摘要： 本文對(duì)目前各種除濕方法進(jìn)行分析比較，綜合了各種濕度控制方式,進(jìn)而給出一種通過(guò)液體除濕實(shí)現(xiàn)空調(diào)的方法，總結(jié)出液體除濕方式的優(yōu)勢(shì)。該方式對(duì)提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能，優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)有重要意義。
1、引言
空調(diào)的濕負(fù)荷主要來(lái)自室內(nèi)人員的產(chǎn)濕及中的濕，這部分濕負(fù)荷在總的空調(diào)負(fù)荷中占20%～40%，是整個(gè)空調(diào)負(fù)荷的重要組成部分。目前，常用的空調(diào)形式的空氣處理方式為采用表冷器降溫除濕。這樣為了滿(mǎn)足除濕的要求，經(jīng)常要把空氣冷到很低的溫度。如滿(mǎn)足室內(nèi)舒適性需求的空氣溫度為24℃，露點(diǎn)為14℃，為了實(shí)現(xiàn)除濕的目的，水的溫度要低到7℃，而冷機(jī)的蒸發(fā)溫度低到2-5℃。不難看出，需要在溫度為24℃的熱源下取熱以滿(mǎn)足降溫要求，而需要在14℃下取熱以滿(mǎn)足除濕要求。冷源的低溫要求首先是為了滿(mǎn)足除濕要求而設(shè)定的，若只是為了降溫，蒸發(fā)溫度可以高的多。為了除濕在冷凝過(guò)程中把干空氣也冷到了同樣低的溫度，某些情況下還需要再熱來(lái)滿(mǎn)足送風(fēng)溫度的要求，這也造成能量的浪費(fèi)。
所以，需要一種能夠獨(dú)立除濕的手段，把除濕和降溫過(guò)程分開(kāi)，從而使用溫度較高的冷源就能把空氣處理到送風(fēng)狀態(tài)，提高制冷機(jī)的效率，也可提高室內(nèi)的舒適性。
本文對(duì)目前各種除濕方法進(jìn)行分析比較，進(jìn)而給出一種通過(guò)液體除濕實(shí)現(xiàn)空調(diào)的方法。
2、現(xiàn)有的除濕方法及吸附除濕過(guò)程的基本原理
2.1 幾種現(xiàn)有除濕方法
除濕有很多方法，歸納起來(lái)如下表：
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除濕原理 |
除濕方式 |
特點(diǎn) | |
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通過(guò)降低空氣中飽和含水量的辦 |
冷凝除濕 |
效率低（如引言所述） | |
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將空氣加壓冷凝 |
干空氣也同時(shí)被壓縮，功耗大 | ||
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營(yíng)造一個(gè)外部吸濕源來(lái)吸收空氣中的濕 |
膜法除濕 |
另一側(cè)抽真空（依靠膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差） |
抽真空方法同樣耗功很大，另外對(duì)膜的強(qiáng)度也有很高的要求 |
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另一側(cè)加熱再生（依靠膜兩側(cè)的水蒸氣化學(xué)勢(shì)差） |
膜本身很薄，膜兩側(cè)的溫差很小，而溫差又是產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)差的原因，所以，導(dǎo)致膜兩側(cè)的傳濕動(dòng)力很小，不可行 | ||
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利用吸附材料吸濕 |
固體吸附材料 |
多孔材料：硅膠，活性炭，沸石（分子篩），氧化鋁凝膠，有機(jī)物及鹽類(lèi)：高分子材料，氯化鋰晶體等 | |
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液體吸附材料 |
溴化鋰，氯化鋰，氯化鈣，乙二醇，三甘醇等[2] | ||
對(duì)表中各種除濕方式比較可以看出，利用吸附材料除濕是現(xiàn)有的除濕方式中能夠?qū)崿F(xiàn)濕度獨(dú)立控制的較為可行的方式。
2.2 吸濕材料除濕基本原理
采用液體和固體吸濕材料除濕[1.4]的系統(tǒng)出現(xiàn)于本世紀(jì)50年代，之后蓬勃的發(fā)展起來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種形式的系統(tǒng)。篇幅所限，這里不做介紹。吸濕劑完成整個(gè)除濕----再生循環(huán)的狀態(tài)變化如下圖所示：
圖1 吸濕劑狀態(tài)的變化
