涂覆MIL-101（Cr）干燥劑的翅片管換熱器的實驗研究

劉忠寶 韓君地 郎輝偉

涂覆MIL-101（Cr）干燥劑的翅片管換熱器的實驗研究

劉忠寶 韓君地 郎輝偉

（北京工業大學環能學院 北京 100124）

干燥劑涂層換熱器（DCHE）是一種新開發的翅片管表面帶有干燥劑涂層的換熱器，它可以同時處理潛熱和顯熱。為了獲得更高的性能，高孔隙度的金屬有機框架（MOF）被引入到設計中。本文通過水浴法成功合成MIL-101(Cr)材料，并對材料進行X射線衍射（XRD）、N2吸附-脫附測試、水蒸氣吸脫附曲線、電鏡掃描等系列物理表征。制作MIL-101（Cr）涂層換熱器（MCHE），搭建除濕性能測試實驗平臺，研究了有無冷卻水、風速、再生溫度、進口濕度對系統除濕效率、平均除濕量和除濕能效系數的影響，并與傳統的硅膠除濕換熱器（SCHE）性能做對比。結果顯示MCHE通入冷卻水可以提高除濕性能；隨著進口風速的增加，除濕換熱器的平均除濕量降低比較明顯；隨著空氣進口含濕量的增加，兩種除濕換熱器的除濕性能都呈上升趨勢。MCHE的最佳再生溫度為333K，硅膠涂層熱交換器（SCHE）的最佳再生溫度為343K。MIL-101（Cr）除濕換熱器在中高濕度環境下除濕性能相比傳統硅膠換熱器更加具有優勢。

MIL-101(Cr)；翅片管換熱器；干燥劑涂覆；除濕性能

0 研究背景

能源短缺和環境惡化一直是世界現在面臨的嚴重問題[1]。據統計，現代社會建筑能耗占總能耗的三分之一以上，而建筑能耗的一半以上來自暖通空調系統。傳統的蒸氣壓縮冷卻系統（VCCS）必須通過將處理空氣的溫度降低到露點以下來對其除濕，然后對其進行重新加熱以滿足空氣供應溫度的要求，這導致了大量的能源浪費。同時，制冷劑氟氯化碳的排放導致臭氧層的破壞，從而危害環境和人類健康。干燥劑冷卻系統（例如固定床系統）是常規VCCS的替代方案。但是，在這些系統中，除濕過程中釋放的吸附熱導致能量利用率低和除濕效率低[2]。因此，研究人員提出基于干燥劑涂層換熱器（DCHE）的除濕冷卻系統，該系統可以克服這一不足，由此引起越來越多的關注[3]。

DCHE是干燥劑和翅片管熱交換器的組合[4]。當空氣通過通道時，散熱片上的固體干燥劑材料會吸收水分和顯熱負荷，并且通過管內的冷卻水將吸收的熱量去除[5]。當干燥劑到達其吸附飽和點，將熱水供應到DCHE，釋放水分并再生干燥劑。該系統可選擇在銅管中通入冷卻水以去除吸附熱量，同時通過內部加熱方式可提高再生能力。

研究者對干燥劑材料及其應用在DCHE上效果進行了探索。葛等人[6]采用硅膠涂層與聚合物涂層在翅片管換熱器上進行了實驗比較，發現硅膠涂層的DCHE的性能優于后者。還有一些研究者對復合材料進行研究。Hu等人[7]制作了以硅膠和氯化鋰為基礎的涂層復合干燥劑，其中硅膠充當主體基質，氯化鋰浸入其孔中。研究表明，復合干燥劑涂層換熱器的除濕能力高于硅膠涂層熱交換器的除濕能力，使用復合干燥劑的DCHE可以去除更多的潛在負荷。從現有研究結論可以得出，通過使用具有高吸附能力的干燥劑材料可以改善DCHE系統的性能。但采用傳統材料很難使吸附能力達到數量級上的提高，因此，一種新型的材料——金屬有機骨架（MOF）引起了人們的關注。

