利用各种排热驱动的新型高效吸附式除湿空调系统

利用各种排热驱动的新型高效吸附式除湿空调系统摘要：本文分析了现行吸附式除湿空调系统存在的问题，对开发的新型高效吸附式除湿空调系统的构造、运转原理、性能特性，实证实验结果及讨论作了详细阐述。为该新型节能环保型空调的设计与应用提供了重要的基础数据和设计指南。关键字：吸附式热电并给蜂窝式除湿转轮废热利用1．前言由于吸附式除湿空调系统可以对空气的温度和湿度分别加以处理，使其近年来在许多领域得到了广泛的应用。鉴于上述情况，我们从数年前开始了对吸附式除湿空调系统性能改进及实用化的开发研究。特别是针对近年来各种分布型热电并给系统不断普及的现状，成功地开发了一种可以直接利用各种排热的新型高性能吸附式除湿空调机。本文阐述了这一新型高性能吸附式除湿空调系统的运转原理、性能特性，以及实证实验及结果讨论。2．現行的吸附式除湿空调系统吸附式除湿空调系统的概念是1960年代提出的，1980年代各国的研究人员开始从实验及模拟计算两方面对这一系统进行了大量的研究1-6）。其典型的流程如图1所示，由蜂窝式吸附除湿转轮、显热交换转轮、再生空气加热器、直接蒸发式冷却器、风机等构成。该空调系统运转时空气状态变化过程在空气焓湿图上表示的结果如图2所示。新风风机将室外空气OA送到吸附除湿转轮的除湿区，空气中的水分被除湿转轮所吸附，由于有吸附热发生空气温度会升高(1→2)。经过显热交换转轮与从空调对象室内的排气RA进行热交换，其被冷却到室温状态(2→3)。然后，通过直接蒸发式冷却器，向此干燥空气中喷水，借助水的蒸发潜热使空气进一步等焓冷却到较低温度（3→4），冷风被送到空调对象室内。另一方面，从空调对象室内返回的换气RA首先经过直接蒸发冷却器，借助喷雾水的蒸发，将空气等焓冷却到较低温度(5→6)，然后通过显热交换转轮与除湿后的空气进行热交换，在冷却被干燥空气的同时，自身被加热(6→7),再经过再生空气加热器被加热到再生温度(7→8)后送到吸附除湿转轮的再生部，将除湿转轮吸附的水分脱附，使除湿转轮得到再生。再生后的空气被排放到大气中(8→9)。对这一空调系统运转过程分析可以看出该吸附式除湿空调系统存在着以下的问题：（1）随着显热交换转轮的旋转，会有一部分高湿度的换气RA被转轮携带到冷风SA侧（这一现象也被称为内部泄漏）；（2）由于显热交换转轮的内部泄漏，会将室内被香烟、人体的汗味，或者是其他挥发性有机物污染的空气带到冷风中，造成所谓交叉污染；（3）系统设备多，制造成本高。为了冷却冷风空气SA，需要直接蒸发冷却器和显热交换转轮两台设备；（4）热交换器效率较低，直接蒸发冷却器+显热交换转轮的综合热交换效率低于80%；（5）排热回收利用率较低。现行的吸附式除湿空调系统是将排热转换成热水后再利用，通常从废热锅炉仍然要排出100℃左右的气体，加上废热锅炉及热水配管的热损失，排热回收利用率大大降低；（6）由于使用热水作为再生空气加热的热源，再生空气温度只能达到约80℃，其再生效率较低7）。3．新型高效吸附式除湿空调系统3．1高性能吸附式除湿转轮及其最佳再生方法探讨在吸附式除湿空调系统中，虽然除湿过程(1→2)中空气的焓值没有降低，但是由于除湿转轮将空气的潜热转换成了显热，这为后续的热交换及冷却过程降低空气的焓值奠定了基础。