固定吸附床结构对再生和除湿效果的影响

杨丽君李维陈立楠郑巧陈巍

(1南京工业大学城市建设与安全工程学院 南京 210009;2浙江曼瑞德自控系统(乐清)有限公司 乐清 325600)

固定吸附床结构对再生和除湿效果的影响

杨丽君1李维1陈立楠2郑巧2陈巍2

(1南京工业大学城市建设与安全工程学院 南京 210009;2浙江曼瑞德自控系统(乐清)有限公司 乐清 325600)

介绍了一种在固定床内通入DN20水管的固定床结构。实验以硅胶为固体吸附材料，向水管中通入不同温度的水，对固定床进行三组实验，利用除湿量、吸附量、吸附能效三个评价指标分析了三组实验的再生能力和吸附效果。结果表明:实验1是再生和吸附效果最佳的一组实验，实验1的解析量是实验2的1.36倍，是实验3的1.12倍；实验1的除湿量是实验2的1.16倍，是实验3的1.17倍。

固定床吸附除湿；实验研究；吸附床结构；吸附能效

近年来，空调系统能耗巨大，约占建筑总能耗的40%～60%[1－2]。其中除湿能耗是空调系统的主要能耗之一。传统的除湿方法是冷却除湿，冷却除湿是用低温冷源将空气降到露点温度以下，使得空气中的水蒸气凝结成水。处理后空气往往温度较低，达不到送风要求，还需要对较低的空气进行加热，空气的再加热增加了能源的浪费[3]。温湿度独立控制系统可避免常规空调系统中因温湿度耦合带来的能源浪费[4]。其中固体吸附除湿系统是一种新型的除湿系统，它的优点主要是无污染，无噪音，可利用低品位能源[5－6]。固体吸附除湿又分为固定床除湿和转轮除湿。由于转轮的除湿过程和再生过程是同时进行的，这样再生和除湿过程的空气难免会相互渗透，影响转轮的除湿，并且在转轮出口的空气温度较高，必须经过处理才能送入室内，而固定床除湿出口温度基本不变，并且吸附床处理的空气量比转轮大。因此固定床除湿正受到越来越多的关注。

固定吸附床是固体吸附除湿系统的核心部分[7]。它的结构是固体吸附剂的再生和除湿效果的重要影响因素之一。本文采用了一种特殊的固定床结构，在固定床模块内通入DN20的水管，在水管内通入不同温度的水，通过三组实验对这种模块的再生和吸附情况进行分析。

1 实验系统及方案

1·1 实验系统

本实验原理为通过空气处理机组的各个功能段来模拟室外空气环境参数，进而分析在该特定吸附床结构下的吸附性能。实验系统在喷嘴段与电加热段之间加三通，在进入吸附床前用风阀进行切换，将尚未满足实验处理要求的空气(包括吸附和再生)先排出，待空气参数满足要求时再切换，然后通入吸附床内，实验台立面图如图1所示。

实验台主要由功能段和吸附段组成。功能段包括空气处理段、喷嘴段、电加热段以及风机段。风机将空气从进风口引进来，经过空气处理段将空气进行初效过滤，加湿或除湿等来调节各种工况，处理后进入喷嘴段，喷嘴段主要用于测量，调节风量。再进入电加热段，再生时开启电加热，将空气加热到再生温度。最后由固体吸附床进行吸附或再生，处理之后将空气排出。

图1 实验台立面图Fig·1 Elevation of experiment system

表1 主要测试仪器列表Tab·1 List of laboratory equipments

实验时，通过温湿度变送器、差压变送器、喷嘴流量计等仪器对吸附床内空气的干球温度、相对湿度、吸附床进出口压降、风量进行测量。为了保证实验数据的可靠性和准确性，对所有的仪器都进行了标定。实验时所用测试仪器如表1所示。由表1可知，仪器的精度较高，因此测试误差对实验结果的影响可忽略不计。

本文设计的固体吸附床结构如图2所示。它是由两个尺寸为600 mm×500 mm×150 mm的模块组成，吸附床外框由镀锌钢板组成，每个模块内部插入5根DN20的PVC水管，进风面白色部分为空气通道，水管外填充粒径为3～5 mm的硅胶，硅胶的堆积密度为550 kg/m3，一个模块内填充硅胶的体积为0.02 m3，空气处理量320 m3/h。空气通道与吸附剂之间和进出风面采用筛网固定，使空气和吸附剂充分接触。空气依次经过模块2，模块1。

