轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)性能研究

王 濤，胡曉微，胡濤濤

（天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300134）

1 引言

除濕轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)是將轉(zhuǎn)輪的除濕性能與常規(guī)空調(diào)的冷卻功能相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度聯(lián)合控制的新型空調(diào)系統(tǒng)。這種空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于熱濕處理的控制精度較高，可用太陽能、冷凝器廢熱、低壓蒸汽等低品位的熱源滿足轉(zhuǎn)輪的再生負(fù)荷。與此同時(shí)，經(jīng)過硅膠轉(zhuǎn)輪處理過的空氣具有較好的凈化能力，有助于提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。固體轉(zhuǎn)輪除濕因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、除濕換熱性能好和易制得低露點(diǎn)空氣等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)中。這種全新空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，衛(wèi)生健康，值得研究推廣。

轉(zhuǎn)輪的再生能耗是轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)運(yùn)行的主要能耗，目前轉(zhuǎn)輪的再生能耗主要通過直接加熱、廢熱、太陽能加輔助熱源以及系統(tǒng)回收熱量等。太陽能不穩(wěn)定，受天氣影響比較大，成本相對(duì)比較高。一般都需要輔助熱源才能完成轉(zhuǎn)輪再生需求。利用廢熱一般受到地域和時(shí)間的限制，并且達(dá)不到轉(zhuǎn)輪的再生溫度要求，只能對(duì)轉(zhuǎn)輪再生空氣起到預(yù)熱的作用。

在夏季，空調(diào)系統(tǒng)的冷凝廢熱直接排到大氣中白白浪費(fèi)掉了，能不能把這些廢熱收集起來用于加熱轉(zhuǎn)輪再生風(fēng)呢？隨著冷凝溫度的升高，蒸發(fā)溫度會(huì)升高。機(jī)組運(yùn)行的效率也會(huì)降低。硅膠轉(zhuǎn)輪的再生溫度一般需要60℃左右。對(duì)于普通制冷劑，冷凝溫度很難到達(dá)這個(gè)水平。胡曉微［1］等人研究了僅僅依靠冷凝廢熱能否滿足轉(zhuǎn)輪的再生溫度需要。研究表明當(dāng)蒸發(fā)器環(huán)境溫度為（45±0.2℃）時(shí)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度為（27±0.2℃）時(shí)，灌注R142b的空氣源熱泵最高可產(chǎn)生79±2℃的熱風(fēng)，完全能滿足轉(zhuǎn)輪的再生溫度要求。本文在此基礎(chǔ)上研究了熱泵機(jī)組的綜合效能，利用冷凝廢熱滿足轉(zhuǎn)輪再生能耗需求的同時(shí)，經(jīng)過蒸發(fā)處理后的空氣完全能滿足送風(fēng)需求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖1是轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)性能測(cè)試的原理圖。系統(tǒng)的工作流程包括除濕和再生兩部分。除濕流程是指室外新風(fēng)（狀態(tài)點(diǎn) W）和室內(nèi)回風(fēng)（狀態(tài)點(diǎn)N）混合后（狀態(tài)點(diǎn)C），通過除濕轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吸附除濕處理，除濕后處理空氣（狀態(tài)點(diǎn)A）的溫度升高，再經(jīng)熱泵蒸發(fā)器處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，這一過程被稱為除濕流程；再生流程是指室外新風(fēng)（狀態(tài)點(diǎn) W）經(jīng)熱泵冷凝器加熱到要求的再生溫度（狀態(tài)點(diǎn)E），再流過除濕轉(zhuǎn)輪對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，再生側(cè)出口空氣狀態(tài)點(diǎn)為F。

圖1 系統(tǒng)原理

這種轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：硅膠轉(zhuǎn)輪在除濕的同時(shí)，能有效吸附凈化空氣中的有害物質(zhì)，比如VOC及微塵病菌等，可極大地改善送風(fēng)空氣品質(zhì)［2］，同時(shí)再生空氣完全利用室外新風(fēng)，更有利于轉(zhuǎn)輪對(duì)處理空氣的吸附凈化效果；由于避免了低溫除濕過程，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了干式循環(huán)，可徹底解決長期困擾空調(diào)系統(tǒng)的霉菌問題；利用除濕轉(zhuǎn)輪的處理空氣出口溫度較高的特點(diǎn)，在熱泵蒸發(fā)端對(duì)空調(diào)送風(fēng)進(jìn)行降溫的同時(shí)，利用熱泵冷凝端提高室外空氣的溫度，滿足轉(zhuǎn)輪再生空氣的溫度和負(fù)荷要求，無需額外附加加熱裝置［3］。