MOF是一組材料，包含一維，二維或三維的與有機配體連接的無機簇，具有多種拓撲結構[8]。其中有機配體的選擇比較靈活，如不同的配位原子，幾何形狀，尺寸，以及是否功能化等。無機結構單元和有機配體的組合可以實現幾乎無限數量的具有高孔隙率和表面積的各種可能的結構[9,10]。已有文獻報道例如Cu-BTC（HKUST-1），MIL-100，MOF-74，UUO-66，MIL-101、ZIF-8等MOF材料具有高吸水率和良好的穩定性[11,12]。因此MOFs是熱轉化應用的潛在材料。Garzón-Tovar等人[13]將組合金屬有機骨架UiO-66和吸濕鹽CaCl2合成了新型固體復合吸附劑將其應用在吸附式制冷系統中，結果顯示由UiO-66和CaCl2（53%w/w）制成的復合吸附劑能夠得到631W/kg的SCP和0.83的COP。上海交通大學的F Xu、Z F Bian等人[14]制備了Cu-BTC(HKUST-1)，MOF與B型硅膠（SGB）在不同溫度下進行了水蒸氣等溫線吸附實驗，在低相對濕度條件下，MOF的吸濕率高于SGB。將MOF材料涂覆在換熱器上，將兩種涂層的換熱器分別在ARI定義的夏季和上海八月份的環境條件下進行實驗研究，結果表明，與SGB涂層換熱器相比，MOF涂層換熱器隨著再生溫度的升高對除濕性能有更顯著的提高，MCHE更適合在ARI夏季條件下應用。H Kim等人[15]根據MOF-801（[Zr6O4(OH)4(fumarate)6]）的水蒸氣吸附性質，設計了一套太陽能驅動的空氣中取水系統，在相對濕度低至20%，一次太陽光照射下自然光產生的低熱（1千瓦平方米）下實現每天每公斤MOFs產水2.8升，且不需要額外的能量輸入。MOF材料展現了其強大的吸附能力，因此研究MOF涂覆除濕換熱器上的應用具有重要意義。本文通過水浴法合成MIL-101(Cr)，并將其應用到干燥劑除濕系統。通過與傳統硅膠的對比實驗，驗證MIL-101(Cr)在空氣除濕領域的潛力。

1 材料的準備和測試

1.1 MOF的制備

MIL-101(Cr)的合成制備方案如下：

（1）將12g的九水硝酸鉻和4.92g的對苯二甲酸、144mL的蒸餾水裝入三口燒瓶里。在40℃的油浴里攪拌20min使其混合均勻，隨后將混合液移入帶聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜內，并用液槍向混合液滴入1.5mL的氫氟酸。

（2）將反應釜封閉保證氣密性，放入220℃的油浴里加熱8h。待反應結束后，取出反應釜并使其冷卻到室溫，將混合液（舍去未反應完全的對苯二甲酸晶體）移入三口燒瓶并使其置于40℃的油浴里攪拌，隨后往三口燒瓶里滴入60mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF），繼續攪拌1h。

（3）用G1砂芯漏斗過濾混合液，取濾液依次進行離心、乙醇洗滌、氟化銨（1mol/L,150mL）洗滌、蒸餾水洗滌，最后將綠色產物放入150℃的烘箱干燥8h后得到塊狀的MIL-101(Cr)固體研磨后得到如圖1粉末材料。

圖1 研磨后MIL-101(Cr)材料

1.2 材料的表征

通過粉末X射線衍射（XRD），BET比表面積，氮氣吸脫附等溫線，水蒸氣吸附特性，孔徑，熱重分析（TGA），掃描電子顯微鏡（SEM）和熱導率測量來表征材料。

X射線衍射通常用于MOFs材料的目標分析中，以確定材料的結晶度類型等。（使用的設備：北京通用儀器有限公司XD-6X射線衍射儀。測試條件：CuKα（=0.115432nm）射線，管壓力36kV，電流20mA，步長2°/min，掃描范圍2=2～20°。）

