再生式除濕換熱器除濕的研究現(xiàn)狀及存在的問題

再生式除濕換熱器除濕的研究現(xiàn)狀及存在的問題

　　目前常用的干燥劑除濕技術(shù)主要包括固體除濕和液體除濕。固體除濕是利用多孔介質(zhì)的毛細(xì)作用將空氣中的水分吸附到干燥劑上，目前國內(nèi)外主要研究兩類固體吸附式除濕裝置:一類是固定床式除濕器,包括交叉冷卻式除濕器;另一類是旋轉(zhuǎn)式除濕器,包括平行通道式除濕轉(zhuǎn)輪和蜂窩狀除濕轉(zhuǎn)輪。液體干燥劑除濕以具有吸濕性能的鹽溶液（如溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣等）作為工作介質(zhì),常溫情況下一定濃度的溶液其表面蒸汽壓低于空氣中的水蒸汽分壓力，實(shí)現(xiàn)水分由空氣向溶液轉(zhuǎn)移來達(dá)到除濕目的。

　　相對于傳統(tǒng)的冷卻除濕技術(shù)，固體干燥劑除濕設(shè)備簡單，在低濕下仍能有良好的除濕效果，在潛熱負(fù)荷大于顯熱負(fù)荷的地區(qū)很實(shí)用；還能夠?qū)⒖諝馓幚淼捷^低的露點(diǎn)，而且將干燥劑除濕技術(shù)與冷盤管結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)溫濕度單獨(dú)控制，耗電少，再生熱選擇面廣，能夠利用太陽能、廢熱等低品位熱能；此外，沒有氟利昂的排放，環(huán)境友好型，干燥劑還能除去空氣中污染物而能保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。

　　最原始的固體除濕是在密封的容器內(nèi)放置干燥劑進(jìn)行除濕，如將干燥劑置于食品袋和將臭丸放在衣柜里等。后來出現(xiàn)了將固體吸附劑(如硅膠、分子篩、活性氧化鋁、沸石等)作為固定層填充于塔(筒)內(nèi)進(jìn)行空氣除濕,該除濕方式為間歇方式,需要定期進(jìn)行脫附處理,而且無論是操作還是控制都不方便。與此同時出現(xiàn)了流化床除濕器,但是其動力消耗較大。為了能連續(xù)除濕,出現(xiàn)了兩塔并用的除濕器:一塔用于吸附空氣水分,另一塔用于再生,經(jīng)過一定時間后將塔轉(zhuǎn)換,使吸濕與再生互換,如此可連續(xù)除濕。最初的兩塔并用除濕都是在常壓下進(jìn)行,脫附采用的是熱脫附。為了進(jìn)一步提高除濕的效率和降低脫附所需能量,出現(xiàn)了非加熱再生的變壓吸附除濕器。

　　S.Singh等床的系統(tǒng)性能與運(yùn)行參數(shù)、工況等有關(guān)。對多層式除濕器干燥劑的再生做了研究，分析了參數(shù)如再生空氣溫度(42℃-72℃)、經(jīng)過固定床的空氣流速(0.175-0.55m/s)和除濕器層數(shù)(2～4)對干燥劑再生時間的影響，得到再生時間隨著暫停時間的增加而減少。在所研究的固定床空氣流速和層數(shù)范圍內(nèi)，干燥劑的水分減少比例隨著再生溫度的增加從42.8%下降到15%.此外，在空氣流速為0.175m/s和再生溫度為52℃時的所需的能耗最小。馮圣洪等人對硅膠固定式吸附床的不同形狀的通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗研究，其中包括：直通道、彎曲通道、螺旋通道。研究得到，螺旋通道在相同流速的條件下吸附/解吸效果而且再生速率高，有潛在的研究價值。該固定床除濕方式為間歇方式,需要定期進(jìn)行再生處理,而且無論是操作還是控制都不方便。

