再生式除湿换热器除湿的研究现状及存在的问题

目前常用的干燥剂除湿技术主要包括固体除湿和液体除湿。固体除湿是利用多孔介质的毛细作用将空气中的水分吸附到干燥剂上,目前国内外主要研究两类固体吸附式除湿装置:一类是固定床式除湿器,包括交叉冷却式除湿器;另一类是旋转式除湿器,包括平行通道式除湿转轮和蜂窝状除湿转轮。液体干燥剂除湿以具有吸湿性能的盐溶液(如溴化锂、氯化锂、氯化钙等)作为工作介质,常温情况下一定浓度的溶液其表面蒸汽压低于空气中的水蒸汽分压力,实现水分由空气向溶液转移来达到除湿目的。
相对于传统的冷却除湿技术,固体干燥剂除湿设备简单,在低湿下仍能有良好的除湿效果,在潜热负荷大于显热负荷的地区很实用;还能够将空气处理到较低的露点,而且将干燥剂除湿技术与冷盘管结合起来可以实现温湿度单独控制,耗电少,再生热选择面广,能够利用太阳能、废热等低品位热能;此外,没有氟利昂的排放,环境友好型,干燥剂还能除去空气中污染物而能保证室内空气品质。

最原始的固体除湿是在密封的容器内放置干燥剂进行除湿,如将干燥剂置于食品袋和将臭丸放在衣柜里等。后来出现了将固体吸附剂(如硅胶、分子筛、活性氧化铝、沸石等)作为固定层填充于塔(筒)内进行空气除湿,该除湿方式为间歇方式,需要定期进行脱附处理,而且无论是操作还是控制都不方便。与此同时出现了流化床除湿器,但是其动力消耗较大。为了能连续除湿,出现了两塔并用的除湿器:一塔用于吸附空气水分,另一塔用于再生,经过一定时间后将塔转换,使吸湿与再生互换,如此可连续除湿。最初的两塔并用除湿都是在常压下进行,脱附采用的是热脱附。为了进一步提高除湿的效率和降低脱附所需能量,出现了非加热再生的变压吸附除湿器。
S.Singh等床的系统性能与运行参数、工况等有关。对多层式除湿器干燥剂的再生做了研究,分析了参数如再生空气温度(42℃-72℃)、经过固定床的空气流速(0.175-0.55m/s)和除湿器层数(2~4)对干燥剂再生时间的影响,得到再生时间随着暂停时间的增加而减少。在所研究的固定床空气流速和层数范围内,干燥剂的水分减少比例随着再生温度的增加从42.8%下降到15%.此外,在空气流速为0.175m/s和再生温度为52℃时的所需的能耗最小。冯圣洪等人对硅胶固定式吸附床的不同形状的通道结构进行了实验研究,其中包括:直通道、弯曲通道、螺旋通道。研究得到,螺旋通道在相同流速的条件下吸附/解吸效果而且再生速率高,有潜在的研究价值。该固定床除湿方式为间歇方式,需要定期进行再生处理,而且无论是操作还是控制都不方便。

