利用各種排熱驅(qū)動的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)

1、利用各種排熱驅(qū)動的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)    摘要： 本文分析了現(xiàn)行吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，對開發(fā)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)造、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論作了詳細(xì)闡述。為該新型節(jié)能環(huán)保型空調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指南。     關(guān)鍵詞： 吸附式 熱電并給 蜂窩式 除濕轉(zhuǎn)輪 廢熱利用    1前言    由于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)可以對空氣的溫度和濕度分別加以處理，使其近年來在許多領(lǐng)域得到了廣泛的

2、應(yīng)用。鑒于上述情況，我們從數(shù)年前開始了對吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)性能改進(jìn)及實(shí)用化的開發(fā)研究。特別是針對近年來各種分布型熱電并給系統(tǒng)不斷普及的現(xiàn)狀，成功地開發(fā)了一種可以直接利用各種排熱的新型高性能吸附式除濕空調(diào)機(jī)。    本文闡述了這一新型高性能吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，以及實(shí)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論。    2現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)    吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的概念是1960年代提出的，1980年代各國的研究人員開始從實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算兩方面對這一系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究1-6）。其

3、典型的流程如圖1所示，由蜂窩式吸附除濕轉(zhuǎn)輪、顯熱交換轉(zhuǎn)輪、再生空氣加熱器、直接蒸發(fā)式冷卻器、風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時空氣狀態(tài)變化過程在空氣焓濕圖上表示的結(jié)果如圖2所示。新風(fēng)風(fēng)機(jī)將室外空氣OA送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)，空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附，由于有吸附熱發(fā)生空氣溫度會升高 (12)。經(jīng)過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與從空調(diào)對象室內(nèi)的排氣RA進(jìn)行熱交換，其被冷卻到室溫狀態(tài)(23)。然后，通過直接蒸發(fā)式冷卻器，向此干燥空氣中噴水，借助水的蒸發(fā)潛熱使空氣進(jìn)一步等焓冷卻到較低溫度（34），冷風(fēng)被送到空調(diào)對象室內(nèi)。    另一方面，從空調(diào)對象室內(nèi)返回的換氣RA首先經(jīng)過直接

4、蒸發(fā)冷卻器，借助噴霧水的蒸發(fā)，將空氣等焓冷卻到較低溫度(56)，然后通過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與除濕后的空氣進(jìn)行熱交換，在冷卻被干燥空氣的同時，自身被加熱(67),再經(jīng)過再生空氣加熱器被加熱到再生溫度 (78) 后送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的再生部，將除濕轉(zhuǎn)輪吸附的水分脫附，使除濕轉(zhuǎn)輪得到再生。再生后的空氣被排放到大氣中(89)。            圖2現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)空氣狀態(tài)變化    對這一空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程分析可以看出該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存

5、在著以下的問題：（1）隨著顯熱交換轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，會有一部分高濕度的換氣RA被轉(zhuǎn)輪攜帶到冷風(fēng)SA側(cè)（這一現(xiàn)象也被稱為內(nèi)部泄漏）；（2）由于顯熱交換轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部泄漏，會將室內(nèi)被香煙、人體的汗味，或者是其他揮發(fā)性有機(jī)物污染的空氣帶到冷風(fēng)中，造成所謂交叉污染；（3）系統(tǒng)設(shè)備多，制造成本高。為了冷卻冷風(fēng)空氣SA，需要直接蒸發(fā)冷卻器和顯熱交換轉(zhuǎn)輪兩臺設(shè)備；（4）熱交換器效率較低，直接蒸發(fā)冷卻器+顯熱交換轉(zhuǎn)輪的綜合熱交換效率低于80%；（5）排熱回收利用率較低?，F(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)是將排熱轉(zhuǎn)換成熱水后再利用，通常從廢熱鍋爐仍然要排出100左右的氣體，加上廢熱鍋爐及熱水配管的熱損失，排熱回收利用率大大降低；（