图2 吸附床结构图Fig·2 Structure of adsorption bed

1·2 实验方案

本实验主要研究再生时在固定床模块的水管内通入不同温度水后对解析程度的影响，吸附时在水管内通入低温的水后对除湿效果的影响。考虑固体吸附性能还受固定吸附床内进口空气状态、风速、再生温度、吸附材料的影响，为便于分析数据，控制这些影响因素在实验中不变化。实验方案如表2所示。

表2 实验方案Tab·2 Experiment scheme

2 实验结果分析

为了分析固定床除湿性能的优劣，就需要通过以下的评价指标来衡量。

1)空气处理量d:

式中:din、dout分别为固定床进出口湿空气的含湿量，g/kg(a)。再生时，空气处理量为负；吸附时，空气处理量为正。

2)总除湿量D:

式中:D0为固定吸附床内0时刻时除湿量；g取常数0；Qm为固定吸附床内干空气的质量流量，kg(a)/ s；di为第i时刻空气处理量，g/kg(a)；τ为数据采集仪记录数据的时间间隔，取10 s；n＝吸附时间/τ。

3)固定床吸附能效[8]:

式中:dpi、dpo分别为固定床进、出口空气含湿量，g/kg(a)；tpe为单位时间吸附量达到最大值时的出口温度，℃；tpi为固定吸附床进口空气温度，℃。吸附能效反映了吸附容量与吸附剂所耗费吸附自由能之间的关系，吸附能效越大，吸附性能越好。

图3为再生时固定床的解析量随时间的变化图，由图可看出，三组实验基本趋势相似，实验1在解析前250 s时，解析速率迅速上升，250 s时达到最大解析量，为3.0 g/kg(a)，随后解析量处于平稳状态，稍有缓慢下降。在解析前275 s时，实验2和实验3的解析速率迅速上升，到275 s时，实验2和实验3都达到了最大解析量，实验2最大解析量为2.75 g/kg(a)，实验3最大解析量为3.3 g/kg(a)，随后解析量平稳下降。总体来说，实验1的解析量最大，实验3次之，实验2最小。这是因为实验1将55℃的水通入固定床模块的水管内，吸附剂被热水管加热，在相同压力下，吸附剂的温度越高，吸附剂的含湿率越低，吸附剂的解析量越高。因此，实验1的解析量最大。实验2与实验3相比，实验2的水管内通入45℃的水，而实验3吸附床内水管内没有通水，由于水的比热比空气大，因此实验2的吸附剂温度低于实验3的吸附剂温度，由上述可推出，实验2的解析量小于实验3的解析量。随着时间的推进，吸附剂里的水蒸气越来越少，解析越来越困难，因此解析量越来越少。

图4为吸附时固定床的空气处理量随时间的变化图，由图可看出，三组实验吸附量基本趋势相似。开始吸附时，吸附剂的性能较强，随着时间的进行，吸附性能越来越弱，直到最后吸附剂中的水蒸气达到饱和，失去吸附能力。三组实验最大时的吸附量分别为2.5 g/kg(a)，3.2 g/kg(a)，2.5 g/kg(a)。实验2的最大吸附量最大，变化速率也较大，到了1250 s后，实验2的吸附量下降到三组实验最小的吸附量。

图3 不同实验下的再生解析量随时间的变化Fig·3 Variation of desorption with time for different regenerated experiment

图5为吸附能效随吸附时间变化的曲线，图5与图4的吸附量变化曲线相似。吸附能效反应了吸附效果的好坏，吸附能效越大，吸附效果越好。开始吸附时，吸附能效都达到最大值，实验1和实验2都达到0.16，实验3为0.14。在吸附前725 s时，吸附能效迅速下降，随着吸附能效下降越来越缓慢，最后保持不变。实验1和实验2开始时吸附能效较大是因为在固定床模块的水管内被通入了28℃的水，吸附剂吸附水蒸气的同时也放出了吸附热，对吸附床内的空气进行加热，空气温度越高，吸附效果越差。但是实验1和实验2在水管内被通入了28℃的水后，固定床内的空气又被再一次降温，而实验3无法降温，因此实验1和实验2开始时吸附能效较大。随着时间的进行，模块内的冷水管水温逐渐上升，失去了降温的功能。实验2比实验1吸附能效下降速率大，是因为再生时实验1的解析量较大，解析更完全，当到吸附时，吸附量也就较大。实验2和实验3的吸附能效变化速率相似，分辨不出哪组实验吸附效果好，只能通过总除湿量进行比较。

