除湿换热器串联换热器强化除湿降温性能实验研究

(上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240)

除湿换热器串联换热器强化除湿降温性能实验研究

曹 伟 葛天舒 郑 旭 代彦军 王如竹

(上海交通大学机械与动力工程学院上海200240)

除湿换热器可以同时处理显热与潜热负荷，但由于吸附热的影响，存在热湿负荷处理不同步及显热负荷处理能力不足的问题。本文提出了在除湿换热器后面串联一个显热换热器对空气进行二次处理，搭建了实验台对除湿换热器串联换热器情况下除湿降温过程的动态性能进行测试，并且在实验中分析了水温、进风温度、湿度、速度等主要参数对除湿量、降温量、制冷功率、COP的影响。结果表明：增加显热换热器可以大幅度增加处理空气的平均降温温差，在除湿初期阶段效果尤为明显，同时系统的制冷量也明显提高。此外，分析各参数对实验结果的影响可知，冷水温度与热水温度升高都可以有效提高系统制冷量与COP，空气的温湿度升高会提升系统性能，空气流速变慢对系统平均除湿量与有效除湿时间有明显的提升。

除湿；除湿换热器；显热换热器；串联；吸附热

传统压缩式空调能够有效处理显热负荷，而在处理潜热负荷的过程中需要将空气温度降低到露点温度以下，使空气中的水蒸气冷凝成液态实现除湿过程，而蒸发温度过低会导致系统COP降低。新型除湿方式主要有溶液除湿及固体吸附剂除湿两种[1]。

固体除湿中应用较广泛的是转轮除湿[2]，但除湿过程中除湿剂的吸附热会导致更多的不可逆损失及更高的再生温度，同时辅助热源也会增加空调系统的复杂性[3]。内冷式除湿器[4]能够较好的解决这个问题，这种除湿器主要通过在除湿器中通入低温液体来带走初始过程中产生的吸附热。除湿换热器是当前的研究热点之一[5-8]，除湿换热器是将除湿材料涂覆在翅片管换热器的表面，在除湿过程中，空气从翅片表面流过时空气中的水蒸气会被除湿材料吸附，而吸附热则被换热器铜管中的水带走，同时还能实现降温功能，这样就实现了用一个部件同时处理显热及潜热负荷。

T. S. Ge等[9]对硅胶及聚合物的除湿效果进行了对比，发现硅胶无论是在瞬时除湿率、除湿平均值及有效除湿时间上都有更好的表现。葛天舒等[10]对除湿换热器的除湿过程进行数值模拟，发现除湿及再生的切换时间也是影响除湿性能的重要因素之一。T. S. Ge等[11]和A. Kumar等[12]分别用模拟与实验的方法验证了将太阳能作为再生热源的可行性，结果表明该系统具有稳定持续的除湿能力。对固体除湿系统而言，除湿材料的吸附能力是影响除湿能力的重要因素之一，将硅胶在浸泡吸湿盐溶液中进行改性是最简单有效的增加吸附能力的方法。国外学者[13-15]对除湿换热器的热泵系统进行了研究，结果表明这种热泵系统能够在较高的蒸发温度下稳定运行。江宇等[16]用实验的方法对涂覆硅胶及复合硅胶的除湿换热器的除湿性能进行了对比，结果表明涂覆复合硅胶的除湿换热器的除湿性能要优于涂覆硅胶的除湿换热器。

总结以上研究成果，除湿换热器的确能够有效地处理潜热负荷，然而也暴露出其显热负荷处理能力不足的问题。因此，本文提出了在除湿换热器后面再串联一个换热器来对空气的显热负荷进行二次处理，搭建了除湿换热器串联换热器热力性能测试实验台并进行了研究。

1 实验台介绍

1.1实验系统简介

图1所示为除湿换热器串联换热器热力性能测试实验台原理与实物图。该实验台由两个子系统组成，分别是除湿降温系统及冷热水供应子系统，除湿降温子系统放置在一个恒温恒湿房间中，除湿换热器与换热器串联在一个风道中，风道表面有保温棉包裹，风道截面长230 mm，宽200 mm。风道出口安装一直流风机将空气引入风道，风机的最大风量与功率分别是360 m3/h与40 W。引风机与换热器距离为300 mm，换热器与除湿换热器距离为500 mm，除湿换热器与风道入口距离为500 mm。此外，水路上除湿换热器与换热器并联，由同一个恒温水槽同时给两个换热器提供热源或冷源，水管外表面包裹有厚度为9 mm的保温管，以尽可能的降低循环水路中的热损失。