6、6）由于使用熱水作為再生空氣加熱的熱源，再生空氣溫度只能達(dá)到約80，其再生效率較低7）。    3新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)    31 高性能吸附式除濕轉(zhuǎn)輪及其最佳再生方法探討    在吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)中，雖然除濕過程(12)中空氣的焓值沒有降低，但是由于除濕轉(zhuǎn)輪將空氣的潛熱轉(zhuǎn)換成了顯熱，這為后續(xù)的熱交換及冷卻過程降低空氣的焓值奠定了基礎(chǔ)。因此，高性能的除濕轉(zhuǎn)輪是實(shí)現(xiàn)高性能的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的先決條件。    在設(shè)想排熱熱源溫度為

7、150以上的前提下，對除濕轉(zhuǎn)輪的最佳再生方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究7)。實(shí)驗(yàn)方法如下，選用了直徑300mm，厚度200mm的除濕轉(zhuǎn)輪SSCR-U，在其處理風(fēng)量（224m3/h）、及再生空氣加熱用能量（3.64kw）一定的前提下，改變再生空氣的溫度，對除濕轉(zhuǎn)輪的除濕性能進(jìn)行測試。而且，為了消除再生空氣面風(fēng)速的影響，制作了三種不同再生區(qū)面積比的除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)用風(fēng)洞，使再生空氣面風(fēng)速維持在2m/s。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)條件在表1中給出。    表1 除濕轉(zhuǎn)輪性能實(shí)驗(yàn)條件一覽表     流程類型    

8、低溫再生    標(biāo)準(zhǔn)再生    高溫再生    再生區(qū)/處理區(qū)    1/1    1/3    1/4    再生用能量(kW)        再生空氣溫度()    80  &

9、#160; 130    155    再生風(fēng)量OR(m3/h)    224    112        再生風(fēng)速VR(m/s)                處理風(fēng)量QP(m3/h)&#

10、160;   224    處理風(fēng)速VP(m/s)    2            風(fēng)量比QR/QP    1/1    1/2        處理入口空氣溫度()    

11、;30    再生空氣濕度(g/kg)    再生空氣濕度與處理空氣濕度相同    轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速N(rph)    14    12        實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)空氣濕度低于XP1=13g/kg時，高溫再生流程的除濕性能顯現(xiàn)出若干優(yōu)勢。但是，在入口濕度高于XP1=13g/kg的條件下，標(biāo)準(zhǔn)再生流程的除濕性能變得最好

12、。原因是：再生空氣溫度越高，其相對濕度就越低，除濕轉(zhuǎn)輪的再生程度也就越好，因此在低濕度范圍內(nèi)，提高再生溫度可以得到濕度更低的干燥空氣。另一方面，根據(jù)物質(zhì)（水分）衡算、熱量衡算關(guān)系可知，再生出口空氣含濕量將以再生風(fēng)量比的倒數(shù)的倍率關(guān)系隨處理空氣除濕量的增加而變化，再生空氣溫度下降與處理空氣溫升之比例系數(shù)則是再生風(fēng)量比的倒數(shù)。在高濕度范圍內(nèi)，隨著處理空氣除濕量的增加，對于再生空氣量較少的高溫再生流程而言，再生區(qū)出口空氣的濕度變得很高，其溫度卻降到較低。致使再生空氣在出口附近的相對濕度高于處理空氣，發(fā)生再生空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附的逆向過程，其除濕性能必然降低。相對于標(biāo)準(zhǔn)再生流程、高溫再生流程而

13、言，低溫再生流程的除濕性能在全濕度范圍內(nèi)均較低。這是由于再生溫度越低，除濕轉(zhuǎn)輪被再生的程度就越差，離開除濕轉(zhuǎn)輪的處理出口空氣的濕度自然也就很難降到較低程度。因此，當(dāng)排熱熱源溫度在150以上時，采用標(biāo)準(zhǔn)再生流程，比現(xiàn)行的采用低溫再生型除濕轉(zhuǎn)輪的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，無論是在潛熱處理能力、還是在能量利用效率（減少有效能損失）方面都會有很大的改善。    圖3再生溫度及風(fēng)量對除濕轉(zhuǎn)輪性能的影響    32 高效率顯熱除去裝置的開發(fā)    與潛熱處理設(shè)備-除濕轉(zhuǎn)輪一樣，顯熱處理設(shè)備顯熱

