利用各種排熱驅(qū)動-新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)

1、利用各種排熱驅(qū)動-新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)            摘要： 本文分析了現(xiàn)行吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，對開發(fā)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)造、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論作了詳細(xì)闡述。為該新型節(jié)能環(huán)保型空調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指南。 關(guān)鍵詞： 吸附式 熱電并給 蜂窩式 除濕轉(zhuǎn)輪 廢熱利用1前言由于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)可以對空氣的溫度和濕度分別加以處理，使其近年來在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，我們從數(shù)年前開始了對吸附式除

2、濕空調(diào)系統(tǒng)性能改進(jìn)及實(shí)用化的開發(fā)研究。特別是針對近年來各種分布型熱電并給系統(tǒng)不斷普及的現(xiàn)狀，成功地開發(fā)了一種可以直接利用各種排熱的新型高性能吸附式除濕空調(diào)機(jī)。本文闡述了這一新型高性能吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，以及實(shí)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論。2現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的概念是1960年代提出的，1980年代各國的研究人員開始從實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算兩方面對這一系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究1-6）。其典型的流程如圖1所示，由蜂窩式吸附除濕轉(zhuǎn)輪、顯熱交換轉(zhuǎn)輪、再生空氣加熱器、直接蒸發(fā)式冷卻器、風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)空氣狀態(tài)變化過程在空氣焓濕圖上表示的結(jié)果如圖2所示。新風(fēng)風(fēng)機(jī)將室外空氣O

3、A送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)，空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附，由于有吸附熱發(fā)生空氣溫度會升高 (12)。經(jīng)過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與從空調(diào)對象室內(nèi)的排氣RA進(jìn)行熱交換，其被冷卻到室溫狀態(tài)(23)。然后，通過直接蒸發(fā)式冷卻器，向此干燥空氣中噴水，借助水的蒸發(fā)潛熱使空氣進(jìn)一步等焓冷卻到較低溫度（34），冷風(fēng)被送到空調(diào)對象室內(nèi)。另一方面，從空調(diào)對象室內(nèi)返回的換氣RA首先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器，借助噴霧水的蒸發(fā)，將空氣等焓冷卻到較低溫度(56)，然后通過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與除濕后的空氣進(jìn)行熱交換，在冷卻被干燥空氣的同時(shí)，自身被加熱(67),再經(jīng)過再生空氣加熱器被加熱到再生溫度 (78) 后送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的再生部，將除濕轉(zhuǎn)輪

4、吸附的水分脫附，使除濕轉(zhuǎn)輪得到再生。再生后的空氣被排放到大氣中(89)。圖2現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)空氣狀態(tài)變化對這一空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程分析可以看出該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存在著以下的問題：（1）隨著顯熱交換轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，會有一部分高濕度的換氣RA被轉(zhuǎn)輪攜帶到冷風(fēng)SA側(cè)（這一現(xiàn)象也被稱為內(nèi)部泄漏）；（2）由于顯熱交換轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部泄漏，會將室內(nèi)被香煙、人體的汗味，或者是其他揮發(fā)性有機(jī)物污染的空氣帶到冷風(fēng)中，造成所謂交叉污染；（3）系統(tǒng)設(shè)備多，制造成本高。為了冷卻冷風(fēng)空氣SA，需要直接蒸發(fā)冷卻器和顯熱交換轉(zhuǎn)輪兩臺設(shè)備；（4）熱交換器效率較低，直接蒸發(fā)冷卻器+顯熱交換轉(zhuǎn)輪的綜合熱交換效率低于80%；（5）排熱

5、回收利用率較低?，F(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)是將排熱轉(zhuǎn)換成熱水后再利用，通常從廢熱鍋爐仍然要排出100左右的氣體，加上廢熱鍋爐及熱水配管的熱損失，排熱回收利用率大大降低；（6）由于使用熱水作為再生空氣加熱的熱源，再生空氣溫度只能達(dá)到約80，其再生效率較低7）。3新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)31 高性能吸附式除濕轉(zhuǎn)輪及其最佳再生方法探討在吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)中，雖然除濕過程(12)中空氣的焓值沒有降低，但是由于除濕轉(zhuǎn)輪將空氣的潛熱轉(zhuǎn)換成了顯熱，這為后續(xù)的熱交換及冷卻過程降低空氣的焓值奠定了基礎(chǔ)。因此，高性能的除濕轉(zhuǎn)輪是實(shí)現(xiàn)高性能的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的先決條件。在設(shè)想排熱熱源溫度為150以上的前提下，對除

6、濕轉(zhuǎn)輪的最佳再生方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究7)。實(shí)驗(yàn)方法如下，選用了直徑300mm，厚度200mm的除濕轉(zhuǎn)輪SSCR-U，在其處理風(fēng)量（224m3/h）、及再生空氣加熱用能量（3.64kw）一定的前提下，改變再生空氣的溫度，對除濕轉(zhuǎn)輪的除濕性能進(jìn)行測試。而且，為了消除再生空氣面風(fēng)速的影響，制作了三種不同再生區(qū)面積比的除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)用風(fēng)洞，使再生空氣面風(fēng)速維持在2m/s。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)條件在表1中給出。表1 除濕轉(zhuǎn)輪性能實(shí)驗(yàn)條件一覽表 流程類型低溫再生標(biāo)準(zhǔn)再生高溫再生再生區(qū)/處理區(qū)1/11/31/4再生用能量(kW)3.64再生空氣溫度()80130155再生風(fēng)量OR(m3/h)22411289.6再生風(fēng)速V