因此，高性能的除湿转轮是实现高性能的吸附式除湿空调系统的先决条件。在设想排热热源温度为150℃以上的前提下，对除湿转轮的最佳再生方式进行了实验研究7)。实验方法如下，选用了直径300mm，厚度200mm的除湿转轮SSCR-U，在其处理风量（224m3/h）、及再生空气加热用能量（3.64kw）一定的前提下，改变再生空气的温度，对除湿转轮的除湿性能进行测试。而且，为了消除再生空气面风速的影响，制作了三种不同再生区面积比的除湿转轮实验用风洞，使再生空气面风速维持在2m/s。详细的实验条件在表1中给出。表1除湿转轮性能实验条件一览表边流程类型计低温再生川标准再生锯高温再生透再生股区胸/糊处理区乘1/1甘1/3伴1/4吼再生用能轰量护(肢kW)航3.64商再生空气温自度嘱(踩℃柳)喉80能130直155省再生风插量恳OR(m惊3乏/h)弯224捏112焦89.6够再生风猎速仇VR(m/s令)赛2.0里2.0炉2.0齿处理风灭量蜻QP(m肢3纤/h)半224捷处理风奔速旋VP(m/s絮)俭2捕1.33贡1.25蝇风量游比拾QR/QP纽1/1舍1/2桑1/2.5印处理入口空气早温倒度镇(攻℃游)修30倒再生空气湿产度宏(拼g/kg)走再生空气湿度培与处理空气湿养度相同葱转轮转谋速险N(rph)筝14脸12垃11.5当空气湿度低于XP1=13g/kg时，高温再生流程的除湿性能显现出若干优势。但是，在入口湿度高于XP1=13g/kg的条件下，标准再生流程的除湿性能变得最好。原因是：再生空气温度越高，其相对湿度就越低，除湿转轮的再生程度也就越好，因此在低湿度范围内，提高再生温度可以得到湿度更低的干燥空气。另一方面，根据物质（水分）衡算、热量衡算关系可知，再生出口空气含湿量将以再生风量比的倒数的倍率关系随处理空气除湿量的增加而变化，再生空气温度下降与处理空气温升之比例系数则是再生风量比的倒数。在高湿度范围内，随着处理空气除湿量的增加，对于再生空气量较少的高温再生流程而言，再生区出口空气的湿度变得很高，其温度却降到较低。致使再生空气在出口附近的相对湿度高于处理空气，发生再生空气中的水分被除湿转轮所吸附的逆向过程，其除湿性能必然降低。相对于标准再生流程、高温再生流程而言，低温再生流程的除湿性能在全湿度范围内均较低。这是由于再生温度越低，除湿转轮被再生的程度就越差，离开除湿转轮的处理出口空气的湿度自然也就很难降到较低程度。因此，当排热热源温度在150℃以上时，采用标准再生流程，比现行的采用低温再生型除湿转轮的吸附式除湿空调系统，无论是在潜热处理能力、还是在能量利用效率（减少有效能损失）方面都会有很大的改善。3．2高效率显热除去装置的开发与潜热处理设备--除湿转轮一样，显热处理设备—显热交换器对吸附式除湿空调系统来说也是一个非常重要的设备。图4叉流型间接气化冷却器流程概略图作者研发了一种用于吸附式除湿空调系统的高效率，无内部泄漏、无交叉污染发生的特殊构造叉流型间接气化冷却器10）。其构造及运转原理如图4所示。为了与其他类型的热交换器性能进行比较，同时给出了显热交换转轮、普通的叉流型显热交换器的测定结果。锡结果表明令：间接气化冷考却器比普通的且叉流型显热交猾换器、以及显哭热交换转轮的份热交换效率都颤好。以面风速竖2m维/乡s幸的操作条件为抛例，开发的间抢接气化冷却器容的热交换效率彼却达到豆了独85胃%厚，比显热交换饮转轮的热交换掀效率醋高污5概%艰左右。