（热能工程专业论文）新型固体吸附床中吸附除湿过程的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文根据现有的固定床结构种类设计了一种新型的吸附床结构形式；在前人 关于多孔介质传热传质数值模拟的成果基础上，针对本吸附床结构建立了吸附床 吸附的物理模型和数学模型；对现有的吸附方面的评价指标进行了分类并提出一 个新的评价指标床体空气含湿量波动比率r b h f 。 影响吸附床除湿性能的因素很多，如进口空气参数、吸附剂再牛程度、床体 温度以及环境温度湿度等等，综合考虑这些影响因素和工程应用背景，使用传统 的活性氧化铝和1 3 x 分子筛吸附剂进行了新型固体吸附床中吸附除湿性能的实 验研究，在实验数据基础上对床体压降随风量的变化进行分析，另外在一个完整 的吸附除湿过程中，测得吸附床进出口及内部测点的温湿度参数，主要以处理量 和床体空气含湿量波动比率r b h f 两个评价指标分别分析各影响参数对吸附床 吸附性能的影响和在再生、冷却和吸附阶段吸附床的传热传质效果。实验所得结 论如下：在这种吸附床结构下，1 3 x 分子筛的再生温度比活性氧化锚高；1 3 x 分 子筛的吸附量比活性氧化铝大；整个吸附阶段活性氧化铝的处理量相对稳定， 1 3 x 分子筛的处理量波动较大；风量小时吸附速率大。 通过对本文提出的吸附床结构进行的分析发现，本文设计的吸附床床体结构 并不理想，分析其原因，得出了后续吸附床结构设计应遵循的参考依据： 1 、吸 附床沿空气流动方向的厚度设计要薄；2 、不同吸附剂组合填装，可以满足不同 湿度下的处殚要求；3 、为了加快吸附剂的加热和冷却过程，应该在吸附床内部 设置水管管路；4 、处理空气和再生空气流向相反，有利于优化床体的再生效果。 关键词：吸附除湿，吸附床结构，活性氧化铝，1 3 x 分子筛，评价指标 a b s t r a c t a b s t r a c t f i r s t ，an e ws t r u c t u r eo faf i x e db e di sd e s i g n e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n gb e ds t r u c t u r e so fa d s o r b e n tb e d s e c o n d ，b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tp o r o u sm e d i u mh e a ta n dm a s st r a n s f e r , t h ep h y s i c a la n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h ee x i s t i n ga d s o r p t i o na s p e c t so f e v a l u a t i o ni n d e xa r ec l a s s i f i e d ，a n dan e we v a l u a t i o ni n d e xc a l l e dr a t i oo fb e da i r h u m i d i t yf l u c t u a t i o n ( r b h f ) i sp r o p o s e d t h ed e h u m i d i f i c a t i v ep e r f o r m a n c ei sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h e i m p o r ta i rp a r a m e t e r s ，t h el e v e lo fa d s o r b e n tr e g e n e r a t i o n ，b e dt e m p e r a t u r e ，t h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n ds oo n c o n s i d e r i n gt h e s e f a c t o r sa n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，i ti sc a r r i e do nt h a tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fa d s o r p t i o n d e h u m i d i f y i n gp e r f o r m a n c ei nt h i s n e ws o l i da d s o r p t i o nb e du s i n gt h ea c t i v a t e d a l u m i n aa n dt h e13 xm o l e c u l a rs i e v e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ep r e s s u r e