N2吸附-解吸等溫線是研究孔隙結構和孔隙率的表征方法。使用的設備是jw-bk300自動比表面積分析儀?；贜2吸附-解吸等溫線，使用BET和Langmuir方程計算晶體材料的BET和Langmuir比表面積，使用BJH方程計算介孔（2-50nm）范圍的平均孔徑。使用H-K方程計算微孔范圍的孔徑。

MIL-101（Cr）是由Best Instrument Technology（Beijing）Co.，Ltd的3H-2000PW多工位重量蒸氣吸附劑測定的，溫度分別設置為298K和308K。

使用Delsa?Nano粒度分析儀以水為溶劑測量粒度。

使用Perkin-elmerPyris l熱重分析儀研究材料的熱穩定性和組成。測試條件：樣品用量約為10mg，在氮氣氛下進行熱重分析，氮氣流量設置為30mL/min，測試溫度范圍為30～900℃，升溫速率為5℃/min。

掃描電子顯微鏡所用的設備是日立高科技公司的s-4800。測試條件：首先將樣品均勻分布在乙醇溶液中，然后將其滴在粘貼于導電膠上的鋁箔上，并在真空鍍膜和鍍金后進行電子掃描。

使用NETZSCH-LFA 427在303K至473K的溫度范圍內測量熱擴散率。將樣品在453K抽真空6h，顆粒的平均直徑和厚度分別為13mm和1.6mm。

同樣，梅特勒-托利多DSC2用于測量303K至473K溫度范圍內的比熱容。

2 實驗裝置

2.1 固體除濕實驗系統

2.1.1 系統描述

整個實驗裝置由除濕換熱器，空氣循環系統，冷卻水系統，再生熱水系統和測試系統組成。系統原理如圖2所示。

圖2 實驗系統的示意圖

1—空氣濾網；2—空氣加濕器；3—空氣加熱器；4—溫度顯示器；5—濕度顯示器；6—風速感應器；7—干燥劑涂覆換熱器；8—溫度顯示器；9—濕度顯示器；10—軸流風機；11—水泵；12—冷水箱；13—熱水箱；14—水閥；15—電子流量計

圖3 實驗系統的照片

圖3是實驗系統的實物圖，環境空氣在風管末端的風扇驅動下進入除濕換熱器性能測試系統。通過調節空氣循環系統中的電加熱器和加濕器，提供具有所需溫度和濕度的進氣，以進行除濕換熱器性能測試。

在除濕過程中，達到設定溫度和濕度的空氣流經除濕熱交換器，空氣中的水蒸氣被除濕熱交換器外表面上的干燥劑吸收，從而降低了濕度。除濕過程基本完成后，系統自動控制再生熱水系統中電磁閥的打開，并控制冷卻水系統中電磁閥的關閉，從而使系統進入再生過程。來自再生熱水箱的熱水為干燥劑的再生提供了熱源。此時，空氣流經除濕熱交換器的外表面，溫度升高，濕度增加，并且干燥劑表面的水分減少，從而恢復了水分吸收能力。在再生過程結束時，通過電磁閥的切換，冷卻水再次被引入除濕熱交換器中以對空氣除濕。系統的兩種操作模式交替出現，因此熱交換器反復完成除濕和再生過程，并使用測試系統中的傳感器測試系統的參數。該系統可為除濕換熱器的測試提供穩定的不同溫度的冷/熱水源。風道中安裝的風扇裝有變頻器，可以滿足不同翅片風速下除濕換熱器性能的測試。

