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转轮除湿技术及应用
来源: | 作者:toys-1059006 | 发布时间: 134天前 | 117 次浏览 | 分享到:
利用冷冻水降低空气的温度,空气在降温过程中,其相对湿度逐渐接近饱和状态,在达到要求的温度时,高于该空气温度饱和状态的多余水份会析出,起到降温除湿的目的。
在工业生产过程中,随着人们对空气、水源、食品、医药等品质要求的不断提高,生产环境中湿度的控制成为一个重要指标。目前比较成熟的除湿技术有冷却式除湿、液体吸收式除湿、固体吸附式除湿、膜法除湿及转轮除湿。


转轮除湿原理


转轮除湿机的关键是位于机组中部的除湿转轮。除湿转轮是一个载有吸湿剂的蜂窝状的特殊纸质转轮,由于蜂窝状孔径仅1.5mm,故1m3的转轮纸芯吸湿面积达3000m2。空气流经蜂窝状孔道处于边界层流状态,湿交换效果好,所以除湿能力较强。

除湿转轮的原理是采用减速电机驱动或同步带传动,转轮以每小时8~14转的速度缓慢转动。转轮圆面的3/4区域是处理区。需要处理的空气通过处理区时,空气中的水分被附着在特殊纤维上的吸湿剂吸收,成为低湿干燥空气,从另一端吹出,由风机经管道送到所需的区域。
与此同时,再生的空气经过过滤、加热到120±10℃,通过相反方向进入转轮剩下的1/4的区域。将缓慢进入再生区域的附着在特殊纤维上的吸湿剂的温度升高,使附着在特殊纤维上的吸湿剂所含水分汽化,并被带出转轮,使附着在特殊纤维上的吸湿剂恢复吸湿功能,即吸湿剂得到再生。
转轮缓慢转动时,转轮附着在特殊纤维上的吸湿剂的吸湿和再生过程是同时进行的,故转轮除湿机能保证连续、稳定地输出干燥空气。波纹状介质中载有吸湿剂,设计结构紧凑,而且可以为湿空气与吸湿介质提供充分接触的巨大表面积,提高了除湿机的除湿效率。


专业基础


干球温度:用普通温度计测得的湿空气的正常温度。用符号 t 表示。单位:℃(摄氏度)。
湿球温度:温度计水银球包裹有含水棉芯,并有一定流速的空气吹过棉芯时,该温度计所指示的温度。用符号 ts 表示。单位:℃(摄氏度)。
露点温度:空气湿度达到饱和时的温度,换言之空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。一般凝结水或露水现象可以用露点温度形成来解释。用符号 t表示。单位:℃(摄氏度)。
含湿量(绝对含水量)在湿空气中,与1kg干空气同时并存的水蒸汽量称为含湿量。用符号 d 表示。单位:g/kg(克/千克)。
绝对湿度:单位体积湿空气中所含水蒸气的质量,即湿空气中水蒸气的密度。用符号 dq 表示。单位:g/m3(克/立方米)。
相对湿度:湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比。也可表示为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比。用符号φ 表示。单位:%(百分比)。
焓值:空气中的焓值是指空气中含有的总热量,通常以干空气的单位质量为基准,称作比焓。工程中简称为焓,是指一千克干空气的焓和与它相对应的水蒸气的焓的总和。(空气的焓值是指空气所含有的决热量,通常以干空气的单位质量为基准。)用符号 h 表示。单位:kj/kg(千焦/千克)。
除湿量:空调系统运行时,单位时间内从密闭空间、房间或区域的空气中除去的水分。单位:g/h(克/小时)
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加湿量:空调系统运行时,单位时间内向密闭空间、房间或区域的空气中添加的水分。单位:g/h(克/小时)
循环风量:空调系统单位时间内向密闭空间、房间或区域送入的风量。用符号 Q 表示。单位:m3/h(立方米/小时)。
换气次数:空调系统单位时间内向密闭空间、房间或区域送入的送风量对该空间的倍数。单位:次/小时。
运行功率:亦称额定功率,用电装置在正常工况时运行的功率。用符号 W 表示。单位:kW(千瓦)。
单位换算
卡(cal):热量单位,又称卡路里。
1千卡=1大卡=1000kcal=4.1868kJ;
焦(J):热量单位。
1千焦(kJ)=0.239千卡(kcal),1焦(J)=0.239卡(cal)。
1千瓦时(kW
h)=3600千焦(kJ)=860千卡(kcal)。
焓湿图:
   焓湿图是将湿空气各种参数之间的关系用图线表示。从图上可查知温度、相对湿度、含湿量、露点温度、湿球温度、水蒸气含量及分压力、空气的焓值等空气状态参数。为了解空气状态及对空气进行处理提供依据。图上亦可反映出空气的处理过程。
   温度t、含湿量d和大气压力B是空气的基本参数,它们决定了空气的状态,并可以由此计算出该空气状态的其余参数。
注意,每一张焓湿图都是按规定的大气压绘制的,因此在计算工作中,应选用与要求大气压相符的(或接近的)焓湿图。