采用固體吸附材料除濕的系統(tǒng)，有固定床式和轉(zhuǎn)輪式兩種。固定床式固體吸附除濕裝置是通過(guò)改變空氣測(cè)流向?qū)崿F(xiàn)間歇式的吸濕再生；轉(zhuǎn)輪式除濕得到了更廣泛的應(yīng)用，它可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的除濕和再生。這兩種除濕方式有著致命的弱點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)的運(yùn)行過(guò)程，期間混合損失大，影響效率，另外，這種形式很難實(shí)現(xiàn)等溫的除濕過(guò)程，而除濕過(guò)程釋放出的潛熱使除濕劑的溫度升高，吸濕能力大打折扣，整個(gè)過(guò)程傳熱傳質(zhì)的不可逆損失大，效率不高。
相對(duì)于固體吸附材料，由于液體具有流動(dòng)性，采用液體吸濕材料的傳熱傳質(zhì)設(shè)備比較容易實(shí)現(xiàn)；另外，液體除濕過(guò)程容易被冷卻，從而實(shí)現(xiàn)等溫的除濕過(guò)程，不可逆損失可以減小。所以采用液體吸收除濕的方法有可能達(dá)到較好的熱力學(xué)效果。
圖2、圖3是帶有不同濃度溶液的飽和分壓力線(xiàn)的濕空氣的溫濕圖。圖2是液體除濕中溶液狀態(tài)變化過(guò)程，1-->2是除濕過(guò)程，溶液濃度升高，同時(shí)若采用逆流、冷卻等手段，該過(guò)程可以近似等溫甚至降溫進(jìn)行；2-->3-->4是溶液被加熱、再生的過(guò)程，該過(guò)程需要提供熱量，使溶液中的水份蒸發(fā)，溶液變濃；4-->1溶液被冷卻，再進(jìn)入除濕器除濕。圖3表示的是液體除濕中空氣的狀態(tài)的變化過(guò)程，雙線(xiàn)表示除濕的過(guò)程，單線(xiàn)表示再生的過(guò)程。
圖2 吸濕溶液的循環(huán)過(guò)程
圖3 除濕及再生空氣的循環(huán)過(guò)程
3、液體除濕空調(diào)系統(tǒng)
通過(guò)對(duì)調(diào)整工藝流程，可以得到接近等溫的除濕與再生過(guò)程，實(shí)現(xiàn)較高的能效比。
3.1 液體降濕系統(tǒng)的能耗分析
要提高液體除濕系統(tǒng)的能耗，首先要分析原有的液體除濕系統(tǒng)能耗低的原因。傳統(tǒng)的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)除濕器溶液的流量很大，濃溶液和稀溶液的濃度差在2%左右。這樣盡管在除濕過(guò)程中采取一些冷卻的措施來(lái)減小由于溶液溫升導(dǎo)致其吸濕能力的下降，但是傳質(zhì)過(guò)程中的水蒸氣分壓差造成的不可逆損失仍然很大。如下圖所示：
上述過(guò)程導(dǎo)致的直接后果是再生溫度高，從而再生器的效率低。由于解決上述問(wèn)題的方法是采用分級(jí)除濕的思路[5]，即在除濕的過(guò)程鹽溶液的濃度是隨著濕空氣濕度的變化而變化的，同時(shí)每一級(jí)都采取相應(yīng)的冷卻措施。這樣，如圖5所示，傳熱溫差，傳質(zhì)的濃度差會(huì)大大減小，從而減小了除濕過(guò)程的不可逆損失。充分的利用了溶液的吸濕能力，即在吸收同樣多的濕量的情況下，分級(jí)的方法可使得溶液的濃度差達(dá)到10%左右。這樣送回再生器的溶液的濃度降低了，更容易被再生，從而減少了高溫?zé)嵩吹南摹?/P>
根據(jù)質(zhì)量平衡關(guān)系，采用了分級(jí)思想的除濕器溶液的流量會(huì)因?yàn)闈舛炔畹脑龃蠖冃?，而小流量?huì)減小氣、液的接觸面積。為了強(qiáng)化換熱，保證除濕器每一級(jí)內(nèi)的溶液流量很大，而級(jí)與級(jí)之間的流量很小。這樣即保證了換熱有充分的接觸面積，又使得溶液進(jìn)出口可以實(shí)現(xiàn)高的濃度差。整個(gè)除濕器的流程如圖6所示，圖中的數(shù)據(jù)是一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，除濕過(guò)程不斷被冷卻，冷卻水一部分來(lái)自室外的冷卻塔，一部分來(lái)自室內(nèi)回風(fēng)。對(duì)室內(nèi)回風(fēng)的焓的回收也使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比大大提高。
圖6 除濕器流程圖
對(duì)于再生器也要采用分級(jí)的思想，用高溫的熱源再生比較濃的溶液，用比較低溫的熱源再生比較稀的溶液，這樣使得熱源的利用效率提高。圖7是一種分級(jí)再生器的思想，圖中的溫度都為設(shè)計(jì)溫度。
定義以下幾個(gè)參數(shù)：
其中，EERliquid為液體除濕空調(diào)的能效比，Qc為得到的冷量，kW；Qh為再生器的加熱量，kW。
對(duì)于除濕器，由于冷卻水的引入，使得整個(gè)過(guò)程近似等溫的進(jìn)行，被處理的室外空氣狀態(tài)為：33.9℃,22.3g/kgair,焓值為91.3kJ/kgair，出口狀態(tài)為39.4℃,6g/kgair，該空氣經(jīng)過(guò)與室內(nèi)回風(fēng)間冷卻，狀態(tài)被處理至22℃，6g/kgair，焓值為37.3kJ/kgair。之后，空氣被等焓加濕到送風(fēng)狀態(tài)（17℃）。空氣處理的焓差為54kJ/kgair，除濕量Δd為16.3g/kgair。
Δi為被處理空氣的焓差，則Qc表示為：Qc=Δi=91.3-37.3=54kJ/kgair