2.1.2 儀器

要測試的參數包括：干球溫度（℃），空氣相對濕度（%RH），空氣流量（m3/h），水的質量流量（kg/s），進風速度，水箱進出口溫度。系統中每個測試傳感器的位置如圖2所示。表1顯示了實驗系統中使用的傳感器的規格和性能參數。系統穩定運行后，即可獲取系統中所有可變參數的測量值。安捷倫公司的Agilent 34972a數據采集儀用于實時信號采集，記錄和輸出。采集間隔設置為1s。

低溫恒溫水箱和蓄熱式熱水箱為系統提供穩定的冷/熱輸入，容量為30L，控制精度為±0.05℃。冷水泵的最大流量為2m3/h，揚程為8m，而熱水泵的最大流量為2m3/h，揚程為20m。冷/熱水回路中安裝有一個常閉電磁閥，用于控制每個管道的開/關以及冷卻水和再生熱水的流向，響應時間為0.45ms。

表1 測量儀器的技術參數

除濕換熱器進出口空氣的干球溫度和除濕換熱器入口和出口的水溫可以直接通過測得的鉑電阻來控制，而空氣中的水分含量需要通測得的氣溫和相對濕度進行計算，公式如下：

濕空氣焓值計算公式：

=1.006+(2501+1.86t)（kJ/kg干空氣） （4）

式中：為空氣溫度，℃；為空氣的含濕量，kg/kg干空氣；1.006為干空氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；1.86為水蒸氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；2501為0℃時水的汽化潛熱，kJ/kg。

管中心為空氣速度測量點，根據管內尺寸，空氣流速，粘度可判斷空氣在管內流動狀態為湍流。

湍流管內平均流速通常可表示為：

式中，與Re有關，取值如下：

除濕熱交換器中的冷卻水/再生熱水的質量流量通過電子流量計進行測量。用熱線風速計測量除濕熱交換器的風量，然后根據空氣密度和測量點處的風道截面積計算出空氣質量流量。

2.1.3 除濕性能參數

為了研究DCHE，本文有三個性能指標：

（1）除濕效率

熱交換器的除濕效率是其除濕能力的重要指標。用符號表示的除濕效率定義為處理后空氣中水分含量的分數變化。它由下式確定：

（2）平均除濕量

作為除濕換熱器性能的另一個參數，我們使用瞬時除濕系數和平均除濕系數來表示靜態除濕性能（等式（8）和（9）中的所有量均以g/kg計量）。

D=d d（8）

定義有效除濕時間有兩個標準：①除濕熱交換器入口和出口之間的濕度差在3%和10%之間。②當和+1（s）時，除濕換熱器的出口溫度差不得大于0.5℃。

（3）除濕能效

由熱性能系數規定

2.1.4 誤差分析

根據實驗誤差理論，實驗系統誤差來源于測量中的傳感器誤差，其計算公式如下：

其中，Δ是由測得的自變量組成的函數的絕對誤差，是由測得的自變量組成的函數，1,2…x是測量過程中的獨立參數，Δ1, Δ2…Δx是測得的自變量的絕對誤差；Δ是獨立誤差，它構成函數的相對誤差。

根據上式，推導測試期間平均除濕量D和熱性能系數COP的相對誤差，并分別計算為±5.2%和±6.1%。

2.2 干燥劑涂層熱交換器的制備

2.2.1 干燥劑涂層熱交換器結構

我們使用的干燥劑涂層換熱器參數如表2所示。干燥劑涂層換熱器局部結構示意圖如圖4所示。

圖4 DCHE示意圖

表2 DCHE參數

圖5 DCHE的除濕和再生過程

1—冷卻水入口；2—冷卻水出口；3—熱水入口；4—熱水出口

圖5描述了DCHE中空氣的濕熱處理。在吸附除濕的過程中（見圖5（a）），濕空氣流過涂有除濕材料的翅片熱交換器，水蒸氣被翅片上的多孔吸附材料過濾，從而達到除濕的目的。同時，冷卻水被引入到熱交換器的銅管中。在冷卻水的作用下，帶走了吸附熱，有效降低了吸附劑表面的蒸氣壓，提高了吸附劑的吸濕能力。對于加熱解吸過程（見圖5（b）），換熱器中的冷卻水被熱水代替，散熱片被熱水加熱以將熱量傳遞給除濕材料，而多孔材料中的液態水轉化為氣體以離開材料并進入空氣，完成了解吸和再生過程。

