除濕換熱器串聯換熱器強化除濕降溫性能實驗研究

(上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240)

除濕換熱器串聯換熱器強化除濕降溫性能實驗研究

曹 偉 葛天舒 鄭 旭 代彥軍 王如竹

(上海交通大學機械與動力工程學院上海200240)

除濕換熱器可以同時處理顯熱與潛熱負荷，但由于吸附熱的影響，存在熱濕負荷處理不同步及顯熱負荷處理能力不足的問題。本文提出了在除濕換熱器后面串聯一個顯熱換熱器對空氣進行二次處理，搭建了實驗臺對除濕換熱器串聯換熱器情況下除濕降溫過程的動態性能進行測試，并且在實驗中分析了水溫、進風溫度、濕度、速度等主要參數對除濕量、降溫量、制冷功率、COP的影響。結果表明：增加顯熱換熱器可以大幅度增加處理空氣的平均降溫溫差，在除濕初期階段效果尤為明顯，同時系統的制冷量也明顯提高。此外，分析各參數對實驗結果的影響可知，冷水溫度與熱水溫度升高都可以有效提高系統制冷量與COP，空氣的溫濕度升高會提升系統性能，空氣流速變慢對系統平均除濕量與有效除濕時間有明顯的提升。

除濕；除濕換熱器；顯熱換熱器；串聯；吸附熱

傳統壓縮式空調能夠有效處理顯熱負荷，而在處理潛熱負荷的過程中需要將空氣溫度降低到露點溫度以下，使空氣中的水蒸氣冷凝成液態實現除濕過程，而蒸發溫度過低會導致系統COP降低。新型除濕方式主要有溶液除濕及固體吸附劑除濕兩種[1]。

固體除濕中應用較廣泛的是轉輪除濕[2]，但除濕過程中除濕劑的吸附熱會導致更多的不可逆損失及更高的再生溫度，同時輔助熱源也會增加空調系統的復雜性[3]。內冷式除濕器[4]能夠較好的解決這個問題，這種除濕器主要通過在除濕器中通入低溫液體來帶走初始過程中產生的吸附熱。除濕換熱器是當前的研究熱點之一[5-8]，除濕換熱器是將除濕材料涂覆在翅片管換熱器的表面，在除濕過程中，空氣從翅片表面流過時空氣中的水蒸氣會被除濕材料吸附，而吸附熱則被換熱器銅管中的水帶走，同時還能實現降溫功能，這樣就實現了用一個部件同時處理顯熱及潛熱負荷。

T. S. Ge等[9]對硅膠及聚合物的除濕效果進行了對比，發現硅膠無論是在瞬時除濕率、除濕平均值及有效除濕時間上都有更好的表現。葛天舒等[10]對除濕換熱器的除濕過程進行數值模擬，發現除濕及再生的切換時間也是影響除濕性能的重要因素之一。T. S. Ge等[11]和A. Kumar等[12]分別用模擬與實驗的方法驗證了將太陽能作為再生熱源的可行性，結果表明該系統具有穩定持續的除濕能力。對固體除濕系統而言，除濕材料的吸附能力是影響除濕能力的重要因素之一，將硅膠在浸泡吸濕鹽溶液中進行改性是最簡單有效的增加吸附能力的方法。國外學者[13-15]對除濕換熱器的熱泵系統進行了研究，結果表明這種熱泵系統能夠在較高的蒸發溫度下穩定運行。江宇等[16]用實驗的方法對涂覆硅膠及復合硅膠的除濕換熱器的除濕性能進行了對比，結果表明涂覆復合硅膠的除濕換熱器的除濕性能要優于涂覆硅膠的除濕換熱器。

總結以上研究成果，除濕換熱器的確能夠有效地處理潛熱負荷，然而也暴露出其顯熱負荷處理能力不足的問題。因此，本文提出了在除濕換熱器后面再串聯一個換熱器來對空氣的顯熱負荷進行二次處理，搭建了除濕換熱器串聯換熱器熱力性能測試實驗臺并進行了研究。