d r o po fb e d ，c h a n g i n gw i t ht h ea i rf l o w , i sa n a l y z e d f u r t h e rm o r e ，i nt h er e n e w a b l e ， c o o l i n ga n da d s o r p t i o ns t a g e ，t h ep a r a m e t e r so ft h ei m p o r t ，e x p o r ta n di n t e r n a lp o i n t s u c ha st h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya r em e a s u r e d t h ei n f l u e n c eo fe v e r y p a r a m e t e ro na d s o r p t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e h e a ta n dm a s st r a n s f e ro ft h e a d s o r p t i o nb e di ss h o w e d ，a n dt h i sa n a l y s i si sm a i n l yb a s e do nt h ee v a l u a t i o ni n d e x s u c ha st h ep r o d u c t i v i t yda n dr a t i oo fb e da i rh u m i d i t yf l u c t u a t i o n ( r b h f ) t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e n e w a b l et e m p e r a t u r eo f13 xm o l e c u l a rs i e v e si s h i g h e rt h a na c t i v a t e da l u m i n ai n t h i sa d s o r p t i o nb e ds t r u c t u r e ；t h ea d s o r p t i o n c a p a c i t yo f13 xm o l e c u l a rs i e v ei ss t r o n g e rt h a nt h ea c t i v a t e da l u m i n a ；c o m p a r i n g w i t h13 xm o l e c u l a rs i e v e s ，t h ep r o d u c t i v i t yo fa c t i v a t e da l u m i n ai sr e l a t i v e l ys t a b l e i naa d s o r p t i o ns t a g e ；t h ea b s o r p t i o nr a t ei sh i g h e ri ns m a l la i r - f l o w e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sa d s o r p t i o nb e ds t r u c t u r ei sn o tr e a s o n a b l e ； b a s e do nt h ea n a l y s i s ，s o m ea d v i c ea b o u tt h ea d s o r p t i o nb e d sd e s i g na r ep r o p o s e d a sf o l l o w ：f i r s t ，t h ea d s o r p t i o nl e n g t ha l o n gw i t ha i rf l o wd i r e c t i o ns h o u l db es h o r t s e c o n d ，t om e e tt h ed i f f e r e n th u m i d i t yt r e a t m e n t s ，i tr e q u i r st h ec o m b i n a t i o nf i l l e do f 硕士学位论文 t h ev a r i o u sa d s o r b e n t t h i r d ，i ts h o u l ds e tu pi n s i d ew a t e r p i p et os a v et i m ed u r i n g t h es t a g eo fh e a t i n ga n dc o o l i n g l a s t l y , i tw i l lb eg o o df o rt h eb e dr e g e n e r a t i o n ， w h e nt h er e g e n e r a t ea i rg o e si na no p