图中:等φ线是曲线,等h线是倾斜直线,等d线是垂直线,等t线接近水平,看似平行,实际互不平行。水蒸气分压力(Pq)标尺为水平线。最低的一根等φ线,其值为φ=100%。这条曲线称为饱和线。状态在这条线上的空气处于饱和状态。在其他φ线上的空气都是非饱和的。空气状态不可能位于饱和线以下的区域中。
关于焓湿图,请查看暖通南社相关课件《看懂焓湿图并学会在设计中的运用》


转轮除湿的吸附介质


氯化锂
氯化锂是最早用来作为转轮除湿机的吸附材料的,它属于一种高含湿量的吸湿盐,易再生,具有高度化学稳定性。此外,氯化锂吸附剂具有强烈的杀菌能力,因此,氯化锂作为除湿剂被广泛应用于医药、食品等对空气洁净度和湿度要求较高的领域。但是氯化锂在低湿度范围除湿量小、除湿能力低,而且吸湿时易形成液体从基体逸出,对除湿设备周围的金属产生腐蚀,这些不足在很大程度上限制了除湿机中氯化锂吸附剂的用量,也即限制了除湿机的除湿量。
硅胶
硅胶是继氯化锂后研究应用比较多的一种固体吸附剂,其吸湿能力、再生能耗等方面较氯化锂稍差,但由于在吸附、解吸过程中始终保持固态,有良好的物理化学稳定性,克服了氯化锂吸附剂容易液化逸出的缺点,即使在高湿度下(100%)也能保持转轮表面不结露,对周边设备无腐蚀。同时当转轮长期使用过程中因灰尘或油污覆盖表面影响除湿效率时,可采用清水(除灰尘)或清洁剂(除油污)直接清洗掉使之恢复,因此得到了广泛的应用。
目前制备硅胶转轮最有效方法为浸渍法。其工作原理是:在无机纤维基材上让水玻璃与酸就地反应,使生成的硅胶较为均匀地分散在纤维表面及其空隙中,构成块体吸附剂。

硅胶作为吸附材料存在的不足:
(1)吸附性能有待提高;
(2)耐热性能需要加强,由于硅胶耐热性能较弱,除湿转芯长时间处于80 ~150℃再生环境中,易出现熔融、塌陷、堵塞孔道等现象,从而使系统吸附效率降低;
(3)机械强度有待增强,由于硅胶与陶瓷纤维作用力较弱,使得转芯材料机械强度较差,在系统运行过程中,易出现粉化、掉粉现象,从而影响其使用寿命。
沸石分子筛
沸石分子筛是研究及应用比较多的固体吸附剂材料,它在低湿度环境下仍能吸湿的优异性能,使它非常适用于低露点深度除湿;另一方面 即使在较高温度下(如100 ~120℃)分子筛仍保持13%以上的吸水率,而硅胶的吸水率几乎为零。因此在电子、精密仪器等一些对湿度要求非常低及环境温度较高的情况下,分子筛除湿得到广泛的应用,应用分子筛的转轮除湿机其出风口空气露点最低可达到-60℃。

转轮除湿机用各种吸附材料的对比

吸附材料
优点
缺点
氯化锂
吸附量大,除湿效果好,再生能耗低
溶液易飘逸对周边设备腐蚀
硅胶
吸附过程中稳定性好,易于清洗
吸附性能和热稳定性差
金属掺杂硅胶
吸附性能和热稳定性得到改善
制造工艺较为复杂
分子筛
低湿度和高温条件下吸附性能好
常规条件下吸附量小,再生能耗高