1 實驗臺介紹

1.1實驗系統簡介

圖1所示為除濕換熱器串聯換熱器熱力性能測試實驗臺原理與實物圖。該實驗臺由兩個子系統組成，分別是除濕降溫系統及冷熱水供應子系統，除濕降溫子系統放置在一個恒溫恒濕房間中，除濕換熱器與換熱器串聯在一個風道中，風道表面有保溫棉包裹，風道截面長230 mm，寬200 mm。風道出口安裝一直流風機將空氣引入風道，風機的最大風量與功率分別是360 m3/h與40 W。引風機與換熱器距離為300 mm，換熱器與除濕換熱器距離為500 mm，除濕換熱器與風道入口距離為500 mm。此外，水路上除濕換熱器與換熱器并聯，由同一個恒溫水槽同時給兩個換熱器提供熱源或冷源，水管外表面包裹有厚度為9 mm的保溫管，以盡可能的降低循環水路中的熱損失。

采用涂覆工藝對翅片管換熱器表面來制作涂覆硅膠及復合硅膠的除濕換熱器，換熱器尺寸為長230 mm，寬200 mm，厚45 mm，翅片的厚度為0.115 mm，翅片間距為1.5 mm，銅管的內外徑分別為7.8 mm與8.8 mm，換熱面積為1.7 m2。涂覆硅膠的除濕換熱器制作過程主要分3步：1)將翅片管換熱器放入0.1 mol/L的NaOH溶液中浸泡1 min，去除翅片表面的污漬及雜質，再放入烘箱中充分烘干；2)采用靜電噴涂的工藝將硅膠顆粒均勻噴涂在翅片表面以增加表面粗糙度與附著力；3)將換熱器放入硅溶膠溶液中浸泡2 h，再放入烘箱中烘干，并重復此步驟多次直至硅膠附著量達到要求[17]。

實驗中選用介孔硅膠顆粒，硅膠顆粒的直徑為150～290 μm，選用SiO2含量為30%的硅溶膠溶液，溶液pH=9。換熱器原始質量為997.3 g，涂覆硅膠后質量為1 295.9 g。圖2所示為除濕換熱器與換熱器的對比。

圖2 除濕換熱器(左)與顯熱換熱器(右)對比Fig.2 The comparison between desiccant coated heat exchanger and sensible heat exchanger

冷熱水供應子系統由兩個30 L的恒溫水槽組成，分別提供系統所需的冷水及熱水，代替提供冷水的冷卻塔與提供熱水的輔助熱源。恒溫水槽提供的最大水流量為16 L/min，水溫控制精度為±0.05 ℃，制冷功率為2.7 kW，制熱功率為3 kW。

降溫除濕子系統放置在一個恒溫恒濕房中，房間的溫濕度可以人為控制。房間尺寸為長3 m，寬3 m，高2.45 m，房間的溫度控制范圍為-10～40 ℃，精度為±0.2 ℃，房間相對濕度控制范圍為30%～90%，精度為±5%。

1.2測試儀器

實驗通過測試空氣側及水側的參數變化來對實驗系統的熱力學性能進行評價，空氣側參數包含除濕換熱器進出口的空氣溫濕度，換熱器出口空氣溫度、風速；水側參數包含兩個換熱器進出口的水溫，流經兩個換熱器的流量。空氣溫濕度的測量采用兩臺雙通道高精度的溫濕度變送器(KIMO Instruments，TH 110-PNA)，溫度測量范圍是20～80 ℃，精度為±0.2 ℃，相對濕度測量范圍是0～100%，精度為±1.7%RH。風速的測量采用熱線風速儀(Kelong-VA40)，測量范圍與精度分別為0～50 m/s、±0.015 m/s，進而計算出空氣流量。換熱器出口溫度及水溫的測量采用Pt100鉑電阻，精度為±0.15 ℃。水流量采用兩個玻璃轉子流量計測量，測量范圍與精度分別為25～250 L/h、±4%。所有的傳感器測得的數據通過一臺數據采集儀(Agilent 34972)采集并輸送到電腦，數據采樣時間設置為6 s。

1.3性能指標與誤差分析

瞬態除濕率Dt通常用來評價系統的動態除濕性能，瞬態除濕率的定義由公式(1)確定：

Dt=da,in-da,out

(1)

式中：da,in與da,out分別為除濕換熱器的入口與出口含濕量，g/kg干空氣。

隨著吸附時間的增加，除濕材料的的吸水量會逐漸增大并最終達到飽和狀態，除濕材料的吸水率會隨著吸附時間的增加而逐漸降低。因此，需要對有效除濕時間進行定義來確定有效除濕過程，有效除濕時間te的定義由公式(2)和(3)確定[11]：

