各種因素對轉輪除濕機性能影響的綜合分析

　　摘要：轉輪吸附除濕供冷空調系統是目前大家正在關注的一種新的空調形式，轉輪除濕機是此類空調系統的關鍵部件，因此了解各種因素對轉輪除濕機性能的影響是必要的。本文研究了轉輪除濕機本體參數及空氣參數等影響除濕供冷空調系統性能的因素，提出了以被除濕后的處理空氣露點控制優先的觀點，可以為正確配置轉輪除濕供冷空調系統提供理論指導。

　　關鍵詞：轉輪除濕機露點溫度除濕供冷

　　1前言

　　隨著世界能源和環境問題的進一步突出，除濕供冷技術的優越性開始被人們認識并且逐步得到發展，轉輪除濕機是除濕供冷空調技術中的關鍵設備，全面了解其性能是正確選擇和配置除濕供冷空調系統的基礎。分析影響轉輪除濕機性能的因素主要從轉輪本體參數和空氣參數兩方面來考慮[1-3]，轉輪本體參數的優化工作可以由設備制造商來完成，提供相應的數據和圖表來描述其產品全性能，便于使用者選擇；空氣方面的參數是由系統設計工程師來確定，具體應用于實際工程之中。

　　2轉輪本體參數的影響

　　轉輪除濕機中的轉輪本體參數是指吸濕劑質量分數、吸濕劑的厚度、吸濕劑的比表面積、吸濕劑顆粒大小、吸濕劑的溫度、轉輪的轉速、再生區扇形角等。有的轉輪本體參數是由吸濕劑性質決定的，如吸濕劑顆粒的直徑越小，氣固接觸的面積越大，而且減少了吸濕劑內部擴散的距離，縮短了再生階段的時間；但是顆粒越小，顆粒間的孔隙率也減小，使氣流穿透阻力增加。有的轉輪本體參數是由除濕轉輪的形狀確定的，如吸濕劑的放置方式會影響到接觸面積。有些轉輪本體參數是由除濕和再生過程氣流決定的，如吸濕劑的溫度，在空氣處理過程中的吸濕劑溫度越高，越有利于提高吸濕劑表面水蒸汽的壓力，加速吸濕劑水分的汽化，而且可以降低吸濕劑內部溶液的粘度，有利于水分向外擴散，但是在再生過程中，吸濕劑內外溫度并不是一致的，一般是表面溫度高于內部溫度，由于內外溫度差和濕度差的推動方向正好相反，其綜合結果是減小了內部擴散的推動力，對解吸再生是不利的。

　　2.1吸濕劑質量分數的影響

　　除濕轉輪是由不能吸濕的支撐材料和吸濕劑組成的，吸濕劑所占總的質量的百分比稱為吸濕劑質量分數f。有研究表明[3]，在相同的質量下，f值增大，吸濕劑的質量增加，除濕機出口的空氣濕度降低，空調系統的制冷量增加，COP值也增大。在0~0.6之間，吸濕劑質量分數對除濕性能的影響最大，超過0.6后其影響能力大為減弱，在實際應用中一般取f值為0.8~0.85，而且減小金屬支撐材料的比例也可以有效降低除濕轉輪的總熱容量，有利于改善轉輪系統的除濕性能。

　　2.2轉輪轉速的影響

　　轉輪轉速也是影響其性能的重要因素，全熱交換器與除濕機對轉速的要求是不同的。提高轉速可以使換熱效果增強，但是這樣由于吸濕劑在再生區停留的時間變短，得不到充分的再生，會使除濕效果降低；轉速太低則使吸濕劑在除濕區停留的時間過長，會造成靠近再生區的部分區域的吸附劑由于飽和而失去繼續除濕的能力，也會降低除濕效果；所以從除濕機的性能考慮，選擇合適的轉速是較關鍵的步驟。確定轉速可以從除濕量、制冷量和COP等方面來考慮：在5r/h的轉速時除濕效果最好，在10r/h的轉速時系統的COP最高，故轉輪的轉速宜選擇在5~10r/h之間[3,6-8]。

　　2.3再生區扇形角的影響

　　轉輪的再生扇形角體現了除濕與再生的吸濕劑所占的比例，從除濕、系統性能及系統制冷量等角度來考慮，再生區扇形角jR的影響是不相同的。從除濕角度來看，在除濕區和再生區空氣流量一定的條件下，再生區扇形角太小會使吸附劑不能充分再生，降低除濕效果；但是再生區域太大，又會使除濕區域減小，吸附劑得不到充分冷卻，也會降低除濕性能，因此必定存在一個A比例。

