不同固态除湿剂涂布热交换器除湿系统之吸湿效率研究

技術學刊 第三十卷 第一期 民國一四年 41 Journal of Technology, Vol. 30 No. 1, pp. 41-46 (2015) 不同固態除濕劑塗佈熱交換器除濕系統之 吸濕效率研究 駱文傑* 鄭育昇 林志樺 國立勤益科技大學冷凍空調與能源系 摘 要 本研究以矽膠、聚丙烯酸鈉乾燥劑塗佈於鰭管式熱交換器，利用乾燥劑吸附空氣中水蒸氣的原理來增強傳統冷卻除濕的效能。本實驗分別以不同進風溫度 18C、25C、30C 與固定濕度為 85%RH 及風量 0.048 m3/s 作為實驗條件，以探討不同乾燥劑熱交換器於不同進風溫度狀態下的除濕量之分析。本研究之結果顯示：在進風溫度 25C 的狀態下，聚丙烯酸鈉熱交換器增強冷卻除濕效能高達 64%，矽膠熱交換器也可增強 42.48%，取決於乾燥劑本身孔隙容量的不同影響除濕量。並針對加熱再生的熱水溫度 70C 調降為 60C，能有效的脫附乾燥劑內所吸附的水蒸氣，相對再生溫度較於其他高效除濕設備，可減少再生過程時的耗能。本研究發現不同乾燥劑熱交換器最佳冷卻吸附及加熱再生過程中的操作時間，可作為日後除濕設備以自動化控制的時間設定。 關鍵詞：矽膠，聚丙烯酸鈉，固態除濕，除濕效率。 HYGROSCOPIC EFFICIENCY ANALYSIS OF DESICCANT COATING HEAT EXCHANGERS WITH DIFFERENT SOLID DESICCANTS Win-Jet Luo* Yu-Sheng Cheng Chih-Hua Lin Department of Refrigeration, Air Conditioning and Energy Engineering National Chin-Yi University of Technology Taichung, Taiwan 41170, R.O.C. Key Words: silica gel, sodium polyacrylate, dehumidification efficiency ABSTRACT This study used desiccants of silica gel and sodium polyacrylate coated on fin and tube heat exchangers to enhance the absorption of water vapor in the air in comparison to that of conventional cooling and de- humidifying methods. The experimental results show that, while the inlet air temperature and relative humidity were 25C and 85%, respectively, the vapor absorbent abilities of the two desiccants were better then those under different inlet air temperatures. The enhancement of the dehumidification efficiencies of sodium polyacrylate and silica gel were 64% and 42.8%, respectively, in comparison to those of conventional cooling and dehu- midification methods. The heat exchangers with two desiccant coating *通訊作者：駱文傑，e-mail: wjluoncut.edu.tw Corresponding author: Win-Jet Luo, e-mail: wjluoncut.edu.tw42 技術學刊 第三十卷 第一期 民國一四年 were also periodically operated between the absorption and the regen- eration processes. While the inlet air temperature was 25C, 60C hot water was supplied for the regeneration process in order to reach a balanced state between the amount of absorption vapor and regenerated vapor. During a cycle of the absorption and regeneration process, the average vapor absorption values per unit were 0.0018 gvapor/g min for silica gel and 0.004 gvapor/g min for sodium polyacrylate respectively. For the sodium polyacrylate, the period of absorption process is much longer, and the period of regeneration process is also shorter. Thus, the dehumidification efficiency in DCHE possessed better performance. 一、前 言 在空調系統運轉過程中，對於空氣的除濕是一項高耗能的過程。