p o s i t ew a yw i t ht h ed e h u m i d i f i c a t i v ea i r k e y w o r d s ：d e s i c c a n ta d s o r b e n t ；f i x e db e ds t r u c t u r e ；a c t i v a t e da l u m i n a ； 13 xm o l e c u l a rs i e v e s ；e v a l u a t i o ni n d e x 主要符号表 主要符号表 含义 喷嘴喉部面积 喷嘴流量系数 定压比热 含湿量 吸附剂颗粒的直径 吸附平衡热 比焓 吸附床的渗透度 吸附床的当量导热系数 水蒸气的蒸发潜热 干空气质量流量 质量 单个吸附床中所填充的制冷剂质量 整个系统所采用的吸附剂质量 压力 喷嘴两端静压差 流量 制冷量 雷诺数 气体普适常数 相对湿度 温度 1 2 3等压吸附、等容冷却、加热解吸过程所花费时间 体积 吸附热 吸附床在一个周期内的除湿量 i v d _ ! ! = 的 钛掺杂硅胶 钻掺杂硅胶 硅胶；前期吸附速率、孔径及热稳定性变化顺序为钴掺杂硅胶 铝掺杂硅胶 钛掺 杂硅胶 硅胶。因此，铝掺杂硅胶吸附材料优于钛、钴掺杂硅胶吸附材料。 a r i s t o v 等 3 9 - 4 0 】、刘业凤等 4 1 - 4 2 】、李鑫，朱培怡等 4 3 - 4 5 】的研究表明：由于c a c l 2 、 l i c l 等盐吸湿性高，但彳 稳定，易潮解；硅胶空隙发达，但吸湿性小，因此人们 l o 硕士学位论文 提出了硅胶一卤素盐复合干燥剂，这种材料具有吸湿量高，易再牛等优点。 1 2 2 2 沸石分子筛 沸石分子筛【4 6 1 是一种合成的沸石型硅铝酸盐晶体。根据晶体骨架结构的不同 可以分为a 型、x 型、y 型等，是研究及应用比较多的固体吸附剂材料，它在 低湿度环境下仍能吸湿的优异性能使它非常适用于低露点深度除湿，如在2 5 。c 、 相对湿度2 0 条件下，5 a 分子筛吸附量为1 8 左右，而细孔硅胶的吸附量仅为 5 ；另一方面，即使在较高温度下( 如1 0 0 1 2 0 。c ) ，分子筛仍保持1 3 以上的 吸水率，而硅胶的吸水率几乎为零。因此在一些对湿度要求非常低( 相对湿度 3 0 ) 及环境温度较高的情况下，分子筛除湿得到广泛的应用。许多极性气体 如水、氨、甲醇等都可以被分子筛火量吸附。 吸附制冷中常用5 a 和1 3 x 分子筛，两种吸附剂相比较，1 3 x 分子筛的吸附 性能优于5 a 分子筛，但13 x 分子筛的机械强度及耐磨性稍差。姜洋等矽f 究了 3 a ，4 a ，5 a 和1 3 x4 种型号分子筛对甲基丙烯酸甲酯中微量水分的静态吸附的动 力学性能。并进一步研究了1 3 x 型分子筛的吸附温度和吸附剂用量对其饱和吸 附量的影响。结果表明，1 3 x 型分子筛的吸附效果优于3 a ，4 a 和5 a 型分子筛： 其在2 5 时吸附效果最好，饱和吸附量最大，达到6 5 0l ag g ，吸附速率也最快， 分子筛的最佳用量为0 4g m l 。但是存在以下缺点：1 ) 它与吸附质的作用力较 强，因此吸附解吸热较高，解吸温度较高，可达2 5 0 3 0 0 。c ：2 ) 分子筛吸附是利 用其分子例络结构中的非常规则的孔道实现的，其吸湿量较硅胶都要低很多。 t o s i m ik u m a 等【4 8 1 、t o k a t e v 等4 9 1 、曹建劲【5 0 】、李军，赵朝晖等 5 1 - 5 2 】的研究 结果表明：硅胶一分子筛、无机盐一分子筛等复合干燥材料，这种材料保持了分子 筛适用于深度除湿的优点，改性后其除湿量也得到增加，可应用于除湿量较大、 需深度除湿的场合，且在较低时大部分的水分都被脱附出来，可以利用太阳能等 低品位热源。 1 2 2 3 活性氧化铝和活性炭 国内外学者主要研究活性氧化铝在水质处理方面的应用，极少学者研究其在 吸附除湿方面的应用。司林旭等【5 3 】研究了硅胶、活性氧化铝和5 a 分子筛脱除单 体中微量水分的性能，认为可以不用活性氧化铝来脱除单体中微量水分，可作一 般用的脱水剂。可见，在吸附除湿方面活性氧化铝效果明显差于硅胶和5 a 分子 第一章绪论 筛。此外，活性氧化铝在2 5 0 。c 再生2 h 后才可重复使用，而硅胶只需加热到1 8 0 就可以重复使用。 活性炭材料是一种重要的无定形碳素材料，为黑色多孔固体，孔隙结构发达， 具有巨大的比表面积，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强 的吸附能力。工业上应用活性炭来去除污水中的微量污染物；利用活性炭的表面 化学性质和表面结构特性来吸附环境中的甲醛等有害气体 5 4 - 5 5 。而活性炭对空气 进行除湿这方面的应用很少。 1 2 2 4 氯化锂 氯化锂是最早用来作为转轮除湿机的吸附材料，属于一种高含湿量的吸湿 盐，易再生，具有高度化学稳定性。与硅胶、分子筛等多孔吸附剂相比，氯化锂 的吸湿能力大1 倍左右，再生温度较低，仅1 2 0 c 左右。