吳宣楠，葛天舒

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視所居住的空氣環(huán)境的健康性和舒適性。由于冬季空氣中含濕量很低，供暖時(shí)采用表面式空氣換熱器對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行等濕加熱后，使空氣相對(duì)濕度下降，導(dǎo)致空氣比較干燥。為了緩解空氣干燥，很多家庭和辦公場(chǎng)所會(huì)使用加濕器。傳統(tǒng)加濕器的加濕方法主要有水加濕法、蒸氣加濕法和霧化加濕法等。這些方法都是基于將水變成水蒸氣或者將水霧化后噴入被調(diào)節(jié)空氣進(jìn)行加濕[1-4]。然而，這些加濕方法產(chǎn)生的水霧為空氣中的細(xì)菌滋生提供合適的條件[5]，人長(zhǎng)期生活在這樣的環(huán)境中容易引起呼吸性疾病，更為嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致肺炎[6-8]。此外，人們常常習(xí)慣直接將自來(lái)水加入加濕器，自來(lái)水中的氯離子和微生物就有可能隨水霧一起被吹入空氣中，造成空氣污染；如果自來(lái)水硬度較高，加濕器噴出的水霧中因含有鈣鎂離子會(huì)產(chǎn)生白色粉末，從而進(jìn)一步污染室內(nèi)空氣[9-11]。

為了克服并解決傳統(tǒng)加濕器中的這些問(wèn)題，許多科技工作者提出無(wú)水加濕技術(shù)。除濕轉(zhuǎn)輪主要用于除濕或吸附空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物[12-16]。然而除濕轉(zhuǎn)輪還可用于干燥空氣的加濕，即無(wú)水加濕；該加濕方法是利用室外空氣中的水分對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行加濕，無(wú)水霧或蒸氣產(chǎn)生，極大減少了霉菌以及細(xì)菌生長(zhǎng)的危險(xiǎn)性，有助于提升室內(nèi)空氣的品質(zhì)[17]。近年來(lái)，無(wú)水加濕技術(shù)的相關(guān)研究工作受到了廣泛重視。楊國(guó)忠等[18]采用分子篩吸濕盤(pán)對(duì)干燥空氣進(jìn)行加濕，實(shí)驗(yàn)中吸濕盤(pán)固定不動(dòng)，采用兩個(gè)相同的吸濕盤(pán)進(jìn)行吸濕風(fēng)路和加濕風(fēng)路交替切換，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)加濕。袁琪等[19]采用旋轉(zhuǎn)式除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥空氣進(jìn)行連續(xù)加濕，其中除濕轉(zhuǎn)輪被劃分為吸收區(qū)、冷卻區(qū)和脫吸區(qū)3 部分，最優(yōu)工況下的加濕量可達(dá)到521 g/h，然而轉(zhuǎn)輪中所用吸附劑的名稱(chēng)或類(lèi)型未被介紹描述。李榮年等[20]針對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)水加濕轉(zhuǎn)輪市場(chǎng)空白的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了一套以陶瓷纖維紙為基材、以硅膠為吸附劑的無(wú)水加濕轉(zhuǎn)輪，在5 ℃、相對(duì)濕度為50%的焓差室中測(cè)試的加濕量為239 g/h，但該套無(wú)水加濕轉(zhuǎn)輪的具體加工工藝被保密。綜上所述，盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多關(guān)于采用吸附轉(zhuǎn)輪進(jìn)行無(wú)水加濕的研究，但是卻鮮有關(guān)于操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)除濕轉(zhuǎn)輪加濕性能影響的報(bào)道，因此這一部分空白需要被補(bǔ)充。

本文針對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，研究了無(wú)水加濕系統(tǒng)中操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加濕性能的影響規(guī)律，以期為優(yōu)化和提高除濕轉(zhuǎn)輪的無(wú)水加濕性能提供指導(dǎo)。