7、R(m/s)2.02.02.0處理風(fēng)量QP(m3/h)224處理風(fēng)速VP(m/s)21.331.25風(fēng)量比QR/QP1/11/21/2.5處理入口空氣溫度()30再生空氣濕度(g/kg)再生空氣濕度與處理空氣濕度相同轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速N(rph)141211.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)空氣濕度低于XP1=13g/kg時(shí)，高溫再生流程的除濕性能顯現(xiàn)出若干優(yōu)勢。但是，在入口濕度高于XP1=13g/kg的條件下，標(biāo)準(zhǔn)再生流程的除濕性能變得最好。原因是：再生空氣溫度越高，其相對濕度就越低，除濕轉(zhuǎn)輪的再生程度也就越好，因此在低濕度范圍內(nèi)，提高再生溫度可以得到濕度更低的干燥空氣。另一方面，根據(jù)物質(zhì)（水分）衡算、熱量衡

8、算關(guān)系可知，再生出口空氣含濕量將以再生風(fēng)量比的倒數(shù)的倍率關(guān)系隨處理空氣除濕量的增加而變化，再生空氣溫度下降與處理空氣溫升之比例系數(shù)則是再生風(fēng)量比的倒數(shù)。在高濕度范圍內(nèi)，隨著處理空氣除濕量的增加，對于再生空氣量較少的高溫再生流程而言，再生區(qū)出口空氣的濕度變得很高，其溫度卻降到較低。致使再生空氣在出口附近的相對濕度高于處理空氣，發(fā)生再生空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附的逆向過程，其除濕性能必然降低。相對于標(biāo)準(zhǔn)再生流程、高溫再生流程而言，低溫再生流程的除濕性能在全濕度范圍內(nèi)均較低。這是由于再生溫度越低，除濕轉(zhuǎn)輪被再生的程度就越差，離開除濕轉(zhuǎn)輪的處理出口空氣的濕度自然也就很難降到較低程度。因此，當(dāng)排熱熱源

9、溫度在150以上時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)再生流程，比現(xiàn)行的采用低溫再生型除濕轉(zhuǎn)輪的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，無論是在潛熱處理能力、還是在能量利用效率（減少有效能損失）方面都會有很大的改善。    2007-04-22        圖4 叉流型間接氣化冷卻器流程概略圖作者研發(fā)了一種用于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的高效率，無內(nèi)部泄漏、無交叉污染發(fā)生的特殊構(gòu)造叉流型間接氣化冷卻器10）。其構(gòu)造及運(yùn)轉(zhuǎn)原理如圖4所示。其性能測試結(jié)果在圖5中給出。為了與其他類型的熱交換器性能進(jìn)行比較，在圖5中同時(shí)給出了顯熱交換

10、轉(zhuǎn)輪、普通的叉流型顯熱交換器的測定結(jié)果。結(jié)果表明：間接氣化冷卻器比普通的叉流型顯熱交換器、以及顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率都好。以面風(fēng)速2m/s的操作條件為例，開發(fā)的間接氣化冷卻器的熱交換效率卻達(dá)到了85%，比顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率高5%左右。同時(shí)，壓力損失在三種熱交換器中最小。4實(shí)證實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果討論為了對上述空調(diào)系統(tǒng)的性能從實(shí)驗(yàn)上加以確認(rèn)，自2001年1月起，在株式會社西部技研辦公大樓設(shè)置了一臺冷風(fēng)量為5500m3/h的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)及與其配套的發(fā)電能力為28kW的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的一個(gè)熱電并給系統(tǒng)。進(jìn)行了為期1年的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。41 實(shí)證實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)概要實(shí)證實(shí)驗(yàn)是由開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)

11、系統(tǒng)（概要見表2），和美國Capstone Turbine Corporation公司制造的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)（Micro Gas Turbine Generator，概要見表3）所構(gòu)成的熱電并給系統(tǒng)。該熱電并給系統(tǒng)設(shè)備配置如圖7所示。照片的左側(cè)為微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，右側(cè)為新型吸附式除濕空調(diào)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)排出的排氣的溫度約為275。將其與用來冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)成設(shè)備的溫度約為65的被稱為低溫排熱的空氣混合后，直接用作吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源再生除濕轉(zhuǎn)輪。表2 新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)概要 冷風(fēng)風(fēng)量5，500m3/h制冷能力*（夏季）顯熱：9.4kW合計(jì)：53.4kW潛熱：44kW加熱能力*（冬季）顯熱：46.1kW合計(jì)：68.1kW潛熱：22kW外形尺寸2200(H)×3380(L)×1450(W)運(yùn)轉(zhuǎn)方式制冷、供暖、換氣（可切換）*制冷、加熱能力計(jì)算基準(zhǔn)：外氣條件 夏季：溫度32，相對濕度65%冬季：溫度2， 相對濕度57