采用涂覆工艺对翅片管换热器表面来制作涂覆硅胶及复合硅胶的除湿换热器，换热器尺寸为长230 mm，宽200 mm，厚45 mm，翅片的厚度为0.115 mm，翅片间距为1.5 mm，铜管的内外径分别为7.8 mm与8.8 mm，换热面积为1.7 m2。涂覆硅胶的除湿换热器制作过程主要分3步：1)将翅片管换热器放入0.1 mol/L的NaOH溶液中浸泡1 min，去除翅片表面的污渍及杂质，再放入烘箱中充分烘干；2)采用静电喷涂的工艺将硅胶颗粒均匀喷涂在翅片表面以增加表面粗糙度与附着力；3)将换热器放入硅溶胶溶液中浸泡2 h，再放入烘箱中烘干，并重复此步骤多次直至硅胶附着量达到要求[17]。

实验中选用介孔硅胶颗粒，硅胶颗粒的直径为150～290 μm，选用SiO2含量为30%的硅溶胶溶液，溶液pH=9。换热器原始质量为997.3 g，涂覆硅胶后质量为1 295.9 g。图2所示为除湿换热器与换热器的对比。

图2 除湿换热器(左)与显热换热器(右)对比Fig.2 The comparison between desiccant coated heat exchanger and sensible heat exchanger

冷热水供应子系统由两个30 L的恒温水槽组成，分别提供系统所需的冷水及热水，代替提供冷水的冷却塔与提供热水的辅助热源。恒温水槽提供的最大水流量为16 L/min，水温控制精度为±0.05 ℃，制冷功率为2.7 kW，制热功率为3 kW。

降温除湿子系统放置在一个恒温恒湿房中，房间的温湿度可以人为控制。房间尺寸为长3 m，宽3 m，高2.45 m，房间的温度控制范围为-10～40 ℃，精度为±0.2 ℃，房间相对湿度控制范围为30%～90%，精度为±5%。

1.2测试仪器

实验通过测试空气侧及水侧的参数变化来对实验系统的热力学性能进行评价，空气侧参数包含除湿换热器进出口的空气温湿度，换热器出口空气温度、风速；水侧参数包含两个换热器进出口的水温，流经两个换热器的流量。空气温湿度的测量采用两台双通道高精度的温湿度变送器(KIMO Instruments，TH 110-PNA)，温度测量范围是20～80 ℃，精度为±0.2 ℃，相对湿度测量范围是0～100%，精度为±1.7%RH。风速的测量采用热线风速仪(Kelong-VA40)，测量范围与精度分别为0～50 m/s、±0.015 m/s，进而计算出空气流量。换热器出口温度及水温的测量采用Pt100铂电阻，精度为±0.15 ℃。水流量采用两个玻璃转子流量计测量，测量范围与精度分别为25～250 L/h、±4%。所有的传感器测得的数据通过一台数据采集仪(Agilent 34972)采集并输送到电脑，数据采样时间设置为6 s。

1.3性能指标与误差分析

瞬态除湿率Dt通常用来评价系统的动态除湿性能，瞬态除湿率的定义由公式(1)确定：

Dt=da,in-da,out

(1)

式中：da,in与da,out分别为除湿换热器的入口与出口含湿量，g/kg干空气。

随着吸附时间的增加，除湿材料的的吸水量会逐渐增大并最终达到饱和状态，除湿材料的吸水率会随着吸附时间的增加而逐渐降低。因此，需要对有效除湿时间进行定义来确定有效除湿过程，有效除湿时间te的定义由公式(2)和(3)确定[11]：

(da,in-da,out)/da,in|te-ts≥5%

(2)

(da,in-da,out)/da,in|te<5%

(3)

式中：ts为循环开始的时刻。

由此，可以定义有效除湿时间内的平均除湿量Davg：

(4)

(4)换热器水侧的平均换热量可以由公式(5)来确定：

(5)

换热器空气侧的平均换热量可以由公式(6)来确定：

(6)

使用COP来描述整个系统的能量利用率，数值上表示为有效除湿时间内空气侧的平均换热量与相对应有效再生时间内水侧的平均换热量的比值：

COP=Qa/Qw

(7)

