黄志甲 罗良 柯瑞 卓飞飞
安徽工业大学
【摘 要】将亲水无纺布-PVC复合规整填料作为溶液除湿器芯体，开展亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能实验，分析在不同空气流量、溶液流量、溶液温度下，亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿率、除湿效率、传质系数和传热系数的变化。在实验条件下，除湿率、除湿效率、传质系数、传热系数最大值分别为11.05g/kg、86.7%、12.95g/(m2·s)、10.33w/(m2·℃)；与CELdek规整填料和塑料波纹孔板填料相比，亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能最优。对实验数据回归分析，得到亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿效率实验关联式。
【关键词】亲水性；无纺布；除湿性能；传热系数
【基金资助】安徽工业大学研究生创新基金（编号：2016089）
溶液除湿空调以其节能、空气品质高等各方面优势，成为最具竞争力的除湿空调系统[1-2]。市场上已应用溶液除湿空调系统中除湿器一般是绝热型填料塔结构，填料是空气与除湿溶液接触媒介，实现空气热湿处理过程。因此，填料作为溶液除湿空调系统核心部件，对其除湿性能研究不可或缺[3-5]。
表面润湿性是填料传热传质性能的重要影响因素，提高填料表面润湿率，增加填料有效传热传质面积，是提高填料性能的重要途径[6]。塑料及金属填料价格低廉、压降小、比表面积大被广泛应用，但因表面润湿率低，实际传热传质面积受限[7]。在化工塔用填料的研究中，学者们通过使用表面糙化、化学氧化以及磁化处理等方式来增加塑料、金属填料表面润湿性能[8-9]。在溶液除湿空调系统用填料的研究中，学者们通过在填料表面覆盖TiO2等亲水性涂层来提高填料表面润湿性[10-11]。以上方法都显著提高了填料传热传质性能，但目前有的方法还停留在实验室阶段，有的虽已应用，但工艺繁琐，填料生产成本增加。
亲水无纺布-PVC复合规整填料是将亲水性无纺布与PVC板先热压复合、再热压成型制成。一方面利用PVC板提供支撑力，制成规整填料，保留规整填料优势，另一方面利用水在植绒无纺布填料表面易吸收、扩散的特性，有效提高填料表面湿润率。
国内外学者对溶液除湿空调系统用填料除湿性能的研究已有很多，但主要是关于塑料[12]、植物纤维[13]、金属[14]等材质填料的研究，关于亲水无纺布-PVC复合规整填料用于溶液除湿系统除湿性能研究、应用还比较少。本文将选用亲水无纺布-PVC复合规整填料作为溶液除空调系统除湿器芯体，溴化锂水溶液作为除湿溶液，通过实验研究该种填料的除湿性能，为亲水无纺布-PVC复合规整填料在溶液除湿空调系统中的应用提供指导。
1. 实验系统和方法
1.1 实验系统
实验系统工作流程如图1所示，由空气系统、除湿/再生塔、热泵系统、测式采集系统组成。除湿/再生装置为逆流型绝热填料塔，填料层尺寸为0.31m×0.31m×0.6m。
实验系统冷源是热泵系统蒸发侧冷量。空气从除湿塔底部进入，在亲水无纺布-PVC复合规整填料中被LiBr溶液除湿降温，从顶部排出；除湿溶液依次经历蒸发器降温、除湿器与空气传热传质、流回溶液槽过程。
图1 实验系统工作流程图
1.2 实验方案与测试
本文主要研究溶液除湿空调系统中空气流量、溶液流量、溶液温度三个可控参数对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响。实验过程中，空气流量通过风机变频器调节，溶液流量通过溶液管道阀门调节，溶液温度通过压缩机频率调节。实验参数变化范围如表1所示。
表1 实验参数范围
实验过程中需测量参数：除湿塔进出口空气温度、含湿量，风量，进口溶液喷淋温度，溶液流量，溶液浓度。溶液参数通过Angilent 34970A收集、存储，空气参数通过温湿度自记仪存储。实验测试仪器如表2所示。
表2 测试仪器参数
1.3 性能评价方法
本文用除湿率Δw、除湿效率η、传质系数α、传热系数k作为填料除湿性能优劣评价指标，指标定义如式（1）~（4）。