同时，爸压力损失在三颠种热交换器中口最小。况综上研究，开币发了一种用于警与各种分布型训发电设备配套股的热电并给系止统用新型高效腔吸附式除湿空视调系统，如霞图锈6团所示。其运转缺原理与现行的纹吸附式除湿空主调系统基本相辩同，即首先对仁空气进行除湿敏，然后再对其请进行冷却处理侍。该系统有如概下的特性：巡（菊1蛮）根除了显热喇交换转轮所存结在的由换气侧度向冷风侧的水蜻分携带问题及偶所谓交叉污染异的问题；荣（父2坊）提高了热交哈换效率，降低灭了冷风的温度皱及焓值；灾（驰3黑）由于采用了鹊排热气体直接未用于除湿转轮棕的再生，降低贼了废热锅炉及辜热水供水管等稍过程丸约吐30扩%淋的热损失；讲（匹4伪）突破了现行驶的吸附式除湿惨空调系再生温贡度只能达到倒8摧0柜℃奸的界限。再生截效率可提园高处2铃0专～堪30借%伍；密（春5谦）减少了构成爷设备，降低了古造价。烂4痕．实证实验及窃其结果讨论裤为了对上述空臣调系统的性能请从实验上加以怪确认，棉自帽200茧1过年微1煎月起，在株式葡会社西部技研战办公大楼设置歼了一台冷风量轧为暗5500m斑3浇/环h后的吸附式除湿叹空调系统及与迅其配套的发电梦能力嗽为育28k失W擦的微型燃气轮赤发电机所构成样的一个热电并钻给系统。进行舒了为眨期滑1崭年的实证实验肿。眼4这．胆1巡小实证实验装置冻系统概要钩实证实验是由民开发的吸附式闲除湿空调系统扭（概要见徒表奖2微），和美芹国转Capsto馒neTur帆bineC替orpora机tio肥n免公司制造的微愁型燃气轮发电冤机忆（默MicroG练asTur漂bineG垦enerat警o婶r捎，概要见定表虫3摄）所构成的热队电并给系统。吼该热电并给系锋统设备配置如稿图甲7酿所示。照片的摸左侧为微型燃紫气轮发电机，商右侧为新型吸娱附式除湿空调妇机。燃气轮机怪发电机排出的页排气的温度约界为瘦27壶5户℃时。将其与用来吃冷却发电机内南部构成设备的蓬温度约为落6深5猪℃阔的被称为低温王排热的空气混讽合后，直接用画作吸附式除湿滩空调系统的驱习动热煌源脾—馒再生除湿转轮天。纱表山2售复新型高效吸附蜡式除湿空调系雷统概察要饭劳冷风风量薄5禾，招500m亡3她/h侦制冷能力昆*撞（夏季）宜显热动：伸9.4kW注合计身：顷53.4kW提潜热呀：忙44kW鼓加熱能力辩*董（冬季）勇显热架：烫46.1kW答合计休：脖68.1kW萝潜热诸：旺22kW户外形尺寸挖2200(H计)×3380样(L)×14礼50(W)浆运转方式剃制冷、供暖、留换气（可切換买）词*屑制冷、加热能毫力计算基准：面外气条疤件搏上夏季：温度吐3挎2眯℃觉，相对湿肤度株65%脏冬季：温度德2渣℃福，遣程相对湿抹度裂57%负室内条百件让怎夏季：温度宰2办7矮℃胃，相对湿转度赏55%轰冬季：温度搏2他2郊℃且，相对湿身度自50%扮表思3东微型燃气轮发关电机概掘要僻旨制造厂商锄美国录（冲Capsto戏neTur允bineC比orpora右tio师n屿）败发电能力胞28kW凡燃料消费渗112.1k牛W是发电效率捐26%粉最高转速晌96,000栋rpm菊排气烈中乒NO裹x道9ppm(O么2买＝掀15%)宏外形尺寸垦204饰0懒（姜H俩）差×200桥0圈（道L罢）否×80秘0霜（期W集）徒图骨7云破实证实验系统线设备构成捧4反．