1 無(wú)水加濕工作原理

無(wú)水加濕裝置系統(tǒng)中的核心部件是除濕轉(zhuǎn)輪，一般是由基材和吸附劑結(jié)合而成，通常其內(nèi)部擁有大量的瓦楞形空氣流通孔道。無(wú)水加濕系統(tǒng)原理如圖1所示。除濕轉(zhuǎn)輪分為吸收區(qū)和脫吸區(qū)兩部分，這兩部分可以采用聚四氟乙烯密封條實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)密封。運(yùn)行時(shí)，室外的處理空氣在處理風(fēng)機(jī)的牽引下通過(guò)除濕轉(zhuǎn)輪的吸收區(qū)，處理空氣中的部分水分被除濕轉(zhuǎn)輪吸附，被除濕的處理空氣經(jīng)處理風(fēng)機(jī)被排至室外；吸附了水分的除濕轉(zhuǎn)輪在電機(jī)的帶動(dòng)下由吸收區(qū)緩慢轉(zhuǎn)至脫吸區(qū)，此時(shí)再生空氣經(jīng)過(guò)熱源被加熱成高溫空氣并穿過(guò)除濕轉(zhuǎn)輪的脫吸區(qū)，使除濕轉(zhuǎn)輪中被吸附的水分實(shí)現(xiàn)脫附并將其帶離除濕轉(zhuǎn)輪，使除濕轉(zhuǎn)輪恢復(fù)吸附能力；離開(kāi)除濕轉(zhuǎn)輪的再生空氣由于脫附了除濕轉(zhuǎn)輪中的水分而含濕量增加，在再生風(fēng)機(jī)的牽引下被送至室內(nèi)，用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，實(shí)現(xiàn)無(wú)水加濕。在脫吸區(qū)恢復(fù)吸附能力的除濕轉(zhuǎn)輪在電機(jī)的帶動(dòng)下緩慢進(jìn)入吸收區(qū)，重新吸附室外處理空氣中的水分，再進(jìn)入脫吸區(qū)進(jìn)行脫附，如此循環(huán)往復(fù)，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性，可連續(xù)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行無(wú)水加濕。

圖1 無(wú)水加濕系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)模型

本文研究了在典型冬季環(huán)境氣候條件下對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行加濕，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725—2004[21]，所選用典型冬季室外環(huán)境條件為干球溫度7 ℃，濕球溫度6 ℃。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，處理空氣和再生空氣均為室外空氣（兩者含濕量相同）。

2.1 無(wú)水加濕系統(tǒng)模型

無(wú)水加濕是轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的另一種應(yīng)用，故無(wú)水加濕系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一致[22]。圖2所示為用于無(wú)水加濕的除濕轉(zhuǎn)輪及其正弦曲線(xiàn)形空氣流通孔道，選取其中某一個(gè)空氣流通孔道為研究對(duì)象，然后在微元體dz內(nèi)采用集總參數(shù)法建立了一維傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值求解[22]，如圖3所示。

圖2 除濕轉(zhuǎn)輪及其內(nèi)部正弦曲線(xiàn)形空氣流通孔道

圖3 正弦曲線(xiàn)形空氣流通孔道內(nèi)部微元體[22]

在該數(shù)學(xué)模型中認(rèn)為吸附劑在多孔基材內(nèi)部是均勻分布的，因此需要將吸附劑與多孔基材視為一整體。所以，本文采用吸附劑與多孔基材整體的飽和吸附量方程代替原來(lái)的純吸附劑的飽和吸附量方程。吸附劑與多孔基材整體對(duì)水蒸氣的飽和吸附量方程為：

式中，φw為空氣相對(duì)濕度，%；w為吸附劑與多孔基材整體對(duì)水蒸氣的吸附量，kg/kg。

2.2 操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化

不同參數(shù)的基準(zhǔn)值和變化值見(jiàn)表1。

表1 操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的基準(zhǔn)值及變化值

在模擬研究中處理空氣的入口工況保持恒定（即典型冬季室外環(huán)境工況），再生空氣含濕量與處理空氣含濕量相同。在此基礎(chǔ)之上，研究無(wú)水加濕系統(tǒng)中其他操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)加濕性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)選出最佳參數(shù)組合。其中操作參數(shù)包括再生溫度、空氣流速和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；結(jié)構(gòu)參數(shù)包括轉(zhuǎn)輪厚度和再生區(qū)域圓心角。

3 結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕能力，本文采用再生側(cè)含濕量增量作為整個(gè)系統(tǒng)加濕能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。再生側(cè)含濕量增量ΔY體現(xiàn)了再生空氣通過(guò)轉(zhuǎn)輪前后含濕量的變化，ΔY越大，表明該無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕能力越強(qiáng)，其表達(dá)式為：

式中，ΔY為再生側(cè)含濕量增量，g/(kg 干空氣)；Yreg,out為再生空氣出口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；Yreg,in為再生空氣入口處的含濕量，g/(kg 干空氣)。

為了描述無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能和能量利用率，引入加濕性能系數(shù)（Humidification Coefficient of Performance，HCOP）：

式中，HCOP 為加濕性能系數(shù)；Yreg,out為再生空氣出口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；Yreg,in為再生空氣入口處的含濕量，g/(kg 干空氣)；L為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg，取值2,358 kJ/kg；hreg,out為再生空氣出口處的比焓，kJ/kg；hreg,in為再生空氣入口處的比焓，kJ/kg。