　　在實際應用中，對再生區扇形角jR的要求應該兼顧以下方面的考慮：吸附劑再生容易，并且能夠得到充分再生；出口處的處理空氣濕度也可以降得很低；除濕機具有較高的性能系數，得到單位冷量所消耗的能量小；制冷機的制冷量較大。滿足以上綜合要求才能夠可以較好地確定再生區扇形角。一般情況下，因為再生空氣的溫度較高，轉輪的再生區域約占轉輪總面積的1/4，即再生區扇形角jR為900。若改變再生空氣溫度、再生空氣的流量等，為使之能夠有效再生，都需要改變除濕轉輪再生區扇形角[3,5,10]。

　　3空氣參數對除濕性能的影響

　　轉輪除濕供冷空調系統中的空氣包括處理空氣和再生空氣，處理空氣的參數（溫度、濕度、流速等）直接影響到轉輪除濕機的除濕性能，而再生空氣的參數（溫度、濕度、流速等）直接影響到除濕機的再生性能，進而影響除濕機的吸附除濕性能，因此這兩者是相互制約的[10-12]。了解兩類空氣中各參數的影響，對于配置合適的系統，使之高效、節能運行是有利的。

　　3.1處理空氣參數的影響

　　對于全新風式和循環式的空調系統，處理空氣最終都要送入空調區域，它的參數直接影響到空調的效果和系統的能耗，因此人們對處理空氣參數對空調系統的影響是較重視的，也開展了相應的研究工作。

　　3.1.1進口處處理空氣溫度的影響

　　除濕機處理空氣的進口溫度受到系統形式的影響：全新風系統的進口溫度一般是室外氣溫；回風系統的溫度則是空調房間的溫度；混合系統則可以通過調節新、回風比例來達到適當的溫度。了解不同溫度下吸濕劑的吸濕性能是有必要的。

　　分析吸附劑在不同溫度下的吸附等溫線可以知道同一類吸附劑在相同的壓力下，溫度越高，吸附劑的吸附能力越低；吸濕劑的吸濕性能也是隨著空氣溫度的升高而降低的。在實際工程中希望通過降低進口空氣的溫度來提高除濕轉輪的性能。可以通過預冷措施來降低除濕轉輪進口的處理空氣溫度，使轉輪對較低溫度的空氣進行除濕。預冷會使除濕供冷空調系統的性能明顯改善：對于同樣的空氣初始條件和最終處理要求，采用預冷措施之后，可以使冷量增加約13%，COP提高4%[3]。但是預冷需要提供冷源、換熱器，增加了系統的初投資；預冷空氣被預冷后，與冷卻空氣之間的溫差減小了，減小了傳熱的動力；應綜合考慮這些不利因素對供冷空調系統性能的影響。

　　3.1.2進口處處理空氣濕度的影響

　　進口處理空氣濕度的影響可以從以下方面來分析[7,11]：

　　(1)在干球溫度相同時，空氣的相對濕度越大，其含濕量也越大，空氣中水蒸汽的分壓力越接近飽和水蒸汽分壓力，與吸濕劑表面空氣的壓力差增大，增大了除濕的推動力，可以使設備的除濕量增加。

　　(2)在含濕量相同時，空氣中水蒸汽的分壓力是定值，此時空氣的相對濕度越大，其干球溫度越低，除濕轉輪表面空氣的飽和水蒸汽分壓力越低，有利于除濕過程的進行。

　　(3)在相對濕度相同時，空氣的含濕量越高，空氣的干球溫度也越高，處理空氣的溫度升高會使得除濕轉輪表面的飽和空氣溫度升高，從而使之飽和水蒸汽分壓力也升高，這對于空氣的除濕是不利的；但是空氣含濕量的增加會使得空氣中的水蒸汽分壓力相應升高，這是除濕的有利因素；因此對除濕過程的影響需要將兩者綜合考慮。