在氯化锂一水蒸气系统中， 既存在物理吸附也存在化学吸附，氯化锂可以以无水盐或以水合物晶体固态吸附 水，也可以在吸附水之后由固态变成盐水溶液而继续吸水。此外，氯化锂吸附剂 具有强烈的杀菌能力，经氯化锂转轮除湿机处理后，空气中9 0 以上的有害细菌 将被杀死。因此，氯化锂作为除湿剂被广泛应用医药、食品等对空气洁净度和湿 度要求较高的领域。 但是氯化锂作为吸附剂也有其自身的缺点，如在低湿度范围除湿量小、除湿 能力低。而且当氯化锂吸湿时易形成液体从基体逸出，会对除湿设备周围的金属 产生腐蚀，在很人程度上限制了除湿机中氯化锂吸附剂的用量，也即限制了除湿 机的除湿量。 1 2 3 吸附床结构的研究 现有吸附床有多种类型56 1 ，按照传热原理来划分有金属吸附床、热管吸附床 等，其中最常见、结构比较简单的是金属吸附床。根据其传热面的结构形状来划 分，有管式、板式和有伸展表面这3 类，管式o o y , 有管壳式5 7 1 、套管式、螺旋管 式等；板式【5 8 1 有平板式、螺旋板式、板壳式等；有伸展表面的分为板翅式、翅片 管式等。其中最常用的是管壳式、螺旋板式、板翅式5 9 1 和翅片管式 6 0 1 。 吸附除湿与吸附制冷有本质上的一致性，其核心部分都是吸附床本体，因此 吸附式制冷技术里关于吸附床的设计可以借鉴到吸附除湿领域。吸附床由于多孔 材料的存在，床体与吸附剂颗粒之问存在较人的热阻，因而存在传热速率慢，传 硕士学位论文 热不均匀的缺点。目前的研究主要是针对强化传热或新型吸附床的设计进行的。 多孔结构吸附床 6 1 1 ，将硅胶附着在多孔床体的内孔隙中，利用多孔结构丰富 的内表面为传热面，大大提高了传热速率。该吸附床是具有人量孔隙结构的多孔 材料，它的固体部分主要由2 部分组成，一部分是多孔床体结构，另一部分是固 定在床体孔隙中的吸附剂。而在多孔床体与吸附剂之问及吸附剂自身中存在人量 微细的相通细孔，以吸附吸附质和作为吸附质扩散通道。优点：传热速度快，床 体与吸附剂之问的接触热阻小，多孔吸附床的比热容比传统吸附床要小，传质能 力强等。缺点：制备工艺较复杂，成本也高。 针刺板吸附床【6 2 】，在已有的板翅式吸附床基础上利用针刺丰富的扩展表面作 为传热面，解决吸附剂内传热速率慢、温度场不均匀的问题。与板翅式吸附床相 比较，针刺板吸附床具有传热速率更高、温度场更加均匀的优点，这有利于吸附 剂能更快地吸附和解吸吸附质；在获得相同传热能力的基础上可以将针刺板吸附 床制作得更加紧凑，这样可以降低床体额外冷热负荷。 南京工业人学邓艳芝等人在分析并综合已有吸附床结构优缺点的基础上，提 出并设计了一种新型肋板式结构吸附床【6 3 1 ，吸附床的结构改善丰要通过采用肋片 等结构形式增加吸附床与吸附剂间的接触面积来强化吸附床的传热传质特性，提 高系统的性能系数。 1 2 4 再生方式 空气除湿制冷系统的能耗主要是吸附剂的再生能耗，选择合理的再生方式和 再生温度不但能够确保除湿制冷系统的效果，而且可以提高系统的效率，在改善 室内空气品质的同时，达到有效利用能源、减少环境污染的h 的，目前研究较多 的再生方式有：太阳能技术、燃气技术、热回收( 主要是空调冷凝热回收和压缩 热回收) 。 利用太阳能产出热水作为除湿剂的再生热源，是一种清洁环保的再生方式， 太阳能系统的零部件要求不高，结构简单，制造成本较低。但这种系统所能提供 的热水温度较低，对除湿剂的再生温度有一定要求 6 4 - 6 9 】。 熊军等人7 0 1 基于分级除湿思想和能量梯级利用原则，提山了一种燃气驱动的 三级液体除湿空调系统，系统由风机、除湿器、蒸发冷却器和再牛器组成。除湿 器采用三级液体除湿，通过对室内回风直接蒸发冷却进行全热回收，用回收的冷 第一章绪论 量冷却除湿过程，移去处理空气的潜热；蒸发冷却由间接蒸发冷却器和直接蒸发 冷却器两部分组成，前者问接冷却除湿后的空气，移去空气的显热，后者调节空 气的温湿度；再生器采用燃气驱动，实现沸腾蒸发和非沸腾蒸发结合的双效再生， 使得天然气燃烧的能源利用率在8 0 以上，节能效果明显，减少环境污染。 在夏季空调工况下，空调释放的冷凝热量为其制冷量的1 3 倍，很明显，在 人中型集中空调系统中，其排放的冷凝热量很人，且在相当长时间内较为稳定， 冷凝热的排放时间与空调除湿时问是同步的，所以还具有非常好的兼容性，因此 利用空调冷凝热作为除湿空调系统的再生热源的方案在建筑节能工程中应用前 景良好。重庆大学郑浩等人1 7 l j 针对溶液除湿研究了一种新型除湿液再生装置，其 技术特征是将冷凝热回收与溶液再生，理论分析表明，利用高温冷水机组冷凝器 产牛7 0 。c 高温热源提供给溶液再生器，其系统的冷源设备动力系数可达到6 2 7 ， 比传统空调的冷源设备动力系统提高了4 5 5 ，不仅能保证冷水系统和溶液除湿 系统可靠运行，还能实现温湿度独立控制。 空气在被压缩过程中体积缩小，温度升高。一台空气压缩机产生的压缩热用 于相同流量吸附式干燥器的再生，从数量上讲是绰绰有余的。美国p a l l 公司认为： 如果设计合理，使用得当，压缩热再生式空气干燥器将是运行费用最低的一种干 燥器。由于这种干燥器利用了原先废弃掉的压缩热，勿需再在系统之外获取再生 能量，并且可设计为全流量闭路循环，不再向外界排放再生废气【7 2 l 。 