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陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 摘要 近年来，我国的温室种植业迅猛发展，但温室的环境调控仍很原始。特别是 对湿度的调节，一般均采用自然换气与强制通风换气法降湿，这往往以大火降低 室内温度为代价，能量损失太大。所以，设计一种适合温室应用的使用成本和制 造成本均较低的除湿装置乃当务之急。 本文通过比较国外和国内的除湿技术，针对我国种植温室的使用现状设计出 一种制造成本及使用成本低的温室用空气内循环式封闭空间除湿系统。该系统创 新地采用贯流风机强制送风、三层串联吸附层、膨胀珍珠岩吸附剂、太阳能烘干 再循环装置。经全自动控制气候箱除湿试验证明该系统具有良好的除湿效果。在 相同的除湿要求下，与采用冷冻除湿法相比能节省2 0 2 的能量；与外循环强制通 风除湿相比，节约了9 5 3 的能量。该系统可望在我国的温室种植业得到广泛地推 广应用。 理论上本文根据流体流动和传热的理论，由湍流模型中的k - r 两方程模犁和 壁面函数法作为对固定床吸附设备内气流进行数值分析的理论基础，建立了恒温 条件下固定床内气体流动的基本方程。采用传热传质基本方程建立了空气绕流吸 湿的数学模型，并求解结果提出了空气绕流层间的基本参数设计原则。本文的试 验装置根据这些原则进行了设计，实验证明确有节能效果。 试验研究方面，通过正交试验确定系统单位能耗的除湿量与系统参数的关系， 运用正交表进行综合分析得出一组最优的结构参数及工作参数。在这些结构参数 及非参数的运行下的系统比冷凝除湿节能2 0 2 比外循环除湿节能9 53 。 本文的研究对于封闭空间的除湿有一定的实用价值：对于经济型除湿系统在 我国妁研究和推广，有一定的社会和经济价值。 关键词：湿度吸附除湿正交试验 扬州人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h eg r e e n h o u s ep l a n t i n g i no u rc o u n t ,ob e e nr e q u i r e dr a p i d l y d e v e l o p m e n t ，b u tt h ew a yo fc o n t r o l l i n g e n v i r o n m e n tf o rt h eg r e e n h o u s ei sv e r yo r i g i n a l e s p e c i a l l y ，t oa a j u s th u m i d i t yu s u a l l yu s e st h ew a yo fc h a n g i n ga i rf r o mo n es t a t et o a n o t h e rs t a t eb yn a t u r eo rc o m p u l s i v e l y , w h i c hi sa tt h ec o s to fr e d u c i n gi n d o o r t e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r yf o r t h eg r e e n h o u s e t o d e s i g n ak i n d o f d e h u m i d i f yd e v i c ew i mt h el o w e ru s a g e c o s t sa n dm a n u f a c t u r i n gc o s t s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rc o m p a r e st h ef o r e i g nd e h u m i d i f yt e c h n i q u ew i t ht h e d o m e s t i c ，a n da i m sa tt h eu s a g ep r e s e n tc o n d i t i o no fg r e e n h o u s ei n o u rc o u n t r yt o d e s i g nak i n do fd e h u m i d i f ys y s t e mw i t ht h el o w e ru s a g ec o s t sa n dm a n u f a c t u r i n gc o s t s w h i c hi su s e di nt h ec l o s e ds p a c e ，t h es y s t e mi sa p p r o p r i a t ef o rt h eg r e e n h o u s ew i t ha i r i n t e r n a l c i r c u l a t i n g t h ec r o s s f l o wf a n i su s e di nt h es y s t e mc r e a t i v e l yt os e n d c o m p u l s i v e l yb r e e z e ，t h i ss y s t e mc o n s i s t so f t h r e es