內熱再生式除濕器除濕再生性能研究

呂寧 張輝 陳振乾

(東南大學能源與環境學院 南京 210000)

LüNing Zhang Hui Chen Zhenqian

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210000，China)

內熱再生式除濕器除濕再生性能研究

呂寧 張輝 陳振乾

(東南大學能源與環境學院 南京 210000)

提出一種內熱再生式固體除濕器，描述了其物理模型和工作中傳熱傳質過程的數學模型，并編寫了基于有限差分法的數值求解程序對其控制方程組進行求解。通過搭建實驗臺進行實驗，測得了除濕器在除濕再生過程中的動態特性，并與模擬結果進行了對比分析。模擬和實驗結果均表明，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，吸附床床體壓降小，對室內小型空間的除濕需求具有很好的適用性。

微環境；固體除濕器；硅膠；數值模擬；性能實驗

LüNing Zhang Hui Chen Zhenqian

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210000，China)

與常規大空間內的除濕需求相比，文物柜、航海中精密儀器的存儲空間等小型空間內微環境的除濕需求具有其自身的特殊性。主要表現為除濕過程中需保證微環境溫濕度的相對穩定，以及對空氣品質、噪聲等方面的更高要求[1]。與冷凝除濕或溶液吸附除濕方法相比，固體吸附除濕因其除濕過程易于控制、材料無腐蝕性、運動部件少且可利用低品位能源進行再生等特點[2]，在針對此類微環境的除濕上具有得天獨厚的優勢。

近年來，國內外很多學者對固體吸附除濕技術做了相關研究，除了已經得到廣泛應用的轉輪除濕技術，當前的研究內容主要集中在新型再生方式的研發、提高現有固定床的熱濕傳遞效率，以及高效吸附劑材料的研制等方面[3－5]。國外的Mina E等[6－7]首次提出了除濕劑電滲再生的概念；A Ramzy K等[8]研究了不同吸附劑填充方式對除濕器工作性能的影響。在國內，姚曄等[9－11]論證了固體除濕劑超聲波再生的可行性，并通過實驗對超聲波再生的效果和能耗做了分析，完善了固體除濕劑超聲波再生技術；劉曉茹等[12]提出了一種內冷卻緊湊式叉流除濕器，通過增加次邊換熱結構控制主邊吸附劑的工作溫度來提高除濕器的除濕效率，實則是對固定床的結構做了改進；還有一些學者在開發新型改性吸附材料方面做了工作[13－14]，如郭敬花等[15]對改性硅膠和分子篩混合物的除濕性能做了相關研究。

總體來說，國內外對固體吸附除濕技術的研究已經比較深入，但對固體除濕器具體產品的研究卻仍然較少，該文針對微環境的除濕需求特點和缺乏適用除濕器的現狀提出了一種內熱再生式除濕器，通過模擬和實驗對其除濕、再生性能進行了研究。

1 內熱再生式除濕器的物理模型

內熱再生式除濕器結構如圖1所示，采用細孔硅膠作吸附劑，除濕器出入口均設有均流板保證氣流均勻，PTC加熱器在除濕過程中關閉，進入再生過程后開啟，再生氣體使用室內環境狀態下的空氣。

圖1 內熱再生式除濕器結構簡圖Fig·1 Structure diagramof iternally-heating regenerated dehumidifier

2 除濕器內傳熱傳質過程的數學模型

2·1 控制方程組

本文對除濕器工作時內部區域的氣固兩相微控制體做了能量守恒和質量守恒分析，對氣流在吸附劑中的流動過程、氣固兩相之間的熱質交換過程建立了數學模型，其控制方程組如式(1)～式(7)所示。模型中忽略了接觸熱阻以及物性參數隨溫度的變化，并做了二維軸對稱簡化，進行與水蒸氣有關的計算時使用理想氣體模型。

連續性方程:

Brinkman-Forcheheimer方程:

氣體能量守恒方程:

吸附劑能量守恒方程:

水蒸氣質量守恒方程:

線性驅動力模型:

平衡吸附量計算公式:

2·2 初始條件和邊界條件

初始條件:

