固體除濕材料的微波與熱風再生性能及模型分析

楊晚生曾潔趙旭東

(1廣東工業大學土木與交通工程學院 廣州 510006;2赫爾大學工程學院 赫爾 HU6 7RX)

固體除濕材料的微波與熱風再生性能及模型分析

楊晚生1曾潔1趙旭東2

(1廣東工業大學土木與交通工程學院 廣州 510006;2赫爾大學工程學院 赫爾 HU6 7RX)

空調系統濕負荷約占整個空調系統冷負荷的40% ～60%，利用固體除濕材料可有效降低空調系統能耗。固體除濕材料的再生能耗是除濕系統的主要能耗，傳統的再生方式存在能耗大、再生效率低等缺點。本文采用微波和熱風再生的方法對固體除濕材料的再生性能進行了對比實驗，從再生效果和再生能耗兩方面進行了分析，并建立了模型。相同狀態下的固體除濕材料在熱風再生工況50～90℃(功率857～1 204 W)與微波再生功率440～800 W進行對比實驗，結果表明:當達到相同的再生度時，熱風最大再生速率是微波最大再生速率的49.89% ～86.23%，而微波能耗只有熱風能耗的25.2% ～37.7%，且微波再生平均能源利用率為熱風再生的2.51～3.21倍。

吸附劑;微波再生;熱風再生;能源利用率

AbstractAs the humidity load of an air-conditioning system accounts for 40%-60%of the cooling load of the entire system，exploiting the advantages of solid desiccant can effectively reduce the energy consumption of the air-conditioning system.The major source of energy consumption for the desiccant system is the regeneration energy consumption of the solid desiccant，and the traditional regenerative mode is characterized by high energy consumption， low regenerative efficiency， etc.In this study， comparative tests were conducted on the regeneration performance of solid desiccant materials under application of the microwave and hot-air methods.Hence，a model was established，and analyses were conducted considering the regeneration effect and energy consumption.Solid desiccants in the same state were tested under hot-air regeneration modes of 50-90℃(power:857-1 204 W)and for microwave regeneration powers of 440-800 W.The test results indicate that the maximum regeneration rate for the hot-air method is 49.89%-86.23%of the microwave technique.However，the microwave energy consumption is only 25.2%-37.7%of the hot-air method.Thus，the average energy utilization of the microwave regeneration method is 2.51-3.21 times that of the hot-air technique.

Keywordssolid desiccant;microwave regeneration;hot air regeneration;energy utilization

除濕技術是溫濕度獨立控制空調系統發展的關鍵[1-2]。一個完整的吸附除濕循環由吸附過程、再生過程(或稱“脫附過程”)和冷卻過程組成。再生過程是整個循環的核心，它不僅影響除濕劑在吸附除濕過程中的除濕性能，還影響除濕系統的能效比(COP)[3]。在除濕供冷系統諸多環節中，除濕材料再生過程的能耗是系統的主要能耗，因此，再生過程的耗能形式和來源直接影響了除濕供冷技術的節能及運行效果。目前，固體除濕材料常用的再生方法主要有加熱再生、電滲再生、超聲波再生和高壓電場再生等。

加熱再生是利用熱空氣或熱水對除濕材料進行脫濕再生的一種方式，包括熱空氣再生和內熱型再生。熱空氣再生包括利用太陽能集熱器加熱空氣對固體除濕材料進行再生。Y.Saito等[4-5]對一體化除濕集熱器進行了研究，結果表明:在濕熱氣候條件下，固體除濕材料可以通過太陽能空氣集熱器進行再生。J.Y.San等[6]對硅膠除濕床熱空氣再生的時間和溫度的關系進行了研究，研究表明:單純依靠提高再生空氣溫度降低再生時間的效果不顯著。J.Taweekun等[7]對多層除濕床熱空氣的再生溫度和流速進行了研究，發現在一定的測試工況下，除濕床在空氣溫度52℃和風速0.175 m/s時再生能耗最小。為提高硅膠除濕床的再生效率，S.Pramuang等[8]采用復合拋物線型太陽能空氣集熱器對硅膠固體除濕床進行了再生實驗研究。內熱型再生的主要方式之一是在除濕床內部設置換熱裝置并通以熱水或其他介質，以提高除濕材料溫度，實現再生。通過除濕床內部換熱裝置的熱水可以是余熱產生的熱水，也可以是太陽能集熱器產生的熱水。陳霈林等[9]研究了利用汽車缸套冷卻熱水實現再生的固體除濕空調系統。彭作戰等[10]研制了“太陽能再生式除濕換熱器”，在管內通冷卻水來解決吸濕劑的吸附熱問題，并在吸濕完成后的除濕換熱器管內通太陽能熱水以實現快速再生。呂寧等[11]提出了一種內熱再生式固體除濕器，除濕器在不采用內冷措施的情況下，對夏季室內的高濕氣體或微環境內的低濕氣體均具有較高的除濕效率，再生時間遠小于有效除濕時間，吸附床壓降小，對室內小型空間的除濕需求具有很好的適用性。