o r p t i o nl a y e r sa n dt h ei n f l a t i o np e a r l r o c ka d s o r b e n tm a db ys o l a re n e r g yd r y i n ge q u i p m e n ts oa st oc i r c u l a t ea g a i n b y e x p e r i m e n ti nt h ef u l l a u t o m a t i cc o n t r o lw e a t h e rh o u s e ，i t c a r lb ep r o v e dt h a tt h i ss y s t e m h a sap r e f e r a b l ed e h u m i d i f yr e s u l t ，u n d e rt h es a m ed e h u m i d i f yr e q u e s t ，b yc o m p a r i n g c o o l i n g d e h u m i d i f y i n gw i t hc o m p u l s i v e l yd e l i v e r b r e e z ed e h u m i d i f ym e t h o d ，t h e a d s o r p t i o nm e t h o dc a nb es a v e d2 0 - 2 e n e r g ya n d9 5 - 3 e n e r g y 1w i s ht h a ts y s t e m c o u l dg e tt h ea p p l i c a t i o nb r o a d l yi nt h eg r e e n h o u s eo fo u rc o u n t r y t h e o r e t i c a l l y , i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h e f l u x i o na n dt r a n s m i th e a t ，t a k e nt h e t u r b u l e n c ek em o d e l sa n dt h ew a l lf u n c t i o n sa st h et h e o r yb a s eo fm a k i n gn u m e r i c a l a n a l y s i st o t h ea i r f l o wi nt h ea b s o r p t i o nd e v i c e ，u n d e rt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o n d i t i o na b o u tt h eb a s i ce q u a t i o no fg a sf l o wi nt h ef i x e d b e di ss e tu p b a s e do nt h e b a s i ce q u a t i o no fh e a ta n dm a s st r a n s f e r ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ee x t e r n a lf l o wi s b u i l du p ，f r o mt h es o l v er e s u l t so ft h ee q u a t i o n ，t h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h eb a s i c 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 p a r a m e t e ri nt h ea i re x t e r n a lf l o wi sp u tf o r w a r d o nt h eb a s e so ft h ep r i n c i p l e st h e e x p e r i m e n td e v i c ei sd e s i g n e d ，i ti sp r o v e dt h a tt h i sd e v i c eh a st h ee n e r g y s a v i n g e f f e c t s t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es y s t e mu n i tc o n s u m p t i o no f t h ed e h u r n i d i f yq u a n t i t ya n dt h es y s t e mp a r a m e t e ra r ea s s u r e d ，t om a k eu s eo fo r t h o g o n a l t a b l et oc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st os e a r c hf o rt h es u p e r i o rs t r u c t u r ep a r a m e t