转轮除湿器与空调系统的结合


(1)转轮除湿器与一般空调系统的结合
对于室内冷负荷和湿负荷都较大的场合,或新风负荷较大,室内要求湿度较低的环境,如果靠常规制冷就要降低蒸发温度或采用乙二醇溶液,把空气冷却到很低的温度,有时还要加热以防房间温度过低。这样既增加系统能耗,而且冷却盘管容易结霜,导致COP值下降。如果由转轮除湿器承担湿负荷,机械制冷承担显热负荷,就能达到比较满意的效果。这就是除湿技术与一般空调相结合的基本思路。在这里使用的是氯化锂转轮除湿器。
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转轮除湿器内部共有二路空气流,分别是处理空气流,再生空气流。处理空气流1汇同从房间出来的一次回风至2,首先经过一级蒸发器至3,在这里空气被冷却,温湿度降低,然后通过处理风入口进入转轮除湿器至4,其中所含的绝大部分水分被留在转轮除湿器中,以备再生空气流带走,此时再汇同二次回风至5,达到了送风所要求的湿量,然后再经过二级冷却器至6,处理空气等湿降温,达到送风状态,然后送入房间:再生空气流经过一个热交换器,温度升高,然后在加热器中形成高温干燥的再生气,再进入转轮除湿器的再生区,将其中的水分带出,经过换热器换热,然后排到大气。为了达到节能的效果,我们利用了房间回风。
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转轮除湿器之前设置一级蒸发器的目的是冷却新风和一次回风,当处理空气温度较低时,氯化锂表面水蒸汽分压力下降,从而导致除湿效率上升。设置二级蒸发器的目的是冷却从转轮除湿器出来的高温处理空气,等湿降温。对氯化锂转轮除湿器来说,再生空气温度达到90℃,氯化锂就已完全再生,此时COP最大。如果再生空气温度大于或小于90℃,COP均减小。
    (2)除湿转轮与燃气空调系统的结合
转轮除湿方式的主要能耗是在转轮的再生气部分,如果不使用电加热再生而使用废热或太阳能再生,那么节能效果将更佳。用燃气加热再生空气,可以轻易地得到较高的再生温度。
(3)除湿转轮与蒸发冷却空调系统的结合:开式通风型空调。

室外新风1首先进入转轮除湿器至2,空气中的水分被吸收或吸附。同时释放出汽化潜热,使处理空气湿度降低,温度升高。处理后的空气由风机送至显热交换器至3。与此同时,再生空气进入水直接蒸发冷却器,直接蒸发冷却(DEC)使空气与水直接接触,水在焓值不变的情况下和空气进行热湿交换,蒸发吸热,该空气处理过程是绝热加湿过程,主要其冷却加湿的作用。再生空气经过喷淋降温后送至显热交换器。在显热交换器里,处理空气和再生空气换热后送入直接蒸发冷却器至4,经过喷淋降温后送入室内。同时,再生空气经加热器加热后,送入转轮除湿器的再生区。


除湿工艺计算


单位时间为维持房间恒温恒湿,需要空调系统向室内提供的冷量称为冷负荷;相反,为补偿房间失热而需要向室内提供的热量称为热负荷。为了维持室内相对湿度恒定需从房间除去的湿量称为湿负荷。
湿负荷是亦指空调房间的湿源向室内的散湿量,湿源包括墙门等围护渗漏、人体、水槽表面、地面积水、洗涤洗浴、燃烧、工艺过程;另外,湿负荷还应包括空调系统的新风和回风等等。

湿负荷计算:
房间渗漏湿负荷公式:Mf=Δd×K1×K2×ρ×V
式中:Mf:房间渗漏湿负荷,g
Δd:室内外空气含湿量差值,g/kg
K1:房间密封性好K1=0.1,一般K1=0.2,其次K1=0.3
K2:房间体积<400立方米时K2=1;400≤房间体积≤10000立方米时K2=0.8;房间体积>10000时K2=0.6。
ρ 空气密度,kg/m3。一般取1.29kg/m3
V  房间体积,m3
墙体渗透湿负荷
公式:Mq=ΔPq×k×A
式中:Mq:墙体渗透湿负荷,g ;
ΔPq:室内外空气水蒸气压力差,Pa;
k:渗透系数,一般k=0.2;
A:与外界接触的围护面积,m2
门开关湿负荷
公式:Mm=Δd×T×ρ×A×n
式中:Mm:门开关湿负荷,g/h;
Δd:室内外空气含湿量差值,g/kg
T:门单次开启持续时间,h/次;
ρ:空气密度,kg/m3。一般取1.29kg/m3
A:门面积,m2
n:一小时内门的开启次数,次/h。
室内人员湿负荷公式:Mr=q×p
式中:Mr:室内人员湿负荷,g/h
q:人员散湿量,轻度劳动100g/h·人
中度劳动150g/h·人;重度劳动200g/h·人(一般取中度劳动)
p:室内人数,人
除湿一般工艺流程:
工作流程: 转轮除湿机的工作流程可分几个部分完成:预冷/预热(供选件 )—转轮除湿—后冷/后热(供选件 )。

预冷/预热:利用冷冻水降低空气的温度,空气在降温过程中,其相对湿度逐渐接近饱和状态,在达到要求的温度时,高于该空气温度饱和状态的多余水份会析出,起到降温除湿的目的。
转轮除湿:除湿转轮在除湿段内部由密封系统分为处理区域和再生区域,除湿转轮以 8-10 转/小时的速度缓慢旋转,以保证整个除湿为一个连续的过程。
当处理空气通过转轮的处理区域时,其中的水蒸汽被转轮中的吸湿介质所吸附,水蒸气同时发生相变,并释放出潜热,转轮也因吸附了一定 的水份而逐渐趋向饱和;这时,处理空气因自身的水份减少和潜热释放而变成干的、热的空气。

 

 


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