不同干燥剂转轮的除湿性能

代咪咪，邹同华，严雷，贾贾

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

在我国，建筑能耗占据能源总消耗量的比例越来越大，其中暖通空调系统的能耗约占建筑能耗的50%～60%[1]，而空调能耗中有30%～50%[2]是用来降低空气中含湿量的。故而如何减少空调系统中除湿能耗已成为空调系统节能研究的一个重要方向。温湿度独立控制空调系统是一种将室内温度和湿度分开控制的新型空调系统。与传统空调系统相比，它既避免了热湿负荷耦合处理造成的能量浪费，又能充分满足人们对室内湿度的要求。应用于新型空调系统的各类除湿方法中，转轮除湿以其良好的除湿性能引起了国内外众多学者的关注[3-8]。

转轮除湿是利用干燥剂吸附处理空气中的水分从而降低空气含湿量的方法。其中干燥剂性能的好坏是影响转轮除湿性能的关键因素。目前应用于除湿转轮的干燥剂主要有氯化锂、硅胶和分子筛等，但这些干燥剂分别在吸湿性和稳定性等方面存在缺点。复合干燥剂的出现弥补了单一材料的不足，使其性能得到了改善。贾春霞等[9-10]测试了新型复合干燥剂和硅胶的平衡吸附性能，结果显示前者的吸湿能力是后者的2 倍以上，并对硅胶基复合干燥剂转轮最优转速进行了分析。蒋赣等[11]采用硅溶胶作为分子筛的黏合剂、分散剂制备了陶瓷纤维基硅胶/分子筛复合吸附剂，具备不同湿度条件下较高的静态和动态吸附量。方玉堂等[12]讨论了硅溶胶浓度、分子筛含量等对复合物吸附性能的影响。本文通过实验对比分析了60℃和80℃再生温度下3种干燥剂转轮的除湿性能。

1 实验装置介绍

实验装置如图1 所示，主要包括：温湿度调节箱、除湿转轮、再生加热器、电极式加湿器、控制系统、风机以及过滤装置等。部分试验台仪器参数见表1[13]。实验中：处理空气通过过滤器进入温湿度调节箱，经加湿、加热或冷却到实验工况后进入转轮除湿区进行除湿；再生空气通过过滤器后经加热加湿到所需温度和湿度后送入转轮的再生区，处 理空气与再生空气在转轮中反向流动。

图1 除湿转轮性能测试实验台

表1 部分实验台仪器的参数

实验所用到的测量仪器有：温湿度传感器（处理侧和再生侧温度测量范围分别为-40～60℃和-40～120℃，精度为±0.3℃；湿度测量范围0～100%，精度±3%）、风速传感器（测量范围1～5m/s，精度±2%）。

实验对象为3 个不同材料的转轮，由厂家定制。分别是聚苯硫醚（PPS）硅胶转轮、PPM 分子筛转轮和厚度都是100mm 的PPS 与PPM 加工在一起的转轮。PPS 硅胶转轮具有82%的活性硅胶上胶率，PPM 分子筛转轮含有37%的分子筛和45%的活性硅胶。

2 实验方案

采用单因素变量方法设计实验，在选定实验的基准工况参数后，分别控制单一变量对实验进行测量记录，依次调节影响除湿性能的5 个因素。每一个参数的选择，以空调系统运行过程中可能会遇到的室外空气参数为依据（表2）。

表中水平2 是设定的基准工况参数。再生湿度为5%，分别在60℃、80℃再生温度的条件下，依次改变实验中要研究的单个因素进行试验，同时其他因素设定为基准工况参数。

表2 实验工况参数

3 除湿性能评价指标

采用除湿性能系数（DCOP）和除湿量（D）作为评价指标，对处理侧空气入口温湿度、处理和再生风速、转轮转速等影响因素进行分析。DCOP 是对除湿转轮整体除湿性能和能源利用情况的综合评价，DCOP 越高，说明转轮的除湿性能越好；除湿量D反映了转轮处理侧空气在经过转轮前后的湿度变化情况，除湿量越大，说明其除湿能力越高[14]。

（1）除湿性能系数

式中，qm,p、qm,r分别为处理空气和再生空气质量流量，kg/s；L 为水蒸气的蒸发潜热，J/kg；Yp1、Yp2分别为处理空气进出口含湿量，kg/kg；hr1、hr2分别为再生空气进出口比焓，J/kg。

（2）除湿量

式中，Wp1处理空气进口含湿量，g/kg；Wp2处理空气出口含湿量，g/kg。

4 结果与分析

4.1 处理空气入口温度对除湿性能的影响

由图2 和图3 可知，当处理侧温度从20℃升高至40℃，3 种不同干燥剂材料转轮的除湿量和除湿性能系数整体上均是减小的，而PPM 分子筛转轮在60℃下的除湿量是先略微升高再降低。这是由于随着处理空气温度升高，干燥剂材料进入再生区时的初始温度增大，在再生区温度升高较为迅速，再生效果提高，但继续增大不利于处理侧干燥剂对处理空气中水分的吸附。60℃再生温度时，PPS 硅胶转轮和PPS/PPM 各半转轮的除湿量、除湿性能系数比较接近。再生温度升高到80℃，相比60℃，3 个转轮的除湿量和除湿性能系数都明显增大，其中PPM/PPS 各半转轮的除湿量和除湿性能系数最大。 这是由于再生温度升高，各半转轮PPM 分子筛一侧的再生效率大大提高。