2.2.2 涂覆工藝

管翅式換熱器未經修飾的光滑金屬表面不適合直接應用除濕材料。因此，在將除濕材料應用于DCHE之前，有必要探索如何修飾金屬表面。本研究選擇了與翅片厚度相似的鋁板。鋁板的尺寸為70×70×0.15毫米；它們的表面非常光滑。為了增加散熱片表面的粗糙度，首先在金屬表面上涂覆由山東華城高科膠粘劑有限公司生產的L267型水性復合劑。然后要使用的涂料是濃度為30%，pH值為9.0的液態硅溶膠。在120℃的干燥箱中干燥12小時后，重復實驗3次以獲得平均吸收率。靜態吸濕率以分數（可轉換為百分比）的形式表示為：

對于硅膠材料，我們采用常規的涂覆工藝步驟：（1）清潔鋁板并干燥；（2）涂料水性復合膠粘劑；（3）噴涂硅膠粉；（4）浸泡硅溶膠。平均吸濕率為8.5%。

對于MIL-101（Cr）材料：（1）清潔干燥的鋁板（2）水性復合涂料粘合劑（3）MIL-101（Cr）噴涂粉（4）硅溶膠噴涂粉（5）干燥。平均吸濕率為13.6%。

其中，液態硅溶膠作為載體的主要作用是增加表面粗糙度和一定量的粘合劑。兩個樣品的表面均勻，材料的涂層為60g，涂層的平均厚度為200μm。

3 結果與討論

3.1 XRD圖譜

如圖7所示，樣品材料的特征衍射峰出現在3.42°，5.98°，8.56°，9.18°，10.30°和16.54°處，特征峰的位置與文獻中記載的基本相同[16]，表明本文已成功地合成了MIL-101（Cr）。

圖7 MIL-101（Cr）樣品的XRD圖

3.2 氮氣吸脫附等溫線和BET表面積

N2吸附-解吸等溫線是研究孔隙結構和孔隙率的表征方法。MIL-101（Cr）的N2吸附-脫附等溫線如圖8所示。MIL-101（Cr）的N2平衡吸附量為1039cm3/g，與典型的1060cm3/g氮吸附量相差無幾。從N2吸附-解吸等溫線可以看出，MIL-101（Cr）的吸附等溫線屬于I類。在0＜/0＜0.1的低相對壓力區域中，N2的吸附量急劇增加，這表明合成的MIL-101（Cr）含有大量的微孔結構。在0.2的相對壓力下，開始第二次吸附，表明MIL-101（Cr）包含兩種不同的孔籠結構。

圖8 MIL-101（Cr）在77K時的氮吸附等溫線

MIL-101（Cr）的孔徑分布曲線如圖9所示。從圖9可以看出，合成的MIL-101（Cr）材料含有大量的微孔，這與MIL-101（Cr）的結果一致。N2吸附-解吸等溫線。MIL-101（Cr）的孔徑主要為0.85、1.18和2.32nm，合成的MIL-101（Cr）的BET比表面積和孔體積分別為2861m2/g，1.608m3/g。

圖9 MIL-101（Cr）的孔徑分布

3.3 水蒸氣吸附等溫線的測試

圖10顯示了MIL-101（Cr）在298K和308K時的蒸氣吸附曲線。這些曲線為S形，反映了吸附過程中的三個主要階段。

（1）由于水分子與親水性中心的連接，吸水量在0

（2）當0.3

（3）當/0＞0.5時，水分子進入吸附劑粉末之間的間隙。另外，隨著吸附溫度的升高，材料的吸附能力降低。

圖10 MIL-101（Cr）在308 K和298 K時的水蒸氣吸附等溫線

該圖表明，在298 K的吸附溫度下，MIL-101（Cr）的平衡吸附量（即最大水蒸氣吸附量）約為1.2mg/g。在308K的吸附溫度下為1.1mg/g，因此，通過及時清除材料吸附產生的吸附熱，可以提高固體吸附除濕劑的平均干燥能力和熱效率。

