摘要： 本文對目前各種除濕方法進行分析比較，綜合了各種濕度控制方式,進而給出一種通過液體除濕實現(xiàn)空調(diào)的方法，總結(jié)出液體除濕方式的優(yōu)勢。該方式對提高空調(diào)系統(tǒng)運行性能，優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)有重要意義。
1、引言
空調(diào)的濕負荷主要來自室內(nèi)人員的產(chǎn)濕及中的濕，這部分濕負荷在總的空調(diào)負荷中占20%～40%，是整個空調(diào)負荷的重要組成部分。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。這樣為了滿足除濕的要求，經(jīng)常要把空氣冷到很低的溫度。如滿足室內(nèi)舒適性需求的空氣溫度為24℃，露點為14℃，為了實現(xiàn)除濕的目的，水的溫度要低到7℃，而冷機的蒸發(fā)溫度低到2-5℃。不難看出，需要在溫度為24℃的熱源下取熱以滿足降溫要求，而需要在14℃下取熱以滿足除濕要求。冷源的低溫要求首先是為了滿足除濕要求而設(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滿足送風(fēng)溫度的要求，這也造成能量的浪費。
所以，需要一種能夠獨立除濕的手段，把除濕和降溫過程分開，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)，提高制冷機的效率，也可提高室內(nèi)的舒適性。
本文對目前各種除濕方法進行分析比較，進而給出一種通過液體除濕實現(xiàn)空調(diào)的方法。
2、現(xiàn)有的除濕方法及吸附除濕過程的基本原理
2.1 幾種現(xiàn)有除濕方法
除濕有很多方法，歸納起來如下表：
|
除濕原理 |
除濕方式 |
特點 | |
|
通過降低空氣中飽和含水量的辦 |
冷凝除濕 |
效率低（如引言所述） | |
|
將空氣加壓冷凝 |
干空氣也同時被壓縮，功耗大 | ||
|
營造一個外部吸濕源來吸收空氣中的濕 |
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，另外對膜的強度也有很高的要求 |
|
另一側(cè)加熱再生（依靠膜兩側(cè)的水蒸氣化學(xué)勢差） |
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)勢差的原因，所以，導(dǎo)致膜兩側(cè)的傳濕動力很小，不可行 | ||
|
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，有機物及鹽類：高分子材料，氯化鋰晶體等 | |
|
液體吸附材料 |
溴化鋰，氯化鋰，氯化鈣，乙二醇，三甘醇等[2] | ||
對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50年代，之后蓬勃的發(fā)展起來，已經(jīng)開發(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改變空氣測流向?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就是動態(tài)的運行過程，期間混合損失大，影響效率，另外，這種形式很難實現(xiàn)等溫的除濕過程，而除濕過程釋放出的潛熱使除濕劑的溫度升高，吸濕能力大打折扣，整個過程傳熱傳質(zhì)的不可逆損失大，效率不高。
相對于固體吸附材料，由于液體具有流動性，采用液體吸濕材料的傳熱傳質(zhì)設(shè)備比較容易實現(xiàn)；另外，液體除濕過程容易被冷卻，從而實現(xiàn)等溫的除濕過程，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的濕空氣的溫濕圖。圖2是液體除濕中溶液狀態(tài)變化過程，1-->2是除濕過程，溶液濃度升高，同時若采用逆流、冷卻等手段，該過程可以近似等溫甚至降溫進行；2-->3-->4是溶液被加熱、再生的過程，該過程需要提供熱量，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)的變化過程，雙線表示除濕的過程，單線表示再生的過程。
圖2 吸濕溶液的循環(huán)過程
圖3 除濕及再生空氣的循環(huán)過程
3、液體除濕空調(diào)系統(tǒng)
通過對調(diào)整工藝流程，可以得到接近等溫的除濕與再生過程，實現(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。這樣盡管在除濕過程中采取一些冷卻的措施來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。由于解決上述問題的方法是采用分級除濕的思路[5]，即在除濕的過程鹽溶液的濃度是隨著濕空氣濕度的變化而變化的，同時每一級都采取相應(yīng)的冷卻措施。這樣，如圖5所示，傳熱溫差，傳質(zhì)的濃度差會大大減小，從而減小了除濕過程的不可逆損失。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，分級的方法可使得溶液的濃度差達到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，采用了分級思想的除濕器溶液的流量會因為濃度差的增大而變小，而小流量會減小氣、液的接觸面積。為了強化換熱，保證除濕器每一級內(nèi)的溶液流量很大，而級與級之間的流量很小。這樣即保證了換熱有充分的接觸面積，又使得溶液進出口可以實現(xiàn)高的濃度差。整個除濕器的流程如圖6所示，圖中的數(shù)據(jù)是一組實驗結(jié)果。其中，除濕過程不斷被冷卻，冷卻水一部分來自室外的冷卻塔，一部分來自室內(nèi)回風(fēng)。對室內(nèi)回風(fēng)的焓的回收也使得整個系統(tǒng)運行的能效比大大提高。
圖6 除濕器流程圖
對于再生器也要采用分級的思想，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是一種分級再生器的思想，圖中的溫度都為設(shè)計溫度。
定義以下幾個參數(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。
對于除濕器，由于冷卻水的引入，使得整個過程近似等溫的進行，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℃）?？諝馓幚淼撵什顬?4kJ/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中的一個熱水進水溫度為90℃，出水溫度為65℃的再生器，設(shè)計的空氣進口狀態(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，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)動的吸收式制冷機有更高的效率。
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，并且多個空氣處理部分共用一個再生器，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回?zé)岬男问揭蕴岣咂湫?。濃溶液分出各個支路通往空氣處理模塊，吸濕后的稀溶液通過管路流回再生器再生，如此循環(huán)。溶液的回路帶有儲液灌，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，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)過除濕的干空氣通過蒸發(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 冷卻空氣進口 3 被處理空氣進口 4 濕熱排風(fēng) 5 空氣處理模塊 6 濃溶液
7 稀溶液 8 儲液灌 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，防腐蝕而且價格低廉，溶液的管道尺寸小且無需外保溫，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系統(tǒng)投資的主要部分，綜合下來，整個系統(tǒng)的投資會低于傳統(tǒng)的空調(diào)方式。
3.3 液體除濕系統(tǒng)的優(yōu)勢
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：
1. 熱負荷、濕負荷分開處理，避免了過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. 通過溶液的噴灑可以除去空氣中的塵埃、細菌、霉菌及其他有害物；同時由于避免了使用有凝結(jié)水的盤管，也消除了室內(nèi)的一大污染源；可采用全運行；提高 了室內(nèi)空氣品質(zhì)；
3. 可使低溫有熱源驅(qū)動，為低品味熱源的利用提供了有效的途徑；
4. 可以方便的實現(xiàn)蓄能，系統(tǒng)中設(shè)儲濃溶液的容器，負荷小的時候儲存濃溶液，負荷大的時候用來除濕，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%，而且無需保溫等措施。
5. 整個設(shè)備各個部件構(gòu)造簡單，節(jié)省初投資。
4、應(yīng)用前景展望
隨著我國城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣將成為重要的城市能源，燃氣---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荷。在冬季，燃氣---蒸汽聯(lián)合循環(huán)所提供的熱能可用來供暖；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，送冷水到用戶，由于冷水的溫差小，冷水流量就會很大，造成管路初投資、冷水的輸運損失都很大；還有一種方法是送熱水來驅(qū)動末端用戶的吸收機，這種方法的問題在于所提供的熱水溫度不是很高，導(dǎo)致吸收機的能效比下降，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)無疑是理想的選擇。