濕空氣的比焓計(jì)算公式：

式中，h為濕空氣的比焓，kJ/kg；T為濕空氣溫度，℃；Y為濕空氣含濕量，g/(kg 干空氣)。

3.2 再生溫度對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

圖4所示為再生溫度對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖4 可知，再生側(cè)含濕量增量隨再生溫度的升高近似呈線(xiàn)性規(guī)律增加，當(dāng)再生溫度為90 ℃時(shí)，再生側(cè)含濕量增量為9.75 g/(kg 干空氣)；當(dāng)再生溫度為120 ℃時(shí)，再生側(cè)含濕量增量可達(dá)12.55 g/(kg 干空氣)。由于再生溫度越高，轉(zhuǎn)輪的吸濕量越低，所以被釋放出來(lái)的水蒸氣量越多，造成再生側(cè)含濕量增量增加。

圖4 再生溫度對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

整個(gè)無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨再生溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)再生溫度為90 ℃時(shí)，系統(tǒng)的HCOP 達(dá)到最大值0.576。當(dāng)再生溫度太高時(shí)，更多的熱量將會(huì)被轉(zhuǎn)輪吸收，再生空氣中的能量沒(méi)有被高效利用，使得HCOP 呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而針對(duì)再生溫度的整個(gè)變化范圍，當(dāng)再生溫度由50 ℃增加至120 ℃時(shí)，系統(tǒng)HCOP 的最大變化量?jī)H為0.068，由此可見(jiàn)再生溫度對(duì)系統(tǒng)HCOP 的影響較小。

3.3 空氣流速對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

圖5所示為空氣流速對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。

圖5 空氣流速對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

由圖5 可知，再生側(cè)含濕量增量隨空氣流速的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)空氣流速為1 m/s時(shí)，再生側(cè)含濕量增量?jī)H為 2.33 g/(kg 干空氣)；當(dāng)空氣流速為3.0 m/s 時(shí)，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值10.11 g/(kg 干空氣)。由此可見(jiàn)空氣流速對(duì)再生側(cè)含濕量增量影響較大，最佳空氣流速為3 m/s 左右。因?yàn)楫?dāng)空氣流速進(jìn)一步增大（大于3 m/s）時(shí)，再生空氣與轉(zhuǎn)輪的接觸時(shí)間迅速減少，再生空氣難以從轉(zhuǎn)輪中帶走更多的水蒸氣，從而使得再生側(cè)含濕量增量降低。

此外，整個(gè)無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP 隨空氣流速的增大而不斷增加。當(dāng)空氣流速為1 m/s 時(shí)，系統(tǒng)的HCOP 僅為0.073；當(dāng)空氣流速增大到4.0 m/s 時(shí)，系統(tǒng)的HCOP 可達(dá)到0.848，說(shuō)明空氣流速對(duì)系統(tǒng)HCOP 影響顯著。

3.4 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

圖6所示為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖6 可知，再生側(cè)含濕量增量隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為8 r/h 時(shí)，再生側(cè)含濕量增量為11.07 g/(kg 干空氣)；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增至32 r/h 時(shí)，再生側(cè)含濕量增量為3.30 g/(kg 干空氣)。通常轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為8 r/h。

圖6 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加同樣呈不斷減小趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為8 r/h時(shí)，系統(tǒng)HCOP 可達(dá)0.845；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為32 r/h時(shí)，系統(tǒng)HCOP 降低至0.116。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí)，被再生空氣加熱的轉(zhuǎn)輪很快進(jìn)入除濕區(qū)，而除濕區(qū)被處理空氣冷卻的轉(zhuǎn)輪很快進(jìn)入再生區(qū)，再生空氣中很多能量被用于加熱轉(zhuǎn)輪，使得再生空氣能量利用效率降低，進(jìn)而使得HCOP 降低。

3.5 轉(zhuǎn)輪厚度對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

圖7所示為轉(zhuǎn)輪厚度對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響。由圖7 可知，再生側(cè)含濕量增量隨轉(zhuǎn)輪厚度的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度為0.075 m 時(shí)，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值10.07 g/(kg 干空氣)。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪厚度進(jìn)一步增大時(shí)，再生空氣溫度沿著轉(zhuǎn)輪厚度方向逐漸降低，使得在轉(zhuǎn)輪再生區(qū)入口端脫附的水蒸氣在轉(zhuǎn)輪再生區(qū)出口端被轉(zhuǎn)輪部分吸附，使得再生側(cè)含濕量增量降低。