e ro fw o r k p a r a m e t e r 1w i s ht h a tt h er e s e a r c h e sf o rd e h u m i d i f yi nt h ec l o s e ds p a c eh a dap r a c t i c a lu s e ； f o rt h ee c o n o m i cd e h u m i d i f ys y s t e mw i l lb er e s e a r c h e da n de x t e n d e di no u rc o u n t r y ， h a ds o m es o c i a la n de c o n o m i cv a l l j e k e yw o r d ：h u m i d i t ya d s o r p t i o nd e h u m i d i f yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t i i i 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 温室农业是一种高投入、高产出和高效益的农业。自2 0 世纪7 0 年代以来， 我国温室农业得到了很大的发展。发展的面积从1 9 8 5 年的0 5 万h m 2 到1 9 9 9 年的 2 0 万h m 2 【“，2 0 0 4 年年底农业部统计资料表明，全国温室( 包括大棚温室和日光 温室) 面积已达到1 5 0 万l m l 2 ，可见温室的发展在我国极其迅速。 温室农业是一个封闭的农业种植系统，它一般是利用太阳光和水资源，并通 过人的主观调控，来降低不利气候因素对种植环境的影响，改变露地种植的传统 模式，大大提高作物的产量和质量。空气湿度是温室系统中除光照、温度等以外 的一个重要气象因子。温室内的增湿技术现在比较成熟，一般采用旌水、喷雾、 湿帘风机系统等，但温室的除湿( 降湿) 是一个至今未能很好解决的难题。 过高的空气湿度会对温室生产造成很大的障碍，对作物生长、发育产生很多 种负面影响：( 1 ) 为作物病原物提供适宜的浸染和蔓延环境，使作物发病机会增 大，病害的蔓延速度加快。如茄子的黄萎病、番茄的灰霉病、黄瓜的霜霉病等得 发病情况都与空气湿度过大密切相关口、3 】；( 2 ) 作物蒸腾受阻，根部被动吸水动 力受限制，对矿质养分的吸收量下降。空气的相对湿度过大，作物叶片水势增高， 使得电导率降低，根压加大，对作物的蒸腾速度产生直接的影响，从而影响作物 对水分和矿物质养分的吸收h 7 】；( 3 ) 作物叶面积指数减少，叶片生长率、干物质 积累也随之减少【8 9 1 ，生理缺素症状明显，特别是缺钙、缺镁：( 4 ) 影响了作物气 孔度，使光合作用的速率下降 1 0 - 1 1 】。 温室内空气湿度过高产生的这些现象，最终将导致作物产量降低，品质变坏， 对经济效也造成很大的影响。因此，必须掌握有效的控制湿度的措施来保证空气 具备的必要湿度，才能更好地进行温室种植。 查阅相关资料可知，我国的温室除湿大多采用白天温室内气温高时扒缝、开 扬州大学硕士学位论文 2 天窗、开侧窗等自然通风换气和强制换气等传统方法【1 22 9 l 。但上述这些方法是在 室内外温差很大的情况下进行的，会带来以下几个问题：一是室内的热量损失大； 二是降湿幅度过大，会使叶片气孔关闭，削弱了光合作用的强度；三是室温突然 下降，短时间内降低了温室内的绝对湿度而提高了相对湿度，蒸汽冷凝，使叶片 沾湿，从而增加了发病机会：四是费工费时，而且操作不易被控制。 目前，常用的空气除湿方法有冷凝法和吸附法【1 3h 】。 冷凝除湿法是将空气冷却到露点温度以下冷凝结水析出。传统的空气除湿法 普遍采用冷凝法，但这种方法的主要缺点是：首先除湿效果受季节温度影响大，- 3 00 c 左右效率较高，随着气温降低，效率就大幅下降，2 5 以下除湿效果明显变 差，2 0 以下由于冷凝器结冰，不能将水滴下而排出，从而难以除湿，而1 0 一 2 0 仍适合霉菌生长。因此冷凝除湿主要适用于少数全年气温高的国家和地区， 适用性不广。其次，此种除湿法购置费用高、设备结构复杂、耗电量大、压缩机 使用氟里昂会污染空气和破坏臭氧层。再则，当被处理空气的湿度、温度低时， 除湿效率低、能耗大，并且低温时压缩机无法启动。此外，从能量转换和利用上 考虑也很不经济，它需要将电能转化成机械能，机械能再转化成气体分子动能， 分子动能表现为温度的降低这才造成了吸收空气中水分子的条件。上述能量转换 均是低效率转换故很不经济。 吸附除湿法是采用吸附材料吸附空气中的水分子，这种除湿法分静态和动态 两种。静态吸湿是让潮湿空气呈自然状态与吸湿剂接触，而动态吸湿是让潮湿空 气在风机作用下通过吸湿材料层。对于静态吸附方法，它是靠空气中水汽浓度的 扩散而被动吸附，其除湿的时间长、效率低，当室内的容积增大时，就要增多吸 附剂量，并且经常需要更换吸附剂，很不经济；显然动态吸附比静态吸附效果要 好。而且，动态吸附处理空气量大，可在低温、低湿状态获得低露点的空气，再 生热源除使用电能外，还可利用水蒸气、煤气、太阳能、工业废热等低品位的热 r 一 ” 源，可以节约大量的能源，且不用压缩机，没有氟氯烃对大气臭氧层的破坏问题。 设备在常温下运行，旋转部件少，结构和维护简单，噪音低，运行可靠，因而这 种除湿法受到了广泛重视。 