如圖7中的一個(gè)熱水進(jìn)水溫度為90℃，出水溫度為65℃的再生器，設(shè)計(jì)的空氣進(jìn)口狀態(tài)為33.9℃，含濕量din為22.3g/kgair，焓值iin為91.3kJ/kgair,換熱器的溫差按照5℃計(jì)，得再生空氣的出口狀態(tài)為58℃，含濕量dout48g/kgair,焓值iout為183.4kJ/kgair,這樣，每除去1g水，再生器需要的加熱量q為：
再根據(jù)除濕器的數(shù)據(jù)，得到：
可見(jiàn)在熱源最高溫度為90℃的情況下，采用該方式能夠比采用同樣熱源驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷機(jī)有更高的效率。
3.2 集中再生的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)
將液體除濕系統(tǒng)的空氣處理部分和再生部分分開(kāi)，并且多個(gè)空氣處理部分共用一個(gè)再生器，構(gòu)成如圖8所示的集中再生的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)。集中的再生器可采用多級(jí)回?zé)岬男问揭蕴岣咂湫?。濃溶液分出各個(gè)支路通往空氣處理模塊，吸濕后的稀溶液通過(guò)管路流回再生器再生，如此循環(huán)。溶液的回路帶有儲(chǔ)液灌，起到了蓄能調(diào)峰的作用。末端的空氣處理模塊有兩股空氣流過(guò)，即被處理的空氣3和起冷卻作用氣2，被處理的空氣被除濕并冷卻，放出的熱量被排風(fēng)吸收，排到大氣中。還有一小部分經(jīng)過(guò)除濕的干空氣通過(guò)蒸發(fā)冷卻的方法產(chǎn)生冷水可以冷卻除濕后溫度較高的送風(fēng)達(dá)到適宜的送風(fēng)溫度，如圖中的11所示。
1送風(fēng) 2 冷卻空氣進(jìn)口 3 被處理空氣進(jìn)口 4 濕熱排風(fēng) 5 空氣處理模塊 6 濃溶液
7 稀溶液 8 儲(chǔ)液灌 9 再生熱源 10 再生器 11間接蒸發(fā)制冷模塊 12 表冷器
圖8 集中再生的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)
采用液體除濕空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備相比，主要的換熱部件采用塑料材料，防腐蝕而且價(jià)格低廉，溶液的管道尺寸小且無(wú)需外保溫，這些都使得設(shè)備的成本很低。相比之下，溶液的投資占了整個(gè)系統(tǒng)投資的主要部分，綜合下來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的投資會(huì)低于傳統(tǒng)的空調(diào)方式。
3.3 液體除濕系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
采用液體除濕空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比有以下優(yōu)勢(shì)：
1. 熱負(fù)荷、濕負(fù)荷分開(kāi)處理，避免了過(guò)度冷卻和再熱的損失，有較高的能源利用效率并提高了室內(nèi)的舒適程度：
2. 通過(guò)溶液的噴灑可以除去空氣中的塵埃、細(xì)菌、霉菌及其他有害物；同時(shí)由于避免了使用有凝結(jié)水的盤(pán)管，也消除了室內(nèi)的一大污染源；可采用全運(yùn)行；提高 了室內(nèi)空氣品質(zhì)；
3. 可使低溫有熱源驅(qū)動(dòng)，為低品味熱源的利用提供了有效的途徑；
4. 可以方便的實(shí)現(xiàn)蓄能，系統(tǒng)中設(shè)儲(chǔ)濃溶液的容器，負(fù)荷小的時(shí)候儲(chǔ)存濃溶液，負(fù)荷大的時(shí)候用來(lái)除濕，從而減小了系統(tǒng)的容量和相應(yīng)的投資；單位質(zhì)量蓄冷能力為 冰的蓄冷能力的60%，而且無(wú)需保溫等措施。
5. 整個(gè)設(shè)備各個(gè)部件構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省初投資。
4、應(yīng)用前景展望
隨著我國(guó)城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣將成為重要的城市能源，燃?xì)?--蒸汽聯(lián)合循環(huán)是天然氣利用的理想的方式[3]。在該方式中，一年四季都需要有熱負(fù)荷。在冬季，燃?xì)?--蒸汽聯(lián)合循環(huán)所提供的熱能可用來(lái)供暖；在夏季，該熱源用于空調(diào)中有以下幾種方式：采用集中的制冷機(jī)，送冷水到用戶(hù)，由于冷水的溫差小，冷水流量就會(huì)很大，造成管路初投資、冷水的輸運(yùn)損失都很大；還有一種方法是送熱水來(lái)驅(qū)動(dòng)末端用戶(hù)的吸收機(jī)，這種方法的問(wèn)題在于所提供的熱水溫度不是很高，導(dǎo)致吸收機(jī)的能效比下降，一般只有0.4-0.6左右，這種方法基本上也不可行。根據(jù)本文前面的介紹。采用液體除濕空調(diào)系統(tǒng)無(wú)疑是理想的選擇。