14、交換器對吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)來說也是一個非常重要的設(shè)備。    圖4 叉流型間接氣化冷卻器流程概略圖    作者研發(fā)了一種用于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的高效率，無內(nèi)部泄漏、無交叉污染發(fā)生的特殊構(gòu)造叉流型間接氣化冷卻器10）。其構(gòu)造及運(yùn)轉(zhuǎn)原理如圖4所示。其性能測試結(jié)果在圖5中給出。為了與其他類型的熱交換器性能進(jìn)行比較，在圖5中同時給出了顯熱交換轉(zhuǎn)輪、普通的叉流型顯熱交換器的測定結(jié)果。    結(jié)果表明：間接氣化冷卻器比普通的叉流型顯熱交換器、以及顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率都好。以面風(fēng)速2m

15、/s的操作條件為例，開發(fā)的間接氣化冷卻器的熱交換效率卻達(dá)到了85%，比顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率高5%左右。同時，壓力損失在三種熱交換器中最小。    圖5各種熱交換器性能比較    綜上研究，開發(fā)了一種用于與各種分布型發(fā)電設(shè)備配套的熱電并給系統(tǒng)用新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，如圖6所示。其運(yùn)轉(zhuǎn)原理與現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)基本相同，即首先對空氣進(jìn)行除濕，然后再對其進(jìn)行冷卻處理。該系統(tǒng)有如下的特性：（1）根除了顯熱交換轉(zhuǎn)輪所存在的由換氣側(cè)向冷風(fēng)側(cè)的水分?jǐn)y帶問題及所謂交叉污染的問題；（2）提高了熱交換效率，降低了冷風(fēng)的溫

16、度及焓值；（3）由于采用了排熱氣體直接用于除濕轉(zhuǎn)輪的再生，降低了廢熱鍋爐及熱水供水管等過程約30%的熱損失；（4）突破了現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系再生溫度只能達(dá)到80的界限。再生效率可提高2030%；（5）減少了構(gòu)成設(shè)備，降低了造價(jià)。        4實(shí)證實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果討論    為了對上述空調(diào)系統(tǒng)的性能從實(shí)驗(yàn)上加以確認(rèn)，自2001年1月起，在株式會社西部技研辦公大樓設(shè)置了一臺冷風(fēng)量為5500m3/h的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)及與其配套的發(fā)電能力為28kW的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的一個熱

17、電并給系統(tǒng)。進(jìn)行了為期1年的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。    41 實(shí)證實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)概要    實(shí)證實(shí)驗(yàn)是由開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)（概要見表2），和美國Capstone Turbine Corporation公司制造的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)（Micro Gas Turbine Generator，概要見表3）所構(gòu)成的熱電并給系統(tǒng)。該熱電并給系統(tǒng)設(shè)備配置如圖7所示。照片的左側(cè)為微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，右側(cè)為新型吸附式除濕空調(diào)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)排出的排氣的溫度約為275。將其與用來冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)成設(shè)備的溫度約為65的被稱為低溫排熱的空氣混合后

18、，直接用作吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源再生除濕轉(zhuǎn)輪。    表2 新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)概要    冷風(fēng)風(fēng)量    5，500m3/h    制冷能力*（夏季）    顯熱：9.4kW    合計(jì)：53.4kW    潛熱：44kW    加熱能力*（冬季） 

19、60;  顯熱：46.1kW    合計(jì)：68.1kW    潛熱：22kW    外形尺寸    2200(H)×3380(L)×1450(W)    運(yùn)轉(zhuǎn)方式    制冷、供暖、換氣（可切換）    *制冷、加熱能力計(jì)算基準(zhǔn)：    外