采用加熱再生方法對固體除濕材料進行再生，如果降低再生溫度，除濕材料的除濕性能隨之降低，系統不能滿足實際除濕要求;如果提高再生溫度，則除濕材料再生能耗升高，不利于系統節能，為降低能耗，提高再生效率，新再生技術不斷被提出，主要包括電滲再生、超聲波再生和高壓電場再生等。

2004年E.Mina等[12]首次提出除濕劑電滲再生的概念，利用高嶺土薄膜作為實驗材料，外加電壓為10 V時得到1.3×10-6g/(m2·s)的電滲流。張桂英等[13]分析了電滲效應再生固體除濕劑的可能性，發現當大孔硅膠的初始含水率為95%，電壓為60 V時，不存在電滲效應;當大孔硅膠的初始含水率為105%，電壓分別為40 V、50 V和60 V時，存在電滲效應，可以實現大孔硅膠一定程度的再生，說明硅膠的初始含水率對電滲效應有較大影響。

姚曄等[14-25]提出了超聲波強化除濕劑再生的技術，并進行了大量研究。核心思想是利用功率超聲波的“機械效應”和“熱效應”對除濕劑進行強化再生，以改善除濕材料在再生過程中利用低品位熱源再生的應用效果，提高低品位能源在除濕材料再生中的能量利用率。與加熱再生相比，超聲波再生的節能潛力主要體現在兩個方面:1)為低溫熱源在固體除濕材料再生過程中的有效利用提供了可能;2)超聲波能量傳遞方式和熱空氣能量傳遞方式有著本質區別，前者是隨聲波進行傳遞，后者則是依靠熱傳導傳遞，因此，超聲波能量傳遞速度快，能迅速滲入材料內部轉化為有利于除濕劑再生的內能，能量利用率提高。

2008年顧平道等[26]將高壓電場脫除物料水分技術應用到轉輪除濕機的再生系統中，研究結果表明:相同條件下，采用高壓電場脫除物料水分技術比采用常規電加熱器系統節能30% ～40%，具有降低再生空氣溫度(40～50℃)、縮短再生時間及提高再生速率的效果，從而達到節能降耗的目的。

新的再生方法可以在一定程度上降低除濕材料的再生溫度，加快再生速率。但在實際應用中，發現電滲再生方法再生速率低，穩定性差，工作時間短;超聲波再生技術應用時吸附過程和再生過程難以結合;高壓電場再生法存在設備復雜、危險性大等問題。針對上述各除濕材料的再生方法存在的優缺點，本文提出一種采用微波和太陽輻射聯合再生固體除濕材料的方法。微波在干燥領域具有顯著節能效果，相同裝載量，微波干燥的能耗不及電熱再生能耗的10%[27]。此外，微波干燥還具有干燥速率大、干燥均勻及環保等優點[28-30]，微波干燥還能使樣品的孔隙度等物理化學特性發生改變[31-33]，從而提高裂解過程中生物油的產率[34-35]。然而，國內外對微波干燥的研究主要集中在食品、農產品等方面，對固體除濕材料的微波再生研究鮮有報道，因此，有必要對固體除濕材料的微波再生進行更深入的研究。

本文對固體除濕材料熱風和微波兩種再生方式進行了對比實驗研究，以探討熱風和微波對固體除濕材料的再生效果和節能效應。

1 熱風與微波再生機理

熱風再生是利用熱空氣對固體除濕材料進行由表及里的加熱，熱量由硅膠表面進入硅膠內部使硅膠吸收水分脫除達到再生的目的。在熱風再生過程中除濕材料表面溫度先升高，此時附著在除濕材料表面的自由水分子首先進行脫除，隨后除濕材料內部溫度升高，除濕材料內部的結合水開始進行脫除。熱風再生的熱傳導方向與水分擴散方向相反，不利于水分脫除，因此，熱風再生的效果較差。

