内循环式封闭空间膨胀珍珠岩除湿试验研究

陈小兰,赵 映,朱和霖,孙 敢,王洪亮,张瑞宏

(1.扬州技术师范学院,江苏扬州 225009;2.扬州大学机械工程学院,江苏扬州 225009)

1 前言

吸附除湿法是采用吸附材料吸附空气中的水蒸气,这种除湿法分静态和动态两种[1,2]。对于静态吸附方法,当室内的容积增大时,就要增多吸附剂量,并且需要经常更换吸附剂,很不经济,显然动态吸附比静态吸附效果更好[3～5]。而动态吸附处理空气量大,可在低温、低湿状态获得低露点的空气,再生热源除使用电能外,还可利用蒸气、煤气、太阳能、工业废热等低品位的热源,节约大量的能源,不用压缩机,没有氟氯烃对大气臭氧层的污染问题[6～9]。设备在接近大气的条件下运行,旋转部件少,结构和维护简单,噪声低,运行可靠,因而这种除湿法受到广泛重视[10]。文章设计了一种适合封闭空间除湿的吸附除湿系统,对用于除湿的吸附剂层数、分布密度以及通过吸附剂层的空气流速等因素与除湿效果、能耗的关系进行了研究。

2 试验设计

吸附除湿系统原理如图1所示,由加湿系统、除湿系统、测试系统等组成。a.加湿系统采用超声波高频振荡,将水雾化为1～5 μ m的超微粒子,通过风动装置将水雾扩散到空气中,从而达到均匀加湿空气的目的。标准加湿量为大于或等于250 mL/h,水箱容积为5 L。b.除湿系统包括离心风机、电动机、调速器、吸附剂层等。c.测试系统测量的值为电动机能耗、时间及湿空气的流速,其中电动机能耗由电表直接读数,除湿用时由人工气候室的控制面板上的时控器记取,湿空气的流速由86型多功能测速仪测量。

图1 吸附除湿系统原理Fig.1 Principle of adsorption dehumidification system

试验过程中吸附剂初始层数为两层,吸附剂铺放密度为2 505.7 g/m2。湿空气气流速度为0.2、0.5、0.7、0.9 m/s。试验所用的仪器及工具是感量为1 g的架盘天平、YC-D205型亚都超声波加湿器、86型直读式多功能测速仪、电表。供气系统为人工气候室:容积为 3 350 mm×1 850 mm×2 450 mm,工作环境温度为20℃,相对湿度80%,通过除湿过程要求将相对湿度降至60%,人工控温精度为±1℃,控湿精度为 ±10%。试验中选用膨胀珍珠岩作为吸附剂。其颗粒内部是蜂窝状结构、无毒、无味、不腐、不燃、耐酸、耐碱。特点是容积密度轻、绝热及吸音性能好,具有吸附能力。此种吸附剂中含质量分数为69%～72%的SiO2,12%～18%的Al2O,还有少量的 K2O、Na2O、Fe2O3、CaO、MgO等。一般吸附剂层数越多越有利于除湿,试验选定3层吸附剂层,并将放置吸附剂层的支承板设计为钢丝网状的板。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

湿空气流速、吸附剂层数、吸附剂铺放密度等参数对除湿系统的除湿性能有直接关系。在除湿过程中,进行了湿空气流速、吸附剂层数和吸附剂铺放密度的单因素试验和三因素三水平正交试验,初始状态的湿度为80%,试验指标为除湿量的单位能耗和除湿耗时。测量结果见表1。

表1 除湿性能试验测量结果Table 1 Results of dehumidification performance tests

3.2 分析与讨论

3.2.1 湿空气流速对除湿性能的影响

图2为湿空气流速与单位耗能和除湿消耗时间的关系。从图2中可以看出,增大流速对除湿过程是有利的,这与普通干燥机相反。对于普通干燥机而言,增大气流速度,会使排出干燥器的废气带走的热量增加,致使热损失提高,单位热耗增加,从而干燥机的热效率降低。但随着气流速度增大至一定程度,由于空气流量急剧增大,能量消耗也增大,单位能耗便不再降低,甚至可能增大。因此,这种吸附除湿法在一定范围内可采用相对较高的湿空气流速,提高除湿效率。

图2 气流速度对除湿性能的影响Fig.2 Influence of air velocity on dehumidification performance

3.2.2 吸附剂层数对除湿性能的影响

试验时湿空气流速为0.5 m/s,吸附剂铺放密度为2 871.4 g/m2,吸附剂层数的为1,2,3层。结果如图3所示。由图3可见,随着吸附剂层数的增加,除湿能耗和除湿耗时都逐渐减少。其原因是随着吸附剂层数的增加,湿空气与吸附剂球之间传质较充分,除湿能力提高,去水量增大,所用的时间就相对减少,单位耗能就下降了。