式中，wa,in、wa,out分别为除湿塔进出口空气含湿量，g/kg；wt,sat为溶液等效含湿量，g/kg；为填料表面积，m2；mw为除湿量，g/s；r为水的汽化潜热，kj/kg；Δd为对数平均传质势差，g/kg；Δt为对数平均传热温差，℃。
2.实验结果与分析
2.1 除湿性能影响因素分析
空气流量变化对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响如图2所示。随着空气流量增加，除湿率、除湿效率均缓慢减小，传质系数、传热系数均上升。当空气流量从0.067kg/s增加到0.2kg/s时，除湿率由8.86g/kg下降到8.16g/kg，除湿效率由86.7%下降到81.1%，主要原因是随着空气流量增加，空气流速增大，空气在填料中与溶液接触时间减少；而传质系数从7.05g/(m2·s)上升到11.78g/(m2·s)，传热系数从6.12w/(m2·℃)上升到10.33w/(m2·℃)，主要原因是空气流速增大，增加了空气对溶液湍流扰动以及填料表面空气更新速度，导致传质势差、传热温差增大，相应传质系数、传热系数增加。
图2 空气流量对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响
溶液流量变化对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响如图3所示。随着溶液流量增加，除湿率、除湿效率、传质系数、传热系数均增加。溶液流量从0.06kg/s增加到0.22kg/s时，除湿率从2.96g/kg增加到10.86g/kg，除湿效率从22.4%增加到80.1%，并在溶液流量从0.1kg/s增加到0.14kg/s时，除湿率和除湿效率发生急剧上升；传质系数从5.39g/(m2·s)增加到12.95g/(m2·s)，传热系数从5.59w/(m2·℃)增加到9.81w/(m2·℃)。主要原因是除湿溶液流速增加，溶液对空气的扰动增强，强化溶液与空气间传热传质作用，填料表面溶液更新速度变快，导致传质势差、传热温差增大，因此，传质系数、传热系数增加，与此同时，除湿率、除湿量相应增加。
图3 溶液流量对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响
溶液温度变化对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响如图4所示。随着除湿塔进口溶液温度增加，除湿率、除湿效率、传质系数、传热系数同时减小。溶液温度由7℃上升到23℃时，除湿率从11.05g/kg下降到4.82g/kg，除湿效率由89.6%减小到72.0%，传质系数从10.87g/(m2·s)下降到9.31g/(m2·s)，传热系数从9.62w/(m2·℃)下降到8.13w/(m2·℃)；主要原因是进口溶液温度上升，溶液等效含湿量增加，空气与溶液之间传热、传质势差减小，导致传热传质系数减小，除湿能力削弱，除湿率、除湿量相应减小。
图4 进口溶液温度对亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能影响
2.2 除湿效率实验关联式
溶液除湿器中传质过程复杂，影响因素众多，溶液参数、空气参数、填料结构参数均与系统除湿性能相关。利用除湿器中溶液与空气间传质数学模型进行系统性能、系统匹配优化、系统控制等计算机仿真，虽然能精确反映实际情况，但模拟程序复杂，仿真计算效率低。利用实验拟合的除湿效率关联式不仅能满足溶液除湿空调系统仿真精度要求，同时降低计算机运行时间[15]，能简化溶液除湿空调系统仿真。
Chung等[16]提出溶液除湿用填料的除湿效率非线性回归模型，模型中考虑了进口溶液温度、流量，进口空气温度、流量、填料尺寸等因素对除湿效率的影响。Wang等[17]根据Chung提出的除湿效率非线性回归模型，拟合出适用于陶瓷鞍形、塑料空心球、拉西环等填料的除湿效率实验关联式。Zurigat等[18]通过实验数据对Wang以及其他学者拟合的除湿效率实验关联式进行了分析比较，结果表明当填料种类、材质改变时，除湿效率实验关联式对除湿效率计算误差与实际值偏差较大，除湿效率公式通用性不强。