微波再生是將固體除濕材料置于頻率高達每秒數億次的高頻交變電磁場中，使除濕材料中形成的偶極子或已有的偶極子重新排列并隨交變電磁場擺動，同時，由于電場方向不斷變化，分子也不斷重新排列，該過程中因克服分子熱運動和分子間相互摩擦而產生大量的熱，由此引起除濕材料內部和外部溫度同時升高，使除濕材料整體幾乎同時加熱升溫，材料本身相當于一個熱源，且在加熱過程中材料內部溫度較高，熱傳導方向與水分擴散方向一致，有利于水分的擴散。微波對固體除濕材料的再生與材料的介電常數有密切關系，材料對微波的吸收，表現為材料對電場的損耗。材料的介電常數越大，對電場的介電損耗越大，對微波的吸收也就越強。一般來說，水的介電常數為78.54，而硅膠的介電常數一般不超過10。所以，在對含水硅膠進行微波再生的過程中，水分能充分地加熱去除。

1.1 實驗裝置與測試儀器

熱風再生裝置如圖1所示，主要包括進風口、電加熱器加熱層、硅膠再生層和出風口四個部分。進風口位于整個實驗裝置的底部，由長和高均為20 cm的孔洞組成。加熱層由兩組電加熱器和均風板組成，兩組加熱器能提供50～90℃的空氣。硅膠再生層放置飽和吸濕后的硅膠。出風口由風機和均風板構成，出風口風機可以使硅膠層經加熱后脫出來的水分隨空氣流動而排除，從而實現再生過程。整個裝置外部敷設聚塑聚苯乙烯板，可以減少外部環境的傳熱影響。微波再生裝置如圖2示，微波再生實驗中采用的微波爐型號MM8234A6-PS，頻率2 450 MHz，最大輸出功率800 W，功率可調節為800、616、440 W三種。測試系統:除濕材料含濕量測量采用高精度電子天平(型號TCS-TCSC，輸出電壓6 V，功率14 W，檢定分度值0.002 kg，最大稱量值75 kg);固體除濕材料內部和空氣溫度測量采用K型熱電偶;能耗測量采用電力監測儀(型號S400，精度1.0級，功耗小于0.4 W，工作電壓220 V，工作頻率50 Hz)。數據采集系統:熱電偶、電力監測儀分別與電腦連接，再生過程中會定時把所測數據傳輸到計算機完成數據采集，固體除濕材料在再生過程的質量變化采用電子天平進行測量。

1.2 測試工況

實驗過程中微波再生功率分別設置為800、616、440 W。熱風再生裝置可提供50～90℃的熱風，本實驗選90、80、70、60、50 ℃五種溫度為實驗工況，對應的熱風再生功率分別為 1 204、1 137、1 022、933、857 W。測試時，首先將裝有固體除濕材料(硅膠)的容器放入120℃鼓風干燥箱內烘干8 h至完全烘干。鼓風干燥箱型號HN101-2A，輸入電壓200 V，輸入功率2.2 kW，溫度波動±1.0℃，控溫范圍10～300℃，工作室尺寸500 mm×550 mm×450 mm。稱得烘干后硅膠的干基質量為mg;然后緩慢加水讓固體除濕材料充分吸濕，吸濕完全后晾干至無水滴時進行稱量，該質量為飽和吸濕狀態的固體除濕材料質量，記為m;最后將飽和吸濕狀態和等質量的固體除濕材料分別放入微波爐和熱風再生裝置中進行再生，每5 min稱量一次，并同時檢測再生耗電量。由于再生容器取出稱量時間較短，可認為該再生過程是連續進行的。

圖1 熱風再生裝置Fig.1 The hot air regeneration device

圖2 微波再生裝置原理Fig.2 The principle of microwave regeneration device

2 測試結果及分析

2.1 干基含水率

1)測試結果分析

固體除濕材料的再生性能常采用干基含水率、再生速率、單位能耗量和能源利用率等指標進行評價分析。干基含水率是指在再生過程中某時刻除濕材料的質量和除濕材料完全干燥狀態下的質量之差與除濕材料完全干燥狀態下的質量的比值，計算式為:

式中:Mτ為τ時刻除濕材料的干基含水率;mτ為τ時刻除濕材料的質量，kg;mg為除濕材料完全干燥狀態下的質量，kg。

除濕材料在微波和熱風再生工況下的干基含水率變化如圖3所示，分析可得:

1)在初始干基含水率相同的情況下，微波功率440～800 W時微波再生干基含水率的曲線斜率明顯大于熱風溫度50～90℃(功率857～1 204 W)工況下的干基含水率的曲線斜率，說明固體除濕材料在一定功率下微波再生過程中的水分脫除速率高于熱風再生的水分脫除速率。