(da,in-da,out)/da,in|te-ts≥5%

(2)

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

(3)

式中：ts為循環開始的時刻。

由此，可以定義有效除濕時間內的平均除濕量Davg：

(4)

(4)換熱器水側的平均換熱量可以由公式(5)來確定：

(5)

換熱器空氣側的平均換熱量可以由公式(6)來確定：

(6)

使用COP來描述整個系統的能量利用率，數值上表示為有效除濕時間內空氣側的平均換熱量與相對應有效再生時間內水側的平均換熱量的比值：

COP=Qa/Qw

(7)

由于實驗所用的傳感器存在誤差，所以計算所得實驗結果也就存在了不確定度，誤差分析可以通過計算實驗結果的不確定度來表示，公式(8)和(9)通常用來表示不確定度。

式中：f為通過測量參數計算的實驗指標函數；x1,x2等為測量參數(在本實驗中，主要包括空氣的溫濕度和風速，水的溫度和流量)；Δx1, Δx2為測量參數的絕對誤差；Δy/y為計算指標的相對誤差。通過以上公式可以計算出Davg、Qa、Qw與COP的相對不確定度分別為10.3%、10.4%、10.8%與15.0%。

圖3所示為空氣側與水側平均換熱量對比，分析圖中數據可知：在除濕換熱器與換熱器共24組數據的結果中，空氣側與水側的能量誤差均在±20%以內，平均誤差為10%，除濕換熱器與換熱器的空氣側與水側基本滿足能量平衡。根據實驗不確定度及能量平衡，可以認為實驗結果在可以接受的誤差范圍內。

圖3 空氣側與水側平均換熱量對比Fig.3 Energy balance verification of the experimental results

2 動態性能分析

從動態的角度分析該實驗系統的除濕降溫性能，表1為實驗工況，實驗測試過程中，每個除濕及再生循環均穩定運行10 min，數據采集儀采樣時間為6 s，每組實驗都運行6個周期，并計算其平均值以減小實驗過程中的偶然誤差。

表1 循環切換時間為10 min時的動態性能測試工況Tab.1 Dynamic performance test under the conditionof 10 minutes cycle switch time

圖4所示為冷水15 ℃時通過除濕換熱器與換熱器的空氣溫濕度及制冷量動態變化。圖中前600 s表示再生過程，后600 s表示除濕過程。ΔDa為空氣流經除濕換熱器前后的含濕量之差；Δta1與Δta分別為空氣經過除濕換熱器及經過兩個換熱器前后的溫度差；Qa1與Qa2分別為空氣經過除濕換熱器及經過兩個換熱器的總制冷量。

圖4 空氣含濕量差與溫差/制冷量動態變化Fig.4 Dynamic variation of humidity difference and temperature difference/cooling capacity

由圖4可知，第二個換熱器沒有除濕的作用，原因主要有兩個：1)第二個換熱器表面并沒有涂覆硅膠及其他任何吸水材料，所以沒有吸附除濕過程存在；2)空氣流經第一個除濕換熱器后空氣降溫幅度不大，沒有達到露點溫度以下，所以也不存在冷凝除濕過程。下面主要討論顯熱負荷部分。

整個再生及除濕過程，串聯一個換熱器能夠明顯增強顯熱負荷處理能力。空氣溫差變化十分迅速，在再生過程開始的很短時間內，從0 ℃附近增加到10 ℃以上。由圖4(b)可以看出，在再生過程前期，空氣側換熱量很高，這是因為系統剛從上一個循環中的除濕過程轉換過來，換熱器本身的熱容需要帶走一定的熱量；再與含濕量差動態變化曲線比較，可以發現，空氣側換熱量較大的再生過程反應是最為激烈的階段，而吸附劑再生反應會消耗一定的熱量，所以換熱量較大。這一過程完成后，熱容所需熱量基本滿足，再生過程很快就能完成，不再需要太多解析熱，故換熱量很快下降并達到平穩波動狀態。

