熱虹吸管換熱器應用于除濕系統的節能性分析

王佳敏,夏學鷹,李 棟,趙孝保,蘇曉翔

(1.南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023) (2.聯發智能科技股份有限公司,福建 廈門 361000)

空氣濕度是衡量人體熱舒適性的重要指標,針對濕負荷較大的場所,通常采用的除濕方式有冷卻除濕、溶液除濕等. 冷卻除濕是先進行降溫除濕[1],然后進行再熱處理,所使用的再熱設備大多為電加熱器[2]. 該除濕方式降溫、再熱過程均需消耗能量,且相互抵消,浪費能量. 溶液除濕過程是基于除濕溶液與空氣中水蒸氣分壓力之差,推動水蒸氣在氣相與液相間的遷移,進而達到除濕效果[3]. 但需要通過加熱再生才能實現溶液的循環利用,且其設備復雜,體積龐大,設備內部溶液會腐蝕金屬[4]. 因此研究節能型的除濕技術具有重要的科學意義和工程應用價值.

近年來,熱虹吸管以其良好的均溫性和高效的傳熱性能,已逐漸應用于除濕領域. Hill等[5]研究了熱管熱交換器應用于空調系統中的除濕特性,指出熱管可使系統的除濕能力提高25%～55%. Yau等[6-8]對熱帶濕熱氣候地區熱管熱交換器應用于除濕系統的可行性進行了研究. 實驗結果表明,加裝熱管換熱器后,空調能耗可顯著降低. Jouhara等[9]和朱培根等[10]研究了熱管換熱器在空氣處理機組上的應用. 實驗表明,熱管調溫除濕機單位電能除濕量比普通除濕機提高47%,能源消耗明顯下降.

本文設計制造了熱虹吸管換熱器,將其應用于普通冷凍除濕機中,構造了熱虹吸管除濕機,并對熱虹吸管除濕機的除濕過程進行了對比研究,分析了加裝熱虹吸管換熱器對其系統除濕量的影響,分別從除濕能耗比、析濕系數及能量利用率等方面對其節能性進行了分析,為熱虹吸管除濕機的進一步應用提供數據支撐.

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 熱虹吸管換熱器

為了構建熱虹吸管除濕系統,首先設計并制造了熱虹吸管換熱器,各結構參數如表1所示. 其中熱虹吸管材質采用紫銅管,工質為水,充液率15%.

表1 熱虹吸管換熱器結構參數Table 1 The structure parameter of thermosiphon heat exchanger

1.過濾網;2.熱虹吸管蒸發段;3.制冷系統蒸發器;4.風機;5.隔板;6.熱虹吸管冷凝段;7.制冷系統冷凝器;8.風機.圖1 除濕機系統測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring point arrangement for dehumidifier system

1.2 熱虹吸管除濕機性能測試方案

為了分析熱虹吸管除濕機的除濕性能,構建了熱虹吸管除濕機性能測試平臺. 整個系統由制冷系統、風系統、熱虹吸管換熱器系統組成,熱虹吸管換熱器置于制冷系統蒸發器與冷凝器之間,實現濕空氣的預冷與再熱.

如圖1(a)所示,經焓差實驗室處理的濕空氣首先經熱虹吸管蒸發段預冷降溫,降溫后的濕空氣進入制冷系統蒸發器降溫除濕,除濕后的空氣再經熱虹吸管冷凝段,實現空氣再熱,最終經制冷系統冷凝器加熱成適宜溫度的低濕空氣,完成濕空氣的整個除濕升溫過程.

為了對加裝上述熱虹吸管換熱器的除濕機的除濕性能及其節能性進行量化分析,系統共布置5個測點測量空氣參數,測點位置如圖1(a)所示,對進口空氣、熱虹吸管蒸發段出口空氣、制冷系統蒸發器出口空氣、熱虹吸管冷凝段出口空氣及制冷系統冷凝器出口空氣進行測量. 為了對比分析,在未裝熱虹吸管換熱器的普通除濕機系統上布置了3個測點,測點位置如圖1(b)所示. 為了保證實驗的準確性,兩組實驗a、c、e測點位置一致. 熱虹吸管除濕機測試系統現場實物圖如圖2所示. 試驗測試具體空氣參數如表2所示.

