固定吸附床結構對再生和除濕效果的影響

楊麗君李維陳立楠鄭巧陳巍

(1南京工業大學城市建設與安全工程學院 南京 210009;2浙江曼瑞德自控系統(樂清)有限公司 樂清 325600)

固定吸附床結構對再生和除濕效果的影響

楊麗君1李維1陳立楠2鄭巧2陳巍2

(1南京工業大學城市建設與安全工程學院 南京 210009;2浙江曼瑞德自控系統(樂清)有限公司 樂清 325600)

介紹了一種在固定床內通入DN20水管的固定床結構。實驗以硅膠為固體吸附材料，向水管中通入不同溫度的水，對固定床進行三組實驗，利用除濕量、吸附量、吸附能效三個評價指標分析了三組實驗的再生能力和吸附效果。結果表明:實驗1是再生和吸附效果最佳的一組實驗，實驗1的解析量是實驗2的1.36倍，是實驗3的1.12倍；實驗1的除濕量是實驗2的1.16倍，是實驗3的1.17倍。

固定床吸附除濕；實驗研究；吸附床結構；吸附能效

近年來，空調系統能耗巨大，約占建筑總能耗的40%～60%[1－2]。其中除濕能耗是空調系統的主要能耗之一。傳統的除濕方法是冷卻除濕，冷卻除濕是用低溫冷源將空氣降到露點溫度以下，使得空氣中的水蒸氣凝結成水。處理后空氣往往溫度較低，達不到送風要求，還需要對較低的空氣進行加熱，空氣的再加熱增加了能源的浪費[3]。溫濕度獨立控制系統可避免常規空調系統中因溫濕度耦合帶來的能源浪費[4]。其中固體吸附除濕系統是一種新型的除濕系統，它的優點主要是無污染，無噪音，可利用低品位能源[5－6]。固體吸附除濕又分為固定床除濕和轉輪除濕。由于轉輪的除濕過程和再生過程是同時進行的，這樣再生和除濕過程的空氣難免會相互滲透，影響轉輪的除濕，并且在轉輪出口的空氣溫度較高，必須經過處理才能送入室內，而固定床除濕出口溫度基本不變，并且吸附床處理的空氣量比轉輪大。因此固定床除濕正受到越來越多的關注。

固定吸附床是固體吸附除濕系統的核心部分[7]。它的結構是固體吸附劑的再生和除濕效果的重要影響因素之一。本文采用了一種特殊的固定床結構，在固定床模塊內通入DN20的水管，在水管內通入不同溫度的水，通過三組實驗對這種模塊的再生和吸附情況進行分析。

1 實驗系統及方案

1·1 實驗系統

本實驗原理為通過空氣處理機組的各個功能段來模擬室外空氣環境參數，進而分析在該特定吸附床結構下的吸附性能。實驗系統在噴嘴段與電加熱段之間加三通，在進入吸附床前用風閥進行切換，將尚未滿足實驗處理要求的空氣(包括吸附和再生)先排出，待空氣參數滿足要求時再切換，然后通入吸附床內，實驗臺立面圖如圖1所示。

實驗臺主要由功能段和吸附段組成。功能段包括空氣處理段、噴嘴段、電加熱段以及風機段。風機將空氣從進風口引進來，經過空氣處理段將空氣進行初效過濾，加濕或除濕等來調節各種工況，處理后進入噴嘴段，噴嘴段主要用于測量，調節風量。再進入電加熱段，再生時開啟電加熱，將空氣加熱到再生溫度。最后由固體吸附床進行吸附或再生，處理之后將空氣排出。

圖1 實驗臺立面圖Fig·1 Elevation of experiment system

表1 主要測試儀器列表Tab·1 List of laboratory equipments

實驗時，通過溫濕度變送器、差壓變送器、噴嘴流量計等儀器對吸附床內空氣的干球溫度、相對濕度、吸附床進出口壓降、風量進行測量。為了保證實驗數據的可靠性和準確性，對所有的儀器都進行了標定。實驗時所用測試儀器如表1所示。由表1可知，儀器的精度較高，因此測試誤差對實驗結果的影響可忽略不計。

