转轮与冷却除湿组合式空调系统变工况稳态性能模拟分析

1 前言

　　用以表征空气中含水量的湿度和温度一样，在我们的生活环境中是无时不在的。它不但影响人们的生活环境，而且对物质的保存和工业生产中某些加工工艺过程，以及在低湿条件下运行的仪器仪表，都有密切影响。特别是在一些湿度要求严格的厂房和仓库，以及锂电池生产，聚酯切片，防腐，防潮等对空气有低湿要求的场合，更需要有低湿度的空调环境保证。

　　目前，空气除湿主要有四种方法，即通风除湿、冷却除湿、液体吸湿剂除湿和固体吸附剂除湿。在空调除湿工程中，冷却除湿和固体吸附除湿是主要手段。冷却除湿在一般条件下除湿效果好，性能稳定且能耗较低，目前应用比较广泛。但对低湿要求的空气处理过程，势必使蒸发器表面温度降得很低，当表面温度低于零度，冷却盘管容易结霜，除湿能力下降，能耗增加，甚至于无法正常工作，很不经济。而应用固态吸附原理的转轮式除湿机，不受露点影响，且除湿量大，特别适用于低温低湿条件下应用，但由于再生耗热量大，使这类除湿机能耗偏高。

　　转轮除湿与冷却除湿各有所长，如果能优化组合，互补所短，将会更好的发挥其效能。目前，国内外已经有学者关注这种转轮除湿与冷却除湿相结合的组合式除湿空调系统，有的转轮除湿机的生产厂家已进行了这种改进，如DST公司的DE型转轮除湿机。但是如何使它的结构更趋合理，运行更加经济，还需要进行不断的研究与改进。

2 转轮与冷却组合式除湿空调系统及其特性

2.1 转轮与冷却组合式除湿空调系统

　　转轮与冷却组合式除湿空调系统，就是将具有冷热交换的冷却除湿循环系统与转轮除湿相结合，利用制冷系统的吸热除湿进行前期除湿，而利用转轮除湿机进行深度除湿，同时利用冷凝器的放热来加热再生空气。

　　图1所示为转轮与冷却组合式除湿空调系统简图。图2为该除湿系统在焓－湿图中空气除湿过程，状态1的混合空气进入冷却除湿机，经蒸发器1降温减湿至状态点2，然后进入转轮除湿机绝热（等焓）去湿至3状态，温度高于除湿机入口的干燥热空气，由蒸发器2等湿冷却至送风状态4。在再生空气侧，一定数量的室外空气W，首先经冷却除湿机的冷凝器预热至状态点5，回收冷却循环系统除湿和降温过程所排出的热量，然后进入再生加热器加热至所需的再生温度，再生转轮固体吸湿剂后排放到大气中。

2.2 转轮和冷却组合式除湿空调系统与冷却除湿空调系统的比较

　　冷却除湿在一定的范围内除湿效果好，且性能稳定，但当要求湿度较低时，蒸发温度很低，除湿能力下降，此时选用转轮与冷却组合式除湿空调系统，可以达到很好的效果。

　　如图2所示，某空调房间要求的室内空气状态为N，根据热湿比ε线，求得所要求的送风状态点为4。如果采用冷却除湿空调系统，则状态1的空气需要经蒸发器冷却除湿至点2’，然后经冷凝器加热至4点送出；如果采用组合式除湿空调系统，状态1的空气先冷却除湿至状态点2，然后经转轮除湿至点3，再等湿降温至4点送出。从图上可以看出，2点干球温度远远高于2’点，即组合式空调系统中的冷却除湿蒸发温度高于冷却除湿机中的蒸发温度，当4点所对应的露点温度低于0℃时，采用冷却除湿空调系统容易使蒸发器表面结霜，而组合式空调系统却不受露点温度限制，可以根据需要选择合适的蒸发温度，避免了由于蒸发温度降低而引起的种种不利情况，所以，当送风状态的露点温度低于0℃时，采用转轮与冷却组合式空调系统比单一的冷却除湿系统要优越的多。

图1 转轮与冷却组合式除湿空调系统简图

图2 空气除湿处理过程

　　1、冷却除湿作为前期除湿，突出了冷却除湿机高露点工况下能耗低且冷却盘管不易结霜的优点。

　　2、用转轮除湿进行深度除湿，突出了转轮除湿机低温低湿条件下，不受露点限制且除湿量大的优点。

　　3、用冷却除湿循环系统冷凝器放热来加热再生空气，充分利用系统内部热能，克服了转轮除湿机再生耗热量大的缺点，最终达到节能目的。

　　4、可以利用太阳能、工业废热等低温热源作为再生加热热源，减轻了对电力的依赖，并节约了大量的能源。

3 转轮与冷却组合式除湿空调系统数学模型的建立

　　我们知道，通过实验来研究除湿机的性能，不失为一研究的方法。但由于影响性能的因素较多，这项工作不仅费时，费力，而且受客观条件的限制，使得有些实验无法进行，给深入研究带来很多困难。随着计算机在制冷领域的广泛应用，对除湿机性能进行计算机模拟可以很好的解决这一矛盾，在给定的设备参数和运行工况下，模拟计算可以得出系统稳定运行的情况，获得大量模拟数据，对模拟系统进行科学分析，所以性能模拟是除湿机性能研究，优化不可缺少的方法之一。