图2 处理空气入口温度对除湿量的影响

图3 处理空气入口温度对除湿性能系数的影响

4.2 处理空气入口相对湿度对除湿性能的影响

由图4 和图5 可知，3 个转轮的除湿量和除湿性能系数随着入口空气相对湿度的增加而增大。当再生温度为60℃时，PPS 硅胶转轮和PPS/PPM 各半转轮的除湿量比PPM 分子筛转轮都大，而3 个转轮的除湿性能系数相差不大。在80℃再生温度下，随着处理侧入口相对湿度从70%增大到90%，PPS硅胶转轮的DCOP 提高了43.2%，除湿量增加了2.5g/kg。相比另外两个转轮，变化量最大，说明高湿度工况下，硅胶转轮的除湿性能最好。

4.3 处理空气入口风速对除湿性能的影响

如图6 所示，PPS 硅胶转轮除湿量随处理风速的增大而减小，60℃再生温度下，其除湿量降低了23.4%；80℃再生温度下，降低了28.4%；PPM 分子筛转轮，在再生温度为60℃和80℃条件下，除湿量分别提高了9.3%和8.4%；由于分子筛材料的动态吸湿能力要优于硅胶，所以当处理风速增大时，其除湿能力增强，表现在除湿量上就是除湿量的增加。60℃再生温度时，PPS/PPM 各半转轮的除湿量与PPS 硅胶转轮相差很小，80℃时PPS/PPM 各半转轮的除湿量较大。PPS/PPM 各半转轮在处理侧受到硅胶材料的影响，当再生温度升高后，除湿量增加，但是不如PPM 分子筛的除湿量高。

如图7 所示，当再生温度为60℃和80℃时，PPS 硅胶转轮和PPM/PPS 各半转轮的DCOP 均随处理风速的增大先升高后降低，PPM/PPS 各半转轮的DCOP 值较高。PPM 分子筛转轮DCOP 随着处理风速的增大而升高。当处理风速在3.5m/s、再生温度80℃时，PPM 分子筛转轮的DCOP 值最高。

4.4 再生空气入口风速对除湿性能的影响

如图8 所示，3 个转轮的除湿量都随着再生风速的增大而增大。当再生风速增大到2.5m/s 时，60℃和80℃下PPS/PPM 各半转轮的除湿量分别为7.06g/kg 和9.33g/kg，比另外两个转轮都大。

如图9 所示，当再生风速从1.5m/s 增大到2.5m/s，3 个转轮的DCOP 都是升高的。60℃再生温度下，再生风速为1.5m/s 和2.0m/s 时，PPS 硅胶转轮和PPS/PPM 各半转轮的DCOP 相差不大；到了2.5m/s 时，PPS/PPM 各半转轮的DCOP 明显较大。而80℃再生温度下，PPS/PPM 各半转轮的DCOP 始终是最大的。说明拥有较高再生温度时，再生风速越大越有利于PPS/PPM 各半转轮进行除湿。

图4 处理空气入口相对湿度对除湿量的影响

图5 处理空气相对湿度对除湿性能系数的影响

图6 处理空气入口风速对除湿量的影响

图7 处理空气入口风速对除湿性能系数的影响

图8 再生空气入口风速对除湿量的影响

图9 再生空气入口风速对除湿性能系数的影响

4.5 转轮转速对除湿性能的影响

如图10 所示，PPS 硅胶转轮和PPM 分子筛转轮的除湿量随转轮转速升高而增大。相比60℃再生温度，80℃时PPS 硅胶转轮的除湿量增大的较快。60℃和80℃再生温度下，随转速从6r/h 增大到10r/h，PPM 分子筛转轮除湿量分别增加了1.3g/kg和0.9g/kg。PPS/PPM 各半转轮在60℃再生温度时的除湿量与转速呈负相关，随着转速增加而减少；而80℃再生温度下，除湿量先略微增大后减小，变化幅度很小。说明各半转轮在8r/h 附近已经达到最优转速。

如图11 所示，PPS 硅胶转轮的DCOP 随转速增加而增大。当再生温度为60℃时，10r/h 时的DCOP 较6r/h 时提高了42.4%；当再生温度为80℃时，10r/h 时的DCOP 较6r/h 时提高了1 倍。PPM分子筛转轮的DCOP 也随着转速的增大而提高。再生温度为60℃时，PPS/PPM 各半转轮的DCOP 随转速升高而降低，变化幅度很小；80℃时，先略微增大再减小。

5 结 论

图10 转轮转速对除湿量的影响

图11 转轮转速对除湿性能系数的影响

通过实验，改变影响转轮除湿性能的6 个因素， 对比分析了3 种不同干燥剂除湿转轮的除湿量和除湿性能系数，得出以下结论。

（1）在基准工况下，3 个转轮60℃再生温度时的DCOP 相差不大，80℃下，DCOP 从高到低依次为PPS/PPM 各半转轮，PPS 硅胶转轮，PPM 分子筛转轮。PPS 硅胶转轮和PPS/PPM 各半转轮的除湿量较为接近，都大于PPM 分子筛转轮。再生温度从60℃提高到80℃，3 个转轮的除湿量和除湿性能系数均增大1 倍左右。

（2）对比分析发现：PPS 硅胶转轮适用于入口空气湿度较高的工况；而 PPM 分子筛转轮和PPS/PPM 各半转轮适用于具有较高处理温度的工况。处理风速大大提高时，对于PPM 分子筛转轮提高除湿性能最为有利。相比其他两个转轮，PPS/PPM各半转轮的最优转速最小，为8r/h 左右。

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