由于最初的固定床除湿器只有处理空气通道,没有冷却气流通道,床的两面均有干燥剂,这就会有吸附热易积累、难排放而引起床层温度升高导致除湿效率降低的缺点,后逐渐被具有冷却气流通道的床层所取代。具有惰性填充物的冷却床的惰性填充物和冷气流可以同时带走吸附热,从而降低了床层的温度,提高了除湿效率也提高系统的热力性能。后来又出现了具有冷却气流通道的错流床层结构。
一种新型内冷却紧凑式固体干燥剂除湿器,并建立了数学模型,采用数值模拟的方法对该除湿器进行了再生和除湿周期性切换的性能动态模,该除湿器通过在次边通以气流对主边流道进行冷却,能够有效带走吸湿过程产生的吸附热。提出了交叉冷却式固定床,该固定床具有交叉式平行冷却管道,冷却管道交叉地布置在每个除湿管道中,管道内通过冷水或冷空气,在吸附的过程中冷却干燥剂。
对叉流式除湿器性能进行了分析研究,发现该叉流式除湿换热器的COP要比单独使用除湿机时高出53%,达到1.2,而所需的蒸发温度也从单独的除湿机时的11.5℃提高到要高19.3℃。此类除湿器进一步提高了床层的除湿效率。
为了保证能连续除湿,又出现了转轮除湿机。转轮除湿之所以备受青睐,是由于其可连续运转,湿度控制容易,依转盘直径大小可制成各种不同风量的机型,维护容易而且可以充分利用工业余热、废热、天然气、太阳能等低品位热能,能迅速、简便有效地降低空气中的湿度,卓有成效地解决常温低湿、低温低湿等用其他制冷方法无法解决的除湿问题,特别是配套组合处理后空气露点可达到-40℃~-60℃。
但固体转轮除湿机结构复杂,而且除湿过程流体温升较大,一般为30℃;转轮旋转结构容易出现漏风现象,特别是氯化锂除湿转轮转盘具有容易出现过饱和现象而致使吸湿剂流出,或吸水不平衡致使转盘转动时产生摆动的缺点;分子筛转轮除湿机不仅价格较硅胶贵,而且要求转轮再生空气温度高。
为了研究吸附热导致除湿过程偏离理想等温除湿而影响除湿性能的问题。葛天舒等提出了理想的转轮式无限多级除湿空调的概念,其处理过程如图1-2所示,理论上证明此理想流程具有最小的不可逆损失、系统的驱动热源温度而且系统的除湿量,阐明实现该过程对于解决吸附热对除湿性能影响具有重要作用。

转轮的系统性能与参数如再生风速、处理风速、转轮转速、再生温度以及再生风和处理风的工况等有关。如何优化这些参数也成了众多研究者研究热点。用数值模拟的方法在再生温度50℃-150℃的围内对转轮转速和面积比(Ar/Ap)进行了研究,并研究了这些参数对等温线依赖性。此外,干燥剂除湿主要技术核心在于干燥剂材料的选择。目前对干燥剂材料的研究十分活跃,研究方向主要是寻找接近理想吸附性能的吸附剂材料,其中在原有多孔吸附剂中添加其它成分形成高性能的复合吸附剂也是研究人员努力的方向。
对硅胶-氯化锂复合干燥剂强化吸湿机理及其应用进行了研究,研制出复合干燥剂并解决了复合干燥剂的液解问题。实验结果表明复合干燥剂转轮的除湿量比硅胶转轮平均要高50%。尤其在相对湿度较低时,除湿量更高;转速、再生温度和处理空气进口相对湿度对除湿转轮的性能影响比较显著。
针对传统的加热再生方法不仅能耗大,而且能量损失严重,从而限制了一些吸湿性能高、经济性好的固体除湿剂(如硅胶)在除湿空调系统中应用的问题,姚晔提出一种超声波再生技术,从理论上探讨固体除湿剂超声波再生的可行性,并进行实验验证.结果表明,利用超声波进行固体除湿剂再生是完全可行的.超声波再生有望降低固体除湿剂的再生温度。

为了避免单独的除湿系统的弊端,复合系统也成为研究的一个方向。复合系统结合了吸附剂除湿器与传统的冷却系统,这样除湿装置用来处理湿空气的潜热,传统的冷却系统处理空气的显热。因此,复合系统可以实现对空气的温度和湿度单独控制,同时具有节能、体积小等特点。但是复合系统的搭建过程相对复杂,初投资比较大。与R407C压缩式空调系统相结合的固定床除湿系统。实验研究了再生温度、干燥剂质量、空气质量流速、除湿床中抽屉数量及其尺寸对系统COP的影响,结果表明与固体除湿的结合的空调复合系统的压缩机耗电量减少了10.2% 。
比较了许多以天然气为燃料的内燃机驱动的转轮热泵系统的经济性。内燃机的废热用于提供一部分再生转轮所需要的能量。选取了美国的8个城市,其气候特点包括高温高湿、高温干燥以及温湿度适中的,数学模型的结果表明在所有的这些条件下,这些系统的运行成本都低于电驱动的热泵系统。提出了联合发电冷却循环,在这个循环中利用太阳能驱动的Rankine循环产生电能,同时系统中利用冷却器产生的热量进行转轮的再生。将此系统用于一个代表性的建筑中,结果表明比起传统的HVAC系统,此新系统的能量消耗减小了12%。由干燥单元和燃气驱动冷却器组成的复合系统。干燥单元由再生除湿器、换热器、蒸发冷却器、热管和风机组成,干燥单元提供全部的潜热和部分显热。冷却器提供剩余的显热。
发现系统的能量消耗可以减半,平均回收期在两年左右。这就说明一旦此系统中的干燥单元在商业上容易获得,这种系统与传统的系统相比将会有明显的竞争性。研究了一个干燥除湿子系统与蒸气压缩系统相结合的复合系统的性能。系统中利用平行通道的除湿转轮。结果表明,增加了附加的除湿子系统,燃气COP提高了40%同时制冷量提高了50%。