3.4 熱重分析（TGA）

圖11 MIL-101（Cr）的TGA曲線

MIL-101（Cr）的熱重分析結果如圖11所示。根據熱重曲線，MIL-101（Cr）的失重可分為兩部分：第一步，從30℃到240℃，失重率約為7%，主要是客體水分子或捕獲在毛孔中的自由水的損失；從270℃到570℃，第二步是重量損失是由于對苯二甲酸的燃燒和結構的分解，失重率約為58%。

3.5 掃描電子顯微鏡（SEM）

MIL-101（Cr）的掃描結果如圖12所示。從圖中可以看出，MIL-101（Cr）具有八面體結構，晶體生長均勻，表面光滑。

圖12 MIL-101（Cr）的SEM

3.6 導熱系數

在吸收和解吸過程中材料具有良好的導熱性非常重要。但是，MIL-101（Cr）由于孔徑大和自由體積大，導熱性差。圖13顯示了材料的導熱系數隨溫度的變化曲線。在303K時，MIL-101（Cr）的導熱系數為0.05W·(m·K)-1并呈線性增加；在474K時，導熱系數為0.103W·(m·K)-1。

圖13 MIL-101（Cr）的熱導率

3.7 動態參數對除濕性能的影響

3.7.1 兩種DCHE的瞬時除濕比較

在表4所列條件下對MCHE和SCHE的瞬時除濕能力進行了比較，結果如圖14所示。由該圖可知，SCHE的有效除濕時間約為360s，MCHE的有效除濕時間約為600s。最大瞬時除濕量分別為3.53g/kg和7.84g/kg。就有效除濕時間和最大瞬時除濕能力而言，MCHE較SCHE具有明顯優勢。

表4 瞬時除濕實驗的實驗條件

圖14 兩種換熱器瞬時除濕量對比

3.7.2 有無冷卻水除濕性能的變化

表5 實驗工況

圖15 MIL-101(Cr)換熱器出口含濕量隨時間的變化曲線

本文以MIL-101(Cr)除濕換熱器為實驗對象，在表5的工況下，研究換熱器內部通入冷卻水后對除濕換熱器的性能影響。圖11表示的是換熱器出口的瞬時含濕量的動態變化。通冷卻水和不通冷卻水除濕時間都設置為600s，從圖11中可以看出通冷卻水后除濕換熱器除濕后的最低含濕量值6.7g/kg，比換熱器內部不通冷卻水換熱器出口含濕量最低點10.5g/kg降低了36.2%。這說明在換熱器內部通入冷卻水的方法能有效的帶走除濕過程材料產生的吸附熱，使換熱器出口濕空氣達到更低的含濕量值。圖中還可以看出，隨著除濕的進程，換熱器后期除濕能力不通冷卻水反而更強，分析其原因是通入冷卻水提高了換熱器的除濕能力，換熱器前期吸水能力更強隨著吸水量的增大，到了后期材料表面與濕空氣表面之間的水蒸氣分壓力差值變的更小所以除濕能力顯得有點疲憊。但是整體除濕性能比不通冷卻水時要強很多。

3.7.3 進口空氣含濕量對除濕性能的影響

從焓濕圖可以發現，當空氣濕度為19.1g/kg時，在一個大氣壓下的濕氣露點溫度為23℃，并且隨著濕度的降低露點溫度降低。在我們的工作中，冷卻水溫度為25℃，因此達到的除濕效果是實驗中除濕材料的功勞。進口含濕量分別為11.2g/kg，13.2g/kg，17.1g/kg和19.1g/kg。在表6規定的條件下研究了含濕量對除濕性能的影響。