圖2 熱虹吸管除濕機測試系統實物圖Fig.2 Physical diagram of thermosiphon dehumidifier test system

表2 熱虹吸管除濕性能試驗測試參數Table 2 Test parameters for dehumidificatio performance of thermosiphon

圖3 熱虹吸管除濕過程焓濕圖Fig.3 Enthalpy-Humidity diagram of thermosyphon in dehumidification process

1.3 熱虹吸管應用于除濕系統的節能潛力

為了分析熱虹吸管應用于除濕系統的節能潛力,給出了熱虹吸管除濕機的除濕過程焓濕圖,如圖3所示. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器以后,利用熱虹吸管的蒸發段可首先對進入制冷系統蒸發器的濕空氣進行預冷,從而減少蒸發表冷器的冷負荷,增加單位功率除濕量,同時可利用熱虹吸管預冷吸收的熱量對進入制冷系統冷凝器的空氣進行再熱,提高空氣溫度,從而實現能量的有效利用.

圖4 普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕過程對比Fig.4 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

2 實驗結果與討論

2.1 普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕過程比較

以環境溫度27 ℃,空氣相對濕度60%,雷諾數1 042.5(以測點a處空氣流速為基準,以熱虹吸管外徑為定型尺寸)的濕空氣測試工況為例,對普通除濕機與加裝上述熱虹吸管換熱器的除濕機就除濕過程進行對比分析. 圖4(a)和圖4(b)分別給出了普通冷凍除濕過程及加裝熱虹吸管換熱器后除濕過程的空氣狀態焓濕圖.

如圖4(a)所示,普通冷凍除濕過程中濕空氣狀態變化過程為點1-3-5. 從圖中可以看出,濕空氣在制冷系統蒸發器點1處由27 ℃經冷卻-冷凝除濕至點3處(17.1 ℃),此過程中蒸發器承擔全部顯熱負荷和潛熱負荷,隨后濕空氣由冷凝器再熱至點5處(40.95 ℃).

加裝熱虹吸管換熱器后,濕空氣狀態變化過程變為點1-2-3-4-5,如圖4(b)所示. 由圖可知,進口濕空氣首先經熱虹吸管蒸發段點1處由27 ℃冷卻降溫至點2處(20.95 ℃),此過程熱虹吸管承擔部分顯熱負荷,使得進入制冷系統蒸發器的濕空氣溫度降低,蒸發器承擔的顯熱負荷減少,冷量主要用于冷凝除濕,除濕量增加,冷凝除濕后,空氣狀態到達點3處(15.1 ℃),隨后濕空氣再次流經熱虹吸管冷凝段,利用吸收的蒸發器前濕空氣的熱量,使得濕空氣上升至21.6 ℃(點4處),最后由制冷系統冷凝器再熱至46.7 ℃(點5處).

對比分析可知,加裝熱虹吸管換熱器后,進入蒸發器的濕空氣溫度由27 ℃降至20.95 ℃,同時由于熱虹吸管冷凝段對空氣進行再熱,出冷凝器的空氣溫度由40.95 ℃提高到46.7 ℃. 整個過程,普通除濕機的除濕能耗比為0.91 kW·h/kg,而熱虹吸管除濕機除濕能耗比為0.67 kW·h/kg,能耗比降低了26.4%. 由此可見,加裝熱虹吸管換熱器可顯著降低系統除濕能耗比,相同功耗條件下,除濕效果顯著提升.

2.2 除濕量對比分析

為了進一步量化分析加裝熱虹吸管換熱器后除濕機除濕性能,對普通除濕機與熱虹吸管除濕機的除濕量進行了對比分析.