综上所述，可知：( 1 ) 除湿技术方面：各种除湿技术各有特点，其中能与冷 水盘管实现温湿度独立控制的除湿技术主要有：固定床除湿、转轮除湿和液体除 湿，转轮除湿的处理风量小和溶液除湿的腐蚀问题一直都制约着这两种除湿技术 的进一步推广。( 2 ) 吸附材料方面：活性氧化铝主要用于水质处理，如吸附水中 的氟离子等；活性炭主要用于环境污染，污水处理中，如吸附环境中的甲醛等， 污水中的微量污染物等；氯化锂主要应用医药、食品等对空气洁净度和湿度要求 较高的领域，最重要的是对设备有腐蚀和危害人体健康；分子筛在一些对湿度要 求非常低( 相对湿度 3 0 ) 及环境温度较高情况下的除湿得到广泛应用。适合 空调除湿的固体吸附材料主要有硅胶和分子筛。( 3 ) 吸附床结构方面：在提到的 各种固体吸附床中，固体吸附床人多以管壳式为基础，但是综合考虑换热效果、 承压性等因素，板翅式和翅片管式固体吸附床具有传热系数高和传热面积人的优 1 4 硕士学位论文 点，如果能解决板翅式和翅片管式的固体填充和加工工艺方面的问题，板翅式和 翅片管式有很人的发展前景。( 4 ) 再生方式方面：利用空调冷凝热、压缩热等作 为除湿空调系统的再生热源的方案在建筑节能工程中应用前景良好。但上述再牛 热源所能提供的热水温度较低，对除湿剂的再生温度、床层中的传热传质过程有 一定要求，h 前尚有待进一步的研究。 1 3 本课题的研究内容 本课题的丰要矽f 究内容：1 ) 针对所设计的吸附床结构，通过实验数据分析， 以期对吸附床强化传热传质的途径提供可行性参考，为后续吸附床结构设计提供 依据；2 ) 对两种实验所用吸附材料除湿性能分析，提出可以应用于民用建筑通 风除湿的吸附材料的选择依据；3 ) 对整个系统的能耗进行分析，提出关于固体 吸附技术应用于民用建筑中央空调系统降低能耗的技术难点；4 ) 用现有的评价 指标和本文新提出的评价指标去评价与校核吸附床及吸附材料的除湿性能。 丰要研究步骤如下： ( 1 ) 新型吸附床结构的设计。 ( 2 ) 应用传统的活性氧化铝和1 3 x 分子筛，进行新型吸附床结构的除湿性 能实验研究。 ( 3 ) 建立研究对象的物理模型和数学模型，通过理论分析与实验研究分析 吸附和再生过程中热、质传递的机理。 ( 4 ) 对实验数据进行分析，评价床体传热传质效果，并初步探讨吸附剂吸 附过程的吸附热问题。 第二章实验设计 2 1 原实验台分析 第二章实验设计 原实验丰要研究除湿空气进出口处的性质，温度、湿度变化，以及彳i 同固体 吸附剂( 活性氧化铝及4 a 分子筛) 在刁i 同空气进口参数下的吸附性能，并辅以 吸附床内部结构变化以及温度、含湿量分布作为参考。希望通过实验找山有关吸 附材料的选用，吸附床的优化设计等方面的依据，来提高固体吸附床除湿的效率。 实验中为了便于比较所设计的吸附床在多种不同工况下的工作性能，以及找到各 个参数对吸附材料在该吸附床内的吸附效率的影响，需要在待处理空气进入吸附 床之前对湿空气进行温度、湿度处理，以达到预期设定参数，因此在吸附床之前 设置功能段，以实现对吸附床进口空气参数的控制，实验系统的流程如图2 1 所 7 卞。 空气入口 蔫 t th d h 瓣忙h 爨掣磐 图2 1 实验流程不蒽图 f i 9 2 1e x p e r i m e n t a lp r o c e s s 原有吸附床结构设计考虑到固体吸附颗粒难以均匀填充到翅片上以及冷却 盘管的布置等原因，只是将吸附剂填满整个吸附单元( 实填方式) ，如图2 - 2 所 示，吸附床段内部主要由5 个吸附单元和5 个表冷单元间隔组成。每一个吸附单 元由不锈钢框体组成，外包裹不锈钢筛网，筛网内装填球形颗粒吸附剂，筛网上 用支撑条和钢丝做固定支撑，防止装填吸附剂时筛网发生较大的形变而造成整个 吸附单元分布的不均匀。并且为了方便更换吸附剂，将吸附单元设计的上下断面 设计成槽口式，可以抽取。5 个冷却单元通过管路连成一体，实验时通过管路通 入冷却水，冷却吸附床，以期维持吸附床内吸附剂温度的相对恒定。整个系统的 外部包裹保温材料。 1 6 硕士学位论文 图2 2 吸附床内部结构设计图 f i 9 2 2t h ea d s o r p t i o nb e di n t e r n a ls t r u c t u r ed e s i g n 表2 1 实验进口空气参数 t a b l e 2 1e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so fi n l e ta i r ! 介段 冷却阶段吸附阶段 编号 g l k g ( 。) l r l 3 h g l k g ( 。) m 3 h。c g k g ( 。) m h 实验8 6 54 12 6 4 01 5 4 12 6 4 01 54 3 4 12 6 4 0 实验96 54 12 6 4 01 54 i2 6 4 01 5 1 0 0 1 2 62 6 4 0 1 4 0 一 ：1 20 彳 ”1 00 1 。