一种新型的干燥制冷方式,系统被称为DESRAD系统,系统采取被动的冷却方式。在热湿季节,利用固定在屋顶上的干燥吸附床提供所需要的潜热和显热。白天,利用家用材料存储湿度和热量的能力处理室内空气,传统空调系统作为备用设备。干燥剂吸附床用于在夜间对室内的空气进行除湿处理。
干燥剂除湿器的传热和传质过程是相互耦合的,传热和传质相互交织,相互影响。对湿空气而言,热对流、热传导和质量对流、分子扩散同时存在,相互影响;对干燥剂而言,目前尚缺乏在多孔介质中分子扩散的一些物性数据。而干燥剂材料对湿空气中对水蒸汽的吸附本身就是一个非平衡的动态吸附过程,在不同的温湿度、压力和空气流速下,干燥剂材料具有不同的平衡吸附量和动态吸附力;目前在理论上也尚无统一的动态的以及平衡的吸附方程,在实验上尚缺乏干燥剂材料在一些工况下的动态吸附数据或实验关联式。

D. Charoensupaya 等(1988)利用一个假设的等温吸附方程建立了一维的传热传质模型,对干燥除湿系统进行了参数分析。R. K. Collier 等(1991)通过对除湿转轮传热传质过程中“热波”和“浓度波”的分析,指出为使系统的整体性能******应该进行“分级再生”,同时增加转轮中的惰性热容。J. Y. San(1993)对交叉流除湿装置的传热传质过程建立了二维的数学模型,分析了传热单元数 NTU、毕渥数 Bi等因素对系统性能的影响。W. Zheng 等(1993,1995)用隐式的有限差分方法对除湿转轮的一维的传热传质过程进行了数值模拟,分析了转轮转速等因素对系统性能的影响。P. Majumdar(1998)对复合干燥剂孔隙结构内的传热传质进行了研究,该模型综合考虑了气侧热阻和固侧热阻对传热传质的影响。
G. R. Thorpe(1998)用数值方法详细分析了用于谷物干燥的硅胶堆积床的传热传质过程,该模型应用Newton-Raphson 方法对硅胶表面空气的含湿量 Yw进行迭代求解。Y. J. Dai 等(2001)通过数值计算用参数分析的方法对除湿转轮的性能进行了详细的分析和讨论。J. L.Niu 等(2002)通过对一个二维数学模型的数值求解,讨论了干燥剂厚度对除湿转轮传热传质的影响,指出对于干燥剂而言在某一转速下只有一定厚度的活性层才参加传热传质活动。刘晓茹等通过二维动态数学模型分析内冷却紧凑式除湿器传热传质过程,计算时采用全隐式有限差分格式对方程组进行离散,对流项采用一阶迎风格式并利用牛顿迭代法求取各种所需参数的数值解。

概括来说,目前大量的研究主要集中于如何提高干燥剂除湿系统的热力性能系数COP和除湿性能方面。事实上,吸附热是制约系统性能的主要因素之一,除湿空调系统在动态除湿时,由于吸附热的释放使除湿剂的温度升高而大大降低吸湿能力,很难实现理想的等温除湿过程,导致整个传热传质过程的不可逆损失较大,驱动系统的再生温度较高。
虽然研究者对解决吸附热问题做了较多的研究和提出一些办法,但是到目前为止,吸附热问题仍未得到很好的解决,本文就以此问题作为主要的研讨对象,旨在通过大量研究找到行之有效的解决办法。

再生式除湿换热器除湿的研究现状及存在的问题

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