　　可見在除濕供冷空調系統中以空氣的含濕量作為空氣濕度衡量標準是較為準確的，而含濕量直接對應的是空氣的露點溫度，因此將空氣的露點溫度作為空氣濕度的控制量是合適的。

　　3.1.3處理空氣流速的影響

　　空氣的流速越低，空氣與吸濕劑的接觸時間越多，兩者之間的熱、質交換也越充分，但是單位面積的處理空氣量較小。增大空氣的流速，會使對流換熱系數和傳質系數增加，這是空氣與吸濕劑之間的對流傳質的有利因素；但是風速增大也使兩者之間的接觸時間縮短，可能會使得處理空氣在轉輪中還沒有被有效除濕就出轉輪，對除濕不利，可能導致空氣不能達到預定的濕度。故合適的空氣流速也是此類空調系統的重要參數，設計合理的除濕轉輪中一般是將處理空氣在轉輪中的通過時間設定在約0.2s，轉輪總的傳熱單元數NTU約為10[10]。處理空氣流速對于實際工程應用的影響主要體現在處理空氣流量的確定：在除濕轉輪的規格確定之后，處理空氣的流量不應該超出轉輪的額定流量過多。

　　3.2再生空氣參數的影響

　　除濕轉輪中吸濕劑解吸再生性能主要體現在兩個方面：一是吸濕劑最終能夠達到的干燥狀態，這取決于吸濕劑的平衡含水量；二是達到最終干燥狀態的再生速率，這包括吸濕劑表面的汽化速率和吸濕劑內部水分的擴散傳遞速率，其大小取決于以上兩種速率中的主要影響部分，主要是由速率較低的過程所支配；平衡含水量與再生速率是相互影響的，人們在應用研究中側重于再生速率的影響。

　　轉輪除濕機中吸附劑的再生過程實質是將水分趕出吸附劑，進入再生空氣的過程，吸濕劑的再生過程主要受到吸濕劑與熱空氣兩方面因素的影響。吸濕劑參數對除濕機性能的影響主要體現在：吸濕劑形狀、吸濕劑的放置方式、吸濕劑溫度等；熱空氣參數對除濕機性能的影響主要體現在：溫度、含濕量、流動速度、與吸濕劑的接觸情況等。在實際應用中，更容易控制的是再生空氣的參數，因此人們更關注再生空氣對除濕機性能的影響：空氣含濕量不變時，提高空氣的溫度，不但可以加強汽化和帶走水分的能力，而且可以對吸濕劑進一步升溫，提高吸濕劑表里之間水分的擴散速率，對恒速干燥階段和減速干燥階段都有利，但是每種吸濕劑都存在允許的最高溫度值；空氣的含濕量越低，帶走吸濕劑中水分的能力越強，干燥過程的推動力越大，因而干燥速率越高；提高熱空氣的流動速度，可以有效地強化干燥過程，對傳熱和傳質都有利，但是空氣流速大，與吸濕劑的接觸時間短，熱能的有效利用率降低；空氣與吸濕劑的良好接觸有利于吸濕劑的干燥均勻，合理安排氣流，獲得較大的氣固接觸面積,可以有效地強化再生過程。以下重點探討再生空氣的溫度、濕度和流速等參數對轉輪除濕機性能的影響。

　　3.2.1進口處再生空氣溫度的影響

　　再生空氣的溫度是直接影響到轉輪除濕機性能的重要參數，若在較低的再生溫度下，轉輪中進行的主要是全熱交換過程；隨著溫度的升高，轉輪中吸濕劑解吸再生的趨勢才逐漸明顯，直至整個過程都是由解吸再生趨勢控制。人們希望能夠充分利用低品位的熱源來作為轉輪解吸再生的能源，低品位能源可能溫度不高，使得再生空氣被升溫的幅度有限。再生空氣溫度是如何影響轉輪除濕機的性能，再生空氣的溫度降至何值時仍可確保進行的主要是除濕過程，都是人們所關心的問題。所以確定再生空氣溫度對轉輪除濕機性能的影響，如何判斷轉輪中進行的傳熱傳質過程是全熱交換過程還是吸濕-解吸再生過程，導致兩者分界點的再生溫度在何處，是本文研究的重點之一。

　　在轉輪式全熱交換器中，兩股空氣的主要過程是將處理空氣中的水分傳遞給再生空氣，并且將低溫側的溫度升高，此時轉輪除濕的數學模型應該改為全熱交換器的數學模型；而且由于全熱交換過程最合適的熱空氣區扇形角jR是1800，若此時仍然按照除濕過程來設置再生區扇形角jR為900，也不能夠使全熱交換過程高效率地進行；此外作為全熱交換器的轉輪的轉速也比除濕轉輪所要求的轉速要快得多[19]。這些都是研究轉輪除濕過程必需考慮的問題。