再生過程運行10 min后，通過調節水路閥門，通入冷水，系統進入除濕過程。觀察含濕量差曲線，可以發現，初始過程前期，除濕量迅速增大，且很快達到最大值。由圖4(a)中空氣流經除濕換熱器的溫差可知，由于換熱器本身熱容及除濕過程釋放吸附熱的作用，系統能夠實現高效除濕的同時，其降溫性能不明顯；而在除濕過程后期，除濕效果已不明顯，但此時降溫效果卻較為良好，導致除濕與降溫過程不同步。觀察空氣流經兩個換熱器的溫差曲線可知，進入除濕階段后，溫差很快就達到最大值且保持穩定，在除濕量最大的同時也能擁有較大的溫差，實現了對空氣潛熱與顯熱負荷的同步處理；同時，第二個換熱器還能在除濕換熱器的基礎上對顯熱負荷進行二次處理，使空氣穩定降溫溫差從6 ℃增加到8 ℃，有效解決了除濕換熱器顯熱負荷處理能力不足的問題。由圖4(b)可知，除濕過程空氣側換熱量曲線變化趨勢基本與溫差變化趨勢相同，在除濕階段前期，空氣流經除濕換熱器前后換熱量緩慢增加，這主要是由于換熱器本身的熱容及除濕過程中產生的吸附熱造成的，而除濕過程基本完成后，熱容基本滿足，吸附熱也很小，換熱量逐漸達到穩定值。串聯一個換熱器后，能夠很好的消除熱容與吸附熱的影響，故從除濕的初始階段，換熱量很快達到最大值且平穩波動。

圖5所示為在冷水溫度為15、20、25 ℃時，系統的除濕性能與降溫性能動態變化。由圖5(a)可知，冷水溫度對傳質過程影響明顯，更低的溫度能夠實現更大的除濕量及更長的有效除濕時間，這是由于更低的冷水溫度導致除濕材料的溫度降低，造成飽和蒸氣壓與空氣側的飽和蒸氣壓差增大，有更大的傳質勢差。由圖5(b)可知，冷水溫度也影響傳熱，更低的冷水溫度導致更大的降溫溫差。

3 參數影響分析

表2所示為測試參數對系統性能影響所選取的不同工況，主要測試了不同工況對系統除濕量、制冷量及COP的影響。

圖5 不同冷水溫度下除濕量/系統降溫性能動態變化Fig.5 Dynamic variation of dehumidification/system cooling performance at different cooling water temperatures

表2 參數分析測試工況Tab.2 Parameter analysis test conditions

3.1冷水溫度的影響

圖6 冷水溫度對制冷量與COP的影響Fig.6 Effect of cooling water temperature on cooling capacity and COP

圖6所示為冷水溫度對系統制冷量與COP的影響，表3所示為冷水溫度對空氣側換熱量、水側換熱量、平均除濕量及有效除濕時間的影響。由圖6可知，隨著冷水溫度的上升，制冷量與COP均降低，且系統串聯換熱器后的制冷量與COP均較高于只有一個除濕換熱器時的系統。制冷量較高是因為第二個換熱器對空氣的顯熱負荷進行了二次處理，明顯增大了制冷量。結合表3可以看出，增加第二個換熱器并沒有使得水側的換熱量翻倍，這是因為第二個換熱器的表面沒有涂覆硅膠，不需要再處理吸附熱，空氣流經第二個換熱器的時候溫差也變小，相對應的換熱量也較小，導致水側換熱量的增幅小于空氣側的增幅，因此系統COP高于只有除濕換熱器時的系統COP。此外，根據表3可以看出，平均除濕量隨著冷水溫度升高而降低，有效時間也隨之減短，這與動態性能分析的結論基本一致。

表3 不同冷水溫度對系統性能影響Tab.3 Effect of different cooling water temperatures on system performance

表4 不同熱水溫度對系統性能影響Tab.4 Effect of different hot water temperatures on system performance

3.2熱水溫度的影響

圖7所示為熱水溫度對系統制冷量與COP的影響，表4為熱水溫度對空氣側換熱量、水側換熱量、平均除濕量及有效除濕時間的影響。同樣可以看出，增加一個換熱器可以增加系統的制冷量與COP，且這一特征不受工況變化的影響。由圖7可以看出，隨著熱水溫度的升高，制冷量變化幅度較小，但仍隨著熱水溫度的升高而增大，而COP反而會有小幅度的降低。根據表4可以看出，空氣側換熱量受到熱水溫度的影響較小，只有小幅度的增加，而熱水溫度直接影響了再生階段水側的換熱，導致水側換熱量變化較大，故在熱水溫度增加時，系統COP反而降低。平均除濕量受熱水溫度影響不大，只隨溫度升高有小幅度的升高。有效除濕時間隨熱水溫度的升高逐漸增大。