2.1 試驗(yàn)工質(zhì)的選擇

轉(zhuǎn)輪的再生溫度一般要60℃以上，普通制冷劑如R22很難在此工況下正常運(yùn)行。被處理的空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后溫升10℃左右，要想經(jīng)過蒸發(fā)器后滿足室內(nèi)送風(fēng)溫度26℃的要求蒸發(fā)溫度應(yīng)該在20℃左右甚至更低。什么樣的制冷劑才能滿足這樣的要求呢？本試驗(yàn)選用的制冷劑是北洋4＃［4］，該制冷劑由天津大學(xué)張于峰教授研制，符合本試驗(yàn)工況。

2.2 轉(zhuǎn)輪熱泵匹配性能研究的實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)比較了在轉(zhuǎn)輪再生風(fēng)量一定的情況下不同再生風(fēng)量時(shí)，熱泵機(jī)組的性能。在處理工況和再生風(fēng)量一定的情況下，熱泵機(jī)組的性能。處理風(fēng)濕度變化時(shí)，熱泵機(jī)組的性能，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況介紹

3 利用冷凝熱回收的復(fù)合除濕空調(diào)的熱力學(xué)模型

分別以冷凝器和除濕轉(zhuǎn)輪為控制體，建立熱力學(xué)模型，通過再生空氣的參數(shù)將兩個(gè)模型聯(lián)系起來，從而組成復(fù)合除濕空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。

3.1 以冷凝器為控制體的熱力學(xué)分析

假設(shè)室內(nèi)和新風(fēng)需要去除的顯熱為Q，等于蒸發(fā)器盤管承擔(dān)的負(fù)荷Qev，則Qev＝Q。

空調(diào)系統(tǒng)單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量（用于除去顯熱）為qev＝hR1－h(huán)R4，所以，制冷劑流量為mr＝

單位質(zhì)量工質(zhì)的冷凝放熱量為qcon＝hR2－h(huán)R3，則冷凝器的放熱量為Qcon＝mR×qcon，壓縮機(jī)耗功Wcom＝mr×（hR2s－h(huán)r1）/ηcom.s，如圖2所示。

圖2 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的IgP－h(huán)

對(duì)于如圖3所示的冷凝器，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，進(jìn)出來能量平衡，有以下關(guān)系：

圖3 冷凝器的能量平衡和 平衡

而（2）式等號(hào)右側(cè)的再生項(xiàng)可以如下變化：

所以，綜合（1）、（2）、（3）、（4）、（5）式后，方程變?yōu)?/p>

冷凝器空氣側(cè)的流量為：

若取冷凝器空氣側(cè)的平均溫度為進(jìn)出口溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，則

TReg.m沒有顯示格式的解，需要將（6）與（1）式聯(lián)立，可求得TReg2和mReg。

得到了在一定的冷凝器效率下的冷凝器出口的空氣溫度和流量，此空氣將作為除濕轉(zhuǎn)輪的再生空氣。

3.2 以轉(zhuǎn)輪為控制體的熱力學(xué)模型

當(dāng)除濕轉(zhuǎn)輪達(dá)到穩(wěn)態(tài)除濕之后，質(zhì)量守恒方程如下：

對(duì)于大多數(shù)吸附劑，吸附熱大于水的蒸發(fā)熱，也就是意味著實(shí)際除濕和再生過程并非等焓過程。目前使用的大多數(shù)干燥劑的吸附熱通常比水蒸發(fā)潛熱大5%～10%［5］，則過程空氣的溫度和含濕量有以下關(guān)系：

