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当前除湿技术的文献综述
发布时间:2021-10-18

  摘    要: 以文献综述的方式对当前的除湿技术进行了较为详细的分析,从各除湿技术的原理、类别、优缺点以及全生命周期等进行了分析与比较。当前除湿技术已被运用于生活与生产中,未来除湿技术在各个领域的应用将更加广泛。

  关键词 :     除湿技术;除湿分类;冷凝除湿;

  Abstract: In this paper, a detailed analysis of the current dehumidification technology was carried out in the way of literature review. The current dehumidification technology has been applied in life and production, and the future dehumidification technology will be more widely used in various fields.

  Keyword: dehumidify; dehumidification classification; condensation dehumidifiation;

  引言

  湿度和人们的生产生活具有密切联系。无论是生活时所处的环境,还是生产活动中所需要的条件,都是一个不可忽略的因素。如对于舒适性,夏季空调相对湿度宜维持在40%~80%、冬季采暖相对湿度宜维持在30%~60%[1]。此外还有其他领域对湿度的要求不同。当今社会,随着人类社会的发展,人们对于环境中湿度的要求越来越高,而除湿技术也已经在生活、生产中广泛运用。

  除湿技术有很多种类,并且在不同的环境中除湿的要求也不同。曾等[2]介绍了舒适性空调、设备用气等领域的除湿要求,并以露点为依据对除湿进行了等级划分。除了除湿要求不同之外,除湿系统所需要的装备成本、能耗与后期维护等也各不相同。

  综上所述,目前的较多研究和应用均涉及到除湿领域,所以本文以文献综述的方式对一些除湿技术进行原理的介绍以及较为详细的分类,并针对近来的除湿研究从优缺点、全生命周期以及耦合系统等方面对其进行简略分析。

  1、 除湿技术

  1.1 、冷凝除湿

  1.1.1、 冷凝除湿原理

  冷凝除湿是应用较广泛的除湿技术,利用了露点法的原理,将湿空气接触某物体表面,使其冷却至露点温度以下,凝结为液态水,然后再对空气进行加热排出,从而降低空气湿度。

  1.1.2 、冷凝除湿分类

  根据冷凝除湿的原理,可分为压缩除湿、热电冷凝除湿和热泵除湿。

  压缩除湿是通过对空气加压实现较高的露点,再用冷冻除湿的方式将温度降至露点以下;热电冷凝除湿属于新型除湿技术,建立在热电制冷的基础上,主要是利用了塞贝克效应和珀尔帖效应,而关键是珀尔帖效应;热泵除湿是以热泵技术为基础的除湿方式,热泵技术[3]本质是运输热量,以逆循环方式将热量从低温环境送至高温环境,可以有效地利用低品位热源。该除湿技术[4]可以多种热源为能源,如空气源、水源、地源等。热泵除湿可按干燥器、热泵工质与物料接触方式、干燥介质的循环等分类。该技术已广泛地应用于木材干燥、食品加工和物料的干燥过程等。
 

当前除湿技术的文献综述
 

  1.1.3 、优缺点及全生命周期分析

  冷凝除湿是现在一种成熟、可靠的除湿技术,性能稳定,可连续除湿。其中压缩制冷除湿效率高,环境相对湿度下降快,不需要热源,在除湿量较大时更为经济。但其对环境不友好,产生的氟利昂会破坏臭氧层,并且难以深度除湿。从其全生命周期分析,制冷除湿设备成本较高、耗能大,不宜在温度过高或过低的场所使用,维护保养比较麻烦。

  热电冷凝除湿[5]相比于传统的除湿技术,具有以下优势:设备体积小、稳定性高;无需制冷剂和干燥剂,对环境友好;对环境要求低,即可在较为恶劣的环境中工作;热电除湿装置可以利用低品位能源。虽然热电除湿技术运用越来越广泛,但仍存在众多问题。从其全生命周期分析,该除湿技术装置结构简单,设备成本较低,后期也不需要经常维修。