圖5 普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕量比較Fig.5 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

圖5給出了普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕量對比圖,從圖中可以看出,不同雷諾數條件下,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕系統的除濕量均高于普通除濕機的除濕量. 與普通除濕機相比,雷諾數分別為836.22、 1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64 時,除濕量各增加了1.73 kg/h、1.3 kg/h、1.32 kg/h、1.31 kg/h、1.39 kg/h,除濕量增加的百分比分別為39.2%、28.1%、25.9%、24.1%、24.3%. 可見,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機的除濕能力顯著提高. 這是因為濕空氣流經熱虹吸管換熱器后,其承擔了濕空氣的部分顯熱負荷,使得進入蒸發表冷器的濕空氣溫度降低,蒸發器承擔的顯熱負荷量減少,冷量主要用于濕空氣的冷凝除濕,從而使得除濕量顯著增加. 由圖可知,加裝熱虹吸管換熱器后,不同工況下,其除濕量至少增加24%.

2.3 除濕能耗比對比分析

除了除濕量,除濕能耗比(specific power consumption,SPC)也是衡量除濕系統性能的重要指標. 以產生1 kg凝結水的壓縮機功率消耗表示[11].

(1)

式中,SPC為除濕能耗比,kW·h/kg;W為壓縮機功率,kW;M為除濕量,kg/h.

表3給出了進口濕空氣參數為tg=27 ℃、φ=60%的條件下,不同雷諾數的普通除濕機與熱虹吸管除濕機的除濕量、除濕功耗值,從而由公式(1)可求得SPC.

表3 除濕能耗比對比Table 3 Comparison of dehumidification energy consumption ratio

圖6給出了不同雷諾數時,普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕能耗比對比. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機的除濕能耗比顯著降低. 這是因為與普通除濕系統相比,熱虹吸管除濕機除濕量增加,而功耗基本相同,除濕能耗比必然降低. 從圖中可以看出,隨著雷諾數的增加,除濕能耗比逐漸降低. 雷諾數分別為836.22、1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64時,熱虹吸管除濕機的除濕能耗比分別降低37.1%、26.4%、22.8%、20.6%、24.7%,除濕能耗比的下降率均在20%以上. 由此可知,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機除去相同質量的水分,耗功降低. 可見,熱虹吸管除濕機具有顯著的節能性.

圖6 普通除濕機與熱虹吸管除濕機除濕能耗比比較Fig.6 Comparison of dehumidification energy consumption ratio between ordinary dehumidifier and thermosyphon dehumidifier

2.4 析濕系數對比分析

熱濕交換中全熱量與顯熱量的比值稱為析濕系數(ξ)[12],析濕系數越大,意味著潛熱交換量越大,凝結水析出能力越強. 為了從熱量交換的角度分析除濕系統的除濕能力,對普通除濕機以及熱虹吸管除濕機的析濕系數進行了對比.

普通除濕機的析濕系數ξ1可用表冷器前后濕空氣參數表示:

(2)

加裝熱虹吸管換熱器后的系統析濕系數ξ2可表示為:

(3)

式中,h1為系統入口測點處的空氣焓值,kJ/kg;h2為熱虹吸管蒸發段之后蒸發器之前測點處的空氣焓值,kJ/kg;h3為蒸發器之后熱虹吸管冷凝段前測點處的空氣焓值,kJ/kg.

表4給出了進口濕空氣參數為tg=27 ℃、φ=60%的條件下,不同雷諾數工況下的普通除濕機與熱虹吸管除濕機各狀態點參數,由此可得兩種除濕機的析濕系數.

表4 析濕系數對比Table 4 Comparison of wet precipitation coefficient

圖7 普通除濕機與熱虹吸管除濕機析濕系數的比較Fig.7 Comparison of moisture removal coefficients between ordinary dehumidifiers and thermosyphon dehumidifiers

圖7給出了普通除濕機與熱虹吸管除濕機析濕系數之間的對比. 從圖中可以看出,熱虹吸管除濕機的析濕系數ξ2明顯高于普通除濕機的析濕系數ξ1,說明加裝熱虹吸管換熱器后,蒸發器除濕過程中,顯熱量占比減少,蒸發器的冷量主要用于冷凝除濕,潛熱交換占比增加,除濕量增大. 由圖7 可知,不同雷諾數下,與普通除濕機相比,熱虹吸管除濕機的析濕系數各增加36.8%、37.4%、32.7%、31.8%、30.9%. 因此,從析濕系數分析可知,熱虹吸管除濕機除濕能力顯著提升.