其中:u為氣體徑向速度，m/s；w為氣體軸向速度，m/s；tg為氣體溫度，℃；ts為吸附劑溫度，℃；c為水蒸氣質量濃度，kg/m3；q?為吸附質量百分比；r1為加熱器半徑，m；r2為除濕器內徑，m。

使用SIMPLE算法求解流場，各方程之間彼此耦合，通過不斷迭代進行求解。數學模型的求解結果需做網格獨立性檢驗，進行除濕計算時時間步長取1 s，再生計算時取1 min；幾何坐標步長5 mm。經計算，此計算結果與網格數量加密一倍時的計算結果相差小于1%，因此可基本排除數值解的網格依賴性。

3 實驗與數據分析

3·1 實驗裝置

論文搭建了實驗臺對除濕器除濕再生過程中的運行數據進行采集，以與模擬結果進行對比分析。實驗裝置如圖2所示。使用由Sensirion公司生產的SHT75系列的溫濕度傳感器對除濕器出口氣流溫濕度進行測量，濕度測量范圍0%～100%RH，溫度測量范圍－40～123.8℃。使用上海菱生CYR-2D型差壓變送器測量除濕器進出口壓差，美國雙杰JJ-Y系列電子天平測量除濕器質量，實驗數據均由CCTRTD104模塊采集，并與上位機通訊，最后由編寫的Delphi程序記錄。

圖2 實驗數據采集系統原理圖Fig·2 SchematiCdiagramof experimental data acquisition system

由泓格公司生產的7066模塊和繼電器對PTC加熱器、氣泵的起停動作進行控制，從而實現除濕器除濕、再生、冷卻過程之間的切換。為了保證所測數據的準確性，溫濕度采集空間、除濕器氣流出口側立面及橡膠軟管均做保溫處理。

除濕器通過內置PTC材料制作的加熱器來實現吸附床的再生，其特點是當溫度達到設定值時電阻會趨于無窮大，因此可以實現溫度的自恒定。對于除濕器來說，再生溫度越高，再生的速度就越快，再生效果也會越好，但受到細孔硅膠溫度承受能力的限制，實驗中PTC加熱器設定溫度不能無限升高。結合所使用硅膠的實際情況，定做加熱器的設定溫度為150℃。由于加熱器自身具有一定熱容，通電后需一定時間才能達到設定溫度，其溫度變化規律經測量后使用公式進行擬合。

除濕器結構尺寸、各物性參數及加熱器溫度擬合公式如表1所示。

表1 除濕器尺寸及吸附劑物性參數Tab·1 Parameters of dehumidifier and adsorbent

3·2 實驗流程

實驗條件為南京夏季室內工況，首先進行再生實驗，隨后將實驗后的除濕器冷卻至室溫并進行除濕實驗。再生實驗中，再生氣體直接取室內空氣，不需要單獨制備，實驗目的主要是為了考察除濕器在給定工況下的再生速度與再生程度。除濕實驗分兩組，實驗1的入口氣體使用高含濕量的室內空氣，以考察除濕器在最不利情況下的除濕性能，而事實上，除濕器在正常情況下的除濕對象往往是微環境內的循環低濕氣體，根據國際文物保護機構制定的博物館標準及我國的博物館衛生標準，書畫、織繡品類文物保存較適宜的溫濕度環境為溫度(18±2)℃，相對濕度(55± 5)%。因此，實驗2中入口氣體改為經過預降溫除濕處理的低溫低濕空氣，對除濕器正常工作條件下的性能進行檢測，具體實驗參數見表2。

3·3 實驗數據分析

實驗數據與數學模型求解結果的對比分析如圖3～圖8所示。為了便于分析，定義參數平均吸附質量百分比θ＝×100%。

圖3為實驗1條件下再生過程中除濕器出口空氣含濕量與溫度隨時間的變化趨勢。在圖中我們可以看到，進入再生階段后除濕器出口空氣含濕量在短時間內迅速上升，峰值約為環境空氣含濕量的2倍，隨后較為快速的下降，在約200 min后逐漸趨于入口值。這是因為再生過程開始后，PTC加熱器周圍吸附劑溫度的上升使得再生過程快速進行，除濕器出口空氣含濕量也隨之顯著上升，但隨著該過程的持續，加熱器附近的吸附劑逐漸趨于再生完全，且吸附劑自身存在熱容熱阻，遠離加熱器的吸附劑溫度低于靠近加熱器吸附劑的溫度，再生速度相對較慢，因此整個吸附床的平均再生速度也隨之減緩，出口空氣含濕量相應下降。400 min后，其值幾乎不再發生變化。