  热泵干燥技术[6]具有以下优势:明显的节能效果且十分高效;对环境友好无排放,可密闭不受外界环境影响;在工作时可获得冷量,能够加以利用;一种较为温和的干燥方式,对干燥物基本无影响。但其设备需要高品位能源供应。从其全生命周期分析,设备内部装置成本高,前期投入大,投入使用后维护保养要求高,需要有一定技术的维修人员定期维修,检查工质是否泄漏。

  1.1.4、 与其他技术的耦合

  冉广鹏等[7]提出将冷却除湿与转轮除湿结合的新风除湿系统,实验结果表明新的除湿系统提高了除湿量;查小波等[8]提出基于蒸发冷却技术的间接蒸发冷却与冷凝除湿新风系统,实验结果表明系统具有较高的节能潜力;魏超等[9]就某地下水电站的潮湿和结露问题,提出了冷却除湿和转轮除湿综合运用的除湿改造方案,彻底解决了潮湿结露问题。

  1.2 、溶液吸收除湿

  1.2.1、 溶液吸收除湿原理

  溶液吸收除湿的原理是除湿溶液表面饱和水蒸汽分压力低于同温度下水表面饱和空气层水蒸汽分压力,以此将空气中的水分子转移至溶液中,达到空气除湿的效果。除湿溶液(除湿剂)一般有二甘醇、三甘醇和氯化锂水溶液等[10]。

  1.2.2、 溶液除湿分类

  溶液除湿系统一般由除湿器、再生器和循环泵构成,其中根据是否对空气和液体之间的热质交换过程进行冷却,可将除湿器分为绝热型(即除湿器与外界热传递很少,可忽略)和内冷型(即除湿器工作时,被外加的冷源冷却,内冷型除湿器根据冷却介质的不同,根据冷却介质的不同,分为空气冷却型、水冷却型和混合冷却型[11])。又可根据溶液再生形式的不同将再生器分为空气式和沸腾式,以及新提出的电渗析溶液再生法[12]。

  1.2.3 、优缺点及全生命周期分析

  溶液除湿相对于传统的冷却除湿具有以下优势[10,11,12]:在利用太阳能、工业余热等低品位热源方面有一定优势,节能环保;能够实现对热、湿负荷的独立控制,系统设计灵活;除湿溶液除可以作为除湿剂除湿外,还可以消灭细菌和微生物等有害物,提高空气品质。由于该除湿方式的特殊性,所以受限于除湿溶液,而当前对除湿溶液和除湿器的研究较少;经过除湿溶液的空气可能附带液体。张[8]等列出理想除湿溶液应具备的一些特性:表面蒸气压低,溶解度高,挥发性小,腐蚀性小,性质稳定,无毒等。从其全生命周期分析,溶液除湿设备成本较高,并且除湿溶液的再生耗能较大,由于其溶液多为腐蚀性液体,投入使用后一方面需要注意控制溶液的浓度,避免损坏循环泵或堵塞;另一方面需要定期补换除湿溶液,有较高的设备维护费用。

  内冷型除湿器[8]降低了溶液的温度,保持了其除湿能力。不同的冷却介质的除湿器有着不同的特点,如空气介质除湿器,可带走部分汽化潜热,提高传质过程;水冷介质除湿器[13]所需溶液除湿流量小,蓄能能力强,但比表面积小,结构复杂。

  绝热型除湿器[13]单位体积的换热面积(比表面积)大,能处理流量较大的湿空气,并且结构简单紧凑,但绝热型除湿器与外界热的传递少,除湿过程产生的热量被空气和溶液吸收,导致溶液除湿效果下降。虽可通过加大除湿溶液流量来增强除湿效果,但溶液除湿能力仍会有所下降,并且导致溶液耗费。

  1.2.4、 与其他技术的耦合

  刘松松针对传统空调采用冷却除湿的方法,存在再热损耗、热湿比适应性差等问题,提出热泵预热型溶液除湿空调系统,该系统耦合传统的热泵系统和溶液系统,解耦处理热湿负荷[14]。折晓会提出了一种溶液除湿蒸发过冷复合制冷系统,主要包括蒸汽压缩制冷循环、溶液除湿再生循环和间接蒸发冷却循环。旨在解决制冷剂过冷方法存在的不足,以及冷凝热的利用需要较高的冷凝温度(60℃以上),降低了系统性能等问题[15]。

