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转轮式全热换热器干燥剂涂覆工艺试验与分析点击：2096 日期：[ 2014-04-26 21:14:36 ] |
| 转轮式全热换热器干燥剂涂覆工艺试验与分析 上海交通大学 蔡世佳 代彦军 北京环都人工环境科技有限公司 孙守礼 摘要：测试和分析了可用于转轮全热换热器的硅胶、分子筛和吸水树脂干燥剂涂层材料的吸湿及放湿特性。采用优化的干燥剂涂覆工艺加工制作了硅胶转轮换热器并进行了性能测试。结果表明,相同条件下,采用优化的干燥剂涂覆工艺制作的硅胶转轮全热换热器全热回收效率比传统3A型分子筛转轮换热器提高了15%。 关键词：干燥剂 吸放湿率 转轮 全热回收效率 0 引言 近年来,由于能源的日益紧缺,节能成为能源界关注的焦点之一。据统计,建筑能耗约占社会总能耗的30%,其中,供暖、空调和通风占65%,热水占15%,照明、电视占14%,厨房炊事占6%[1]。可见,降低供暖空调能耗对建筑节能、缓解电力紧张、优化能源结构及保护环境都有着重要意义。而在诸多暖通空调节能措施中,从回风中直接回收显热和潜热是一个有力的措施。在建筑物空调负荷中,新风负荷占总负荷的20%~30%,如果采用热量回收器对排风进行热回收,则可以减少70%~80%的新风耗能量,相当于减少10%~20%的空调负荷。 在众多的热回收设备中,全热换热器是一种高效的节能产品。全热换热器的使用可有效降低空调系统的负荷,提高空调系统的运行效率,减小空调设备装机容量,节省空调系统的运行费用。李鑫等人总结了干燥剂的研究现状[2]。目前常用的工业干燥剂材料有分子筛、硅胶、氯化锂等。其中,氯化锂具有较大的吸附量,但会对金属造成较强腐蚀,限制了其使用。秦伶俐等人调查发现,转芯材料的制作工艺是提高转轮全热回收装置效率的关键[3]。目前市场上的转轮式全热换热器主要是以3A型分子筛为芯材制作的。近20年来,关于干燥剂涂覆工艺的研究报道较少,而改进干燥剂涂覆工艺是提高全热回收效率的根本途径。 本文对常用的干燥剂材料结合转轮制作工艺进行了研究,制作了硅胶转轮,测试了其全热换热效率并与现有产品分子筛转轮的全热效率进行了对比。 1 转轮全热换热器结构及原理 转轮呈蜂窝状,外形为轮形,可在换热器旋转体内转动,两侧设有分隔板将其分为上、下两部分,上半部通过室内排风,下半部通过新风,新风与排风逆向流动。转轮以8~10 r/min的速度缓慢旋转,把排风中的冷热量收集在有吸湿性涂层的全热换热器蓄热体中,然后传递给新风。空气以1.5~5.0 m/s的流速通过蓄热体,靠新风与排风之间的温差和水蒸气分压差来进行热湿交换。所以,它既能回收显热,又能回收潜热。其结构和工作过程示意见图1,2。 2 实验测试 干燥剂材料的吸放湿特性是决定全热换热器性能的先决条件。用于全热回收转轮的干燥剂材料应具有静态平衡吸湿率高、放湿容易等特点。目前分子筛由于吸放湿快、产业化程度高且性质稳定而被广泛用于转轮换热器。为了探讨硅胶干燥剂应用于全热回收转轮的可行性,制作了硅胶、分子筛、吸水树脂涂层样品,观察发现硅胶涂层和分子筛涂层涂覆效果良好,干燥剂不易脱落,而吸水树脂涂层虽然也不易脱落,但表面有明显密集裂缝,且材料硬而脆,不适合继续进行压制工艺生产转轮。对硅胶与分子筛涂层的静态平衡吸湿率进行了测试。所采用的方法为质量法,即用天平直接测量吸附剂吸附水分后增加的质量。测试时采用一定浓度的浓硫酸,利用干燥皿创造一定的湿度环境,因为一定浓度的硫酸溶液总是对应一定的空气湿度,对应关系见图3。把干燥皿置于恒定的温度环境,就能得到试验所需的温湿度环境。用电子天平称重,当干燥剂质量不再增加时,吸放湿达到平衡,即得到平衡吸湿量。 测试了干燥剂涂层样品的吸放湿率,结果如图4所示,其中涂层1和涂层2表示两种不同工艺。硅胶为柱层析硅胶,分子筛为3A分子筛。 观察图4发现硅胶涂层比分子筛涂层具有较大的吸湿率,几种涂层样品的放湿速率相差不大。