　　吸濕劑可能在不同的再生溫度下工作，此時除濕機的性能如何是人們關心的問題。吸濕劑的再生過程分為預熱期、等速干燥和減速干燥等階段，在不同的階段，溫度的影響是不盡相同的。再生空氣的溫度都高于此時吸濕劑的溫度，吸濕劑被空氣加熱，吸濕劑在向外蒸發水分的同時，溫度也升高，當吸濕劑的表面溫度與空氣的濕球溫度相等時就達到穩定狀態。對于同一吸濕劑而言，如果再生空氣的溫度升高，會使吸濕劑的表面溫度上升，吸濕劑的表面溫度上升之后，其表面的蒸發壓力也提高了，即與吸濕劑表面接觸的空氣的水蒸汽分壓力提高，這樣可以使再生的速度增加，縮短再生的時間。對于不等溫的吸附體系，可以利用“溫度波”與“濃度波”概念來分析吸附干燥過程。在一般情況下，溫度比質量傳遞要快，即“溫度波”走在“濃度波”之前。溫度波的前沿速度與溫度無關，在理想的情況下，溫度波在柱內的移動速度是恒定的；實際過程中，由于熱阻的存在，前沿不斷變寬，隨著波形的不同，以不同的溫度向前移動。

　　作者認為：判斷轉輪中進行的主要是全熱交換過程還是除濕-解吸再生過程的關鍵是看轉輪除濕機出口處處理空氣的露點溫度，空調系統送風狀態點的露點溫度所對應的再生空氣溫度可作為兩者的分界點。若出口處處理空氣的露點溫度低于空調送風狀態點的露點溫度，轉輪中進行的主要是吸濕-解吸再生過程；若高于送風狀態點的露點溫度則可認為進行的主要是全熱交換過程，此空調系統達不到設計的濕度控制要求；因此轉輪除濕供冷空調系統的參數控制應該以此為依據。

　　3.2.2進口處再生空氣濕度的影響

　　吸濕劑的再生過程實際是吸濕劑的干燥過程，此時推動水蒸汽由吸濕劑向再生空氣傳遞的動力是吸濕劑表面的水蒸汽分壓力與再生空氣中的水蒸汽分壓力之差。除濕機進口再生空氣的濕度對除濕機性能的影響的研究并不全面，對于這種因素的影響應該結合溫度的影響來共同考慮，這是因為再生空氣比吸濕劑的溫度高，因而傳遞熱量給吸濕劑，使吸濕劑的溫度同時升高。再生空氣中的水蒸汽分壓力主要與大氣壓力和空氣的含濕量有關[4]。

　　式中：

　　Pw：水蒸汽分壓力（Pa）

　　B：大氣壓力（Pa）

　　d：空氣含濕量[kg(kg干空氣)-1]

　　當大氣壓力和空氣中的含濕量不變時，升高空氣的溫度，水蒸汽的分壓力是不會改變的，但是飽和水蒸汽分壓力增加，從而使空氣的相對濕度減小，即空氣的不飽和程度增大，這樣使得再生用的熱空氣具有更加強的接受水蒸汽的能力；這時轉變成主要是再生空氣溫度對轉輪的解吸再生性能的影響。若再生空氣的溫度不變，減小空氣的相對濕度，空氣中的水蒸汽分壓力減小，加大了與吸濕劑表面接觸的空氣的水蒸汽分壓力之差，從而加強了水分傳遞的推動力。此時將再生空氣的相對濕度降低的實質是需要進行除濕的，或者是將室外新風與循環風進行混合得到，以獲得較低的相對濕度（含濕量）。再生空氣被加熱的過程是等濕加熱過程，一般是在加熱之前來改變其含濕量。與干球溫度相比較而言，再生空氣的濕度對除濕轉輪的性能影響較小，而且控制也更為復雜。但是了解再生空氣濕度的影響可以為轉輪除濕空調系統在不同地區、不同時間的應用所采用的技術措施提供參考。