表6 研究除濕性能的測試條件

圖16 含濕量對除濕能效系數的影響

從圖16可以看出，隨著濕度的增加，MCHE的COPth從0.26增加到1.05，在相同條件下比SCHE的效率指標高1.3到2.01倍。在高濕度環境中，MCHE的除濕能耗比SCHE少。

如圖17所示，當入口含濕量增加時，空氣與干燥劑表面之間的蒸氣壓差增加，并且材料的吸濕性提高。在所有濕度水平下，MCHE的平均除濕量均大于SCHE。當進口含濕量為11.2g/kg（相對濕度為50%）時，MCHE的平均除濕量為3.13g/kg，是SCHE的1.3倍。當入口的水分含量增加到19.1g/kg時，MCHE和SCHE的平均除濕量之間的差異最大，MCHE的平均除濕量為SCHE的2.25倍。

圖17 進口含濕量對平均除濕量的影響

如圖18所示，隨著含濕量從11g/kg增加到19g/kg，MCHE的除濕效率從15%增加到77%，SCHE的除濕效率從12%增加到38%。在中濕和高濕環境下，MCHE的除濕效率均高于SCHE，在高濕度下差異更大。

圖18 進口含濕量對除濕率的影響

3.7.4 進風速度對除濕性能的影響

在表7所示條件下研究了進氣風速對除濕性能的影響。

表7 研究除濕效率的測試條件

從圖19和圖20可以看出，系統的除濕效率和平均除濕量隨風速的增加而降低。風速為0.5m/s時，MIL-101(Cr)平均除濕量為13.92g/kg，是硅膠同等條件下平均除濕量的2.2倍。從圖16可以看出，當風速增大到2.0m/s時，MIL-101(Cr)平均除濕量為2.98g/kg，硅膠的平均除濕量為1.92g/kg，隨著風速的增加兩者的差距逐漸縮小。因為隨著風速的增加，濕空氣與除濕材料之間接觸時間減少導致濕空氣與除濕材料之間傳質減少，從而導致除濕量和除濕效率下降。

圖19 風速對除濕率的影響

圖20 風速對平均除濕量的影響

圖21顯示，系統除濕能效系數MIL-101(Cr)從1.21下降到0.46，硅膠的除濕能效系數從0.73下降到0.41。在高送風區兩者的除濕能效系數相差較小。因為隨著風速的增加，增加了空氣與換熱器之間的顯熱換熱量，即熱水消耗量增加，而且系統平均除濕量同時也減少，故COPth下降。

圖21 風速對除濕能效系數的影響

3.7.5 再生熱水溫度對除濕性能的影響

該實驗的條件示于表5中。如圖22所示，隨著再生溫度的升高材料再生的更徹底，在下一個除濕循環的開始，材料表面上的水蒸氣壓力與空氣中蒸氣的壓力之間的差更大，同等條件下除濕效果就更好。

圖22 再生溫度對除濕率的影響

圖23示出了兩種類型的熱交換器的平均除濕量，兩者起初隨著再生熱水的溫度而迅速增加，然后其后緩慢地增加。這是因為隨著再生熱水的溫度升高，在除濕過程開始時干燥劑涂層表面上的水蒸氣分壓可以降低，從而增加了干燥劑和入口空氣之間水蒸氣的分壓差，并增強了干燥劑吸濕能力。與空氣的傳質提高了除濕熱交換器的除濕能力。但是，由于干燥劑的性質的限制，其吸濕能力受到限制。再生熱水的溫度過高會削弱除濕量的增加，并且除濕量趨于穩定。