由于实验所用的传感器存在误差，所以计算所得实验结果也就存在了不确定度，误差分析可以通过计算实验结果的不确定度来表示，公式(8)和(9)通常用来表示不确定度。

式中：f为通过测量参数计算的实验指标函数；x1,x2等为测量参数(在本实验中，主要包括空气的温湿度和风速，水的温度和流量)；Δx1, Δx2为测量参数的绝对误差；Δy/y为计算指标的相对误差。通过以上公式可以计算出Davg、Qa、Qw与COP的相对不确定度分别为10.3%、10.4%、10.8%与15.0%。

图3所示为空气侧与水侧平均换热量对比，分析图中数据可知：在除湿换热器与换热器共24组数据的结果中，空气侧与水侧的能量误差均在±20%以内，平均误差为10%，除湿换热器与换热器的空气侧与水侧基本满足能量平衡。根据实验不确定度及能量平衡，可以认为实验结果在可以接受的误差范围内。

图3 空气侧与水侧平均换热量对比Fig.3 Energy balance verification of the experimental results

2 动态性能分析

从动态的角度分析该实验系统的除湿降温性能，表1为实验工况，实验测试过程中，每个除湿及再生循环均稳定运行10 min，数据采集仪采样时间为6 s，每组实验都运行6个周期，并计算其平均值以减小实验过程中的偶然误差。

表1 循环切换时间为10 min时的动态性能测试工况Tab.1 Dynamic performance test under the conditionof 10 minutes cycle switch time

图4所示为冷水15 ℃时通过除湿换热器与换热器的空气温湿度及制冷量动态变化。图中前600 s表示再生过程，后600 s表示除湿过程。ΔDa为空气流经除湿换热器前后的含湿量之差；Δta1与Δta分别为空气经过除湿换热器及经过两个换热器前后的温度差；Qa1与Qa2分别为空气经过除湿换热器及经过两个换热器的总制冷量。

图4 空气含湿量差与温差/制冷量动态变化Fig.4 Dynamic variation of humidity difference and temperature difference/cooling capacity

由图4可知，第二个换热器没有除湿的作用，原因主要有两个：1)第二个换热器表面并没有涂覆硅胶及其他任何吸水材料，所以没有吸附除湿过程存在；2)空气流经第一个除湿换热器后空气降温幅度不大，没有达到露点温度以下，所以也不存在冷凝除湿过程。下面主要讨论显热负荷部分。

整个再生及除湿过程，串联一个换热器能够明显增强显热负荷处理能力。空气温差变化十分迅速，在再生过程开始的很短时间内，从0 ℃附近增加到10 ℃以上。由图4(b)可以看出，在再生过程前期，空气侧换热量很高，这是因为系统刚从上一个循环中的除湿过程转换过来，换热器本身的热容需要带走一定的热量；再与含湿量差动态变化曲线比较，可以发现，空气侧换热量较大的再生过程反应是最为激烈的阶段，而吸附剂再生反应会消耗一定的热量，所以换热量较大。这一过程完成后，热容所需热量基本满足，再生过程很快就能完成，不再需要太多解析热，故换热量很快下降并达到平稳波动状态。

再生过程运行10 min后，通过调节水路阀门，通入冷水，系统进入除湿过程。观察含湿量差曲线，可以发现，初始过程前期，除湿量迅速增大，且很快达到最大值。由图4(a)中空气流经除湿换热器的温差可知，由于换热器本身热容及除湿过程释放吸附热的作用，系统能够实现高效除湿的同时，其降温性能不明显；而在除湿过程后期，除湿效果已不明显，但此时降温效果却较为良好，导致除湿与降温过程不同步。观察空气流经两个换热器的温差曲线可知，进入除湿阶段后，温差很快就达到最大值且保持稳定，在除湿量最大的同时也能拥有较大的温差，实现了对空气潜热与显热负荷的同步处理；同时，第二个换热器还能在除湿换热器的基础上对显热负荷进行二次处理，使空气稳定降温温差从6 ℃增加到8 ℃，有效解决了除湿换热器显热负荷处理能力不足的问题。由图4(b)可知，除湿过程空气侧换热量曲线变化趋势基本与温差变化趋势相同，在除湿阶段前期，空气流经除湿换热器前后换热量缓慢增加，这主要是由于换热器本身的热容及除湿过程中产生的吸附热造成的，而除湿过程基本完成后，热容基本满足，吸附热也很小，换热量逐渐达到稳定值。串联一个换热器后，能够很好的消除热容与吸附热的影响，故从除湿的初始阶段，换热量很快达到最大值且平稳波动。