　　本文通过建立适用于转轮除湿与冷却除湿组合式空调系统各个部件的数学模型，以VISUAL BASIC为编程环境，设计一个基于WIN98/NT操作平台的转轮除湿与冷却除湿相组合式空调系统性能模拟计算程序，以获得机组在不同工况下运行时性能系数的变化规律。具体措施如下：

　　1、根据制冷剂气相区状态方程、饱和蒸汽压方程、饱和液体密度方程建立了以制冷剂R22为工质的制冷除湿循环数学模型，利用湿空气的热力性质计算公式建立了湿空气处理过程数学模型，以获得系统热力计算过程中的状态参数。

　　2、为了突出问题的主要方面，简化计算，在建立系统各部件模型的过程中作了必要的假设。本课题的数学模型包括：转轮除湿机模型，蒸发器模型，冷凝器模型，压缩机模型，再生加热器模型，节流阀模型等。

　　3、模拟计算程序采用模块化设计方法，各模块之间既统一构成一个整体，同时又相互独立，各模块可以独立调用。

　　数学模型计算程序框图见图3 、图4。

图3 制冷循环程序框图 　　　　　　　　图4 主程序框图

4 转轮与冷却组合式除湿空调系统模拟结果分析

4.1 室外空气温度对该除湿系统的影响

　　室外空气温度25～35℃，室外空气含湿量22. g/kg，处理空气风量2500m3/h，再生空气风量2500m3/h。通过模拟计算得出，该除湿系统的除湿量随环境温度的提高而降低，除湿能耗比SPC（能耗量 / 除湿量；能耗量包括冷却除湿和等湿冷却制冷系统耗功、风机耗功、再生加热耗能，除湿量包括冷却除湿量、转轮除湿量）则随着环境温度的提高而有所提高。其变化趋势如图5所示。

4.2 室外空气含湿量对该除湿系统的影响

　　室外空气含湿量20～30g/kg，室外空气温度35℃，处理空气风量2500m3/h，再生空气风量2500m3/h。除湿系统的除湿量和SPC随室外空气的含湿量的变化规律如图6所示

4.3 处理空气送风量对该除湿系统的影响

　　处理空气送风量2000～4500m3/h，室外空气温度35℃，室外空气含湿量22 g/kg，再生空气风量2500m3/h。除湿系统的除湿量随处理风量的增大而提高，如图7所示。而SPC随处理空气量的增大而出现起初减小而后增加的变化，在处理风量变化的过程中出现最小值，如图 所示。随着风量的增加，冷却除湿机蒸发压力升高，压缩机的单位功耗减小，制冷剂流量增大，而压缩机耗功为制冷剂流量和单位功耗的乘积，在风量变化初期，制冷剂流量的增加小于单位耗功的减小，所以刚开始除湿能耗比是减小的，但当风量增大到3000m3/h后，制冷剂流量的增加大于单位耗功的减小，且阻力对制冷系统性能的影响增加，同时风量的增加引起了风机的功率上升，以致整个机组的总能耗也上升，当上升的幅度超过了除湿量的增加时，除湿能耗比SPC开始增大。

图5 室外温度对除湿量及除湿能耗比SPC的影响

 

图6 室外含湿量对除湿量及除湿能耗比SPC的影响

图7 处理空气送风量对除湿量及除湿能耗比SPC的影响

5 结论

　　1、在低湿环境条件下，采用转轮与冷却组合式除湿空调系统具有冷却除湿机不可比拟的优越性。 它可以避免冷却除湿机在低蒸发温度下盘管容易结霜的缺点，同时又充分利用系统内部热能，克服了转轮除湿机再生耗热量大的缺点，从而实现了冷却除湿与转轮除湿的有机结合。

　　2、应用模拟程序，对转轮与冷却组合式除湿空调系统的稳态运行特性进行了计算机模拟计算，对系统在不同室外温度、含湿量和风量下，其除湿量和除湿能耗比的变化规律进行了分析，所得结果为该系统的进一步研究及优化运行提供参考。

参考文献

　　1、薛殿华，空气调节，清华大学出版社，1991

　　2、袁卫星，开式固体除湿空调关键部件及系统分析，北京航空航天大学学报，1997.10

　　3、代彦军，俞金娣，转轮式干燥冷却系统的参数分析与性能预测，太阳能学报，1998.1

　　4、张卫红，转轮与冷却组合式除湿空调系统变工况稳态性能模拟与分析，东南大学硕士研究生学位论 2001.3