高壓除濕轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)性能模擬與分析

嚴(yán)豪，葛天舒，代彥軍，王如竹

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年來，轉(zhuǎn)輪除濕憑借其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行效率高、除濕量大等優(yōu)勢，逐步成為研究焦點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)中。硅膠作為固體吸附材料具有無毒[1]、相對濕度適用范圍廣且吸附能力強(qiáng)[2]等特性，市場上的轉(zhuǎn)輪多以其為吸附材料進(jìn)行制備[3]。

國內(nèi)外關(guān)于除濕轉(zhuǎn)輪的數(shù)學(xué)模型研究較早。MACLAINE-CROSS等[4]使用比擬法分析了除濕轉(zhuǎn)輪的傳熱和傳質(zhì)過程，利用對傳熱過程的求解來分 析預(yù)測傳質(zhì)過程。BARBY等[5-6]將硅膠流床的傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用在HOUGEN等[7]提出的數(shù)學(xué)模型中，并通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了硅膠除濕轉(zhuǎn)輪的傳熱傳質(zhì)過程。ZHENG等[8]使用隱式的有限差分法對轉(zhuǎn)輪的一維傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能優(yōu)化。DAI等[9]通過數(shù)值計(jì)算用參數(shù)分析法對除濕轉(zhuǎn)輪的性能進(jìn)行了詳細(xì)地分析和討論。張學(xué)軍[10]通過對一個(gè)一維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算，分析討論了運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)輪除濕器性能的影響。NIU等[11]通過對一個(gè)二維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解，討論了干燥劑厚度對除濕轉(zhuǎn)輪傳熱傳質(zhì)的影響，指出在某一轉(zhuǎn)速下有一定厚度的活性層對于干燥劑而言是參加傳熱傳質(zhì)活動(dòng)的必要條件。MIHAJLO等[12]導(dǎo)出了分別適用于非冷凝條件和冷凝條件下的兩組控制方程。鐘金華[13]模擬研究了高壓下不同形狀因子對干燥劑吸附性能以及再生區(qū)冷凝情況的影響。

采用新型復(fù)合材料或者加大系統(tǒng)的工作壓力都是提高轉(zhuǎn)輪除濕效率的有效方法[14-15]，本文主要針對后者進(jìn)行研究。除濕轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于壓縮空氣干燥時(shí)，運(yùn)行工況由大氣壓力變?yōu)楦邏?，固體干燥劑的吸附和解吸能力將發(fā)生改變，在高壓工作環(huán)境下，轉(zhuǎn)輪的吸附能力得到提升，但同時(shí)，再生區(qū)域有可能發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，降低干燥劑的解吸能力，使除濕效果變差。本文對高壓工作環(huán)境下轉(zhuǎn)輪的傳熱傳質(zhì)過程建立了控制方程，并利用數(shù)值方法進(jìn)行模擬分析，討論了工作壓力下各參數(shù)對轉(zhuǎn)輪干燥效率（以除濕量和壓力下露點(diǎn)為考察標(biāo)準(zhǔn)）的影響，為除濕轉(zhuǎn)輪在壓縮空氣領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 空壓機(jī)深度除濕循環(huán)

圖1所示為高壓除濕轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)循環(huán)。整個(gè)轉(zhuǎn)輪處在高壓環(huán)境下，從空壓機(jī)出來的氣體分離成兩股：其中15%的壓縮氣體作為再生熱空氣，進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)再生區(qū)，然后通過冷卻器；剩余的85%壓縮空氣經(jīng)過冷卻降溫后，與解吸后的再生空氣匯總，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)進(jìn)行吸附處理，最終排出，以達(dá)到整個(gè)裝置零氣耗的效果。

圖1 高壓除濕轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)循環(huán)