图5所示为在冷水温度为15、20、25 ℃时，系统的除湿性能与降温性能动态变化。由图5(a)可知，冷水温度对传质过程影响明显，更低的温度能够实现更大的除湿量及更长的有效除湿时间，这是由于更低的冷水温度导致除湿材料的温度降低，造成饱和蒸气压与空气侧的饱和蒸气压差增大，有更大的传质势差。由图5(b)可知，冷水温度也影响传热，更低的冷水温度导致更大的降温温差。

3 参数影响分析

表2所示为测试参数对系统性能影响所选取的不同工况，主要测试了不同工况对系统除湿量、制冷量及COP的影响。

图5 不同冷水温度下除湿量/系统降温性能动态变化Fig.5 Dynamic variation of dehumidification/system cooling performance at different cooling water temperatures

表2 参数分析测试工况Tab.2 Parameter analysis test conditions

3.1冷水温度的影响

图6 冷水温度对制冷量与COP的影响Fig.6 Effect of cooling water temperature on cooling capacity and COP

图6所示为冷水温度对系统制冷量与COP的影响，表3所示为冷水温度对空气侧换热量、水侧换热量、平均除湿量及有效除湿时间的影响。由图6可知，随着冷水温度的上升，制冷量与COP均降低，且系统串联换热器后的制冷量与COP均较高于只有一个除湿换热器时的系统。制冷量较高是因为第二个换热器对空气的显热负荷进行了二次处理，明显增大了制冷量。结合表3可以看出，增加第二个换热器并没有使得水侧的换热量翻倍，这是因为第二个换热器的表面没有涂覆硅胶，不需要再处理吸附热，空气流经第二个换热器的时候温差也变小，相对应的换热量也较小，导致水侧换热量的增幅小于空气侧的增幅，因此系统COP高于只有除湿换热器时的系统COP。此外，根据表3可以看出，平均除湿量随着冷水温度升高而降低，有效时间也随之减短，这与动态性能分析的结论基本一致。

表3 不同冷水温度对系统性能影响Tab.3 Effect of different cooling water temperatures on system performance

表4 不同热水温度对系统性能影响Tab.4 Effect of different hot water temperatures on system performance

3.2热水温度的影响

图7所示为热水温度对系统制冷量与COP的影响，表4为热水温度对空气侧换热量、水侧换热量、平均除湿量及有效除湿时间的影响。同样可以看出，增加一个换热器可以增加系统的制冷量与COP，且这一特征不受工况变化的影响。由图7可以看出，随着热水温度的升高，制冷量变化幅度较小，但仍随着热水温度的升高而增大，而COP反而会有小幅度的降低。根据表4可以看出，空气侧换热量受到热水温度的影响较小，只有小幅度的增加，而热水温度直接影响了再生阶段水侧的换热，导致水侧换热量变化较大，故在热水温度增加时，系统COP反而降低。平均除湿量受热水温度影响不大，只随温度升高有小幅度的升高。有效除湿时间随热水温度的升高逐渐增大。

图7 热水温度对制冷量与COP的影响Fig.7 Effect of hot water temperature on cooling capacity and COP

3.3空气温度的影响

图8所示为空气温度对系统制冷量与COP的影响，表5为空气温度对空气侧换热量、水侧换热量、平均除湿量及有效除湿时间的影响。由图8可知，系统COP与制冷量均随着空气温度的升高而增大，且两者增大的幅度基本一致。

图8 空气温度对制冷量与COP的影响Fig.8 Effect of air temperature on cooling capacity and COP

根据表5可得：空气温度的变化对水侧的换热量基本没有影响。空气温度升高说明空气显热负荷增加，即增加了空气侧的换热量。当保持空气湿度不变增加空气温度时，等同于增大了空气的含湿量，即增大了空气的潜热负荷。故随着空气温度的升高，平均除湿量与有效除湿时间均随之增大。