图4 不同实验下空气处理量随时间的变化Fig·4 Air productivity change with time at different experiment

图6为三组实验在除湿3600 s内的总除湿量，从图中可以看出，实验1的总除湿量最大，实验2和实验3的总除湿量基本相同，3组实验总的除湿量分别为520 g，448 g，445 g，实验1的总除湿量是实验2 的1.1倍，是实验3的1.17倍。因此，实验1的吸附效果最好，实验2和实验3的吸附效果基本一样。

图5 吸附能效随吸附时间的变化Fig·5 Variation of adsorption efficiency ratio with time

3 结论

固定吸附床是除湿系统的核心部分，对吸附效果产生重要的影响。本文设计了一种特殊的固定床结构，通过改变吸附床模块内部水管的温度，做了3组实验进行分析，得出以下结论:

图6 三组实验的总除湿量Fig·6 The total amount of dehumidification of the three experiments

1)再生时，将55℃水通入吸附床模块的水管时，解析量最大，是通入45℃水的解析量的1.36倍，是不加水的解析量的1.12倍。这是因为加了55℃水的水管对吸附床内吸附剂快速加热，吸附剂温度越高，单位时间内解析量越大。而加45℃水的水管对60℃的空气进行降温，空气对吸附剂的加热有限，因此单位时间内吸附剂的解析量较小。

2)吸附时，实验1的除湿量最大，实验2和实验3的除湿量基本相等，实验1的除湿量是实验2的1.16倍，是实验3的1.17倍，因此实验1的除湿效果最好。原因有两方面:其一，实验1再生时解析量最大，其二，吸附时在模块的水管内加入28℃的冷水，降低了床体温度和38℃的进气温度，温度越低，除湿效果越好。双重因素导致了实验1的除湿量最大。实验2和实验1相比，吸附条件是一样的，但是实验2在再生时解析量较小，解析的不完全，因此实验2的除湿量相比实验1较小。

3)由结论1和结论2可以看出，实验2通入45℃的热水以及28℃的冷水，增加了能耗，而对除湿效果没有较大的改变，因此实验2浪费了能源。实验1对除湿效果有了一定的改善，可进行进一步的研究。

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About the corresponding author

Yang Lijun，female，graduate student，Nanjing Tech University，＋86 18761686320，E-mail:240804826＠qq.com.Research fields:development and applied for petrochemical plant energysaving technologies，energy-saving technology for construction and building environmental equipment，and control and research for indoor air quality.The author takes on project supported by Jiangsu College Graduate Research and Innovation Projects:strategy study of radiation cooling and independent fresh air control(No. CXLX13_420).

Effect of Fixed Adsorption Bed Structure on Regeneration and Dehumidification

Yang Lijun1LiWei1Chen Linan2Zheng Qiao2Chen Wei2

(1.College of Urban Construction and Safety Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing，210009，China；2. Menred Controls System(Yueqing)Co.，Ltd.，Yueqing，325600，China)

Aspecial fixed bed structure is introduced，in which DN20 water pipes pass through the fixed bed.Silica gel is used as solid adsorptionmaterials of fixed bed，and waterwith different temperatures is supplied in the pipes in the experiment.The regeneration capacity and adsorption effect in the three experiment cases are compared by three evaluation indexes，i.e.，dehumidifying capacity，adsorption capacity and energy efficiency ratio.Experiment1 is best in regeneration capacity and adsorption effect.The analytical capacity of experiment1 is 36%greater than experiment2 and 12%than experiment3.The dehumidification capacity of experiment1 is16%greater than experiment2 and 17%than experiment3.

fix bed adsorption dehumidification；experimental analysis；adsorption bed structure；adsorption efficiency ratio

TU834.9；TQ051.1＋4

A

0253－4339(2015)02－0101－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.101

简介

杨丽君，女，在读硕士研究生，南京工业大学，18761686320，E-mail:240804826＠qq.com。研究方向:石化装置节能技术的开发与应用研究、建筑与建筑环境设备节能技术、室内空气品质控制与研究。现在进行的研究项目有:江苏省普通高校研究生科研创新计划——辐射供冷与独立新风联合系统控制策略研究(CXLX13_420)。

2014年5月3日