辅助空气取水机组工作原理

转轮辅助加湿的空气取水装置基本工作原理为：先采用热能驱动转轮，将被除湿空气(Adeh)中水蒸气转移到被加湿空气(Ahum)中，再采用冷源对加湿后的Ahum冷却除湿.由于冷却取水前空气含湿量增加，其露点温度提高，取水潜力增加.

该机组可采用多级转轮加湿结构对空气进行持续加湿，如图1所示.机组采用N级转轮，其中进口的被加湿空气(Ahum,in)为环境状态下的空气(Aambi).被加湿空气从室外状态加湿为Ahum,2N(经过第N级转轮后的加湿空气)后，经冷却器降温除湿，出口的被加湿空气为Ahum,out.每一级加湿流程包括1个转轮(DW)、1个加热器(H)、一股Adeh，1个Adeh侧过滤器和Adeh侧风机.每一级Adeh相互独立，进口的被除湿空气(Adeh,in)为Aambi，经转轮除湿后(Adeh,out)排出机组.Ahum经每级转轮加湿前需被加热器加热到再生温度treg.

图1 采用多级转轮加湿的空气冷凝取水系统Fig.1 Gas condensation atmospheric water harvesting system with multi-stage desiccant wheel configuration

蒸气压缩式冷热源系统结构如图2所示.当采用热泵系统为取水装置提供热量时，热泵系统的冷凝器可以用做加热器，对加湿空气进行加热，热泵的蒸发器(Evap)从环境中取热.此外，H热源也可采用太阳能加热器，在太阳能资源较为丰富的时期替代热泵系统为Ahum的加湿过程提供热量.冷却取水过程采用图2所示冷机系统驱动，冷却器(C)为冷机系统蒸发器，冷凝器(Cond)向环境放热.

图2 蒸气压缩式冷热源系统结构Fig.2 System of heating and cooling sources powered by vapor compression cycles

本文基于图1～2系统，研究其用于干燥地区空气取水的性能.首先，在转轮总体积、总风量一定的前提下，以小时取水量(WPR)为指标，研究高效加湿流程，包括treg、级数及空气流量分配等因素.然后，基于具有较高WPR的转轮加湿流程，分析理想冷热源和实际冷热源能耗以及各系统取水能效(WPE)，并与采用压缩式制冷的低温冷却取水性能进行比较.

本研究采用转轮热湿传递模型计算空气沿程温湿度，转轮模型具体描述及试验验证可参考文献[22-23].本研究中选取硅胶吸附剂，基本参数为：密度为 1 129 kg/m3，比热容为920 J/(kg·℃)，吸附热为2.65×106J/kg，材料形状因子为0.3，最大含水率为0.39 kg/kg[22-23].

2 机组加湿流程及性能分析

2.1 研究工况设计

基于DeST模拟软件中乌鲁木齐、吐鲁番、和田以及喀什4个典型城市的全年日平均气象参数，环境空气含湿量(即空气中水的质量分数wambi)在3～15 g/kg的时间约占63%，环境空气温度(tambi)在15～35 ℃的时间约占47%.根据之前的研究结果[23]，建议该取水机组运行在空气含湿量大于3 g/kg的条件下.因此，本文选择讨论5 g/kg和10 g/kg的环境空气含湿量.此外，wambi较高时，tambi也会相应升高，故而在本文选取干燥(工况1：tambi=20 ℃，wambi=5 g/kg)和潮湿(工况2：tambi=30 ℃，wambi=10 g/kg)两个工况.分析两类加湿流程，即单级加湿流程(SS)和多级加湿流程(MS).SS有1个转轮，而MS有多级转轮，且每级转轮采用独立的Adeh.

表1 各工况下转轮参数和空气流量Tab.1 Parameters of desiccant wheels and air flowrates under each working condition

系统性能采用WPR和加湿效率ηhum评价，计算公式如下：

WPR=Ghumρ(whum,2N-whum,out)/1 000

(1)

(2)

(3)

2.2 加湿流程性能分析

本节对表1所列6个系统加湿性能进行分析.首先比较不同工况下的空气处理流程，选取3个案例，即SS的Fr=1案例(同MS的N=1案例相同)、SS的Fr=3案例及MS的N=3案例.图3所示为以上3个案例在treg=70 ℃时的空气处理流程，图中：t为温度；φ为相对湿度；w为含湿量；Adeh,out,1、Adeh,out,2及Adeh,out,3为经过每一级转轮除湿区后的被除湿空气；Ahum,1、Ahum,2、Ahum,3、Ahum,4、Ahum,5及Ahum,6为依次经过每级加热器和转轮加湿侧后的被加湿空气.