像2础父系统运转状况尺及结果讨论牢开发的这一吸凶附式除湿空调臣系统，不仅可环以用于夏季的姻制冷，而且也落可以用于冬季吓的供暖，及中嫩间期的换气运剃转。这里，仅墨对夏季的制冷把运转实验结果狗作详细讨论。肺由于该空调系秀统向空调室内基供给的空气全渣部为新鲜的室及外空气，因此茄，其冷却能扯力嗓CC(kW拉)辆可由下面的公舒式计算抱：寨添其中肺为冷风皆量淹(kg/s薪)鹅，疾与料分別为室外空屯气博O柳A闸和冷均风冻S档A禾的焓值勿（碌kJ/k壮g内）。棉从实验数据中厦，选取了晴天扬（方图篇8贷）、雨天（芝图速9熊）两种典型的葬天气状况下的送结果加以说明颗。在室外空气渔温宽度赠2氧6忌～虏3灯3芳℃影，相对湿烘度谈5锦5市～崇98只%蛾的情况下，不规论是晴天、还叔是雨天，该新茎型高效吸附式置除湿空调系统倍都可以向空调解对象室提供溫荡度省为荐1落9玩～查2沾5垄℃狸，相对湿负度骡4伤0海～译70若%夺的温、湿度条语件比较稳定的栏冷风。冷风的徐温度比室外空礼气温度约软低丽6每～逝9渣℃饭，绝对湿度也题降低到室外空洽气的一半以下辣。而且冷风的损焓值也只有室槽外空气点的叮60郊%蝶以下，换算为附冷却能力超过渔了设计值隙的筐53k毯W析以上。而且在阿外气温度变化筹6僚℃柄（竭2瞧7午～泽3吩3赚℃闷）的情况下，轰冷风的温度仅堂变化怀3泻℃期（寻2途2地～役2淋5递℃将）。冷风的温务度虽然受到外放气温度的影响令，但其影响程疲度却不是很大枝。速此外，对惕图猪9沿所示的运转结怠果进行考察发贤现：即使是相盛对湿度吃＞晴85%R俩H窝的雨天，该吸贵附式除湿空调箭系统也可以向犹室内提供温亦度忽2戴2很～劝2队4熊℃扯，相对湿荣度惩45那%场～液60钢%相的冷风。是图惭1岭0喝是将吸附式除洞湿空调系统运革转时外气、冷灶风及室内空气愈的状态在空气割焓湿图上描绘态的结果。同时斩，将压缩制冷镜式空调机的冷丹风空气状态也乖标绘在同一图鹿上。压缩机制温冷式空调机为毒了把空气的湿廉度降到动12g射/k妖g夕以下，需要将访空气冷却拿到睁1们3逼～振1饱6确℃纲（相对湿度骤达宋9弟5恐～于100声%横）。这样的冷阵风直接吹到人靠身上会让人感角到很冷，时间面长了会使人得禁空调病。而吸帽附式除湿空调挣系统所提供的帝冷风空气却是暂体感最舒适的必状态。虽然该花空调系统所提垮供的冷风空气兽温度与压缩机促制冷式空调机赖吹出的冷风温矮度相比有些偏弹高，但是两者仓的焓值却相差悼无几。凶4暴．宇3歇原热电并给系统尝运转结果枪表灶4很给出了该系统蔬运转的一个结膝果。可见，开旁发的高效吸附表式除湿空调系求统与微型燃气进轮发电机所构返成的新热电并忽给系统的综合急能量利用率达阿到富了涝90.9优%缘，比现行的热氧电并给系统提御高储了袭15拆%悄以上。湾表觉4指热电并给系统位运转结塞果绑问层古新热电并给系从统格现行热电并给慨系统暗项目晓（屯k梁W糠）已百分率羡（昏k带W盈）月百分率侍投入能量毁102.2圆100%牙112径100%驼发电搂量意⑴酷22.5绪22.0%糠28托25%蔬热回收东量稼⑵款70.4介68.9%饰56泉50%镰热损失凳量休⑶啄9.3骡9.1%逼28否25%检能量利用迅率佣⑷岛＝栗⑴效＋桂⑵乐90.9朱%挥（实测值）沈75弊%亮（设计最大值确）嗽吸附式除湿空脊调系统（实验删结果一例）简然碗温度厨相对湿度踩绝对湿度浙室外空气条件引3狠2吼℃微66.4%齐20.02g彼/k讨g展’容冷风空气条件纺2师4围℃存54.6%量11.07g侮/k畜g粥’丑空调制冷能键力术C努C简＝找59.7k哄W总，成绩系膨数塌CO蜘P急＝妹0.855．