圖23 再生溫度對平均除濕量的影響

如圖24所示，性能的除濕系數（COPth）沒有隨著再生溫度的升高而穩定增加的趨勢。MIL-101（Cr）高于60℃，硅膠為70℃以上，顯示出下降的趨勢。這是因為除濕率隨著再生溫度的升高而緩慢增加。此外，在提高再生溫度的同時，盡管增加了空氣與熱交換器之間的熱交換，但是當熱水的熱消耗大于處理空氣的顯熱與潛熱之和時，COPth為系統開始減少。

圖24 再生溫度對除濕能效系數的影響

4 總結與結論

本文通過實驗評價了MOFs材料應用于除濕系統的可行性。通過水浴法成功合成了MIL-101(Cr)材料。利用設計的實驗裝置，對MIL-101(Cr)進行了實驗研究，并與硅膠進行了比較。分析了冷卻水，再生水溫度和進水條件等參數對除濕性能的影響。從實驗結果可以得出以下結論：

（1）當進口空氣含濕量為19.1g/kg、溫度為300K、風速為1.5m/s時，硅膠除濕換熱器的有效除濕時間為360s，MIL-101(Cr)除濕換熱器的有效除濕時間為600s。兩者的最大瞬時除濕量分別為3.53g/kg和8.34g/kg。通過換熱器內部通入冷卻水的方法可以有效降低吸附熱對除濕除濕性能的不利影響。

（2）隨著進氣口中水分含量的增加，兩種干燥劑涂層的除濕性能會增強。在中高濕度環境下，MCHE的除濕性能優于SCHE。

（3）在進口空氣濕度為19.1g/kg，溫度為27℃，風速為0.5m/s的條件下，MCHE的平均除濕率為13.1g/kg，是SCHE的兩倍。隨著入口風速的增加，DCHE的平均除濕量減少。因此，可以通過降低空氣的供應速度來獲得干燥的空氣。

（4）隨著再生溫度的升高，除濕效率和平均除濕量均增加，而以COPth測量的除濕能量效率首先升高然后降低。MCHE的最佳再生溫度為333K，SCHE的最佳再生溫度為343K。

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Experimental Investigation on Fin-tube Heat Exchangers Coated with MIL-101(Cr) Desiccant

Liu Zhongbao Han Jundi Lang Huiwei

( College of Energy, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

The desiccant coated heat exchanger (DCHE) is a newly developed heat exchanger with a desiccant coating on the surface of the finned tube, which can handle latent heat and sensible heat at the same time. In order to obtain higher performance, high porosity metal organic framework (MOF) was introduced into the design. In this paper, the MIL-101 (Cr) material was successfully synthesized by the water bath method, and the material was subjected to a series of physical characterizations such as X-ray diffraction (XRD), N2adsorption-desorption test, water vapor absorption-desorption curve, and electron microscope scanning. Manufactured MIL-101 (Cr) coated heat exchanger (MCHE), built an experimental platform for dehumidification performance test, and studied whether the cooling water, wind speed, regeneration temperature, inlet humidity affect the system dehumidification efficiency, average dehumidification capacity and dehumidification energy efficiency coefficient And compare with the performance of traditional silica gel dehumidification heat exchanger (SCHE).The results show that cooling water can increase the dehumidification performance of MCHE; as the inlet wind speed increases, the average dehumidification amount of the dehumidification heat exchanger decreases significantly. As the moisture content of the air inlet increases, the dehumidification performance of both dehumidifier heat exchangers is on the rise. The optimal regeneration temperature of MCHE is 333K, and the optimal regeneration temperature of silicone coated heat exchanger (SCHE) is 343K.The dehumidification performance of MIL-101 (Cr) dehumidification heat exchanger has more advantages than the traditional silica gel heat exchanger in the medium and high humidity environment.

MIL-101 (Cr); Fin-tube heat exchanger; desiccant coating; dehumidification performance

TB69

A

1671-6612（2021）01-001-12

北京自然科學基金（批準號：3202008）；國家自然科學基金（批準號：51776006）

劉忠寶（1971-），男，副教授，E-mail：liuzhongbao@bjut.edu.cn

2020-05-17