以上各式中，dReg3、dS2和TReg3、TS2為未知數(shù)，（7）（8）（9）（10）4個(gè)方程4個(gè)未知數(shù)，方程組封閉。聯(lián)立以上各式，則可以求得一定的除濕轉(zhuǎn)輪 損失下，除濕轉(zhuǎn)輪的除濕量。

4 結(jié)果與分析

當(dāng)轉(zhuǎn)輪再生風(fēng)量為270m3/h時(shí)，處理分量分別為540m3/h，400m3/h，300m3/h。新風(fēng)比按20%與回風(fēng)混合。混合后的溫度為28℃，混合后的濕度為69%，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后溫升7℃左右。再生風(fēng)溫度為36℃，相對(duì)濕度46%。經(jīng)過轉(zhuǎn)輪冷凝器后，溫度升高到69℃左右，能滿足轉(zhuǎn)輪的再生負(fù)荷（圖4、圖5）。

圖4 不同處理風(fēng)量時(shí)的功耗

圖5 不同處理風(fēng)量時(shí)的性能系數(shù)

當(dāng)轉(zhuǎn)輪的處理風(fēng)量為300m3/h，再生風(fēng)量為270m3/h。新風(fēng)比按20%混合時(shí)，混合后的處理風(fēng)溫度為28℃、30℃、32℃、34℃。濕度分別為68%、60%、54%、48%。再生風(fēng)溫度為36℃，經(jīng)過冷凝器溫度可升高到70℃（圖6、圖7）。

圖6 不同處理風(fēng)溫度時(shí)的功耗

圖7 不同處理風(fēng)量溫度時(shí)的性能系數(shù)

當(dāng)轉(zhuǎn)輪的處理風(fēng)量為270m3/h，再生風(fēng)量為270m3/h。室外空氣溫度為28℃，新風(fēng)比按20%混合后的處理風(fēng)溫度為26.4℃，濕度風(fēng)別為54%、56%、57%、59%。經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后，經(jīng)過蒸發(fā)器的溫度為19℃。再生風(fēng)溫度為28℃，經(jīng)過冷凝器后，溫度可以達(dá)到63℃，能夠滿足轉(zhuǎn)輪的再生需要（圖8、圖9）。

5 結(jié)論

圖8 不同處理風(fēng)濕度時(shí)的功耗

圖9 不同處理風(fēng)量濕度時(shí)的性能系數(shù)

（1）在不考慮濕負(fù)荷的情況下，標(biāo)準(zhǔn)工況36℃時(shí)，熱泵提供的制冷制熱量均能滿足送風(fēng)及再生溫度的要求，熱泵系統(tǒng)能耗較低，滿足轉(zhuǎn)輪熱泵耦合運(yùn)行的匹配性要求。

（2）隨室外空氣溫度升高，蒸發(fā)器出口風(fēng)溫升高，當(dāng)室外空氣溫度高達(dá)近40℃時(shí)，蒸發(fā)器的出口空氣溫度僅高于送風(fēng)溫度約1℃，基本能滿足送風(fēng)溫度要求，而相應(yīng)冷凝器出口風(fēng)溫升高與再生溫度升高的要求相匹配。

（3）熱泵子系統(tǒng)的性能系數(shù)隨室外空氣溫度的升高而降低，處理風(fēng)量和再生量一定時(shí)，壓縮機(jī)的功耗隨著處理風(fēng)濕度的降低而降低。

［1］張于峰，胡曉微，苗哲生，等.高溫?zé)岜迷诔凉褶D(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)中的性能［J］.化工學(xué)報(bào)，2009，60（9）：2177～2180.

［2］張 舸.硅膠轉(zhuǎn)輪的空氣凈化能力研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［3］張于峰，郝 紅，周過兵，等.轉(zhuǎn)輪與中高溫?zé)岜民詈峡照{(diào)系統(tǒng)可行性研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（4）：675～678.

［4］董麗萍，張于峰，張彥所，等.北洋2＃制冷劑循環(huán)性能試驗(yàn)研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2013（1）.

［5］Dhar P L，Singh S K.Studies on solid desiccant based hybrid airconditioning systems［J］.Applied Thermal Engineering，2001，21：119～134.

［5］Bejan A.Advanced engineering thermodynamics［M］.NewYork：Jone Wiley ＆Sons，1988.