c 80 受 爱6o = 兰4o 、 掣20 0 0 实验9 ( 1 2 6 9 k g ( n ) )实验8 ( 4i g k g ( a ) ) 图2 3 空气出口含湿景随时问变化 f i 9 2 3m o i s t u r ec o n t e n to fo u t l e ta i ra td i f f e r e n t t i m e 6 0 一 ：50 k10 30 2 0 10 0o 实验9 ( 1 2 6 9 k g ( a ) )实验8 ( 4 1g k g ( n ) ) 一舂 ：i l ： j 05 0 01 0 0 05 0 02 0 0 0 时m 2 5 0 0 ：1 0 0 03 5 0 04 0 0 0 图2 - 4 币化时间吸附带随时问的变化 f i 9 2 4d e h u m i d i f i c a t i o np e rs e c o n da td i f f e r e n t t i m e 在上一轮的实验研究中，选取其中两组实验的实验结果做总结分析：在如表 2 一l 所示工况下的吸附阶段的山口空气含湿量随i j 寸i n 的变化曲线如i 图2 3 所示， 单位时间吸附罱随时间的变化f l l 线如图2 4 所示，从两幅图呵以看j l ；，吸附阶段 进行的前5 0 0 s ，吸附床的单位除湿量较人，最人达到5 9 ( k g s 1 ， 17 j 5 0 0 s 之后， ，羊晤叫15蛰昌三0i一善 ，f 第二章实验设计 单位除湿量迅速下降，最低达到几乎为零，导致整个除湿过程波动很人，对连续 运行的空调除湿过程来说是d , t j 的。另外，吸附床整体的压降达到1 5 k p a ，阻力 过人，甑接导致整个系统的能耗增加。因此需要对吸附床丰体的结构排布进行进 一步的优化，本论义在权衡延k 湿空气在床体内的停留时问、吸附床体积、工艺 加工难度、填装难以程度等各方面因素下，设计了一种新型吸附床结构，以期达 到在强化吸附床的传热传质性能的同时能够尽量保证单位时间除湿量保持相对 的稳定。 2 2 吸附材料选择 本课题中选取两种常见的吸附材料进行合理： 况下的实验影f 究，两种材料的 实物图如图2 5 所示，详细的物性参数如下： ( 1 ) 1 3 x 分子筛：饱和吸附量为0 2 5 k g k g ，堆积密度为0 6 3 9 m l ，粒径4 m m ： ( 2 ) f i r i 性氧化铝：饱, i ib 吸附量为0 1 7 k g k g ，堆积密度为o 7 2 9 m l ，粒径2 m m ； a 活陀氧化锯 图2 5 同体吸附剂实物图 f i 9 2 5r e a lf i g u r eo fs o l i da d s o r b e n t 2 3 吸附状态标准工况确定 如第一章中建筑能耗概述中的描述，我国幅员辽阔，f h 有迫切除湿要求的地 区丰要是夏热冬暖和夏热冬冷地区，而需要进行除湿处理的季节丰要是夏季高温 高湿的空气和过渡季节时温度彳i 高但含湿量高的空气，因此选取一个代表性城市 南京市，就南京市的夏季空调设计工况进行设计计算。根据南京地区的夏季气象 参数，选取南京地区窀外温度为3 5 。c ，最人相对湿度1 0 0 ，处珲风量为2 0 0 0 m 3 h ， 进f u 门参数女| 1 表2 2 所示： 硕士学位论文 2 4 吸附床本体计算 为了更好的了解本实验所设计的吸附床在结构方面的性能，本实验所选取作 为实验材料的吸附剂是饱和吸附量相对比较小的传统吸附剂活性氧化铝，未经过 改性。但是在吸附床尺寸设计的时候，考虑到以后所应用的吸附剂必定是改性后 的吸附剂，吸附性能必定优于这些传统吸附剂。 干空气的质量流量为： q 干空气= p q 。( 1 + 雹) = 1 1 2 2 0 0 0 + 3 6 0 0 + ( 1 + 2 9 2 8 1 1 0 0 0 ) = o 6 k g s ( 2 1 ) 单位时问除湿所产牛的总热量： q o = ( 盔一h 2 ) q 千空气l = ( 1 1 0 4 3 5 8 8 4 ) x 0 6 = 3 0 9 5 k w ( 2 2 ) 单位时间所需除去的水量为： g 。= ( a l d 2 ) q 千空气= ( 2 9 2 8 1 2 7 9 ) x 0 6 = 9 8 9 9 s 2 3 5 6 2 k g h ( 2 3 ) 设吸附时问为3 0 分钟，活性氧化铝吸附剂的饱和吸附量为o 1 7 k g k g ，则吸 附剂所需量： m ： s 3 5 6 2 1 k g h x 奴0 5 h 10 47 6k90 7 k g 由活性氧化铝的堆积密度0 7 2 m l = 7 2 0 k g m 3 ，得到吸附剂的体积： v：一：!旦兰：!丝：15聊，s m s 0 p s 7 2 0 k g | m ： 根据吸附剂饱和吸附量及处理风量计算得到所需吸附剂体积为0 1 5 m 3 ，根据 原有实验台实际情况，确定迎风面尺寸为6 8 0 6 0 0 m m 2 ，顺风方向长度为6 0 0 m m ， 吸附床结构设计如图2 6 所示。图中进风面和出风面中空白部分为风道，床体设 计延长了处理空气在床体内的停留时问，有利于强化传质效果。吸附床外框由镀 锌钢板构成，实物效果图如图2 7 所示。 第二章实验设计 a 进风面 ( 1 c 管r 横截面 2 5 实验设备介绍 2 5 1 实验系统 bm 风面 d 沿流动方向卜- 的管r 截面 ? 