本文設計的固體吸附床結構如圖2所示。它是由兩個尺寸為600 mm×500 mm×150 mm的模塊組成，吸附床外框由鍍鋅鋼板組成，每個模塊內部插入5根DN20的PVC水管，進風面白色部分為空氣通道，水管外填充粒徑為3～5 mm的硅膠，硅膠的堆積密度為550 kg/m3，一個模塊內填充硅膠的體積為0.02 m3，空氣處理量320 m3/h。空氣通道與吸附劑之間和進出風面采用篩網固定，使空氣和吸附劑充分接觸。空氣依次經過模塊2，模塊1。

圖2 吸附床結構圖Fig·2 Structure of adsorption bed

1·2 實驗方案

本實驗主要研究再生時在固定床模塊的水管內通入不同溫度水后對解析程度的影響，吸附時在水管內通入低溫的水后對除濕效果的影響。考慮固體吸附性能還受固定吸附床內進口空氣狀態、風速、再生溫度、吸附材料的影響，為便于分析數據，控制這些影響因素在實驗中不變化。實驗方案如表2所示。

表2 實驗方案Tab·2 Experiment scheme

2 實驗結果分析

為了分析固定床除濕性能的優劣，就需要通過以下的評價指標來衡量。

1)空氣處理量d:

式中:din、dout分別為固定床進出口濕空氣的含濕量，g/kg(a)。再生時，空氣處理量為負；吸附時，空氣處理量為正。

2)總除濕量D:

式中:D0為固定吸附床內0時刻時除濕量；g取常數0；Qm為固定吸附床內干空氣的質量流量，kg(a)/ s；di為第i時刻空氣處理量，g/kg(a)；τ為數據采集儀記錄數據的時間間隔，取10 s；n＝吸附時間/τ。

3)固定床吸附能效[8]:

式中:dpi、dpo分別為固定床進、出口空氣含濕量，g/kg(a)；tpe為單位時間吸附量達到最大值時的出口溫度，℃；tpi為固定吸附床進口空氣溫度，℃。吸附能效反映了吸附容量與吸附劑所耗費吸附自由能之間的關系，吸附能效越大，吸附性能越好。

圖3為再生時固定床的解析量隨時間的變化圖，由圖可看出，三組實驗基本趨勢相似，實驗1在解析前250 s時，解析速率迅速上升，250 s時達到最大解析量，為3.0 g/kg(a)，隨后解析量處于平穩狀態，稍有緩慢下降。在解析前275 s時，實驗2和實驗3的解析速率迅速上升，到275 s時，實驗2和實驗3都達到了最大解析量，實驗2最大解析量為2.75 g/kg(a)，實驗3最大解析量為3.3 g/kg(a)，隨后解析量平穩下降。總體來說，實驗1的解析量最大，實驗3次之，實驗2最小。這是因為實驗1將55℃的水通入固定床模塊的水管內，吸附劑被熱水管加熱，在相同壓力下，吸附劑的溫度越高，吸附劑的含濕率越低，吸附劑的解析量越高。因此，實驗1的解析量最大。實驗2與實驗3相比，實驗2的水管內通入45℃的水，而實驗3吸附床內水管內沒有通水，由于水的比熱比空氣大，因此實驗2的吸附劑溫度低于實驗3的吸附劑溫度，由上述可推出，實驗2的解析量小于實驗3的解析量。隨著時間的推進，吸附劑里的水蒸氣越來越少，解析越來越困難，因此解析量越來越少。

圖4為吸附時固定床的空氣處理量隨時間的變化圖，由圖可看出，三組實驗吸附量基本趨勢相似。開始吸附時，吸附劑的性能較強，隨著時間的進行，吸附性能越來越弱，直到最后吸附劑中的水蒸氣達到飽和，失去吸附能力。三組實驗最大時的吸附量分別為2.5 g/kg(a)，3.2 g/kg(a)，2.5 g/kg(a)。實驗2的最大吸附量最大，變化速率也較大，到了1250 s后，實驗2的吸附量下降到三組實驗最小的吸附量。

圖3 不同實驗下的再生解析量隨時間的變化Fig·3 Variation of desorption with time for different regenerated experiment