结论商对开发研制的炸高效吸附式除乓湿空调系统的些基本构成、运凶转原理、性能占特性作了介绍厨。并对实证实咳验结果作了详眼细阐述与讨论吨。得到以下结车论：蔑（此1霞）开发的吸附侦式除湿空调系穿统与微型燃气丈轮发电机所构把成的热电并给杆系统的综合能饮量利用率达到医了伴90.9咬%醒，比现行的热泛电并给系统提严高特了桨15猛%糠以上。弓（逮2紧）在外气温度冻3僵2完℃借，相对湿取度象66.4浙%斯的条件下，吸稿附式除湿空调芬系统的冷风温边度为优2辞4份℃宅，相对湿圆度匹54.6晓%顾，外气基准的倍制冷能力达垃到纲59.7k自W勇。立（证3牧）外气温度变每化脏6已℃亡的情况下，冷法风的温度仅变堵化捆3融℃吴。吸附式除湿抚空调系统的冷予风的温度虽然晨受到外气温度呆的影响，其影蚁响程度不是很品大。羽（返4君）与采用压缩筐机制冷式空调兵机相比，吸附盒式除湿空调系堤统所提供的冷介风空气温度虽嚼然偏高，但由矛于其湿度较低台，两者的焓值旺却相差无几。尘（榨5陶）该吸附式除饥湿空调系统从骨根本上解决了咏随着显热交换除转轮的旋转而刑产生的由换气恭侧向冷风侧的碑水分携带问题脱及所谓交叉污切染的问题。铸（糕6趴）该吸附式除绍湿空调系统向咳室内供给的空滤气全部为新风疲，可以大大提里高争IA谅Q赚。而且吸附式忠除湿空调系统雪所提供的空气铜处于体感最舒症适的状态，自刮然也就不会有序空调病的问题浪。参考文献桨1Juri灿nakJ毒J,Mit融chell卵JW,Be诊ckman食WA.O简pen-Cy幼cleDe座siccan描tAir芹Condit哪ioning蓝asan活Alter码native慢toVap出orCom祝pressi叨onCoo育lingi替nResi枣dentia赠lAppl好icatio掩ns.AS干MEJou锐rnalo口fSola啦rEnerg独yEngi挂neerin因g,198球4,106兼(8委)啦：撒252-26放0暗2Kang隆TS,嗽Maclai尽ne-cro雄ssIL.惰High帖Perfor上mance,泛Solid估Desic韵cant,卡OpenC谊ooling贞Cycle舞s.ASM持EJour统nalof各Solar禁Energy榨Engin浴eering字,1989岛,111(拜5):17菌6-183平3Faro毅oqS,穗Ruthve气nDM.秧Numer毯icalSi甚mulati竿onof敢aDesi殖ccant颗Bedfo授rSola陵rAir姑Condit汪ioning蜡Appli狂cation虑s.ASM唱EJourn臣alof认Solar津Energy芳Engin油eering眼,1991改,113(5考):80-速88现4Jin赴WL,K墙idoC,泥Kodam乖aA,et恭al.E堪xperim址ental奶Study皱ofPer抛forman钱ceof敢Adsorp区tiveD批esicca汪ntCoo缺lingSy厚stemb住y