20、氣條件 夏季：溫度32，相對濕度65%    冬季：溫度2， 相對濕度57%    室內(nèi)條件 夏季：溫度27，相對濕度55%    冬季：溫度22，相對濕度50%    表3微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)概要     制造廠商    美國（Capstone Turbine Corporation）    發(fā)電能力 

21、0;  28kW    燃料消費(fèi)        發(fā)電效率    26%    最高轉(zhuǎn)速    96,000rpm    排氣中NOx    9ppm(O215%)    外形尺寸   

22、60;2040（H）×2000（L）×800（W）    圖7 實(shí)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成42 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及結(jié)果討論    開發(fā)的這一吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，不僅可以用于夏季的制冷，而且也可以用于冬季的供暖，及中間期的換氣運(yùn)轉(zhuǎn)。這里，僅對夏季的制冷運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作詳細(xì)討論。由于該空調(diào)系統(tǒng)向空調(diào)室內(nèi)供給的空氣全部為新鮮的室外空氣，因此，其冷卻能力CC(kW)可由下面的公式計(jì)算：     其中為冷風(fēng)量(kg/s)，與分別為室外空氣OA和冷風(fēng)SA的焓值（kJ/kg）。&#

23、160;   從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，選取了晴天（圖8）、雨天（圖9）兩種典型的天氣狀況下的結(jié)果加以說明。在室外空氣溫度2633，相對濕度5598%的情況下，不論是晴天、還是雨天，該新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)都可以向空調(diào)對象室提供溫度為1925，相對濕度4070%的溫、濕度條件比較穩(wěn)定的冷風(fēng)。冷風(fēng)的溫度比室外空氣溫度約低69，絕對濕度也降低到室外空氣的一半以下。而且冷風(fēng)的焓值也只有室外空氣的60%以下，換算為冷卻能力超過了設(shè)計(jì)值的53kW以上。而且在外氣溫度變化6（2733）的情況下，冷風(fēng)的溫度僅變化3（2225）。冷風(fēng)的溫度雖然受到外氣溫度的影響，但其影響程度卻不是很大。

24、    此外，對圖9所示的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果進(jìn)行考察發(fā)現(xiàn)：即使是相對濕度85%RH的雨天，該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)也可以向室內(nèi)提供溫度2224，相對濕度45%60%的冷風(fēng)。    圖10是將吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時外氣、冷風(fēng)及室內(nèi)空氣的狀態(tài)在空氣焓濕圖上描繪的結(jié)果。同時，將壓縮制冷式空調(diào)機(jī)的冷風(fēng)空氣狀態(tài)也標(biāo)繪在同一圖上。壓縮機(jī)制冷式空調(diào)機(jī)為了把空氣的濕度降到12g/kg以下，需要將空氣冷卻到1316（相對濕度達(dá)95100%）。這樣的冷風(fēng)直接吹到人身上會讓人感到很冷，時間長了會使人得空調(diào)病。而吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風(fēng)空氣卻是

25、體感最舒適的狀態(tài)。雖然該空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風(fēng)空氣溫度與壓縮機(jī)制冷式空調(diào)機(jī)吹出的冷風(fēng)溫度相比有些偏高，但是兩者的焓值卻相差無幾。    43 熱電并給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果    表4給出了該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的一個結(jié)果?？梢?，開發(fā)的高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的新熱電并給系統(tǒng)的綜合能量利用率達(dá)到了90.9%，比現(xiàn)行的熱電并給系統(tǒng)提高了15%以上。         圖8 晴天條件時吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果   

26、; 圖9 雨天條件時吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果        圖10吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時外氣、冷風(fēng)及其室內(nèi)空氣的狀態(tài)    表4熱電并給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果        新熱電并給系統(tǒng)    現(xiàn)行熱電并給系統(tǒng)    項(xiàng)目    （kW）    百分率    （kW）    百分率    投入能量        100%    112    100%