除湿干燥中临界除湿状态的分析

除湿干燥中临界除湿状态的分析张璧光(北京林业大学材料科学与技术学院)摘要：为提高除湿效率、减少除湿干燥纯耗，该文阐述了木材除湿(热泵)干燥系统中的空气流程和状态变化．从湿空气热力学分析的角度，提出一定制冷量和含湿量状况下，湿空气除湿效率为零的临界焓值的概念；指出除湿效率大于零的必要条件及提高除湿效率的途径；进而由临界焓值的概念在湿空气的焓一湿量图上绘出了不同露点温度下的临界干燥曲线，并划分出除湿区，为预测除湿效率与除湿量以及除湿机的优化控奠定了必要的理论基础．热泵除湿干燥由于可以回收干燥室排气的部分潜热和显热，是公认的节能干燥技术¨，但如果使用不当会降低除湿效率，甚至出现只降温不除湿而浪费能量的现象关于如何提高除湿效率、减少除湿干燥能耗，已有一些学者作过理论分析和研究，但多数偏重于实验测试或定性分析，实际应用中不容易操作．本文从湿空气热力学分析的角度提出了除湿机临界干燥参数的概念，为提高除湿效率及除湿机的优化控制奠定必要的理论基础．1热泵除湿干燥系统的空气流程及状态变化1．1热泵除湿干燥的空气流程热泵除湿干燥系统包括除湿机和干燥室，其空气流程如图l所示．图l中A为空气流经材堆前的状态，流出材堆时由于吸收材堆的水分而变为湿度大的空气；B、C分别为空气流经蒸发器前后的状态；D为脱湿后空气经冷凝器加热后的干热空气，此热空气再流向材堆加热干燥木材．这就2完成了空气在热泵除湿机与干燥室间的1次循环．1．2热泵除湿干燥过程中空气的状态变化除湿(热泵)干燥过程中，空气在焓一湿图中的状态变化情况(图2)．图2中卜2线代表空气流经材堆的等焓吸湿过程，2点为湿空气进入蒸发器前的状态；2—3—4线代表空气流经蒸发器的状态变化，其中，2—3为空气降温到露点放出显热的过程，而3—4线表示湿空气排水脱湿过程中，3、4点的含湿量之差，即(d，一d。)代表每千克空气流过蒸发器排出的水分；4’为脱湿空气与旁通空气混合后的状态点，4’一1线表示空气流经冷凝器的加热过程．由图2看出，在热泵除湿机制冷量一定的情况下，如果2点离饱和线较远，2—3线较长，则3—4线缩短，湿空气排水量减少，当4点与3点重合时，除湿效率为零．这种情况常发生在木材除湿干燥的后期，湿空气的温度高、湿度低的时候．32湿空气除湿的临界焓值及提高除湿量的途径2．1除湿空气的临界焓值湿空气通过蒸发器放出的热量由下式确定：Qv=Gp(h1一h4)／3600(1)式中，Qv---为湿空气通过蒸发器放出的热量，一般情况下它等于除湿机的制冷量Q。(kw)；G---为流过蒸发器的额定风量(m3／h)；ρ为湿空气的密度(kg／m3)，此值变化不大；h2、h4分别为蒸发器前后干空气的热焓值(kJ／kg)．如果湿空气离开蒸发器时，湿空气刚好达到露点温度td(即f4=td)，而空气流过蒸发器的含湿量不变(d4=d2)，此时，蒸发器前空气的焓值h2用h。表示为：Ho=h4+△h式中，△h---为蒸发器前后焓的值差．由湿空气的性质可知，当制冷量和含湿量d不变时，凡焓值大于h。4的湿空气流经蒸发器后，不能变为饱和空气排除水分；只有焓值h2小于h。，湿空气才能经蒸发器析出水分．于是把除湿终态为露点温度所对应的初态焓值称为临界焓值，用h。，表示．因此使除湿效率大于零的必要条件是：h2h。(3)2．2一定条件下不同空气参数的除湿量举例例如，已知湿空气进蒸发器前的温度t2=58℃，相对湿度庐：φ=50％，含湿量d2=62.1g/kg．如果此状态的湿空气离开蒸发器时正好达到饱和(φ4=100％)，则除湿效率为零，相应的参数d4=d2=62．1g／kg，h4=205kJ／kg，蒸发器前后的焓差为△h=15kJ／kg．根据湿空气的知识查湿空气的图或表可知，在热泵除湿机制冷量和空气含湿量不变的情况下，要使除湿效率大于零，只有状态2的空气温度t258℃，空气湿度声：φ250％才行．