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 节能降耗是我国一项长期的战略目标，因此研究出一种既不费过高成本叟能 普遍适用的温室除湿装置是本课题的目的。本文的研究主要是利用吸附除湿的优 点，设计适合封闭空间除湿的内循环吸附除湿系统。对用于除湿的吸附剂层数、 吸附剂的铺放密度以及通过吸附剂层的空气流速等影响除湿效果的因子与所需能 耗的关系进行研究，对于提高吸附除湿技术在封闭空问除湿系统中的应用和推广， 具有很现实的经济和社会效益。 1 2 除湿技术国内外发展状况 1 - 2 1 国外发展概况 早在1 9 5 8 年，除湿技术的入门书除湿( 山田治夫，开刊工业新闻社) 问世以 来，除湿技术在发达国家首先得到了很好的研究与推广：目前对除湿技术的妍究 主要集中在法、美、日等国家。 舰i 珂生鬈 图1 - 1 转轮除湿机工作原理图 欧美国家用于空气除湿的除湿设备主要是吸附式转轮除湿机1 5 。9 】，以瑞典 d s t 公司生产的硅酸盐转轮除湿机为例，该机结构主要由转轮、处理通风机、再 生加热嚣和再生通风机组成。其中转轮用一种填充了特种金属的玻璃纤维板卷成 扬卅大学硕士学位论文4 蜂窝状圆轮制成，然后借助先进的工艺将硅酸盐吸湿剂浸附其上。 瑞典转轮除湿机的工作原理如图1 1 所示，其内部有三路空气流，分别是待处 理空气流、再生空气循环流以及冷却空气流。转轮开始工作时，以每小时3 0 转f i 勺 速度缓慢旋转，待处理的湿空气经过处理风入口进入除湿转轮，于是湿空气中的 水分就被硅酸盐吸收，从转轮中流出的干空气通过风机再被送入室内；再生空气 循环流经过电加热器后温度升高，然后经过转轮将留在转轮中的水分带到风冷冷 凝器，经过自然冷空气进行冷却，之后成液态水流出。经三路空气流的共同作用， 干空气被送入室内，空气中的水分被冷凝以液态水的形式排出，从而达到除湿的 目的。 日本也相继研制成功了吸附式转轮除湿机，并且已在船舶、化工、制药、食 品等许多工业领域应用。转轮式除湿可实现连续的除湿和再生，但其致命的弱点 是除湿是动态的运行过程，期间混合损失大，对除湿效率造成了负面的影响。此 外，这种形式很难实现等温的除湿过程，而除湿过程释放出来的潜热使除湿剂的 温度升高，吸湿能力大打折扣，整个过程传热传质的不可逆损失大，效率不高温 室一般不采用这种装置。造价高也是上述吸湿装置不能用于温室的原因之一。 在温室农业生产方面，以日本、荷兰和美国研究最多。在温室的湿度调控上， 是采用强制换气方法除湿，但是由电脑程序结合环境控制系统完成。t a k a k u r a ，t z a i 研究了温室的温度、湿度和通风之间的关系【2 0 】。p i e t e r s ，j g 等研究了温室覆盖物 的内外表面冷凝的产生。运用一个模型来描述温室内辐射、传导、对流在温室屋 顶上发生水汽凝结变化与相对湿度的阈值。给出了标准园艺玻璃在不同气候条件 下和不同的内部环境状态时的试验结果【2 1 。此外，针对温室内温度、湿度等环境 因素对作物生长、发育、品质和产量方面的影响也有一些研究。w u - y m 等研究了 温室内主要环境因子( 湿度、温度、日光) 与黄瓜产量的关系，研究发现：在大 多数情况下，温度对产量的影响程度最大【2 2 1 。u z u n s 等研究了不同的温室顶部通 风间距和塑料薄膜类型与一些蔬菜作物生长、发育、产量之问的关系【2 引。但上述 这些方法会带来几个问题：一是室内的热量损失大：二是降湿幅度过大，会使叶 片气孔关闭，削弱了光合作用；三是室温突然下降，短时间内降低丢了温室内的 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究5 绝对湿度而提高了相对湿度，蒸汽冷凝，使叶片沾湿，从而增加了发病机会；四 是虽然有电脑控制，但对小范围的经济适用型的温室种植业来说确起朱实际的。 1 2 2 国内发展概况 我国自八十年代起开始有人投入到除湿技术方面的研究工作。近些年来，随 着我国经济的高速发展，各行业对高技术含量的除湿设备需求日趋强烈。虽然国 内这一领域的高技术除湿设备市场一直被国外产品所占有，但我国的科技工作者 也做出了一些卓有成效的工作，研制出一些新技术、新成果。图1 2 为汤荣钦等研 制的自动除湿箱i ，是一种家居贵重物品理想的存贮保护产品。 讲 f “ 图1 - 2 自动除湿箱示意图 照廿! 制尊 如图1 2 所示，该产品采用了具有形状记忆功能的形状记忆合金弹簧来实现对 箱内湿度的控制，通过此弹簧与一般拉伸弹簧的互相配合就组成湿度控制器。湿 一 1 一 j _ _ ? 扬州i 大学硕士学位论文6 1 燮卜昏i ：。； 一一h + j， ( 。桀越型譬 图1 3 吸湿过程 度控制器通过螺钉与箱体后壁连接在一起，调节其上的旋钮，除湿箱就会根据设 定的相对湿度自动工作。箱内的吸湿材料是采用的进口专用吸湿剂，如箱内湿度 r 一。一r 解生! i ，一一一一 图l - 4 排湿过程 未达到要求时，吸湿剂就会不断地吸收箱内的水分。如图1 3 所示，图中爿 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 7 和b 两腔与箱内连通，c 和d 两腔与箱外连通。可以看出，当处于吸湿过程时， 一般拉伸弹簧力大于形状记忆合金弹簧，从而将挡板1 和挡板2 向右边拉伸，此 时控制盒中的吸湿剂与箱内空间连通而与箱外隔离。 