圖2所示為轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)。除濕轉(zhuǎn)輪是整個(gè)系統(tǒng)的核心，一般由涂有吸附材料（硅膠、分子篩等）的基材料（紙基或陶瓷基）組成，負(fù)責(zé)對高壓空氣的除濕處理。轉(zhuǎn)輪兩側(cè)由特殊的密封裝置分成兩個(gè)區(qū)域：處理區(qū)域和再生區(qū)域。處理區(qū)域中，干燥材料吸附氣體中的水分進(jìn)行除濕；再生區(qū)域中，高溫空氣帶走干燥材料中水分對其進(jìn)行再生。轉(zhuǎn)輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證除濕系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的除濕狀態(tài)。

圖2 轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

由于本文所研究的是承壓工況下的轉(zhuǎn)輪除濕性能，在高壓條件下，再生區(qū)域的干燥材料可能出現(xiàn)不能完全解吸的情況，此時(shí)再生區(qū)域會(huì)發(fā)生冷凝。本文將根據(jù)是否發(fā)生冷凝來建立模型并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1 沒有冷凝發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)模型

當(dāng)沒有冷凝發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的控制方程與常壓下的相似[16]，對常壓下的轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)進(jìn)行模擬。將除濕轉(zhuǎn)輪按照31∶的比例劃分為處理區(qū)和再生區(qū)，并以轉(zhuǎn)輪截面中心為起點(diǎn)，螺旋向外做波紋形通道[17-20]，如圖3所示。選取除濕轉(zhuǎn)輪中的某一個(gè)氣流通道，建立拉格朗日坐標(biāo)系，在dz內(nèi)可以采用集總參數(shù)法，建立一維傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解，如圖4所示。

圖3 波紋型通道

圖4 波紋形空氣通道內(nèi)部微元體

沒有冷凝發(fā)生時(shí)，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律，建立控制方程，并寫成時(shí)間導(dǎo)數(shù)和空間導(dǎo)數(shù)向后差分的隱式迎風(fēng)差分方程[10]，對上述方程采用全主元高斯-約當(dāng)消元法，通過計(jì)算機(jī)編程求解[21]。

2.2 冷凝發(fā)生時(shí)的判定條件與模型調(diào)整

采用安東尼飽和水蒸汽壓方程判斷是否發(fā)生冷凝[22]。

式中：

T*——干燥劑溫度，℃；

pw——水蒸氣分壓力，MPa。

當(dāng)pw＞pws時(shí)，冷凝發(fā)生。冷凝發(fā)生時(shí)，控制方程將進(jìn)行轉(zhuǎn)變[13]。

2.3 模擬所用的初始工況

假設(shè)承壓狀態(tài)下硅膠的吸附率提升30%，模擬計(jì)算所采用的參考工況參數(shù)條件如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算所采用參數(shù)

2.4 承壓下空氣參數(shù)的變化

與常壓對比，在承壓狀態(tài)下，空氣側(cè)的物性參數(shù)將發(fā)生變化。查詢0.7 MPa壓力下空氣側(cè)發(fā)生變化的參數(shù)，如表2所示。

表2 0.7 MPa壓力下相對常壓的變化參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

本文采用除濕量D來描述轉(zhuǎn)輪的除濕性能：

式中：

Yp1、Yp2——處理空氣的進(jìn)出口含濕量， g/(kg干空氣)。

除濕量D體現(xiàn)了處理空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪之后，絕對含濕量的變化。D越大，說明轉(zhuǎn)輪的除濕能力越強(qiáng)。

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，通過控制變量法改變參數(shù)，模擬計(jì)算出轉(zhuǎn)輪的除濕量D及0.7 MPa壓力下出口處露點(diǎn)溫度，并據(jù)此評判轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的除濕性能。

3.1 再生溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖5給出了其他參數(shù)不變時(shí)，再生溫度從120 ℃到180 ℃，對轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)除濕性能的影響。從模擬結(jié)果可以看出，隨著再生溫度的提高，轉(zhuǎn)輪的除濕量D上升，出口處的空氣露點(diǎn)溫度逐漸降低，降低幅度呈減緩趨勢。再生溫度越高，除濕轉(zhuǎn)輪的解吸速率就越快，因此系統(tǒng)的除濕量上升。