一三= = j ，- 等曼”? ，一 j 二j 、，_ 竹 一_一 r! 。，_ 、。一一 。z ：= ? - 一 、篇譬一 - 。 ：一蔽冀一 一 一 i 、，。：i e 沿流动方f q 卜的窄气流向 图2 - 6 吸附床本体设计 f i 9 2 6d e s i g no fa d s o r p t i o nb e db o d y 灞灏嘲愿懋隅麟剿 露圈愚懋阑暇 阚熬愿愿圈孽j 图2 7 吸附床结构实图 f i 9 2 7a c t u a lr e s u l t so fa d s o r b e n tb e d 为了测试上述吸附床结构的传热传质效果，需要对待处理空气进行温度和湿 度的调节，因此系统丰要由功能段和吸附段两大部分组成。功能段包括：a 过滤 段，b 冷却干燥段，c d n 热段，d 加湿段，e 风量测试段，g 整流段，h n 试段，i 风机段，可以实现对温度、湿度调节的丰要有b 冷却干燥段，c d n 热段和d 加湿段。 实验台立面图如图2 8 所示，实验台的实际效果图如图2 9 所示。 实验时，通过温湿度传感器、喷嘴、微压差计等仪表，对进入吸附床内的空 气的干球温度、相对湿度、风量、风速和吸附床进出口压降等参数进行测量。为 2 0 圈 一 一 硕士学位论文 保证实验数据的准确性和可靠性，实验中所用的仪表都进行了标定。 在原有实验台的基础之上做如下修改：( 1 ) 吸附床结构更换成上述结构； ( 2 ) 吸附床内部不再通入冷却水，即图2 一l 实验流程示意图中所示的吸附床段废 弃原有的冷却水进山口管路，这是考虑到上一轮实验对吸附剂的吸附热没有一个 定量的认识，将冷却水管路去除，有利于通过对整个床体吸附过程的温升测量来 讨论吸附过程中具体产牛了多大的吸附热，有助于对整个系统的进行能耗分析。 麓鳓轰量段。谖蠡奢一土鲢菇滋j 谳|麓嗡翊蟹风量段哦蝌床糟 整箍段判试段 拽割【轻 1 初效过滤器；2 冲效过滤器：3 一冷却水管；4 一微差压计：5 支架：6 - 帆布软接：7 一风机 8 一均流板；9 一吸附床段：1 0 - 喷嘴：1 1 - 均流板；1 2 一加混器；1 3 - 加热段 图2 8 实验台立面图 f i 9 2 8e l e v a t i o no fe x p e r i m e n ts y s t e m ( b ) 图2 - 9 实验台实际效果图 f i 9 2 9a c t u a lr e s u l t so fe x p e r i m e n ts y s t e m 各个功能段的效果图见图2 一1 0 至图2 1 4 。 略 第二章实验设计 图2 1 0 过滤段( a 段) f i 9 2 910f i l t e rs e c t i o n ( s e c t i o na ) 图2 1 1 冷却干燥段( b 段) f i 9 2 11c o o l i n ga n dd r y i n gs e c t i o n ( s e c t i o nb ) 图2 1 2 加热段( c 段) f i 9 2 12h e a t i n gs e c t i o n ( s e c t i o nc ) 图2 1 3 加湿段( d 段) f i 9 2 13h u m i d i f i c a t i o ns e c t i o n ( s e c t i o nd ) 2 2 第二章实验设计 表2 4 测试设备列表 t a b l e2 - 4l i s to fl a b o r a t o r ye q u i p m e n t s 温湿度变送器测试空气的干球温度和相对湿度。 实验中的风量调节通过变频风机实现，空气流量用喷嘴进行测量，实验中共 有4 个喷嘴，直径8 0 r a m 和1 5 0 m m 各两个，8 0 m m 的喷嘴可满足5 0 0 m 3 h 的风 量，1 5 0 m m 的喷嘴可满足2 0 0 0 m 3 h 的风量，通过控制喷嘴的组合开启数量，可 以分别满足5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、2 5 0 0 、3 0 0 0 、4 0 0 0 、4 5 0 0 、5 0 0 0m 3 h 档位的风 量。在测量压力时，在喷嘴装置隔板前后距离为4 0 m m 5 m m 的两个断面上，均 匀设置4 个与内壁平齐无毛刺的静压接口，并联成静压环，用微压差计测量喷嘴 前后的静压差【7 引。由于原系统吸附床段长度的局限，床体压降的测量是在喷嘴 后的整流段断面和吸附床出口断面分别均匀设置4 个与内壁平齐无毛刺的静压 接口，并联成静压环，用微压差计测量喷嘴前后的静压差，所以此处所提到的床 体压降包含减缩风管的压降。流量计算公式为： q = g 么。 ( 2 4 ) 岛2 菇箍 沼5 ， 当采用多个喷嘴时，总空气流量等于各个喷嘴按公式计算所得流量之和。 关于喷嘴的流量系数c 。的确定，在喷嘴的喉部直径大于、等于1 2 5 m m h i j ， 可设定c 。为0 9 9 ，对于直径小于1 2 5 m m l 拘喷嘴或者要求更为精确的流量系数时， 可按下列公式计算： 2 4 硕士学位论文 c n ：0 9 9 8 6 一型些+ 堡堕 r e r e ( 2 6 ) 两个智能微差压变送器分别测量喷嘴压降和床体压降。 