当吸湿剂处于饱和状态时，控制器则接通电源而使加热器开始工作。此时， 形状记忆合金弹簧获得热源而恢复原状，产生较大的弹性力，使挡板1 和2 往左 边拉伸，致使吸湿剂与箱内空间隔离，而与箱外空间相通，如图1 - 4 所示。在加热 器的加热作用下，水蒸气从d 腔和c 腔往箱外排除，当排汽完成之后，热源消失， 控制器又回到图l 一3 的状念。 至于在蔬菜冷库中的除湿，一般用的是固体碳和氯化钙等吸附剂进行吸附除 湿，完全靠人工处理，非常麻烦。采用冷冻除湿法，则会影响库房的温度精度， 并要消耗大量的电能。因此，李福建等采用氯化锂转轮除湿机进行试验，与冷冻 除湿法相比，节约了1 0 2 0 的能量【2 5 】。还有，我国在农副产品干燥和木材干燥 中应用热泵除湿，此法是较为节能的除湿干燥法之一。这一领域在国外发展较快， 国内自2 0 世纪8 0 年代中期至近年发展很快。目前，这一方法在国内已有了一定 的推广且效果良好 2 “。这符合了我国节能降耗的长期战略任务。在食品干燥方面， 多是采用吸附式低温干燥。 最近几年来，我国一些学者己开始利用除湿膜进行除湿【2 7 30 1 。除湿膜一般是 1 1 采用亲水性膜，膜的种类可以是有机膜、无机膜和液膜，膜的形式可以是平板式， 也可以是具有很高装填密度的中空纤维式。 我国科技工作者对温室除湿也有一些研究。汪永斌、吕昂等在2 0 0 2 年应用计 算机集散控制原理，采用新型数字式温湿度一体化传感器( l t m 8 9 0 1 ) 和一线总 线结构，研制出一种适用于温室群的温湿毒全数字自动监控系统，可在1 0 0 天内 以小时为单位设定温湿度值并记录实测值【3 ”。因而，就对温室内的空气湿度进行 了自动调控。但是这种环境自动控制设备价格较昂贵，成本很高，要在我国大面 r 1 1 积推广应用不符合当前基本国情。 余纪柱、金海军也在2 0 0 2 年研究了塑料三连栋温室内温、湿度的变化规律， 并结合实际提出了相应的调控措施i 翊。就调控措施也仅局限于通风降湿和施水增 扬州大学硕士学位论文 8 湿等比较原始的方法，尚未就降湿装置进行优化设计及系统的研究。 张亚红、陈瑞生等开展的“目光温室空气湿度环境及除湿技术研究” 3 3 - 3 5 】。 他们对北方温室内单层( 活动层) 湿度的日周期变化规律，从湿度的日变化角度 比较分析了不同除湿技术的除湿效果。文章对强制通风降湿法进行了系统的实验 研究，但该法以失去大量温室能量为代价，显然不符合节能原则。 张亚红、李建设2 0 0 0 年发表了“只光温室空气湿度环境及除湿技术研究”。 文章对日光温室内地膜覆盖、稻草覆盖、覆膜滴灌进行了降湿对比试验，尚未对 除湿装置进行设计和研究。 由此可见，如何采用既不费过高成本适用性又广的除湿方法对封闭空间进行 除湿是本课题研究的内容。本文以广东韶关科力实验仪器有限公司的人工气候室 为主要实验对象，研究适合温室用封闭空间的空气内循环式的除湿系统。 1 3 主要研究内容和方法 在分析国内外现有除湿技术的基础上，本文设计了一种制造成本和使用成本 较低的温室用空气内循环式封闭空间除湿系统装置，并进行了下列研究： ( 1 ) 循环除湿机理的研究 ( 2 ) 除湿系统参数优化设计 ( 3 ) 除湿系统进行单位能耗的除湿量试验研究 。 ( 4 ) 吸湿箱吸附剂分布密度及分布层数与吸湿率的关系研究 ( 5 ) 除湿用风量或风速与吸湿效率的关系研究 ( 6 ) 通过正交试验进行综合分析，得出吸附剂层数及铺放密度和湿空气流速 对降低系统除湿能耗比最优的一组设计参数。 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 9 第2 章内循环式除湿气体流动方程及参数分析 2 1 气体流动的基本方程 根据流体流动【3 7 4 2 和传热的理论，除湿系统中固定床内气体的流动删是三维 湍流问题，由于湍流的复杂性，通常需要借助合适的湍流模型。在空调工程中采用 较多较成熟的湍流模型是k - r 两方程模型。在应用该模型的同时，对于靠近固体 壁面的近壁区需要采用壁面函数法处理，此处以k - s 模型和壁面函数法作为对固 定床吸附设备内气流进行数值分析的理论基础。吸附器内部气流问题有稳态和瞬 态之分，鉴于稳态可以看作瞬态的一种特殊状态，因此以下建立的模型将以瞬态 为基础。 为建立数学模型，分析固定床内气体的流动状况，做出以下假设和简化：f a ) 固 体吸附剂对气体中水分的吸附本身是一个复杂过程，因此不考虑吸附过程本身， 可把吸附剂层看作空隙率为0 3 的筛孔板；( b ) 由于空气为可压缩流体，实际吸附 过程中空气组分有所改变，进而引起空气的密度改变，当考虑到气体的密度变化 时其控制方程将变得非常复杂，为简化控制方程，忽略气体组分和密度变化的影 响，认为空气的物性参数保持不变；( c ) 除湿过程中，固体干燥剂吸附水分会放出 一定的热量，近似认为整个过程中温度保持恒定；( d ) 空气流速远小手音速，属于 低速流动，忽略能量方程中的压力项，同时 k b o u s i n e s q 假设，即在密度变化不 太大的浮力流动问题中，只在重力项中计及浮力的影响而在控制方程的其他各 项中，忽略浮力的影响( p 为常数) 。例如在连续性方程、动量随时间的变化率以及密 度变化做功中，都认为浮力的影响很小，而予以忽略。 