图3 工况1下3个系统的空气状态变化Fig.3 Changes in air status of three systems under working condition 1

对比图3(a)～3(b)，对于单级系统，增加Fr后，Adeh流量增加，Ahum流量降低，Ahum出口含湿量从Fr=1的9.0 g/kg增加到13.9 g/kg，但同时Ahum出口温度从53.7 ℃降低到35.7 ℃，加湿过程中温度的降低不利于转轮后段空气加湿.对比图3(b)～3(c)，对于三级MS系统，Adeh总流量与SS的Fr=3案例相同，由于级间对Ahum加热，Ahum温度维持在较高范围，有利于加湿，其whum,2N为15.7 g/kg，高于SS的Fr=3案例.但是由式(1)所示，WPR受whum,2N和Ghum同时影响.由于Ghum和whum,2N均随Fr和N变化，因此需综合考虑Ghum和whum,2N，对加湿流程进行优化.

图4为工况1、2下，SS、MS系统在不同treg时，WPR及ηhum随Fr及N的变化趋势.当treg一定时，WPR随着Fr的增加先升高后降低，对于所有工况，当Fr=2时，WPR最高.这是因为Fr增加，whum,2N增加，但是Ghum降低，存在一个最优Fr，使得WPR最高.从ηhum曲线可以看出，随着Fr增加，Adeh流量增加，但ηhum降低，意味单位质量流量Adeh中水蒸气利用率降低.此时，需考虑改变系统运行参数或改进流程来提高ηhum.

通过对比不同treg下的WPR和ηhum可知，提高treg可提高WPR及ηhum，但会带来相应能耗的增加.因此可通过改进加湿流程，即采用MS替代SS，来提高ηhum，如图4中虚线所示，因为MS的Fr=N，级数增加后，ηhum降低，但是当N增加到一定值后，ηhum高于SS系统在相同Fr时的值.对于相对干燥的工况1，当N=3时，MS的ηhum及WPR高于SS的Fr=3案例，对于相对潮湿的工况2，当N=2和3时，MS的ηhum及WPR均高于相应SS(Fr=N)的案例.

图4 工况1、2下Fr和N对加湿系统WPR及ηhum 的影响规律Fig.4 Influence of Fr and N on WPR and ηhum of humidification systems under working conditions 1 and 2

对于图4所有案例，MS的N=3案例具有最高的WPR.从提高WPR及保证较高ηhum的角度，推荐采用3级MS系统.

3 机组冷热源能效分析

本节基于N=3的MS系统，分析该空气取水装置的理想冷热源系统能效和实际冷热源系统能效，并同直接冷却取水系统的理想能效和实际能效进行对比.空气取水能效计算式为

WPE=WPR/E

(4)

式中：E为投入机组的能量.

3.1 加湿流程性能分析

理想冷热源系统为无数级理想卡诺循环和理想逆卡诺循环，如图5所示.图中：qm为空气的质量流量；cp为空气的比定压热容，本文取1.005 kJ/(kg·℃)；h为空气的比焓；Q为热量；T为热力学温度；Tambi为环境温度.参考图3(c)所示的空气处理过程，Adeh,out,1、Adeh,out,2及Adeh,out,3的温度高于室外温度，具有做功能力，如图5(a)所示，在空气流动方向上构建无数级卡诺热机，图中T1为除湿后空气温度.