所选用的a g i l e n t 3 4 9 7 0 a 数据采集仪配置三块3 4 9 0 1 a 2 0 通道通用多路复用 器，共6 0 个通道，可以满足1 3 个温度信号，1 3 个相对湿度信号，2 个压降信号， 2 0 个热电偶共4 8 个通道需求，数据每1 0 s 采集一次，其采集界面如图2 1 5 所示。 e l l 。e d l ! 艮 e l 竹山c 5h = e n t 1 ， * 岛，；：盱| 固二：。l 由：移| ；一o l ：，1 n o n e 圈叠一日 a 软件界面 b 数据采集实物图 图2 一1 5 数据采集 f i 9 2 15d a t aa c q u i s i t i o n 第二章实验设计 2 6 实验方案及操作步骤 2 6 1 实验测点 实验丰要关心整个床体的整体除湿性能，因此在进口和出口断面分别设置5 个温湿度测点，分别取两个断面的温度和含湿量的平均值来分析整个床体的除湿 性能。另外，床体内部的传热传质也是实验需要考察的部分，这有利于优化床体 传热传质效果，实验假设与气流垂直的断面湿空气的物性参数一致，实验丰要考 察随床层k 度方向上的温度和含湿量变化情况，因此在床体内部布置三个温湿度 测点，传感器的具体布置方法如图2 1 6 所示，再生阶段用k 型热电偶监测每个 圆柱体内再牛空气的温度，以便对床体的再牛效果进行分析讨论。 4 2 6 2 实验方案 a 进风面 1 宇 3 4 ，5 b 出风面 hhhhhhh _ hh hhh _ hh _ 、nnn 舢nnn 舟nnn 厂曩n ， 1 1 1 21 3 叫hh hhhhhh 卜 h h h hh 气7 o 8 9 ，1 0 c 沿流动方向上的空气流向 图2 一1 6 吸附床测点位置 f i 9 2 一l6t h et e s tp o i n tp o s i t i o no fa d s o r p t i o nb e d 7 1 0 影响本实验吸附床的除湿性能的因素很多，如进口空气参数、吸附剂再牛程 度、床体温度以及吸附床工作环境等等，另外考虑到工程应用背景，室内设计参 数温度2 5 ，相对湿度6 0 时的含湿量为1 2 8 8 9 k g f a l ，选取的特征城市南京地 区过渡季节的气象参数如表2 5 所示，可以看出过渡季节的含湿量低于室内设计 含湿量，并不用进行除湿处珲，因此实验拟从以下几个方面入手：( 1 ) 吸附除湿 阶段吸附床进口的状态参数采用温度在2 3 3 9 ，含湿量在1 2 6 4 4 1 7 5g k g f a l 6 8 9 2 3 5 硕士学位论文 的参数点，如表2 - 6 所示，选取的温湿度参数范围跨越所有夏季工况有除湿需要 的工况；( 2 ) 考虑到再生效果和冷却效果对吸附阶段的影响很大，因此再生和冷 却阶段的进口空气状态采用室内排风的空气参数，以保证每次进入吸附阶段的吸 附床的状态都是一致的。在一个完整的吸附除湿过程中，测得吸附床进出口及内 部测点的温湿度参数，分别分析在再生、冷却和吸附阶段吸附床的传热传质效果。 表2 5 南京地区过渡季节一一览表 t a b l e 2 5l i s to ft r a n s i t i o ns e a s o n si nn a n j i n g 实验 活性氧化铝 编号 温度相对湿度含湿量 实验 1 3 x 分子筛 编号 温度相对湿度含泪 t 、a 1 6 量恤，又1 日、1 业，又 一 里 2 6 3 实验操作步骤 吸附除湿阶段及再生阶段的空气进口参数均采用进入床体前的功能段得以 实玑，每个实验方案中的再生状态结束后，用相对干燥的空气做进一步的再生， 以保证每次进入下一个吸附工况的吸附剂的参数趋同。再生和吸附阶段以 f d l d 2 ) d l 5 为结束标志，冷却阶段以床体温度达到吸附阶段的进1 5 1 温度为结 束标志。 具体的实验操作步骤如图2 1 7 所示。 第二章实验设计 开届电脑 丫 开风机，调节风量至再生风量，5 分钟后记录室内温湿度t 0 ，中o 加热再生 丫 开启冷水机组、水泵和表冷器( 干燥空气进行吸附剂的再生) 开启电加热至t r o ，直至( d l d 2 ) dl 5 上冷却阶段 关闭电加热，风机，表冷器等继续运行至床体温度为吸附阶段的进口温度 i 加湿i 不加湿 关闭冷水机组，水泵，表冷器，关闭冷水机组，水泵，表冷器 开启加湿器( 和电加热)( 开电加热) f 保持该状态直至( d l - d 2 ) d 1 5 ( 吸附阶段) 丫 2 7 本章小结 关闭电加热和加湿器 关闭风机，电脑 图2 1 7 实验操作详图 f i 9 2 - l7e x p e r i m e n t a lo p e r a t i o n 在原有实验台系统的基础上，更换吸附床结构，并去掉原实验台吸附床段的 冷却水管路，根据南京地区气象设计参数设计了一个新型吸附床结构，确定了本 实验的目标是获得活性氧化铝和1 3 x 分子筛在所设计的吸附床中吸附性能的各 项数据，以分析各个因素包括进口空气参数、再生程度、冷却效果以及床体温度 对吸附床吸附性能的影响，在此前提