在以上假设的基础上，应用k - r 模型湍流方程，得到恒温条件下固定床内气 体流动的基本控制方程 堕：o 僦 ( 2 1 ) 扬州i 大学硕士学位论文1 0 鲁= 一吉善+ 毒 ( v + 刚考一；毛足 筹= 毒 v + 尝 筹 + 善卜 考+ 簧 - ；毛k _ s ( 2 2 ) 赛= 毒 ( v + 鲁) 毒 + 勺善l k 考+ 警 一；一妄 c z 一， 式中c 。= 0 0 9 ，p n = 0 9 ，c k = 00 9 ，钮= 0 0 7 ，o - k = 1 0 ，( 3 - 。= 1 3 ，c 。1 = 1 4 4 ，c ：2 = 1 9 2 ，c 。3 = 1 5 。 在采用k - s 模型和壁面函数法时，边界条件的确定方法如下： ( 1 ) 进风口规定进风速度为常量魄= 常数，“，= o ，“：= 0 。由于k 没有实测 值，根据文献f 3 3 】有 k = 去彤2 ( 2 5 ) t = 等 。， 式中，平均动能百分数，= 0 5 1 5 ，k 20 4 1 ，。c 。= 0 0 9 ，这里取，警 ( 2 ) 出b i , 口规定为自由出i z i ，出口压力为o ，其它物理量的条件可按坐标局部 单向化方式处理，即不规定任何边界条件。 ( 3 ) 固定床壁面均为固体壁面，采用壁面函数法处理。 2 2 除湿系统参数 空气除湿的主要研究对象是空气，在除湿系统的设计计算、除湿设备的选择及 运行管理中往往要涉及到湿空气的状态参数和状态变化等问题，为此必须首先了 解空气的性质，然后才能研究空气除湿中的各种问题。 在热力学中，常温常压下( 空调、除湿属于此范畴) 的干空气可认为是理想 气体。所谓理想气体，就是假定该气体分子是不占有空间的质点，分子间没有相 互作用力。而湿空气中的水蒸气由于处于过热状态，及数量微少，分压力很低， 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 1 1 比体积很大，也可以近似地当作理想气体来对待。 湿空气的状态通常可以用压力、温度、相对湿度、含湿量、比容及焓等参数 来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。 下面简单介绍除湿工程中几种常用的湿空气的状态参数。 2 2 1 大气压力 环绕地球的空气层对单位面积地球表面形成的压力称为大气压力( 或湿空气 总压力) 。大气压力不是一个定值，它随各地海拔高度不同而存在差异。它常用 几表示。在除湿和空气调节的设计和运行系统中，是用仪表测定空气压力的，但 仪表上指示的压力称为工作压力，也称表压力，工作压力不是空气的绝对压力， 其相互关系为 绝对压力= 当地大气压力+ 工作压力 只有绝对压力才是湿空气的重要状态，一般的工作压力，均应理解为绝对压 力。当地大气压力值可以用“大气压力计”直接测得。 2 2 2 水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力 湿空气中，水蒸气单独占有湿空气的容积，并具有与湿空气相同的温度时， 所产生的压力，称之为水蒸气分压力，用r 表示。 根据道尔顿定律，理想的混合气体的总压力等于组成该混合气体的各种气体 的分压力之和。每种气体都处于各分压力作用之下，参与组成的各种气体都具有 与混合气体相同的体积和温度，即 p = p ( 2 7 ) 由前所述，湿空气可视为理想气体，它是由干空气和水蒸气组成的混合气体。 | l 如果湿空气的总压力为p ，则p 应是干空气的分压力p 。与水蒸气的分压力p 。之和， 即 p = p 。+ p ， ( 2 8 ) 水蒸气分压力大小直接反映了水蒸气含量的多少。在一定温度下，空气中的 扬卅大学硕士学1 1 i ) ：论文2 水蒸气含量越多，空气就越潮湿，水蒸气分压力也越大，如果空气中水蒸气的数 目超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出。在一定温度条件 下，湿空气中的水蒸气含量达到最大限度知，则称湿空气处于饱和状态，办称为 饱和空气。此时相应的水蒸气分压力称为饱和水汽分压力，用p 。表示。p 。值仅 取决于温度。 2 2 3 温度 空气中的温度表示空气的冷热程度。温度的高低用“温标”来衡量。目前国 际上常用的有热力学温标( 又称开氏温标) ，符号为l 单位为k ；摄氏温标，符 号为f ，单位为；有的国家也采用华氏温标，符号为r ，单位为。f ：这三种温标 的换算关系为： r = t 一2 7 3 1 5 ( 2 9 ) t 。c = 5 9 ( t o f 一3 2 ) 2 2 4 湿度 湿度是表示湿空气中水蒸气含量多少的物理量，在除湿操作的前后，湿空气 中绝干空气的质量没有变化，故湿空气各种有关性质都是以l k g 绝干空气为基准 的。湿度一般有三种表示方法： 绝对湿度单位容积湿空气中含有水蒸气的质量，称为湿空气的绝对湿 度。用符号表示，即 = m y v ( 2 1 0 ) 式中m 。一水蒸气的质量，k g ；卜水蒸气占有的容积，即湿空气的体积，跏3 。 饱和空气的绝对湿度，称为饱和绝对湿度，用符号m s 表示。绝对湿度是表示 单位容积中所含的水蒸气量多少。由于容积随温度变化而变化，即使m 。不变，也 随温度的变化而变化。所以在计算中用国表示空气的湿度不方便，因而需定义下 面称为含湿量的参数。 含湿量湿空气是由干空气和水蒸气组成的。在湿空气中与l k g 干空气同 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 1 3 时并存的水蒸气量称为含湿量，又称湿度。