低温热源驱动固体除湿换热器除湿特性实验研究

罗经发 ， 邓立生 ，黄 宏宇 ，陈颖 ，刘林

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 广东工业大学，广州 511346；3. 南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广州 511458；4. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640）

0 前言

湿度控制对改善人居条件、发展生产技术、保障生产工艺、提高产品质量等方面都具有非常重要的意义。传统的空调除湿方法是利用蒸汽压缩制冷系统将空气冷却至其对应的露点温度之下，使空气中的水蒸气凝结成水析出而降低空气的含湿量［1］，这类除湿系统消耗了大量的高品位能源，给能源和环境带来了严重的危机。为了解决这些问题，国内外对除湿系统进行了广泛而又深入的研究。固体吸附除湿系统可以利用工业余热、太阳能等低品位热能进行驱动，可以降低高品位能源消耗，使其成为当前研究的热点。

固体干燥剂材料在吸附过程中会不可避免的释放吸附热，而吸附热的存在会导致干燥剂温度上升，使固体吸附除湿系统在实际运行中无法实现等温除湿，从而降低除湿系统性能，同样, 吸附热也会使处理空气的温度升高,增加了对处理风降温的能耗［2］。然而太阳能集热产生的温度往往只有50～70℃，而通常的固体除湿系统要求的热源温度达到100℃以上，因此利用太阳能驱动固体吸附除湿大大降低了其性能。传统的固定床除湿系统和转轮除湿系统难以克服吸附热对干燥剂除湿性能造成的影响，尽管腊栋［3］等通过两级轮转轮除湿系统降低了吸附热对除湿性能的影响，但这造成系统体积庞大且仍无法完全的解决这一问题。针对该问题，Lavan Z［4］等通过将固体干燥剂材料与传统换热器结合，提出内冷型固定床除湿换热器的概念。基于这一概念北京航空航天大学的郑毅［5］和袁卫星［6］在热源温度95℃ 的再生工况下分别对内冷却紧凑式固体除湿换热器进行了实验研究和数字模拟，结果表明通过消除吸附热可以提高除湿换热器的除湿性能影响。

因此，本文针对太阳能等50～70℃的热源温度，制作交叉流结构的固体涂层除湿换热器，开展不同低再生温度工况下交叉流固体涂层除湿换热器的除湿性能研究。

1 交叉流固体涂层除湿换热器结构及工作原理

1.1 交叉流固体涂层除湿换热器结构

图1 交叉流固体涂层除湿换热器结构示意图

本文所研发制作的交叉流固体涂层除湿换热器如图1所示，其结构和换热器原理与板翅式换热器类似，其主要由平行隔板和翅片叠装而成，在隔板与翅片之间形成许多流通断面的流道。除湿换热器的一侧流道内通过粘结剂将固体干燥剂材料均匀的涂覆在其翅片壁面上，从而制成如图的交叉流除湿换热器。具有固体干燥剂的除湿换热器流道称为主边流道，在运行过程时，该侧流道的空气同时与干燥剂进行热、质传递；相应的，另一侧流道称为次边流道，该侧流道的气流只进行热量交换。本文所研制的交叉流固体涂层除湿换热器的相关结构尺寸参数见表1。

表1 交叉流固体涂层换热器结构参数

表1中翅片高度即为主、次边流道高度，除湿换热器的总质量为6.198kg，实验中所用的硅胶干燥剂颗粒粒径13μm，交叉流固体涂层除湿换热器内硅胶干燥剂涂覆量为248.5g，粘结剂为SBR乳胶。

1.2 工作原理及过程

图2为以空气冷却介质的交叉流固体涂层除湿换热器系统的运行原理图。其主要组成部件包括：提供除湿过程中所需冷却空气及处理空气的低温供风系统；为再生干燥剂提供高温再生空气的高温供风系统；涂覆有硅胶干燥剂的交叉流固体涂层除湿换热器；以及温、湿度传感器等测试设备。

固体涂层除湿换热器系统运行分为除湿阶段和再生阶段。在除湿阶段，低温供风系统提供恒温恒湿的入口处理空气，在风机的推动下处理空气流经交叉流固体涂层除湿换热器的主边流道（1→2），期间空气中的水蒸气在干燥剂的吸附作用下被硅胶干燥剂吸附，从而降低空气中的含湿量。同时，冷却空气经过除湿换热器的次边流道（3→4），除湿换热器两侧进行热量交换，硅胶在吸附过程中产生的吸附热被冷却空气带走，使硅胶干燥剂近似达到等温吸附的理想状态。最后，经除湿后的空气被送入房内。硅胶干燥剂吸附饱和后，除湿阶段结束，此时需要对硅胶干燥剂进行再生。在再生阶段，将高温再生空气通入主边流道（5→6），水蒸气在高温空气的作用下逐渐从硅胶干燥剂上脱附，当达到脱附平衡后，除湿换热器完成了再生阶段。至此，固体涂层除湿换热器系统经历了除湿及再生两个阶段，即系统完成了一个完整的周期循环。