但对于硅胶涂层样品,涂层2具有较高的吸湿率比涂层1高出50%左右。图4中,吸放湿率为(A-B)/B,A为基材、粘结剂、干燥剂点质量,B为初始时刻即烘干后的质量。时间轴0-24 h为吸湿,24-27 h为放湿。其中,吸湿条件为26℃相对湿度90%,放湿条件为26℃,相对温度10%。 3 干燥剂涂层的表面结构扫描 对上述典型涂层样片进行了电镜扫描,得到了如图5~9所示的电镜扫描拍摄的表面结构图。图5,6分别为两种硅胶涂层放大300倍的图像,对比可以发现硅胶涂层2单位表面积内有更多的硅胶颗粒。表明涂层2工艺更优,从而验证了上述实验中涂层2比涂层1有更高的吸放湿率的结论。 图7为分子筛涂层2放大300倍的图像,对比图6,7可发现分子筛颗粒直径远远小于硅胶颗粒,涂覆表面更加密实。图8,9分别为硅胶涂层2和分子筛涂层2放大2 500倍的图像,进一步验证了分子筛颗粒远远小于硅胶颗粒的结论。硅胶材料相对于分子筛材料,具有更大的孔隙结构,这样粘结剂对于孔隙结构的影响较小,不容易产生阻塞,使得硅胶干燥剂具有较小的吸附阻力,从而具有较高的吸附率。 4 样机测试 采用涂层2的工艺制作了硅胶转轮,在标准焓差实验室测试了几种工况下的全热回收效率。测试装置如图10所示。该装置由两个恒温恒湿小室、空气预处理机、测试段、静压箱、空气流量测量装置、温湿度测量仪表、压力测量仪表、辅助风机、连接管、静压环、空气取样装置等组成。 全热效率为 式中 ηi为全热交换效率,%;hOA为新风比焓,kJ/kg;hSA为送风比焓,kJ/kg;hRA为回风比焓,kJ/kg。对比全热效率测量结果(见表1)可知,在工况1下,硅胶转轮的全热效率比分子筛转轮高15.37%,在工况2下,硅胶转轮的全热效率比分子筛转轮高14.08%。可见采用相同工艺制作的转轮,在相同工况下,硅胶转轮的全热效率大大高于分子筛转轮。 5 结论 结合转轮制作工艺,对硅胶与分子筛转轮涂覆材料的静态吸放湿率作了实验测试,结果显示涂层2明显好于涂层1,而硅胶由于孔隙大、吸附率高,其涂层吸附率高于分子筛涂层。制作了硅胶转轮,在焓差实验室测试了其全热回收效率,结果显示硅胶转轮的全热回收效率比分子筛转轮高15%,与涂层静态吸放湿率的测试结果吻合。 参考文献: [1]李汉章.建筑节能技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2006 [2]李鑫,李忠,韦利飞,等.除湿材料研究进展[J].化工进展,2004,23(8):811-814 [3]秦伶俐,李洪芳.转轮式全热交换器———一种高效的热回收装置[J].制冷,1998,3(3):20-22 [4]金伟力,岡野浩志,船户浩史.用离子交换树脂作为吸湿材料的新型转轮全热交换器[J].建筑科学,2004,20(增刊1):185-189 [5]杨光,汤广发,严继光,等.全热换热器的应用与研究进展[J].煤气与热力,2006,26(12):55-57 [6]钱以明,董启平.转轮式全热交换器结构参数的优化[J].制冷学报,1990(4): 6-12 [7]Simonson C J, Ceipliski D L, Besant R W.Determining the performance of energy wheels: partⅠ—experimental and numerical methods [G]//ASHRAE Trans, 1999,105(1):177-187 [8]Simonson C J, Ceipliski D L, Besant R W.Determining the performance of energy wheels: partⅡ—experimental data and numerical validation[G]//ASHRAE Trans, 1999,105(1):188-205 |
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