圖7 熱水溫度對制冷量與COP的影響Fig.7 Effect of hot water temperature on cooling capacity and COP

3.3空氣溫度的影響

圖8所示為空氣溫度對系統制冷量與COP的影響，表5為空氣溫度對空氣側換熱量、水側換熱量、平均除濕量及有效除濕時間的影響。由圖8可知，系統COP與制冷量均隨著空氣溫度的升高而增大，且兩者增大的幅度基本一致。

圖8 空氣溫度對制冷量與COP的影響Fig.8 Effect of air temperature on cooling capacity and COP

根據表5可得：空氣溫度的變化對水側的換熱量基本沒有影響。空氣溫度升高說明空氣顯熱負荷增加，即增加了空氣側的換熱量。當保持空氣濕度不變增加空氣溫度時，等同于增大了空氣的含濕量，即增大了空氣的潛熱負荷。故隨著空氣溫度的升高，平均除濕量與有效除濕時間均隨之增大。

表5 不同空氣溫度對系統性能影響Tab.5 Effect of different air temperatures on system performance

3.4空氣相對濕度的影響

圖9所示為空氣相對濕度對系統制冷量與COP的影響，表6為空氣相對濕度對空氣側換熱量、水側換熱量、平均除濕量及有效除濕時間的影響。空氣相對濕度對系統性能的影響與空氣溫度相似。當增大空氣相對濕度時，會增大空氣的潛熱負荷，系統制冷量與COP均隨著空氣相對濕度的增大而增大。同時，平均除濕量與有效除濕時間也隨之增大。

3.5空氣流速的影響

圖10所示為空氣流速對系統制冷量與COP的影響，表7為空氣流速對空氣側換熱量、水側換熱量、平均除濕量及有效除濕時間的影響。

圖9 空氣相對濕度對制冷量與COP的影響Fig.9 Effect of air relative humidity on cooling capacity and COP

表6 不同空氣相對濕度對系統性能影響Tab.6 Effect of different air relative humidity on system performance

表7 不同空氣流速對系統性能影響Tab.7 Effect of different air velocity on system performance

圖10 空氣流速對制冷量與COP的影響Fig.10 Effect of air velocity on cooling capacity and COP

由圖10可知，空氣流速從0.6 m/s變化到1.0 m/s再到1.4 m/s，變化幅度較大，但系統COP與制冷量變化不明顯。根據表7可得，空氣流速對于系統負荷的影響有限，空氣側與水側的換熱量均隨之有小幅度的提升，因此系統COP變化不大。空氣流速變慢，說明空氣吸水過程進行得更加充分，導致隨著空氣流速的變慢，平均除濕量與有效除濕時間均隨之增大。

4 結論

本文針對除濕換熱器顯熱負荷處理能力不足及吸附熱影響性能的問題，提出了在除濕換熱器后面串聯一個顯熱換熱器對空氣進行二次處理，進行了除濕換熱器串聯換熱器動態性能測試，并實驗研究了各個參數對系統性能的影響。經過實驗及結果分析得出如下結論：

1)在AIRhumid典型工況下，除濕換熱器串聯顯熱換熱器可以實現在除濕量較大時有效處理除濕過程產生的吸附熱，有效地解決除濕換熱器降溫與除濕不同步的問題，實現熱濕負荷的同步處理。

2)在除濕換熱器后面串聯一個顯熱換熱器可以對空氣的顯熱負荷進行二次處理，提高系統的制冷量與COP，且這一特征不隨工況變化而發生改變。

3)冷水溫度、熱水溫度、空氣溫濕度、空氣流速這些參數對系統運行性能影響較大，冷水溫度與熱水溫度升高都可以有效提高系統制冷量與COP；空氣的溫濕度增大會增大系統運行負荷，進而提升系統性能；空氣流速變慢對系統平均除濕量與有效除濕時間有很大的提升。

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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，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，(021)34206335，E-mail:baby_wo@sjtu.edu.cn。研究方向：除濕空調系統。