3.2.3 吸附剂铺放密度对除湿性能的影响

试验时湿空气初始流速为0.7 m/s,吸附剂层数为3层,吸附剂铺放密度为:2 150.0、2 505.7、2 871.4 g/m2。试验结果如图4所示。由图4可知,随着吸附剂铺放密度的增加,除湿能耗和除湿用时都降低,除湿效果有利。其原因是随着吸附剂铺放密度的增加,湿空气流与吸附剂颗粒之间的总传热传质面积增大,从而提高了湿空气与吸附剂颗粒之间的传热传质能力。由此导致单位时间内去水量增大,即除湿速率增大,所以单位能耗下降,除湿耗时相对减少。

图3 吸附剂层数对除湿性能的影响Fig.3 Influence of number of adsorbent piles on dehumidification performance

图4 吸附剂铺放密度对除湿性能的影响Fig.4 Influence of adsorbent laying density on dehumidification performance

3.2.4 除湿影响因素分析

各参数的影响见图5所示。由图5可以看出,对于SPC来说,参数的最佳组合为u3,n3,X3;对于T来说,参数的最佳组合为u3,n3,X2。

图5 各因素对SPC指标的影响Fig.5 Influence of each factor on SPC

2)计算各项指标的极差,在表1中,各试验指标的极差为:

式(1)中,Ymaxj为该指标试验结果中的最大数;Yminj为该指标试验结果中的最小数。

由此,SPC极差R1=0.000 5,T极差R2=56。

3)计算各项试验指标观察值的评分值,将观察值的极差Rj分为100分,中间的值YM与最差值Ymin(或Ymax)的差越大,得的分越高,其计算式为:

式(2)中,Yj为各项试验指标观察值的评分值。

对于除湿能耗:

对于除湿耗时:

4)因素、水平的权数如表2所示。

表2 各因素、水平的权数Table 2 Weight of each factor and level

由表2可以看出,Wu3＞Wu2＞Wu1,Wn3＞Wn2＞Wn1,WX3＞WX2＞WX1。所以其最佳组合应为u3,n3,X3;其次是 u2,n2,X2。

4 结语

1)随着气流速度的增加,除湿速度也就随之增大,除湿耗时也相应地减少,在一定范围内可采用相对较高湿空气流速,提高除湿效率。

2)随着吸附剂层数的增加,除湿能耗和除湿耗时都逐渐减小,除湿能力提高,去水量增大,单位耗能下降。

3)随着吸附剂铺放密度的增加。除湿能耗和除湿耗时都降低,对除湿效果有利。

4)对于除湿能耗S,除湿耗时T的影响,参数u为最大,其次是n,再次是X。除湿影响因素正交试验的最佳组合应为:湿空气流速u为0.9 m/s,吸附剂层数 n为 3层,吸附剂铺放密度 X为2 871.4 g/m2。

[1]Trigui M,Barrington S F,Gauthier L.Effects of humidity on tomato wateruptake,yield,and dehumidification cost[J].Canadian Agricultural Engineering,1999,41(3):135-140.

[2]Araki V.Effects of environmental conditions on plant water status in tomato[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science,1993,61(4):827-837.

[3]Xu H L,Wang R,Gauthier L,et al.Tomato leaf photosynthetic responses to humidity and temperature under salinity and water deficit[J].Pedosphere,1999,9(2):105-112.

[4]Tauscher R,Dinglreiter U,Durst B,et al.Transport processes in narrow channels with application to rotary exchangers[J].Heat and Mass Transfer,1999,35:123-131.

[5]Zhang L Z,Jiang Y.Heat and mass transfer in a mmbrance-based enthalpy recovery ventilatior[J].Journal of Membrance Science,1999,163(1):29-38.

[6]Niu J L,Zhang L Z.Membrance-based enthalpy exchanger:material considerations and clarification of moisture resistance[J].Journal of Membrance Science,2001,189(2):179-191.

[7]Zhang L Z,Niu J L.Effectiveness correlations for heat and moisture transfer processes in an enthalpy exchanger with membrance cores[J].ASME Journal of Heat Transfer,2002,122(5):922-929.

[8]Zhang Y P,Jiang Y,Zhang L Z,et al.Analysis of thermal performance and energy saving effect of membrance based heat recovery ventilator[J].Energy,2000,25(6):515-527.

[9]Pieters J G,Deltour J M J J,Debruyckere M J G.Onset of ondensation on the inner and outer surface of greenhouse covers during night[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1995,61(3):165-171.

[10]Uzun S,Demir Y,Cemek B.The effect of different roof ntilation gaps and plastic types applied to plastic greenhouse on the growth,development and yield of some vegetable crops[J].Ondokuzmayis Universitesi,Ziraat Fakultes Dergist,2000,15(1):46-55.