卡诺热机对外做功Wi,deh为

(5)

Ahum经H加热至treg，需外界对其做功，如图5(b)，T2为H进口空气温度，T4为加热器的出口空气温度.在空气流动方向上构建无数级逆卡诺循环热泵，外界做功Wi,H为

图5 无数级卡诺循环及逆卡诺循环Fig.5 Infinite stage Carnot cycle and reverse Carnot cycle

(6)

(7)

式中：T4为Ahum,out状态的温度.对于Ahum,2N到Ahum,out的降温过程，如仅有温度变化，则dQ=qm,humcpdt(qm,hum为被加湿空气的质量流量)，如果同时有湿度变化，dQ=qm,humdh，dh=cpdt+ivdw(iv为水蒸气汽化潜热，由于w单位为g/kg，因此本文中取iv=2.501 kJ/g).除湿过程湿空气状态沿饱和线变化，w和T之间的关系式为[22]

1 000/w=10-6exp(5 294/T)-1.61

(8)

空气取水系统理想总能耗Wi为

Wi=Wi,H+Wi,c2-Wi,deh-Wi,c1

(9)

图6 工况1、2下两种系统Wi和WPEiFig.6 Wi and WPEi of two systems under working conditions 1 and 2

对于两类系统，Wi随WPR(与treg正相关)的升高而增加，WPEi随着WPR的升高而降低.潮湿条件下(工况2)的WPEi高于干燥工况(工况1).对比本系统和直接冷凝取水系统，虽然本系统在Ahum加湿过程中需对其加热，但由于相同取水量下，Ahum,out对应的露点温度高于直接冷凝系统的空气出口露点温度，使得本系统理想功耗远远小于直接冷凝系统，WPEi是直接冷凝系统的1.2～1.6倍.因此，本系统较直接冷凝取水系统具有更优的性能，室外越干燥，优势越明显.

3.2 采用实际冷热源系统时的节能潜力分析

相对于理想冷热源，实际冷热源系统无热机做功、热泵和冷机为有限级，换热器换热效率小于1，且制冷循环的热力学完善度小于1.

本文研究的主动式冷热源系统如图2所示，采用单级热泵(1个冷凝温度)和单级冷机(1个蒸发温度)提供热量和冷量.此外，设置如图7所示的热回收器1和2，依次回收Adeh,out和Ahum,2N的热量，对Ahum,in进行梯级预热，可减少热泵系统提供的热量和功耗.Ahum,2N经热回收器2被降温，可以减少冷机系统的冷量和功耗.考虑换热器面积和空气流量有限，设定热回收器效率为80%.设定热泵冷凝温度tcond,HP=treg+3 ℃，蒸发温度tevap,HP=tambi-7 ℃.冷机蒸发温度tevap,C=thum,out,dew-3 ℃，冷凝温度tcond,C=tambi+7 ℃，热泵和冷机的热力学完善度为ε=0.5.

图7 实际系统的热回收循环Fig.7 Heat recovery cycle of actual system

热泵能耗(WHP)和冷机能耗(WC)的计算公式分别为

(10)

(11)

式中：QH、QC分别为加热器和冷却器提供的热量和冷量，可通过加热器(H1～H3)和冷却器(C)进出口空气全热变化计算，此处不详细叙述；COPHP为热泵的性能系数；Tcond,HP为热泵的冷凝温度；Tevap,HP为热泵的蒸发温度；COPC为冷机的性能系数；Tcond,C为冷机的冷凝温度；Tevap,C为冷机的蒸发温度.

对于直接冷凝式取水装置，仅有冷机能耗，将室外空气降温除湿.不同WPR条件下，两种系统运行在工况1、2的E和WPE如图8所示.可见，随着WPR的增加，WPE逐渐降低，因此在实际应用中，当采用热泵系统加热时，应同时考虑WPR和WPE对treg进行选择.此外，在所讨论工况下，本系统E低于直接冷凝取水系统，WPE高于直接冷凝取水系统，且室外越干燥(工况1)，本系统优势越明显.工况1、2条件下，本系统WPE最高分别为1.5及 2.1 kg/(kW·h).

图8 工况1、2下两种系统的实际E和WPEFig.8 E and WPE of two systems under working conditions 1 and 2

相对于直接冷凝系统，由于本系统Ahum加湿过程采用热源驱动，所讨论的treg为60～80 ℃，在此范围内可有效利用太阳能加热替代热泵系统[24]，此时系统的E和WPE如图9所示.采用太阳能替代热泵后，WPE随treg的增加而增加，工况1、2条件下，WPE最高分别为3.4及4.4 kg/(kW·h).