圖7 轉(zhuǎn)輪厚度對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

整個(gè)無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨轉(zhuǎn)輪厚度的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度為0.05 m 時(shí)，系統(tǒng)HCOP 可達(dá)0.911；當(dāng)轉(zhuǎn)輪厚度增加至0.2 m 時(shí)，系統(tǒng)HCOP 僅為0.152。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)輪厚度不斷增加時(shí)，再生空氣的溫度沿轉(zhuǎn)輪厚度方向不斷降低，再生空氣用于加熱轉(zhuǎn)輪使其能量利用率降低，使得系統(tǒng)的HCOP 降低。

3.6 再生區(qū)域圓心角對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

圖8所示為轉(zhuǎn)輪厚度對(duì)無(wú)水加濕系統(tǒng)加濕性能的影響規(guī)律。由圖8 可知，再生側(cè)含濕量增量隨再生區(qū)域圓心角的增加先增加后減小，當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時(shí)，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值9.876 g/(kg 干空氣)。因?yàn)楫?dāng)再生區(qū)域的圓心角小于120°時(shí)，隨著再生區(qū)域的圓心角的增大，轉(zhuǎn)輪在再生區(qū)域停留時(shí)間在不斷增加，這樣轉(zhuǎn)輪有足夠的時(shí)間被再生空氣加熱而使得水蒸氣被脫附，從而使得再生側(cè)含濕量增量增加。當(dāng)再生區(qū)域的圓心角大于120°時(shí)，隨著再生區(qū)域的圓心角的增大，轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)域面積減小使得轉(zhuǎn)輪吸濕量減小，從而使得轉(zhuǎn)輪再生側(cè)含濕量增量也相應(yīng)減小。

圖8 再生區(qū)域圓心角對(duì)無(wú)水加濕性能的影響

整個(gè)無(wú)水加濕系統(tǒng)的加濕性能系數(shù)HCOP隨再生區(qū)域的圓心角的增加同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時(shí)，系統(tǒng)HCOP達(dá)到最大值0.668。

3.7 參數(shù)優(yōu)選

為了在冬季滿(mǎn)足室內(nèi)空氣濕度調(diào)節(jié)的需求，無(wú)水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量需達(dá)到或超過(guò)10 g/(kg 干空氣)。為了節(jié)約能源并充分利用低品位熱能，無(wú)水加濕系統(tǒng)可由工業(yè)廢熱或太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，這些熱源的溫度通常低于100 ℃。綜合考慮再生側(cè)含濕量增量、HCOP 以及系統(tǒng)安全性，無(wú)水加濕系統(tǒng)的再生溫度選擇90 ℃為宜?？諝饬魉龠x擇3 m/s為宜，此時(shí)再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值，并且HCOP 達(dá)到0.697。再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP均隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而不斷減小，所以轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速選擇8r/h 為宜。轉(zhuǎn)輪厚度選擇0.075 m 為宜，此時(shí)再生側(cè)含濕量增量取得最大值，并且系統(tǒng)HCOP 為0.76。當(dāng)再生區(qū)域的圓心角為120°時(shí)，再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 均取得最大值，所以再生區(qū)域的圓心角取120°為宜。通過(guò)以上分析，在典型冬季室外環(huán)境運(yùn)行工況下得到無(wú)水加濕系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)選結(jié)果如表2所示。

表2 無(wú)水加濕系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)選擇

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究無(wú)水加濕系統(tǒng)中操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加濕性能的影響規(guī)律，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，得出如下結(jié)論：

1）整個(gè)無(wú)水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量隨再生溫度升高近似呈線(xiàn)性增加，但再生溫度為90 ℃時(shí)系統(tǒng)HCOP 達(dá)到最大值；

2）當(dāng)空氣流速為3 m/s 時(shí)，再生側(cè)含濕量增量達(dá)到最大值；再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 均隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增加而不斷降低，以8 r/h 作為轉(zhuǎn)輪的優(yōu)選轉(zhuǎn)速；

3）為了獲得較大的再生側(cè)含濕量增量和較高的系統(tǒng)HCOP，轉(zhuǎn)輪的厚度不宜超過(guò)0.1 m；

4）當(dāng)轉(zhuǎn)輪再生區(qū)域圓心角為120°時(shí)，再生側(cè)含濕量增量和系統(tǒng)HCOP 同時(shí)達(dá)到最佳值；

5）在典型冬季室外環(huán)境運(yùn)行工況條件下，基于優(yōu)選參數(shù)的無(wú)水加濕系統(tǒng)的再生側(cè)含濕量增量均可達(dá)到10 g/(kg 干空氣)，系統(tǒng)HCOP 的變化范圍為0.5～0.9，完全滿(mǎn)足冬季室內(nèi)環(huán)境加濕的需求。