圖5為吸附能效隨吸附時間變化的曲線，圖5與圖4的吸附量變化曲線相似。吸附能效反應了吸附效果的好壞，吸附能效越大，吸附效果越好。開始吸附時，吸附能效都達到最大值，實驗1和實驗2都達到0.16，實驗3為0.14。在吸附前725 s時，吸附能效迅速下降，隨著吸附能效下降越來越緩慢，最后保持不變。實驗1和實驗2開始時吸附能效較大是因為在固定床模塊的水管內被通入了28℃的水，吸附劑吸附水蒸氣的同時也放出了吸附熱，對吸附床內的空氣進行加熱，空氣溫度越高，吸附效果越差。但是實驗1和實驗2在水管內被通入了28℃的水后，固定床內的空氣又被再一次降溫，而實驗3無法降溫，因此實驗1和實驗2開始時吸附能效較大。隨著時間的進行，模塊內的冷水管水溫逐漸上升，失去了降溫的功能。實驗2比實驗1吸附能效下降速率大，是因為再生時實驗1的解析量較大，解析更完全，當到吸附時，吸附量也就較大。實驗2和實驗3的吸附能效變化速率相似，分辨不出哪組實驗吸附效果好，只能通過總除濕量進行比較。

圖4 不同實驗下空氣處理量隨時間的變化Fig·4 Air productivity change with time at different experiment

圖6為三組實驗在除濕3600 s內的總除濕量，從圖中可以看出，實驗1的總除濕量最大，實驗2和實驗3的總除濕量基本相同，3組實驗總的除濕量分別為520 g，448 g，445 g，實驗1的總除濕量是實驗2 的1.1倍，是實驗3的1.17倍。因此，實驗1的吸附效果最好，實驗2和實驗3的吸附效果基本一樣。

圖5 吸附能效隨吸附時間的變化Fig·5 Variation of adsorption efficiency ratio with time

3 結論

固定吸附床是除濕系統的核心部分，對吸附效果產生重要的影響。本文設計了一種特殊的固定床結構，通過改變吸附床模塊內部水管的溫度，做了3組實驗進行分析，得出以下結論:

圖6 三組實驗的總除濕量Fig·6 The total amount of dehumidification of the three experiments

1)再生時，將55℃水通入吸附床模塊的水管時，解析量最大，是通入45℃水的解析量的1.36倍，是不加水的解析量的1.12倍。這是因為加了55℃水的水管對吸附床內吸附劑快速加熱，吸附劑溫度越高，單位時間內解析量越大。而加45℃水的水管對60℃的空氣進行降溫，空氣對吸附劑的加熱有限，因此單位時間內吸附劑的解析量較小。

2)吸附時，實驗1的除濕量最大，實驗2和實驗3的除濕量基本相等，實驗1的除濕量是實驗2的1.16倍，是實驗3的1.17倍，因此實驗1的除濕效果最好。原因有兩方面:其一，實驗1再生時解析量最大，其二，吸附時在模塊的水管內加入28℃的冷水，降低了床體溫度和38℃的進氣溫度，溫度越低，除濕效果越好。雙重因素導致了實驗1的除濕量最大。實驗2和實驗1相比，吸附條件是一樣的，但是實驗2在再生時解析量較小，解析的不完全，因此實驗2的除濕量相比實驗1較小。

3)由結論1和結論2可以看出，實驗2通入45℃的熱水以及28℃的冷水，增加了能耗，而對除濕效果沒有較大的改變，因此實驗2浪費了能源。實驗1對除濕效果有了一定的改善，可進行進一步的研究。

[1] 歐陽琴，江英，譚超毅，等.溫濕度獨立控制空調系統的研究與應用[J].建筑節能，2011，39(5):8-10. (Ouyang Qin，Jiang Ying，Tan Chaoyi，et al.Research and application of temperature and humidity independent control air-conditioning system[J].Building Energy Efficiency，2011，39(5):8-10.)

[2] 宋若生，高濤，邵海英.淺析建筑物節能和空調節能[J].建筑節能，2007，35(7):18-20.(Song Ruosheng，Gao Tao，Shao Haiying.An shallow analyze on energy-sav-ing of buildings and air-conditioning[J].Building Energy Efficiency，2007，35(7):18-20.)