2.5 能量利用率比較分析

為了比較加裝熱虹吸管換熱器前后,除濕系統的能量利用狀況,引入能量利用率ζ來分析比較兩者的能量利用能力.

能量利用率定義為冷凝器再熱量及熱虹吸管換熱器有效利用熱量之和與蒸發器除濕過程能量變化之比.

普通除濕機能量利用率ζ1可表示為:

(4)

熱虹吸管除濕機能量利用率ζ2表示為:

(5)

上述各式中,h1,h2,h3同上;h4為冷凝器之前熱管冷凝段之后測點處的空氣焓值,kJ/kg;h5為系統冷凝器之后測點處的空氣焓值,kJ/kg.

圖8 普通除濕機與熱虹吸管除濕機能量利用率對比Fig.8 Comparison of energy utilization ratio between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

圖8給出了加裝熱虹吸管換熱器前后除濕機能量利用率變化曲線. 從圖中可以看出,加裝熱虹吸管換熱器后,由于熱虹吸管換熱器的預冷和再熱效應,使得能量得到充分有效利用,能量利用率顯著提高,結果表明,較普通除濕機的能量利用率至少可提高4.3倍. 從能量有效利用的角度分析,進一步體現了熱虹吸管除濕機的節能性.

2.6 除濕量與能量利用率試驗關聯式

為了研究熱虹吸管除濕機的除濕量與雷諾數及空氣狀態間的關系,以無量綱參數進行試驗數據擬合,擬合得到了除濕量、流動雷諾數及能量利用率間的計算關聯式.

選取參數m(h2-h3)、Re、ζ2進行關聯分析,得到擬合關聯式如下:

(6)

(7)

式中,m為單位功率除濕量,kg/(h·kW).

用MATLAB擬合得到:a=0.452,b=-0.443,c=1.047. 擬合關聯式為:

(8)

式中,雷諾數與能量利用率適用范圍分別為:600

2.7 誤差分析

本實驗主要的測試參數包括除濕機內各測點處的空氣溫度、相對濕度及空氣進口處的空氣流速. 分析誤差存在的原因主要有兩點,一是實驗時工況環境的改變,由于實驗是在焓差實驗室進行的,實驗室空間較大,無法準確調節至設定工況. 二是試驗過程中測試儀器精度影響產生的誤差,包括測量溫度時使用的K型熱電偶的精度為±0.1 ℃;測量空氣流速使用的葉輪風速儀精度為±0.2 m/s;且測量時由于測點位置受限,也會有誤差的產生.

3 結論

設計并制造了熱虹吸管換熱器,以tg=27 ℃,φ=60%的工況為例,對不同雷諾數條件下,熱虹吸管除濕機和普通除濕機的除濕性能進行了對比實驗,并對除濕量、除濕能耗比、析濕系數以及能量利用率進行了對比分析,實驗結果發現:

(1)與普通除濕機相比,加裝熱虹吸管換熱器后,不同雷諾數條件下,除濕機的除濕量增加24%以上,除濕量顯著提高.

(2)與普通除濕機相比,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕系統除濕能耗比降低至少20%,熱虹吸管除濕機的能耗比顯著降低.

(3)與普通除濕機相比,加裝熱虹吸管換熱器后,除濕機的析濕系數提高30%以上,熱虹吸管除濕機性能提高,除濕能力顯著提升.

(4)與普通除濕機相比,熱虹吸管除濕機能量利用率提高4.3倍以上,系統節能效果顯著.

(5)擬合得到了熱虹吸管除濕機除濕量、流動雷諾數以及能量利用率之間的計算關聯式,為進一步拓展試驗結果提供了參考.

研究結果表明,除濕系統加裝熱虹吸管換熱器后,除濕量顯著提高且節能性顯著,結果為熱虹吸管應用于除濕系統提供了理論基礎和數據支撐.