图2 固体涂层除湿换热器系统运行示意图

2 实验测试及结果

2.1 实验测试

本实验研究交叉流固体涂层除湿换热器在不同运行工况下的除湿效果，并检验除湿换热器在有内冷却情况下对除湿性能的影响。实验过程中需要测量的变量参数包括空气在除湿换热器进出口的相对湿度、温度以及空气流量。实验所需的测试仪器有：温度计（久茂，型号：PT100，精度：±0.15℃），低温湿度计（维萨拉，型号：HMD82，精度：±5%RH），高温湿度计（罗卓尼克，型号：KOY532，精度：±3%RH）以及流量计（型号：FH-RS-C03，±1.5%）。

2.2 除湿性能分析

该固体涂层除湿换热器系统的运行工况按照不同再生温度、不同送风含湿量及有无内冷将实验分为6组，每组实验的温湿度运行条件如表2所示。实验过程中主边流道入口处理空气流量为120m3/h，无内冷时次边流道冷却空气流量为0m3/h，有内冷却时次边流道冷却空气流量为150m3/h。

表2 固体涂层除湿换热器实验运行工况

2.2.1 再生空气温度对除湿性能的影响

图3 再生温度对出口含湿量的影响

再生温度的高低直接影响着除湿系统对热源品位的选择，探究不同再生温度对除湿固体涂层除湿换热器除湿性能的影响，可以获取其在不同品位热能下的除湿特性，从而提升对能源的有效利用。在研究不同再生温度的影响时，保持入口处理空气温度为30℃，入口处理空气含湿量为18.50g/kg，再生空气温度从50℃到70℃。

从图3可以看出在不同的再生温度下，固体涂层除湿换热器的出口含湿量有明显的变化。当再生温度从50℃升高到60℃和70℃时，系统的最大瞬时除湿量分别从1.74g/kg提高到2.06g/kg和2.39g/kg，最大瞬时除湿量分别提高了18.3%和37.3%。这是因为，高再生温度有利于硅胶干燥剂再生得更完全，当在相同送风条件下时，干燥剂与处理空气中水蒸气的分压差较大，从而使其吸附性能得到提升，所以提升了除湿系统的除湿效果。

2.2.2 入口处理空气含湿量对除湿性能的影响

图4 处理空气含湿量对出口含湿量的影响

由图可以看出，增加处理空气的入口含湿量，除湿系统的最大瞬时除湿量也相应的增大，当入口含湿量从15.6g/kg分别提升到18.5g/kg和21.1g/kg时，最大瞬时除湿量也分别从1.41g/kg提升到2.39g/kg和3.49g/kg，最大瞬时除湿量分别提高了69.5%和147.5%。其原因与提高再生温度的效果类似，当增大处理空气入口含湿量时，提高了处理空气与干燥剂之间的水蒸气分压差，从而强化了两者之间质量传递，增强了除湿效果。

2.2.3 内冷却对除湿性能的影响

吸附热是制约固体吸附除湿系统除湿性能的重要因素，消除吸附热对除湿性能的影响是本文研究目的之一。图5为除湿换热器除湿阶段分别在有内部冷却和无内部冷却情况下得到的实验结果对比。由图可以看出，在刚开始进行除湿时，交叉流除湿换热器出口含湿量都急剧下降，对比可知采用内部冷却时其出口含湿量下降得比无内部冷却的更为明显。随着干燥剂内的吸湿量逐渐增加，其的吸湿能力下降，出口含湿量下降达到最低值后有逐渐上升，直至到达吸附平衡。

图5 内冷却对出口含湿量的影响

3 结论

本文针对低温热源温度50-70℃的情况，制作了交叉流固体除湿换热器，并在不同运行工况下进行了实验研究。分析了不同再生温度、不同进口处理空气含湿量及采用内冷却对除湿性能的影响。结果表明，采用次边流道进行内冷却可以减小吸附热对除湿性能的影响。其次，交叉流固体涂层除湿换热器的瞬时除湿性能随着再生温度及处理空气入口含湿量的升高而升高，当再生温度从50℃升高到70℃使时，最大瞬时除湿量可提高37.3%，当入口含湿量从15.6g/kg提升到21.1g/kg时，最大瞬时除湿量提高了将近147.5%。