　　3.2.3再生空氣流速的影響

　　再生空氣的流速直接影響吸濕劑再生速度的大小，對流換熱系數因流速的增加而增大，傳熱系數也因流速的增加而增加，這樣使總的再生過程時間都縮短了；而且可以通過調節再生空氣的流速來適應處理空氣流量及狀態參數的變化。總之再生空氣流速的增加強化了再生過程，使得轉輪的再生速度加快，但是此時不改變再生區扇形角，可能會再生后的轉輪區域被加熱，升高吸濕劑的溫度，從而影響吸濕過程的進行；而且從系統的能耗考慮，流速增加會導致再生熱量的需求增大，在轉輪再生側的換熱效率降低，系統的COP將下降；所以在額定工況下應慎重考慮改變空氣流速，若改變再生空氣流速，應相應調節再生區扇形角，再生空氣的溫度等參數，在實際的應用中，用戶來改變再生區扇形角是不可行的，因此多采用調節再生空氣溫度的方法。

　　4工作環境的影響

　　轉輪除濕機可以應用在不同的地區，環境的改變對其性能的影響如何也是人們所關心的問題，此處主要探討大氣壓力、空氣清潔程度等方面的影響。

　　4.1大氣壓力的影響

　　除濕機的性能受到大氣壓力變化的影響，在不同的大氣壓力下，除濕機的性能有所變化[6]。分析大氣壓力對系統的影響主要是從吸濕劑的吸附特性、空氣的參數變化及風機的性能曲線等方面考慮，因此對于質量流量和體積流量為標準的系統，壓力的影響是不盡相同的。

　　當大氣壓力從1atm下降到0.8atm時：

　　(1)以質量流量為標準的系統：換熱器的性能不變，蒸發冷卻器的換熱性能改善，除濕機的除濕性能下降，對所有的再生和除濕劑而言，COP和冷量都提高了6~8%，系統的阻力增加了20%，對應的能耗增加了44%，使總的COP下降了4%。

　　(2)以體積流量為標準的系統：熱交換器的性能提高了2~4%，蒸發冷卻器的換熱性能改善，除濕機的除濕性能下降，對所有的再生和除濕劑而言，COP和提高了8%，冷量減少了14%，系統的阻力不變，使總的COP提高了5%。

　　這些情況表明在不同地區使用轉輪除濕供冷空調系統，應該考慮當地大氣壓力對系統性能的影響，且應明確是以質量流量為準還是以體積流量為準。我國的地域遼闊，轉輪除濕機的使用地點直接影響到除濕機的性能特點。

　　4.2空氣潔凈度的影響

　　除濕機處理空氣和再生空氣的潔凈度直接影響到吸濕劑的性能，主要是因為轉輪除濕機中吸附劑在吸附空氣中水分的同時，也將空氣中的細小顆粒吸附，這是吸附劑本身所具有的特性，這將導致吸濕劑的劣化。吸附劑的劣化會直接影響到轉輪除濕機的除濕性能，根據吸濕劑劣化的程度，除濕供冷空調系統的COP和冷量將減少10%~35%[9]。在一定的劣化范圍內，可以采用以下方法來消除其影響：

　　(1)空氣過濾：通過設置空氣過濾器可以有效地除去進入除濕機的空氣中的灰塵，但是空氣過濾器的設置增加了風系統的阻力，風機的余壓需要相應增加，這樣增加了初投資和運行費用。增設了空氣過濾設備后還必須注意定期的清洗和更換，雖然會增加一些費用，但是對于延長除濕設備的使用壽命是必要的。

　　(2)吸濕劑的深度再生：在很高的溫度下實現吸濕劑的再生可以驅除塵粒，但是這并不是根本的方法，因為如果不加處理地將再生后的空氣排入大氣中將造成新的污染；而且提高再生空氣的溫度，要求的能源的品位越高，花費的代價越大，過高的再生空氣溫度也可能會影響吸濕劑的性能。

　　(3)調整運行參數：如加快除濕機的轉速，調整的情況取決于吸濕劑的類型、衰減的類型和再生的方法等。

　　5結論

　　總而言之說，影響轉輪除濕機性能的因素很多，但是除濕轉輪的本體參數基本都是由設備制造商確定的，其可變化的幅度不大；工程設計人員主要應考慮空氣參數和應用環境的影響，明確處理空氣被除濕后的露點溫度是需要控制的重要參數。只有全面了解轉輪除濕機性能才能夠合理配置除濕供冷空調系統。

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