表1列出了部分一定条件下、不同空气参数时的除湿量变化．表1不同空气状态通过蒸发器的除湿量52．3提高除湿效率的途径1)降低蒸发器前空气的焓值．由表l数据可看出，湿空气温度越低，相同含湿量的相对湿度越大．相应的焓值越低，除湿量越大．当温度降到44℃，相对湿度接近100％时，此含湿量(d2=62．1g/kg)下，空气的除湿量达最大值．2)减少流过蒸发器的空气流量．从式(1)可看出，在制冷量、空气初始参数基本不变的情况下，可以通过适当减少空气流量、增大焓差来提高除湿量．例如t2=58℃、φ2=50％的湿空气流经蒸发器的除湿量为0，如果将流经蒸发器的空气流量减少一半，根据式(1)可知，焓差将增加一倍，△h=30kJ／kg，此时h4=190kJ／kg，d4=57．16g／kg，于是当空气流量减少一半后，单位除湿量由原来的0增至△d=4．94g／kg．由此可以看出，在木材干燥的后期，当干燥室温度高而湿度低时，可采取用风量控制阀适当减少风量来增加除湿量．但必须指出，这种方法仅仅是提高了每千克空气流过蒸发器的除湿量，由于总流通量减少在空气温度低、湿度大时可能使总除湿量减少，因此在每一工况下，都有1个最佳空气流量№o．3)采用间断的停机闷窑．木材干燥的中、后期，木材内温度已比较高，热泵除湿机短暂停机期间，木材内的水分还在继续蒸发，使空气温度降低而湿度增加，当湿度增加到高于干燥基准10％～15％，再开启除湿机可提高除湿效率，减少能耗。3湿空气焓一湿图上的临界干燥曲线与除湿区3．1临界干燥曲线与除湿区6在热泵除湿机制冷量和流过蒸发器风量不变的情况下，湿空气在不同的含湿量d，都对应于1个临界干燥的焓值是hct，及相应的温度tct。和相对湿度φct。把这些不同的临界干燥参数连接起来，在湿空气焓一湿图上的饱和曲线之上，可绘出一条临界干燥曲线(图3)．它与饱和干燥曲线之间的间距为△hct,而临界干燥曲线与饱和曲线之间的区域称为除湿区，凡状态点位于除湿区内的湿空气流经蒸发器后可排除水3．2临界干燥曲线的用途1)可预测湿空气的除湿效率．如果蒸发器前的空气参数位于除湿区内，则该湿空气通过蒸发器的除湿效率0，且该状态与饱和曲线越近除湿效率越高．反之，如果湿空气状态点位于临界干燥曲线之上，如果不采取减少风量等措施，则除湿效率为零．2)可以预测除湿量大小．根据湿空气初态的焓值h2减去临界焓差△hct求得终态焓h4，在饱和湿空气线上找到终态焓所在点的含湿量d。，它初7态含湿量之差即为每千克湿空气通过蒸发器的除湿量．如表1中序号5的状态．已知，d2=62．1∥kg，h2=211kJ／kg，△hct=15kJ／kg，h2=h4一△hct=196kJ／kg，在饱和线上查到d2=59．1g／kg，则每千克空气除湿量△d1=3．0g／kg．3)为热泵除湿机自动控制奠定了理论基础．先将临界干燥曲线上的湿空气参数输入计算机储存，热泵除湿机运行中，将检测到的蒸发器前湿空气的温度和相对湿度的数值输入计算机，并与原储存的临界干燥参数对比，即可算出实时的除湿量大小，以此决定热泵除湿机的开、停．这样既能减轻劳动强度，又可避免人为操作带来的误差，4结论与建议1)湿空气的临界焓值^。是判断除湿效率的重要参数，蒸发器前湿空气的焓值小于矗，，是除湿效率大于0的必要条件．’2)当空气流量不变时，提高除湿效率的途径是使空气温度低于临界值(t2tct，)而湿度高于临界值(φ2φct)；t2越低，φ2越高，则除湿量越大；当φ2达到100％时，除湿效率达最大值．木材干燥中、后期，采取适当减少通过蒸发器的空气流量和停机闷窑的方法，可以提高除湿效率．3)湿空气焓一湿图上的临界干燥曲线和除湿区的概念对于预测除湿量、除湿效率和热泵除湿机的优化控制奠定了理论基础．4)不同的除湿机、不同的制冷量具有不同的临界干燥曲线参数、临界干燥参数曲线和除湿区．本文仅提出了一种思路和方法，具体实施尚有大量的前期工作需要深入研究．