[3] 雷海燕，劉雪玲.固體吸附式除濕空調系統及其研究進展[J].天津理工大學學報，2005，21(3):49-51. (LeiHaiyan，Liu Xueling.Research statue and progress of solid adsorption desiccant air conditioning system[J]. Journal of Tianjin University of Technology，2005，21(3): 49-51.)

[4] 張濤，劉曉華，趙康，等.溫濕度獨立控制空調系統應用性能分析[J].建筑科學，2010，26(10):146-150. (Zhang Tao，Liu Xiaohua，Zhao Kang，etal.Analyze application performance of temperature and humidity independent control air-conditioning[J].Building Science，2010，26(10):146-150.)

[5] 李維，葉霖，蔡偉力，等.固定吸附床結構對傳熱效果的影響[J].建筑科學，2012，28(2):29-31.(LiWei，Ye Lin，Cai Weili，et al.Influences of fixed adsorption bed structure on heat transfer effect[J].Building Science，2012，28(2):29-31.)

[6] 李維，胡姍姍，蔡偉力，等.吸附除濕固定床結構的實驗研究與性能分析[J].建筑科學，2012，28(4):61-63.(LiWei，Hu Shanshan，CaiWeili，et al.Experimental research and performance analysis on fixed bed for adsorption dehumidification[J].Building Science，2012，28 (4):61-63.)

[7] 葛楊慧，李維，陳立楠，等.固定吸附床固體吸附除濕的床結構實驗研究[J].建筑科學，2012，28(12):80-84.(Ge Yanghui，Li Wei，Chen Linan，et al.Experimental study on fixed bed structure for solid adsorption dehumidification[J].Building Science，2012，28(12):80-84.)

[8] 李維，葛楊慧，陳立楠，等.實現溫濕度獨立控制的固體吸附材料吸附除濕性能研究[J].制冷學報，2013，34(3):40-44.(LiWei，Ge Yanghui，Chen Linan，etal. Research on dehumidifier performance of solid adsorbent for temperature and humidity independent control[J]. Journal of Refrigeration，2013，34(3):40-44.)

About the corresponding author

Yang Lijun，female，graduate student，Nanjing Tech University，＋86 18761686320，E-mail:240804826＠qq.com.Research fields:development and applied for petrochemical plant energysaving technologies，energy-saving technology for construction and building environmental equipment，and control and research for indoor air quality.The author takes on project supported by Jiangsu College Graduate Research and Innovation Projects:strategy study of radiation cooling and independent fresh air control(No. CXLX13_420).

Effect of Fixed Adsorption Bed Structure on Regeneration and Dehumidification

Yang Lijun1LiWei1Chen Linan2Zheng Qiao2Chen Wei2

(1.College of Urban Construction and Safety Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing，210009，China；2. Menred Controls System(Yueqing)Co.，Ltd.，Yueqing，325600，China)

Aspecial fixed bed structure is introduced，in which DN20 water pipes pass through the fixed bed.Silica gel is used as solid adsorptionmaterials of fixed bed，and waterwith different temperatures is supplied in the pipes in the experiment.The regeneration capacity and adsorption effect in the three experiment cases are compared by three evaluation indexes，i.e.，dehumidifying capacity，adsorption capacity and energy efficiency ratio.Experiment1 is best in regeneration capacity and adsorption effect.The analytical capacity of experiment1 is 36%greater than experiment2 and 12%than experiment3.The dehumidification capacity of experiment1 is16%greater than experiment2 and 17%than experiment3.

fix bed adsorption dehumidification；experimental analysis；adsorption bed structure；adsorption efficiency ratio

TU834.9；TQ051.1＋4

A

0253－4339(2015)02－0101－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.101

簡介

楊麗君，女，在讀碩士研究生，南京工業大學，18761686320，E-mail:240804826＠qq.com。研究方向:石化裝置節能技術的開發與應用研究、建筑與建筑環境設備節能技術、室內空氣品質控制與研究。現在進行的研究項目有:江蘇省普通高校研究生科研創新計劃——輻射供冷與獨立新風聯合系統控制策略研究(CXLX13_420)。

2014年5月3日