　　由于最初的固定床除濕器只有處理空氣通道,沒有冷卻氣流通道,床的兩面均有干燥劑,這就會有吸附熱易積累、難排放而引起床層溫度升高導(dǎo)致除濕效率降低的缺點(diǎn),后逐漸被具有冷卻氣流通道的床層所取代。具有惰性填充物的冷卻床的惰性填充物和冷氣流可以同時帶走吸附熱,從而降低了床層的溫度,提高了除濕效率也提高系統(tǒng)的熱力性能。后來又出現(xiàn)了具有冷卻氣流通道的錯流床層結(jié)構(gòu)。

　　一種新型內(nèi)冷卻緊湊式固體干燥劑除濕器，并建立了數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬的方法對該除濕器進(jìn)行了再生和除濕周期性切換的性能動態(tài)模，該除濕器通過在次邊通以氣流對主邊流道進(jìn)行冷卻，能夠有效帶走吸濕過程產(chǎn)生的吸附熱。提出了交叉冷卻式固定床，該固定床具有交叉式平行冷卻管道，冷卻管道交叉地布置在每個除濕管道中，管道內(nèi)通過冷水或冷空氣，在吸附的過程中冷卻干燥劑。

　　對叉流式除濕器性能進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)該叉流式除濕換熱器的COP要比單獨(dú)使用除濕機(jī)時高出53%，達(dá)到1.2，而所需的蒸發(fā)溫度也從單獨(dú)的除濕機(jī)時的11.5℃提高到要高19.3℃。此類除濕器進(jìn)一步提高了床層的除濕效率。

　　為了保證能連續(xù)除濕,又出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)。轉(zhuǎn)輪除濕之所以備受青睞,是由于其可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),濕度控制容易,依轉(zhuǎn)盤直徑大小可制成各種不同風(fēng)量的機(jī)型,維護(hù)容易而且可以充分利用工業(yè)余熱、廢熱、天然氣、太陽能等低品位熱能,能迅速、簡便有效地降低空氣中的濕度,卓有成效地解決常溫低濕、低溫低濕等用其他制冷方法無法解決的除濕問題,特別是配套組合處理后空氣露點(diǎn)可達(dá)到-40℃～-60℃。

　　但固體轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且除濕過程流體溫升較大,一般為30℃;轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象,特別是氯化鋰除濕轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)盤具有容易出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象而致使吸濕劑流出,或吸水不平衡致使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生擺動的缺點(diǎn);分子篩轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)不僅價格較硅膠貴,而且要求轉(zhuǎn)輪再生空氣溫度高。

　　為了研究吸附熱導(dǎo)致除濕過程偏離理想等溫除濕而影響除濕性能的問題。葛天舒等提出了理想的轉(zhuǎn)輪式無限多級除濕空調(diào)的概念，其處理過程如圖1-2所示，理論上證明此理想流程具有最小的不可逆損失、系統(tǒng)的驅(qū)動熱源溫度而且系統(tǒng)的除濕量，闡明實(shí)現(xiàn)該過程對于解決吸附熱對除濕性能影響具有重要作用。

　　轉(zhuǎn)輪的系統(tǒng)性能與參數(shù)如再生風(fēng)速、處理風(fēng)速、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、再生溫度以及再生風(fēng)和處理風(fēng)的工況等有關(guān)。如何優(yōu)化這些參數(shù)也成了眾多研究者研究熱點(diǎn)。用數(shù)值模擬的方法在再生溫度50℃-150℃的圍內(nèi)對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和面積比（Ar/Ap）進(jìn)行了研究，并研究了這些參數(shù)對等溫線依賴性。此外，干燥劑除濕主要技術(shù)核心在于干燥劑材料的選擇。目前對干燥劑材料的研究十分活躍，研究方向主要是尋找接近理想吸附性能的吸附劑材料，其中在原有多孔吸附劑中添加其它成分形成高性能的復(fù)合吸附劑也是研究人員努力的方向。