2)固體除濕材料在微波再生工況下，功率為800 W時微波再生時間經過30 min后，干基含水率已經接近于0;微波功率為440 W時，干基含水率趨近于0時的再生時長為50 min，比90℃熱風再生中的干基含水率趨近于0的時間縮短10 min，比50℃熱風再生中的干基含水率趨近于0的時間縮短60 min。

圖3 不同再生工況下固體除濕材料的干基含水率變化Fig.3 Dry basis moisture content curves of silica gel in different conditions

2)計算模型

根據實驗測試結果可知，固體除濕材料在微波和熱風兩種再生工況下的干基含水率均隨時間呈指數遞減，假設干基含水率的數學模型如下:

式中:τ為再生時間，min;A、B、C為系數，根據實驗數據確定。

根據固體除濕材料干基含水率的物理變化過程可知:當τ=0時，Mτ=M0(初始干基含水率)，則得，Mτ=M0=A+C;當τ→∞ 時，Mτ=0，則得，C=0，固體除濕材料的干基含水率變化模型為:

根據實驗測試數據得到不同再生工況下的模型參數和再生擬合曲線，分別如表1和圖4所示。從表1不同再生工況下的平均相對誤差和最大誤差可得:各工況下平均相對誤差小于5%，該干基含水率計算模型具有較好的實用性。圖4中實點表示實際實驗條件中不同工況下固體除濕材料在不同時刻的干基含水率變化，曲線表示利用固體除濕材料的干基含濕率變化模型擬合出固體除濕材料在不同工況下的理論變化值，由圖4可知，該模型變化曲線與實驗數據吻合較好，說明該模型變化曲線可以很好的反映實際變化趨勢。

表1 不同再生工況下的擬合結果Tab.1 Results of fitting in different regeneration conditions

圖4 不同再生工況下的擬合結果Fig.4 Results of fitting in different regeneration conditions

2.2 再生速率

再生速率是指再生過程中，單位時間內單位質量干燥硅膠含水量的變化，計算式為:

式中:SR為再生速率，kg/(kg·min);mτ為τ時刻除濕材料的質量，kg;mτ+Δτ為τ+Δτ時刻除濕材料的質量，kg;mg為除濕材料完全干燥狀態下的質量，kg;Δτ為再生時間段，min。

固體除濕材料在微波和熱風再生工況下的再生速率隨再生度的變化趨勢如圖5所示，分析測試結果可得:

1)開始時固體除濕材料再生率隨再生度的增大而逐漸增大，當固體除濕材料再生度約為0.5時，固體除濕材料再生速率達到最大值，其后隨著再生度的增大，再生速率逐漸減小。

圖5 不同再生工況下固體除濕材料在不同再生度時的再生速率變化Fig.5 Speed of regeneration curve for certain regeneration degree achieved of silica gel under different regeneration conditions

2)當固體除濕材料在再生過程中達到相同再生度時，微波功率在440～800 W的微波再生速率比熱風50～90℃的熱風再生速率大。當再生度為0.5時，功率為800 W的微波再生速率為0.014 13 kg/(kg·min)，功率為 440 W 的微波再生速率為0.007 60 kg/(kg·min);90℃高溫熱風再生，當固體除濕材料再生度為0.5時，再生速率為0.006 80 kg/(kg·min)，其再生速率是440 W微波再生速率的89.47%，800 W微波再生速率的48.22%;當固體除濕材料再生度為1.0時，90℃高溫熱風再生速率是440 W微波再生速率的33.33%，800 W微波再生速率的17.73%。

3)微波再生時，微波進行加熱使固體除濕材料內部溫度升高，固體除濕材料的熱傳導方向與水分擴散方向一致，有利于水分的擴散;熱風再生是先從固體除濕材料的外部進行加熱，熱傳方向與水分擴散方向相反，不利于水分的擴散。說明在再生度相同條件下，微波再生的再生速率大于熱風再生的再生速率。

2.3 再生能耗

單位除濕材料再生能耗是指單位質量固體除濕材料在再生過程中達到一定的再生度時所消耗的電能。本實驗單位質量固體除濕材料在微波和熱風再生工況下再生耗電量隨再生度的變化如圖6所示，分析測試結果可得:

1)當固體除濕材料達到相同再生度時，微波再生能耗比熱風再生能耗低，微波再生平均耗電量小于熱風再生平均耗電量，說明微波再生相對于熱風再生具有較好的節能效果。

2)當再生度為0.5時，800 W功率下微波再生能耗分別為 90、 80、70、60、50 ℃ 熱風再生能耗的37.7%、36.1%、34.6%、33.1%、31.2%;當再生度為1.0時，800 W功率下微波再生能耗分別為90、80、70、60、50℃ 熱風再生能耗的 34.1%、32.2%、29.4% 、25.3% 、25.2% 。