本文根据实验数据，基于Chung提出的非线性回归模型，拟合出适用于亲水无纺布-PVC复合规整填料的除湿效率实验关联式，如公式（5）。
式中：X=(Pwater-Psol)/Pwater，Pwater和Psol分别表示纯水蒸汽压和溶液表面水蒸气分压力。
图5 除湿效率实验值与计算值对比 图6 除湿率实验值与计算值对比
图5对比了除湿效率计算值与实验值，可以看出，除湿效率计算值与实验值最大误差为21.2%，最小误差为0.23%，计算值与实验值误差基本在±15%以内。图6对比了除湿率计算值与实际值，最大除湿率误差在17.2%，最小误差为0.79%，计算值与实验值误差基本在±15%。计算值与实验值吻合较好，因此，该除湿效率实验关联式可用于溶液除湿空调用亲水无纺布-PVC复合规整填料的系统性能、优化控制等计算机仿真。
3.填料除湿性能对比分析
3.1 与文献中除湿填料实验结果比较
将文献[19]~文献[23]中空气流量、溶液流量、溶液温度对填料除湿性能影响的研究结果与本文实验结果进行比较。对比结果如表3所示。
从表3可以看出：（1）本文得到亲水无纺布-PVC复合规整填料的除湿效率、传质系数、传热系数随空气流量、溶液流量、溶液温度的变化规律与对比文献中植物纤维CELdek填料、纸质波纹规整填料、塑料孔板规整填料的变化规律相同；（2）在对比文献中，研究得到填料除湿效率为55.2%~63.9%，传质系数为1.03~12.3g/(m2·s)，传热系数为2.8~5.32 w/(m2·℃)，本文研究得到亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿效率22.4%~89.6%，传质系数5.39~12.95g/(m2·s)，传热系数5.59~10.33w/(m2·℃)。本文研究结果与文献中研究结果数值在同一范围内，数值存在差别，主要是因为实验填料、溶液参数、空气参数、溶液与空气流动形式等不相同。通过与文献中研究结果对比可知，本文实验研究结果可靠。
表3 与文献中填料除湿性能对比
3.2 与其它规整填料除湿性能对比
为了判断亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿性能优劣，本文在实验条件相同的情况下，分别测试CELdek填料和塑料波纹孔板填料除湿性能，与亲水无纺布-PVC复合规整填料对比。实验条件：规整填料尺寸0.31m×0.31m×0.6m，进口空气状态：温度28.2~29.1℃，含湿量16.2~16.9g/kg，LiBr溶液浓度42%，溶液温度14.6～15.3℃，溶液流量0.06~0.22kg/s。评价指标传质系数和传热系数。
三种填料传热传质性能对比如图7所示，随着溶液流量增加，三种填料传热传质系数均增加，且亲水无纺布-PVC复合规整填料性能最优，其传质系数是波纹孔板填料和CELdek填料的1.15倍左右；传热系数和波纹孔板填料相当，是CELdek填料的1.31倍左右。原因是由于亲水无纺布-PVC复合规整填料相较于CELdek和塑料波纹孔板填料有更好的润湿性，填料表面润湿更加均匀，填料润湿率增加，单位面积的有效传热传质面积最大。
图7 不同规整填料传热传质性能对比
4.结论
（1）在本文实验条件下，亲水无纺布-PVC复合规整填料除湿率和除湿效率随着空气流量、溶液进口温度增加而减小，随溶液流量增加而增加；传质系数和传热系数随着溶液流量、空气流量增加而增加，随进口溶液温度增加而减小。除湿率、除湿效率、传质系数、传热系数最大值分别为11.05g/kg、86.7%、12.95g/(m2·s)、10.33w/(m2·℃)。
（2）本文通过实验证明亲水无纺布-PVC复合规整填料的传热传质综合性能最优。在实验条件下，亲水无纺布-PVC复合规整填料传质系数是波纹孔板填料和CELdek填料的1.15倍左右；传热系数和波纹孔板填料相当，是CELdek填料的1.31倍左右。
（3）本文拟合出亲水无纺布-PVC复合规整填料的除湿效率实验关联式，且计算值与实验值吻合较好，可用于溶液除湿空调系统用亲水无纺布-PVC复合规整填料的运行性能、匹配优化、系统控制等计算机仿真中。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