圖5 再生溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響

3.2 停留時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響

停留時(shí)間的定義如式（3）所示：

式中：

L——轉(zhuǎn)輪軸向厚度，m；

v——空氣流速，m/s。

固定軸向空氣流速為0.5 m/s不變，通過改變轉(zhuǎn)輪厚度來控制空氣在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部停留的時(shí)間長短。圖6所示為停留時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響，空氣在轉(zhuǎn)輪內(nèi)停留時(shí)間越長，吸附越充分，露點(diǎn)溫度越低，但當(dāng)厚度到達(dá)到一定值時(shí)，由于空氣干燥得足夠充分，繼續(xù)加厚所帶來的除濕量提升逐漸趨于零。

固定轉(zhuǎn)輪厚度為200 mm不變，改變軸向空氣穿透速度，并分析其對轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的除濕性能的影響。如圖7所示，隨著穿透速度的不斷提高，處理氣體在轉(zhuǎn)輪中停留的時(shí)間越來越短，除濕效果越來越弱。但是，降低流速到達(dá)一定程度后，對除濕效果的提升不明顯，并且過低的流速可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)不滿足流量的要求，因此適當(dāng)降低流速可以提高轉(zhuǎn)輪的除濕性能。

圖6 固定流速時(shí)停留時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖7 固定厚度時(shí)停留時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響

3.3 吸附時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響

吸附時(shí)間是指轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)初始的一個(gè)微元轉(zhuǎn)過整個(gè)吸附區(qū)所需的時(shí)間，占轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期的四分之三，與轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。

改變吸附時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響如圖8所示，圖中給出了出口端空氣的露點(diǎn)溫度與吸附時(shí)間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，除濕轉(zhuǎn)輪存在一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)能獲得最大的除濕量。露點(diǎn)溫度隨著吸附時(shí)間的升高呈先下降后上升的趨勢，在150 s左右存在一個(gè)最優(yōu)值使除濕量最大，表明在此條件下的最優(yōu)周期為200 s，即18 r/h的轉(zhuǎn)速有利于提高轉(zhuǎn)輪的吸附性。

3.4 轉(zhuǎn)輪直徑對系統(tǒng)除濕性能的影響

轉(zhuǎn)輪直徑也是系統(tǒng)除濕效率的因素之一。提升轉(zhuǎn)輪的直徑可以讓入口空氣的接觸面積增大，使除濕效果更好，但同時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)和空間的限制。圖9所示為轉(zhuǎn)輪直徑對系統(tǒng)除濕性能的影響，隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增加，按比例提高單位長度基材料和干燥劑的質(zhì)量?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增加，系統(tǒng)除濕量D逐漸上升，出口氣體的露點(diǎn)溫度呈現(xiàn)下降趨勢，并且這種趨勢在800 mm之后有所減緩。

圖8 吸附時(shí)間對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖9 轉(zhuǎn)輪直徑對系統(tǒng)除濕性能的影響

3.5 優(yōu)化參數(shù)選取

通過上述比較分析，對轉(zhuǎn)輪參數(shù)的優(yōu)化選取如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化參數(shù)選擇

4 結(jié)論

本文建立了高壓下轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過模型模擬計(jì)算，分析了各種參數(shù)對轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)除濕性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）適當(dāng)提高再生溫度能夠提升轉(zhuǎn)輪的除濕性能；

2）加大空氣在轉(zhuǎn)輪中的停留時(shí)間有利于提高系統(tǒng)除濕性能；

3）存在最優(yōu)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)輪的除濕效果最好；

4）在空間和經(jīng)濟(jì)條件允許下，適當(dāng)加大轉(zhuǎn)輪截面積也能提升轉(zhuǎn)輪的干燥性能；

5）以表3所示參數(shù)進(jìn)行模擬，最終出口處可以達(dá)到0.7 MPa壓力下露點(diǎn)溫度為-5 ℃。

本文模擬分析了各參數(shù)對承壓狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪除濕性能的影響，并對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，為今后承壓除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建立以及除濕轉(zhuǎn)輪在壓縮空氣領(lǐng)域的應(yīng)用提供了初步的理論基礎(chǔ)。