  1.3 、吸附与转轮除湿

  1.3.1、 吸附与转轮除湿(吸附和吸收)原理

  吸附除湿是利用固体吸附剂吸附空气中的水蒸汽来除湿的,常见的固体吸附剂有活性炭、硅胶、溴化锂和氧化钙等。活性炭这类固体吸附剂具有大量孔隙,与空气接触面积大,除湿过程为物理作用;而氧化钙这类固体吸收剂,吸收水分后变成带有结晶水的水化物,除湿过程为物理化学过程。

  1.3.2 、吸附与转轮除湿分类

  吸附转轮除湿装置一般分为除湿区和再生区。吸附转轮除湿根据除湿区吸附装置分为固定床式和旋转式,而旋转式一般为蜂窝状式转轮。

  固定床式系统[16]一般采用间歇式的工作方式,可通过切换实现两个固定床交替除湿和再生的过程,从而使系统连续除湿。旋转式除湿器一般以蜂窝状式转轮[17]作为主体,该结构用载有固体吸附剂的特殊复合耐热材料制成。内用隔板分别为270°和90°的两个扇区,前者除湿,后者再生。

  1.3.3、 优缺点及全生命周期分析

  当前的转轮除湿技术已较为成熟,并广泛应用于医疗制药、食品加工等行业。与传统的压缩冷凝除湿相比具有以下优势[18]:采用转轮除湿技术可节约总的电力消耗,已实现节能;低能消耗,所需要的热源温度要求低,能够利用太阳能、余热等低品位能源;能够较好地控制周围环境的相对湿度低达±1%;除湿所用吸附吸收剂无污染,对环境友好。但也存在很多不足,如吸附吸收剂除湿能力差,能源利用效率较低,在相对湿度较高时需要增加加热器避免吸附剂过饱和等。从其全生命周期分析,该设备结构较复杂,成本费用较高,使用后耗能较低,后期维护较为简单。

  固定床式吸附除湿系统具有处理风量大、适用范围广等优点。李维等[19]人以硅胶为吸附剂,对固定床式除湿性能进行了实验分析。固定床的床结构、吸附材料和湿空气进口温度、含湿量都会影响系统的除湿性能。

  蜂窝状转轮除湿系统[17]可以连续除湿,采用的固体吸附剂避免了带液问题,但由于除湿过程为绝热除湿,其除湿效果随着吸附热的产生而降低,再生温度也随吸附温度升高而提升,需要辅助热源实现再生。

  1.3.4 、与其他技术的耦合

  刘异等提出高温热泵转轮除湿及辐射供冷复合空调系统,高温热泵转轮除湿系统承担全部潜热和新风复合,辐射板承担显热复合,分析得出了其满足高温高湿地区的湿负荷处理要求[20]。李江波提出将热管换热器替代传统的热交换热备,组成两极转轮除湿和热管换热器复合空调系统,并研究了复合系统的地区适用性[21]。

  1.4 、膜除湿

  1.4.1 、膜除湿原理

  膜除湿技术[22]是以膜分离技术为基础的新型除湿技术,膜分离技术原理是一种利用膜材料的选择透过性,使得湿空气在通过膜表面时,水蒸气透过膜进入而其他气体不能透过,实现了水蒸气与干燥空气分离。该技术以膜两侧水蒸气压力差为驱动力,在渗透侧水分子容易聚积,使后续透过速率降低,导致除湿效率下降,通常可采用吹扫、抽真空等方法去解决。

  1.4.2 、膜除湿分类

  除湿膜[22]是膜除湿技术最核心的部件,膜除湿技术通常以除湿膜为基础进行分类。根据膜的物理结构和化学性质,除湿膜可分为微孔膜、均质膜和复合膜:

  1)微孔膜的结构比较疏松,孔径范围是3~100nm,其除湿原理和传统的过滤机理类似;

  2)均质膜的孔径一般在1.5 nm以下,结构非常紧凑,又叫致密膜,其分离效率取决于组分在膜中的扩散系数和溶解度;

  3)复合膜是由支撑层和分离层构成,支撑层通常由多孔材料制成,为除湿膜的机械性能和化学稳定性提供保障,分离层很薄,且具有良好的选择渗透性。

  膜材料可分为高分子聚合膜、无机膜和液膜:

  1)高分子聚合膜的特点主要是自带的羟基或亲水性基团可与水分子之间形成氢键,水分子被吸附到膜表面,扩散透过膜,并在膜的另一侧脱附,而其他气体成分却不能被膜表面吸附,从而达到除湿的目的;

  2)无机膜是以无机材料为分离介质制成的具有分离功能的渗透膜,主要包括陶瓷膜、金属膜等;

  3)高分子聚合膜和无机膜的活性层均为固体,而液膜的活性层是液体。液膜的工作原理主要是溶解和扩散[23]。除此之外,张琪根据除湿机理又将膜除湿技术分为亲水膜除湿技术和疏水膜除湿技术[24]。

  1.4.3、 优缺点及全生命周期分析

  膜除湿技术[25]是一种新型的除湿技术,与传统除湿技术相比,膜除湿技术不需要吸附除湿挤或干燥剂,不需要再生或再加热,除湿过程连续,运行安全可靠,除湿效率高,环保无污染,占地小且可随意安装。从其全生命周期分析,除湿膜的相对成本较高,膜除湿设备结构简单,成本低。投入使用后,运行过程能耗低,后期容易维护并且费用低。

  制备除湿膜的高分子聚合材料有丙烯酰胺、乙烯醇等聚合物。不同的高分子聚合材料制成的膜也有各自的特点,如聚丙烯酰胺-共-丙烯酸(PA-MAC)复合膜的除湿效果与操作的条件有关,改变气体的湿度、流速和温度均对除湿效率产生影响,其具有较强的吸水性,在一定温度下稳定性强;聚乙烯醇(PVA)制得的薄膜有较强的亲水性、气体分离性能好,并且物理和化学性质都比较稳定,还具有可降解的优点。虽然存在众多的优点,但也有不足之处,如高分子聚合膜在长期工作之后,会出现渗透通量降低、机械强度会有一定下降等问题。

  无机膜具有耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂、抗微生物入侵以及机械强度好等特点。

  液膜很好地避免了固体膜选择性低、通量小的问题。目前常用于液膜除湿的液体亲水性物质有室温离子液体、三甘醇等。

  1.4.4、 与其他技术的耦合及展望

  目前,对膜除湿与其他除湿技术相耦合还有待研究,膜除湿技术相对于其他除湿方式具有显着的优势,将膜除湿技术与冷冻除湿技术、溶液除湿技术等其他除湿技术相耦合或可完成单独系统无法完成的工作,未来可能成为膜除湿研究的又一个方向。

  2 、结论与展望

  2.1 、结论

  1)除湿技术均存在自己的优势与不足,有待进一步发展,而发展方向与其关键部件或关键材料等联系密切。关键部件或材料的发展可能会给除湿技术带来新的突破。

  2)单一的除湿技术无法避免一些不可解决的问题,与其他技术的耦合有望解决这些问题,在经济或效率上更优化。

  2.2、 展望

  传统的冷却除湿系统还存在众多问题:能耗高、效率低、对环境不友好等。未来热电材料的发展、热泵干燥器的发展,以及冷却除湿与余热利用装置或与其他除湿技术的集成技术都会成为该除湿技术的发展方向。

  溶液除湿系统不仅能够除湿,还能够消灭空气中的细菌等,未来溶液除湿运用范围将会更加广阔;除湿器和再生器作为溶液除湿系统中的关键部件,其制作工艺或传热传质面积的优化等方面,是未来溶液除湿技术发展的重要方向;除此之外,除湿液的发展也将进一步带动该技术的发展。

  固体转轮除湿系统的环保适用范围广等优点突出。除湿系统中吸附剂是关键材料,降低吸附剂再生温度以及吸附剂的复合优化可能是转轮除湿发展的一个方向,未来转轮除湿系统在机械设备、电子工业等领域会得到更广泛的使用。

  除湿膜作为该系统的重要部件,其制备材料、方法的发现和发明以及对除湿膜的优化改良都将推动该技术的发展。膜除湿技术在能耗低、操作简易等方面优势突出,符合可持续发展的主题,应对其推广并加以发展。

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