　　對硅膠-氯化鋰復(fù)合干燥劑強(qiáng)化吸濕機(jī)理及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，研制出復(fù)合干燥劑并解決了復(fù)合干燥劑的液解問題。實(shí)驗結(jié)果表明復(fù)合干燥劑轉(zhuǎn)輪的除濕量比硅膠轉(zhuǎn)輪平均要高50%。尤其在相對濕度較低時，除濕量更高；轉(zhuǎn)速、再生溫度和處理空氣進(jìn)口相對濕度對除濕轉(zhuǎn)輪的性能影響比較顯著。

　　針對傳統(tǒng)的加熱再生方法不僅能耗大，而且能量損失嚴(yán)重，從而限制了一些吸濕性能高、經(jīng)濟(jì)性好的固體除濕劑(如硅膠)在除濕空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的問題，姚曄提出一種超聲波再生技術(shù)，從理論上探討固體除濕劑超聲波再生的可行性，并進(jìn)行實(shí)驗驗證．結(jié)果表明，利用超聲波進(jìn)行固體除濕劑再生是完全可行的．超聲波再生有望降低固體除濕劑的再生溫度。

　　為了避免單獨(dú)的除濕系統(tǒng)的弊端，復(fù)合系統(tǒng)也成為研究的一個方向。復(fù)合系統(tǒng)結(jié)合了吸附劑除濕器與傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，這樣除濕裝置用來處理濕空氣的潛熱，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)處理空氣的顯熱。因此，復(fù)合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對空氣的溫度和濕度單獨(dú)控制，同時具有節(jié)能、體積小等特點(diǎn)。但是復(fù)合系統(tǒng)的搭建過程相對復(fù)雜，初投資比較大。與R407C壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的固定床除濕系統(tǒng)。實(shí)驗研究了再生溫度、干燥劑質(zhì)量、空氣質(zhì)量流速、除濕床中抽屜數(shù)量及其尺寸對系統(tǒng)COP的影響，結(jié)果表明與固體除濕的結(jié)合的空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)的壓縮機(jī)耗電量減少了10.2%。

　　比較了許多以天然氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)輪熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。內(nèi)燃機(jī)的廢熱用于提供一部分再生轉(zhuǎn)輪所需要的能量。選取了美國的8個城市，其氣候特點(diǎn)包括高溫高濕、高溫干燥以及溫濕度適中的，數(shù)學(xué)模型的結(jié)果表明在所有的這些條件下，這些系統(tǒng)的運(yùn)行成本都低于電驅(qū)動的熱泵系統(tǒng)。提出了聯(lián)合發(fā)電冷卻循環(huán)，在這個循環(huán)中利用太陽能驅(qū)動的Rankine循環(huán)產(chǎn)生電能，同時系統(tǒng)中利用冷卻器產(chǎn)生的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的再生。將此系統(tǒng)用于一個代表性的建筑中，結(jié)果表明比起傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)，此新系統(tǒng)的能量消耗減小了12%。由干燥單元和燃?xì)怛?qū)動冷卻器組成的復(fù)合系統(tǒng)。干燥單元由再生除濕器、換熱器、蒸發(fā)冷卻器、熱管和風(fēng)機(jī)組成，干燥單元提供全部的潛熱和部分顯熱。冷卻器提供剩余的顯熱。

　　發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的能量消耗可以減半，平均回收期在兩年左右。這就說明一旦此系統(tǒng)中的干燥單元在商業(yè)上容易獲得，這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比將會有明顯的競爭性。研究了一個干燥除濕子系統(tǒng)與蒸氣壓縮系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)中利用平行通道的除濕轉(zhuǎn)輪。結(jié)果表明，增加了附加的除濕子系統(tǒng)，燃?xì)釩OP提高了40%同時制冷量提高了50%。

　　一種新型的干燥制冷方式，系統(tǒng)被稱為DESRAD系統(tǒng)，系統(tǒng)采取被動的冷卻方式。在熱濕季節(jié)，利用固定在屋頂上的干燥吸附床提供所需要的潛熱和顯熱。白天，利用家用材料存儲濕度和熱量的能力處理室內(nèi)空氣，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)作為備用設(shè)備。干燥劑吸附床用于在夜間對室內(nèi)的空氣進(jìn)行除濕處理。