除濕過程所消耗的電能，約佔空調系統總耗能的 2040%。在過去，為節省能源的消耗，在空調設計時，為了達到降低溫度與濕度標準，減少引入外氣量等劣質的節能措施。但劣質的節能措施使室內汙染物不能得到有效的控制與排放，使室內空氣中的汙染物增加，造成空氣品質的惡化，因此室內空氣品質 (indoor air quality, IAQ) 問題漸漸受到人們的關注，並促使人們開始探求能保證室內空氣品質，維護人們身心健康及提高工作效率的方法和措施。 目前，台灣常使用的除濕方式為冷卻器降溫除濕，為了滿足室內空氣溫度為 24C 舒適性的需求，相對應的露點溫度為 14C，為了達到除濕的目的，需要將冷媒蒸發溫度降到很低溫的狀態，以使得乾空氣降至同樣低溫的狀態，使空氣中的水蒸氣進行冷凝過程，以達到除濕的效果。在某些情況下，為達到環境條件的要求需要對除濕後的空氣進行再熱，因此造成能源的浪費。近年來空調設備的發展逐漸朝向將除濕與降溫過程分開獨立處理，也就是乾濕分離的概念，使用溫度較高的冷源就能把空氣處理到送風狀態，提高了冰水機或冷卻設備的效率及節省耗電量，也可提高室內的舒適性。因此開發更有效率與節能的除濕技術，對於能源有效利用與環境保護有重要意義。 固態除濕的研究張永泉1採用多種乾燥劑利用電滲除濕法進行實驗分析，實驗結果說明了電流與電壓、出水量及乾燥劑試驗材料之間的關係，電壓越高，初始電流較大，出水速率同電壓的大小為成比例，出水量曲線同電流變化曲線相符合。Zhang et al. 2，研究二氧化矽塗佈鰭管式熱交換器的實驗分析，據實驗結果空氣的溫度及風速在吸附過程有顯著的影響。賈春霞，吳靜怡和代彥軍3，透過實驗比較了矽膠和氯化鋰轉輪的除濕性能，研究運行條件 (處理空氣進風濕度、溫度、再生溫度、處理風量) 對轉輪除濕性能的影響。李振宇等人4，利用轉輪除濕系統以五種方法進行分析，藉此五種方法可降低除濕轉輪的噸數、除濕再生風量等因素來達到減少耗能及運轉費用。Inaba et al. 5以有機吸附劑聚丙烯酸鈉塗層於熱交換器，實驗發現風速及進入熱交換器的水溫影響水蒸氣的吸附效率。Ge, Dai, and Wang 6在實驗固定的條件下，矽膠塗層換熱器的再生溫度表現比聚合物好，進風溫度和濕度對系統性能的平均水分去除率 (davg) 的影響和熱性能係數 (COPth) 的進行了分析。Yuan et al. 7，新修改的交叉冷卻緊湊型固體除濕 (cross-cooled compact solid desiccant dehumidifier, CCCD) 提出，其數學模型描述熱和潮濕的空氣和乾燥劑之間的傳質過程，模擬的除濕性能與實驗結果。結果表明，本文提出的性能的 CCCD 比無冷卻散熱效果要好得多。它證明了除濕與冷卻用矽膠可以大大提高其性能。 二、研究方法與實驗架設 本研究以固態乾燥劑塗佈於鰭管式熱交換器，其乾燥劑塗佈熱交換器稱之為 DCHE，通過乾燥劑熱交換器的濕空氣，利用固態乾燥劑吸附濕空氣中的水蒸氣對空氣進行除濕。實驗利用恆溫恆濕機供給恆定溫溼度於乾燥測試箱體，為了補足恆溫恆濕機所供給濕度不足的情況下額外加裝加濕器，以文獻2所提到最佳的風速 0.25 m/s 進行實驗，利用送風機馬達調整風速，再於除濕箱體所量測靜壓差算出風速、風量分別為 (0.25 m/s、0.048 m3/s)。在乾燥測試箱體的前後端裝有鋁製蜂巢板，將進入的空氣均勻的流過乾燥劑熱交換器，前端蜂巢板與乾燥劑熱交換器的距離為 300 mm，在熱交換器前後裝置溫濕度計測量溫溼度的變化，箱體後端加裝送風機強制將空氣帶出口，在箱體內裝置大小頭噴口形成靜壓差，利用微壓差計量測出靜壓差經由計算出風速與風量，再生與吸附過程所需的冷熱水是由低溫恆溫水槽來供給。圖 1 為實驗裝置示意圖。 三、實驗結果與討論 1. 不同乾燥劑塗布於熱交換器之吸溼及加熱還原效率 將熱交換器加熱再生矽膠及聚丙烯酸鈉熱交換器於相同送風狀態下 (25C、85%RH)，為了使乾燥劑熱交換器能再次利用需要脫附乾燥劑內所吸附的水蒸氣，以 70C的熱水進入熱交換器來進行加熱再生實驗，加熱再生過程 駱文傑、鄭育昇和林志樺：不同固態除濕劑塗佈熱交換器除濕系統之吸濕效率研究 43 圖 1 實驗裝置示意圖 0 5 10 15 20 25 30-0.500.511.52 Cooling Silica gal Sodium polyacrylateTime (min)Mvap (gvapor/min)圖 2 進風溫度 25°C 加熱再生過程圖 質量傳遞率 (Mvap) 曲線，如圖 2 所示，發現矽膠熱交換器與聚丙烯酸鈉熱交換器以進風溫度 25C 的狀態下再生量差異並不明顯，但聚丙烯酸鈉熱交換器再生量還是優於矽膠熱交換器再生量 。 再生實驗經過 12 分鐘後各曲線皆於平緩狀態且 Mvap回歸於 0 gvapor/min，顯示熱交換器已再生完成狀態。 將熱交換器冷卻除濕矽膠及聚丙烯酸鈉熱交換器於相同送風狀態下 (25C、85%RH)，進出口空氣的濕度比差值與空氣質量流率 ( m) 作計算可得 Mvap。冷卻吸附過程如圖 3 所示，可看出 Mvap曲線。而在進風溫度 25C時可明顯的觀察出不同乾燥劑的吸濕量的差異性，聚丙烯酸鈉熱交換器的增強除濕效果最佳，在進行冷卻吸附過程前 5 分鐘的水蒸氣 Mvap會有明顯變化。5 分鐘之後各曲線慢慢趨於平緩，在平緩段熱交換器仍有進行等速率的吸附作用，因實驗條件冷卻水 (7C) 的關係，出現熱交換器上會有冷凝水的現象，故曲線最後無法回到起始點狀態。 表一 不同熱水溫度於矽膠熱交換器再生實驗紀錄表 實驗條件 熱水 70C 熱水 60C 熱水 50C 時間 (min) 30 分鐘 矽膠乾燥劑重量 (g)143 g 再生量 (gvapor) 6.2812 6.802 5.0309 矽膠再生時間 (min)9 15 10 矽膠再生耗能 (kw