3)固體除濕材料在微波再生和熱風再生呈現不同的變化規律，再生時的能耗均隨再生度呈增大趨勢。

圖6 不同再生工況下固體除濕材料再生達到一定再生度時耗電量的變化Fig.6 Regeneration electricity required curve for certain regeneration degree achieved of silica gel in different regeneration conditions

2.4 能源利用率

能源利用率是指固體除濕材料在再生過程中，水分脫除理論上需要的能量與再生過程中實際消耗的總能量之比，計算式為:

式中:ηr為能源利用率，%;Qr為固體除濕材料水分脫除理論上需要的能量，kJ;Qe為固體除濕材料再生過程中實際消耗的總能量，kJ;ΔH為水分解析吸附熱，取3 000 kJ/kg[36]。

本實驗固體除濕材料采用熱風和微波再生達到不同再生度時的能源利用率變化如圖7所示，由圖可得:

1)隨著再生度的增加，熱風再生和微波再生在各種工況下的能源利用率先逐漸增大，當再生度達到70%時，能源利用率開始逐漸下降。

2)相同再生度時，微波再生在各種工況下的能源利用率均大于熱風再生各工況下的能源利用率。

3)再生度在0.1～1.0范圍內，微波再生在功率為800、616、440 W工況下的平均能源利用率分別為33.43%、32.94%、32.21%。熱風再生在溫度為90、80、70、60、50℃工況下的平均能源利用率分別為12.81%、12.20%、11.62%、10.85%、10.40%，微波再生功率在三種工況下的平均能源利用率為熱風再生五種工況下的平均能源利用率的2.51～3.21倍，說明微波再生比熱風再生的能源利用率高。

圖7 不同工況下固體除濕材料再生的能源利用率變化Fig.7 Energy utilization rate curves of silica gel regeneration in different conditions

3 結論

本文主要從再生效果和再生能耗兩方面對硅膠的微波再生和熱風再生進行對比實驗研究，得出如下結論:

1)微波功率越大，固體除濕材料的干基含水率變化速率越大，再生時間越短;熱風再生過程中固體除濕材料的干基含水率的變化速率隨再生溫度的升高逐漸增大。干基含水率計算模型可以很好地體現實際干基含水率的變化趨勢，具有較好的實用性。

2)微波再生比熱風再生速率快，固體除濕材料達到相同再生度時，熱風再生最大再生速率為微波功率440～800 W時微波再生最大再生速率的49.89%～86.23%。

3)微波再生節能效果顯著，在相同再生度下，微波再生消耗電能為熱風再生消耗電能的25.2%～37.7%。

4)固體除濕劑再生達到相同再生度時，微波再生功率在三種工況下的平均能源利用率為熱風再生五種工況下的平均能源利用率的2.51～3.21倍，說明微波再生比熱風再生的能源利用率高。

本文受廣東省2015年公益項目(第一批)(2014A010106031)，廣東省中國科學院全面戰略合作專項資金競爭性分配項目(2013B091500094)及歐盟2020研究和創新基金項目(734340-DEW-COOL-4-CDC-MSCA-RIS)資助。(The project was supported by the first batch of Public Welfare Program in 2015 in Guangdong Province(No.2014A010106031)，the Competitive Allocation of Special Funds in Guangdong Province China Academy of Sciences Comprehensive Strategic(No.2013B091500094)and Orizon 2020-Research&Innovation Framework Programme(No.734340-DEW-COOL-4-CDC-MSCA-RIS).)

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Regeneration Performance and Model-based Analysis of Microwave and Hot-air Regeneration Modes for Solid Desiccant

Yang Wansheng1Zeng Jie1Zhao Xudong2
(1.School of Civil and Transportation Engineering， Guangdong University of Technology，Guangzhou， 510006， China;2.School of Engineering， University of Hull， Hull， HU6 7RX， UK)

TU834.9;TB61+1

A

2016年10月10日

0253-4339(2017)05-0099-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.099

楊晚生，男，博士，教授，廣東工業大學土木與交通工程學院，13580343059，E-mail:gdyangwansh@126.com。 研究方向:暖通空調、建筑節能和綠色建筑。

About the corresponding authorYang Wansheng， male， Ph.D.， professor， School of Civil and Traffic Engineering， Guangdong University of Technology， +86 1358033059，E-mail:gdyangwansh@126.com.Research fields:heating ventilating&air conditioning，building energy conservation and green building.