表2 實驗工況參數Tab·2 Parameters of experiment condition

圖3 再生時出口空氣的含濕量變化Fig·3 Variation ofmoisture content at outlet in regeneration process

圖4為再生過程中除濕器整個吸附床平均吸附質量百分比隨時間的變化。該參數是評價再生過程進行程度的重要指標。相對應于出口空氣含濕量的變化，進入再生過程后吸附劑平均吸附質量百分比的下降速率也呈現逐漸減小的趨勢，200 min內下降約12%。200 min以后，吸附百分比的下降趨勢有明顯的減緩，因此根據其再生特點，除濕器的再生時間可控制在200 min以內，以在保證再生效果的前提下減小能耗，在隨后對除濕過程的分析中可以看到，此再生時間能夠確保除濕器具有良好的除濕效果。事實上，為了使除濕器的性能具有一定余量，再生實驗并沒有使用除濕過程結束時的吸附床，而是重新裝填了在周圍環境中吸附飽和了的吸附劑，此吸附劑的平均吸附質量百分比要高于前者，因此實際情況下除濕器的再生速度要更快一些。

圖4 再生時吸附床平均吸附質量百比的變化Fig·4 Variation of Qin regeneration process

圖5為再生時出口氣流溫度的變化趨勢，它可以很好地反映再生過程中整個吸附床的平均溫度變化。由圖5可知，出口氣流溫度開始時上升很快，但很快趨于平緩上升。這是因為吸附劑溫度上升到一定程度后開始脫附，吸附劑從PTC加熱器處得到的熱量不再用于吸附劑本身溫度的上升，轉而提供脫附過程所需的熱量；隨著一些吸附劑完成再生，吸附床平均溫度也繼續上升，并逐漸與周圍環境之間達到動態平衡。對于除濕器本身而言，整個再生過程中吸附床床體的平均溫度越高，除濕器的再生速度也就相對越快。因此，除濕器吸附床床體溫度進入穩定上升階段所需的時間在很大程度上反映了除濕器的再生性能。在實驗條件下，除濕器出口氣流溫度進入平緩上升階段所需時間較長，約為20 min，這與加熱器本身具有一定熱容，且與硅膠顆粒之間存在較大的接觸熱阻有關。

圖5 再生時出口空氣的溫度變化Fig·5 Variation of temperature at outlet in regeneration process

圖6～圖7為進入除濕過程后除濕器出口含濕量與溫度隨時間的變化關系。由圖6可以看出:出口氣流含濕量在進入除濕過程后迅速下降至最低值，隨后緩慢上升，新再生過的除濕器在30 min內對周圍環境條件下的高濕氣體具有接近40%的平均除濕效率，而累計工作時間達到4 h以后，除濕器的除濕效率仍然能維持在20%以上，吸附溫升引起的除濕效果下降現象并不明顯。這主要是由處理氣流流量較小導致，而較為和緩的除濕效果對于維持微環境內濕度的相對穩定是十分有利的。多孔介質比表面積大，氣固兩相之間具有很好的換熱效果，吸附過程所放出的熱量大多由被處理氣流帶出，由圖7可以看出:連續工作時除濕器出口氣流溫度會有較大幅度升高，為了維持除濕空間內溫度的相對穩定，可使用高溫冷源對出口氣流進行降溫處理。由于模型中沒有考慮除濕器金屬筒體熱容，以及保溫材料覆蓋不嚴等因素，出口溫度實驗值略低于計算值。

圖6 除濕時出口空氣的含濕量變化Fig·6 Variation ofmoisture content at outlet in dehumidification process

圖7 除濕時出口空氣的溫度變化Fig·7 Variation of temperature at outlet in dehumidification process