即 d ：耋鬃善芒关笔黑k g k g 绝干气( 2 - 1 1 ) 湿空气中绝干气的质量 。 。 常压下湿空气可视为理想混合气体，故上式可改写为： d ：= 0 6 2 2 p ( 2 - 1 2 、 p p 式中p 一水气的分压，p a 或k p a ； p 一总压，p a 或k p a 。 用绝对湿度不能确切反映湿空气中水蒸气的多少。而用l k g 干空气作为计算 基础的含湿量就克服了绝对湿度的不足。干空气在温度和湿度变化时其质量不变， 含湿量仅随水蒸气量多少而改变。 相对湿度在一定总压下，湿空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气 压之比的百分数称为相对湿度百分数，简称相对湿度，用符号妒表示， 口：p 1 0 0 p 。 ( 2 1 3 ) 由此可知相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。显然，值越 小，表示空气离饱和程度远，空气较干燥，吸收水蒸气能力强；值越大，表示空 气更接近饱和程度，空气较潮湿，吸收水蒸气能力弱；当值为0 时，是干空气； 而为1 0 0 时，则为饱和空气。所以由此值，可以直接看出空气的干湿程度。一 将( 2 - 1 3 ) 代入( 2 - 1 2 ) ，得： d ：= 0 6 2 2 6 p p ,j 2 - 1 4 ) p 一伊， 在一定的总压和温度下，上式表示湿空气的d 与舻之间的关系。 2 2 5 露点温度 当将某容器内湿度为d 的湿空气温度降低至某温度t 。时，一部分水蒸气再不 ，i “ 能以气体的形式存在，变为液体。这个温度就是空气的露点温度：空气的露点温 扬州大学硕士学位论文1 4 度只取决于空气的含渝量，含湿量不变时，r l 亦为定值。 2 2 6 比容 在湿空气中，l k g 绝干空气体积和相应水气体积之和称为湿空气的比容，又称 湿容积，以v 。表示。据定义可写出： m 3 绝干空气+ m 3 水气 2 露再r 或圹( 去+ h 驯l x 2 24 2 7 ：3 。+ ：t 半 = ( 0 7 7 2 + 1 2 4 4 h ) 面2 7 3 + t 半 ( 2 - s ) 2 2 7 焓 在除湿工程中，湿空气的状态经常发生变化，也经常需要确定此状态变化过 程中的热交换量。例如，对空气进行加热和冷却时，常需要确定空气吸收或放m 多少热量。从工程热力学可知，焓是工质的一个状态参数，在定压过程中，焓差 等于热交换量，即 a i = q = c p a t ( 2 _ 1 6 ) 湿空气的焓也是以l k g 干空气作为计算基础的。湿空气的焓是l k 干空气的t 焓和d k g 水蒸气焓的总和，称为( 1 + d ) k g 湿空气的焓。如果取0 。c 的干空气和0 的水的焓值为零，则湿空气的焓可表示如下，即 i = i 。+ d ，( k j k g 干空气) ( 2 1 7 ) 式中 i o 、t 分别表示1 干空气的焓和l k g 水蒸气的焓， k j k g 干空气。 f 一含有l k g 干空气的湿空气的焓，。 单位质量的干空气和水蒸气的焓分别由式( 2 1 7 ) 可得 f 。= c t , a o o ) = c p , t i ，= 2 5 0 1 + c p ，( f 一0 ) = 2 5 0 1 + c f ”( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 1 5 式中c o 一干空气的定压比热容， 蒸气的定压比热容，在常温下，c p 。 热，k j k g 。 在常温下，c 品= 1 0 0 5k j ( k g ) ；g 厂一水 1 8 3 6 k j ( k g ) ；2 5 0 1 一o 时水的汽化潜 将式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 7 ) 中可得湿空气焓的计算式为 i = 1 0 0 5 t + d ( 2 5 0 1 + 1 8 3 6 t ) ( k j k g 干空气) ( 2 2 0 ) 或 i = ( 1 0 0 5 + 1 8 3 6 d ) t + 2 5 0 1 d ( k j k g 干空气) ( 2 2 1 ) 由上式可看出， ( 1 0 0 5 + 1 8 3 6 d ) 1 1 是与温度有关的热量，称为“显热”；而( 2 5 0 1 d ) 是0 。c 时d k g 水的汽化热，与温度无关，它仅随含湿量的变化而变化，故称“潜热”。 当湿空气的温度和含湿量升高时，焓值也加大。但是，由于2 5 0 1 较1 8 3 6 和1 0 0 5 大得多，因而在空气温度升高的同时，含湿量减少的情况下，湿空气的焓值不一 l | 定增加，完全可能出现焓值不变或焓值也减少的情况。 扬州大学硕十学位论文1 6 第3 章内循环除湿系统的吸附分析 3 1 固体吸附 吸附现象i 4 。46 j 早已被人们所发现。两千多年前人们就已经采用木炭来吸湿和 除臭了，湖南长沙马王堆出土的汉墓中就有木炭，考古学家认为这是墓主当时用 木炭来吸收墓室中的潮气。所以固体吸附是一种古老的技术。随着科技朐进步和 研究的深入，当今吸附原理己经在化工生产和吸附式制冷中得到进展【4 7 1 。 吸附是指气体吸附质被吸附到固体表面的行为，按照作用力的不同，吸附叮 分为物理吸附与化学吸附。 