表5 不同空气温度对系统性能影响Tab.5 Effect of different air temperatures on system performance

3.4空气相对湿度的影响

图9所示为空气相对湿度对系统制冷量与COP的影响，表6为空气相对湿度对空气侧换热量、水侧换热量、平均除湿量及有效除湿时间的影响。空气相对湿度对系统性能的影响与空气温度相似。当增大空气相对湿度时，会增大空气的潜热负荷，系统制冷量与COP均随着空气相对湿度的增大而增大。同时，平均除湿量与有效除湿时间也随之增大。

3.5空气流速的影响

图10所示为空气流速对系统制冷量与COP的影响，表7为空气流速对空气侧换热量、水侧换热量、平均除湿量及有效除湿时间的影响。

图9 空气相对湿度对制冷量与COP的影响Fig.9 Effect of air relative humidity on cooling capacity and COP

表6 不同空气相对湿度对系统性能影响Tab.6 Effect of different air relative humidity on system performance

表7 不同空气流速对系统性能影响Tab.7 Effect of different air velocity on system performance

图10 空气流速对制冷量与COP的影响Fig.10 Effect of air velocity on cooling capacity and COP

由图10可知，空气流速从0.6 m/s变化到1.0 m/s再到1.4 m/s，变化幅度较大，但系统COP与制冷量变化不明显。根据表7可得，空气流速对于系统负荷的影响有限，空气侧与水侧的换热量均随之有小幅度的提升，因此系统COP变化不大。空气流速变慢，说明空气吸水过程进行得更加充分，导致随着空气流速的变慢，平均除湿量与有效除湿时间均随之增大。

4 结论

本文针对除湿换热器显热负荷处理能力不足及吸附热影响性能的问题，提出了在除湿换热器后面串联一个显热换热器对空气进行二次处理，进行了除湿换热器串联换热器动态性能测试，并实验研究了各个参数对系统性能的影响。经过实验及结果分析得出如下结论：

1)在AIRhumid典型工况下，除湿换热器串联显热换热器可以实现在除湿量较大时有效处理除湿过程产生的吸附热，有效地解决除湿换热器降温与除湿不同步的问题，实现热湿负荷的同步处理。

2)在除湿换热器后面串联一个显热换热器可以对空气的显热负荷进行二次处理，提高系统的制冷量与COP，且这一特征不随工况变化而发生改变。

3)冷水温度、热水温度、空气温湿度、空气流速这些参数对系统运行性能影响较大，冷水温度与热水温度升高都可以有效提高系统制冷量与COP；空气的温湿度增大会增大系统运行负荷，进而提升系统性能；空气流速变慢对系统平均除湿量与有效除湿时间有很大的提升。

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Aboutthecorrespondingauthor

Ge Tianshu, female, associate professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206335, E-mail:baby_wo@sjtu.edu.cn. Research fields:dehumidification air conditioning system．

ExperimentalInvestigationonThermalPerformanceofDesiccantCoatedHeatExchangerinSerieswithHeatExchanger

Cao Wei Ge Tianshu Zheng Xu Dai Yanjun Wang Ruzhu

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

A desiccant coated heat exchanger can handle sensible load and latent load simultaneously; however, owing to the influence of adsorption heat, the heat load and moisture load treatment is not synchronous, and the ability to handle sensible load is insufficient. Based on this, another sensible heat exchanger is added in-series for the air secondary treatment. An experiment setup was built to test the dynamic performance of two heat exchangers connected in-series. In addition, the influence of the main operation parameters including the water temperature, air temperature, air humidity, and air velocity on the system performance are analyzed. The results show that a sensible heat exchanger can clearly improve the ability to handle sensible load, particularly during the beginning period, and the cooling capacity of the system is also significantly improved. Moreover, under the experiment conditions, the cooling and heating water temperatures can both improve the cooling capacity and COP, a higher air temperature and relative humidity ratio lead to a better performance, and a lower air velocity is helpful for increasing the average dehumidification capacity and the effective dehumidification time.

dehumidification; desiccant coated heat exchanger; sensible heat exchanger; operating in series; adsorption heat

0253- 4339(2017) 04- 0059- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.059

2016年10月12日

TB61; TU834.9; TQ051.5

： A

葛天舒，女，副教授，上海交通大学制冷与低温工程研究所，(021)34206335，E-mail:baby_wo@sjtu.edu.cn。研究方向：除湿空调系统。