該除濕器的除濕對象是小型密閉空間，因此其處理氣流往往是在小空間內循環的低濕氣體，這就要求除濕器不僅能在高濕環境的極限條件下工作，對微環境內的低濕氣體也同樣要有良好的除濕效果。為了檢測除濕器在低濕環境下的工作性能，實驗2將入口空氣改為含濕量低于6.5 g/kg的低濕氣體。圖8為除濕器在實驗2工況下累計除濕4 h后的出口含濕量變化，由圖可知，此時除濕器對于低含濕量氣體具有超過25%的除濕效率。這是因為入口含濕量減小雖然降低了傳質驅動力，但吸附量減小后吸附熱也相應減少，吸附劑溫度的下降又促進了吸附過程的進行，兩者作用相互減弱，除濕器總體的吸附能力并沒有明顯下降。因此，除濕器能夠在周圍環境濕度發生變化時保持相對穩定的除濕性能。事實上，實驗2中所使用的入口空氣具有很低的露點溫度，若使用冷凝除濕法對其進行除濕必然會造成較大的能源浪費，而相比之下，使用該除濕器進行除濕則能在不消耗過多能源的前提下獲得較好的除濕效果。

圖8 入口空氣為低含濕量空氣時出口含濕量的變化Fig·8 Variation ofmoisture content at outlet with low moisture content air income

吸附床工作壓降是固定床吸附除濕器進行設計選型等工作時所需的一個重要參數。實驗中通過多次改變流量調節閥的開度，測得了除濕器在處理不同氣流流量時的壓降，并由此計算出吸附床的壓降。小雷諾數下，壓差與流量之間的關系服從達西定律。從圖9中可以看出:流量增大時壓差呈近似線性升高地趨勢，床體在計算流量范圍內的壓降約為100～400 Pa，較小的氣體阻力不僅減小了泵耗，也有效降低了除濕器工作時所產生的噪聲。

4 結論

本文針對內熱再生式除濕器工作中傳熱傳質過程所建立的數學模型能夠對除濕器的各項運行參數進行有效計算，實驗數據與計算結果吻合良好。通過分析模擬和實驗結果可以發現:除濕器對夏季室內的高濕氣體或微環境內的循環低濕氣體均具有較好的除濕效果，累計除濕時間達到4 h后，除濕效率仍能保持在20%以上。內置加熱器的再生方式使除濕器具有較快的再生速度，兩臺除濕器交替工作可對微環境進行連續除濕。此外，在設計尺寸與填充方式下，吸附床的壓降很小，有效降低了泵耗及除濕器的工作噪聲，除濕器能夠很好地滿足室內小空間微環境小負荷、高濕度控制標準的除濕需求。

圖9 吸附床壓降與流量的關系Fig·9 RelationshiPbetween pressure difference on adsorbent bed and flux

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About the author

LüNing，male，master candidate，Southeast University，＋86 18795856832，E-mail:864703585＠qq.com.Research fields: solid adsorption dehumidification.

Study of Dehumidification-regeneration Performance of an Internally-heating Regenerated Dehumidifier

An internally-heating regenerated dehumidifier is proposed，its physical model and mathematical model for heat and mass transfer process are described，andAnumerical procedure based on finite differencemethod is developed to solve the governing equations. By conducting experiment researches，the dehumidifier’s dynamiCbehavior ismeasured，and then compared with simulation data.Result shows that the dehumidifier hasAhigh dehumidification efficiency for both indoor air with highmoisture content in summer and relatively dry air in microenvironmentwithout inner-cooling device，the time consumed in regeneration and cooling process ismuch less than that consumed in dehumidification process，and the pressure droPin fix bed is small，which indicates that the dehumidifier can bewidely used in dehumidification for small indoor space.

microenvironment；solid dehumidifier；silica gel；numerical simulation；performance experiments

TB61＋1；TU834.9

文A

0253－4339(2015)02－0083－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.083

呂寧，男，在讀碩士，東南大學，18795856832，E-mail: 864703585＠qq.com。研究方向:固體吸附除濕。

2014年8月23日