物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子问吸引力， 即所谓的范德华力( v a nd e rw a a l s ) 。因此，物理吸附又称范德华吸附，它是一种可 逆过程。当固体表面分子与气体或液体分子间的引力大于气体或液体内部分子问 的引力时，气体或液体的分子就被吸附在固体表面上。从分子运动观点来看，这 些吸附在固体表面的分子由于分子运动，也会从固体表面脱离而进入气体( 或液体) 中去，其本身不发生任何化学变化。随着温度的升高，气体( 或液体) 分子的动能增 加，分子就不易滞留在因体表面上，而越来越多地逸入气体( 或液体) 中去，即所谓 “脱附”。这种吸附脱附的可逆现象在物理吸附中均存在。工业上就利用这种现象， 改变操作条件，使吸附的物质脱附，达到使吸附剂再生，回收被吸附物质而达到 分离的目的。物理吸附的特征是吸附物质不发生任何化学反应，吸附过程进行得 极快，参与吸附的各相间的平衡瞬时即可达到。 化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果。此类型的吸附 需要一定的活化能，故又称“活化吸附”。这种化学键亲和力的大小可以差别很大， 但它大大超过物理吸附的范德华力。化学吸附放出的吸附热比物理吸附所放出的 吸附热要大得多，达到化学反应热的数量级。而物理吸附放出的吸附热通常与气 体的液化热相近。化学吸附往往是不可逆的，而且脱附后，脱附的物质常发生了 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究1 7 化学变化不再是原有的性状，故其过程是不可逆的。化学吸附的速率大多进行得 较慢，吸附平衡也需要相当长时间刁唷达到，升高温度可以大大地增加吸附速率。 对于这类吸附的脱附也不易进行，常需要很高的温度才能把被吸附的分子逐出去。 人们还发现，同种物质，在低温时，它在吸附剂上进行的是物理吸附，随着温 度升高到一定程度，就开始发生化学变化转为化学吸附，有时两种吸附会同时发 生。化学吸附在催化作用过程中占有很重要的地位。 1 本文对温室中湿空气的除湿使用的吸附剂对水分的吸附属于物理吸附。 3 2 吸附时的传质 当含有吸附质的流体( 气体或液体) 与吸附剂接触时，吸附质将被吸附剂吸 附，单位时间内被吸附的吸附质的量称为吸附速率( k s ) 。对于一定体系，在一 定的操作条件下，气相吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程4 7 5 4 1 分为 两步：第一步是从流体主体通过吸附剂颗粒周围的气膜到达颗粒的表面，为外部 传递过程或简称为外扩散。第二步是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部，称为 传递过程或简称内扩散。吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后向颗粒内扩 散，脱附时则逆向进行。图3 1 为固体吸附颗粒在流体中吸附过程的示意图。 塑叠堑一一一一一一一? 一一i j l 。i j 。2 j i 一? t 7 、 x ，c ， 一 | 一警t jf 。 蛾i 罐鬻。j i 图3 - l 吸附质在吸附剂上的扩散示意图 l 、外扩散2 、外表面吸附3 、表面扩散4 、孔扩散5 、内表面吸附 扬州大学硕士学位论文 在吸附除湿操作中，吸附时的传质速度般由下列机理决定的： ( 1 ) 在吸附剂颗粒外流体边界层内的对流传质； ( 2 ) 在吸附剂颗粒内部被吸附物质的分子扩散； ( 3 ) 在吸附点进行吸附反应。 按照传质学理论，总的传质阻力是上述各项传质阻力的和，所以总的传质速 度是由速度最慢的一项决定的。由于物理吸附是可逆的，开始吸附的速度比脱附 速度快，使吸附剂表面上被吸附组分的浓度逐渐增加，当两者速度相等时，即达 到吸附平衡。在上述步骤中，吸附与脱附这两步的速度远比外扩散与内扩散为快。 因此，通常影响吸附过程总速度的是外扩散与内扩散速度。 根据上述机理，考虑到固体吸附是非稳态过程，对于某一瞬间可按拟稳态处 理，吸附速率 5 5 - 6 0 1 可以用外扩散和内扩散或总传质速率方程来表示。 ( 1 ) 在固定层吸附操作中，当流体流经吸附剂颗粒的表面时，在粒子外面就会 产生一层边界层，颗粒外表面单位面积的传质速度由下式表示，即 m 。= 印。( c o 一峨) ( 3 - 1 ) 式中m 。一水分传递率，k g ( m 2 s ) ； i 一对流传质系数，m s ； ，。干空气密度，k g m 3 ； i 一颗粒外空气主流绝对湿度，k g k g ； 蛾一颗粒表面与空气的平衡湿度，k g k g ；由表面吸附量和材料吸附等温线决 。1 定。 对流传质系数可用卡巴莱( c a r b a r r y ) 公式计算，即 跏：1 1 5 r e o 5 s c i i 3( 3 - 2 ) 式中一施密特数。 舍伍德数鼢和雷诺数r e 的定义分别为 陈小兰温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 1 9 鼬：堕 d 。 nd p u p d k e = 一 “。s 式中 屯一吸附剂直径，n l 女一水蒸气在空气中的扩散系数，m 2 s u 一空气平均流速，m l s ； 儿一空气动力黏度，p a s s 一填充床