　　干燥劑除濕器的傳熱和傳質(zhì)過程是相互耦合的，傳熱和傳質(zhì)相互交織，相互影響。對濕空氣而言，熱對流、熱傳導(dǎo)和質(zhì)量對流、分子擴(kuò)散同時存在，相互影響；對干燥劑而言，目前尚缺乏在多孔介質(zhì)中分子擴(kuò)散的一些物性數(shù)據(jù)。而干燥劑材料對濕空氣中對水蒸汽的吸附本身就是一個非平衡的動態(tài)吸附過程，在不同的溫濕度、壓力和空氣流速下，干燥劑材料具有不同的平衡吸附量和動態(tài)吸附力；目前在理論上也尚無統(tǒng)一的動態(tài)的以及平衡的吸附方程，在實(shí)驗上尚缺乏干燥劑材料在一些工況下的動態(tài)吸附數(shù)據(jù)或?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)式。

　　D.Charoensupaya等（1988）利用一個假設(shè)的等溫吸附方程建立了一維的傳熱傳質(zhì)模型，對干燥除濕系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)分析。R.K.Collier等（1991）通過對除濕轉(zhuǎn)輪傳熱傳質(zhì)過程中“熱波”和“濃度波”的分析，指出為使系統(tǒng)的整體性能******應(yīng)該進(jìn)行“分級再生”，同時增加轉(zhuǎn)輪中的惰性熱容。J.Y.San（1993）對交叉流除濕裝置的傳熱傳質(zhì)過程建立了二維的數(shù)學(xué)模型，分析了傳熱單元數(shù)NTU、畢渥數(shù)Bi等因素對系統(tǒng)性能的影響。W.Zheng等（1993，1995）用隱式的有限差分方法對除濕轉(zhuǎn)輪的一維的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速等因素對系統(tǒng)性能的影響。P.Majumdar（1998）對復(fù)合干燥劑孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，該模型綜合考慮了氣側(cè)熱阻和固側(cè)熱阻對傳熱傳質(zhì)的影響。

　　G.R.Thorpe（1998）用數(shù)值方法詳細(xì)分析了用于谷物干燥的硅膠堆積床的傳熱傳質(zhì)過程，該模型應(yīng)用Newton-Raphson方法對硅膠表面空氣的含濕量Yw進(jìn)行迭代求解。Y.J.Dai等（2001）通過數(shù)值計算用參數(shù)分析的方法對除濕轉(zhuǎn)輪的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論。J.L.Niu等（2002）通過對一個二維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解，討論了干燥劑厚度對除濕轉(zhuǎn)輪傳熱傳質(zhì)的影響，指出對于干燥劑而言在某一轉(zhuǎn)速下只有一定厚度的活性層才參加傳熱傳質(zhì)活動。劉曉茹等通過二維動態(tài)數(shù)學(xué)模型分析內(nèi)冷卻緊湊式除濕器傳熱傳質(zhì)過程，計算時采用全隱式有限差分格式對方程組進(jìn)行離散，對流項采用一階迎風(fēng)格式并利用牛頓迭代法求取各種所需參數(shù)的數(shù)值解。

　　概括來說，目前大量的研究主要集中于如何提高干燥劑除濕系統(tǒng)的熱力性能系數(shù)COP和除濕性能方面。事實(shí)上，吸附熱是制約系統(tǒng)性能的主要因素之一，除濕空調(diào)系統(tǒng)在動態(tài)除濕時，由于吸附熱的釋放使除濕劑的溫度升高而大大降低吸濕能力，很難實(shí)現(xiàn)理想的等溫除濕過程，導(dǎo)致整個傳熱傳質(zhì)過程的不可逆損失較大，驅(qū)動系統(tǒng)的再生溫度較高。

　　雖然研究者對解決吸附熱問題做了較多的研究和提出一些辦法，但是到目前為止，吸附熱問題仍未得到很好的解決，本文就以此問題作為主要的研討對象，旨在通過大量研究找到行之有效的解決辦法。