淺談術(shù)語 “氣體吸濕劑”

夏 青，黃 翔，殷清海

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048）

1 前言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)就是利用水蒸發(fā)吸熱的原理，獲得冷風(fēng)或冷水的技術(shù)。當(dāng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)存在如溫降有限，無法實現(xiàn)除濕功能及體積大等若干問題時［1］，把蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)與機(jī)械制冷、除濕技術(shù)相結(jié)合，可以有效的克服蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)存在的一些弊端。空氣中相對濕度的大小不但影響著人類的生活環(huán)境，而且對工業(yè)生產(chǎn)及科研設(shè)備的運行都有重要的影響。尤其在我國福建等一些高濕度地區(qū)，如何保證一些場所所需要的低濕度、低溫度環(huán)境，對改善人居環(huán)境、保障設(shè)備運行、提高生產(chǎn)效率都具有非常重要的意義。濕空氣和吸濕劑之間的熱濕傳遞過程在蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，用吸濕劑處理過程是空氣和吸濕劑接觸時，利用吸濕劑能從空氣中吸收水汽的能力來達(dá)到空氣減濕的效果。近年來，隨著除濕技術(shù)的不斷發(fā)展，一些采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)與除濕方式的處理裝置已經(jīng)在建筑中得到了很好的實踐效果，在蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用［2］。

提到吸濕劑的類型時，我們經(jīng)常會想到“固體吸濕劑”、“液體吸濕劑”。固體吸濕劑即是利用吸附原理，吸附濕空氣中的水分，達(dá)到空氣除濕的目的;液體吸濕劑即是利用吸收原理，通過濃溶液吸收濕空氣中的水分，達(dá)到空氣除濕的效果。我們知道，自然界中物質(zhì)的相態(tài)可分為氣相、液相和固相三大類。既然有“固體吸濕劑”和“液體吸濕劑”，自然而然也存在著“氣體吸濕劑”。因此在本文中，我們提出一種新型的吸濕劑，即“氣體吸濕劑”的概念。所謂氣體吸濕劑是一種特殊的、氣態(tài)的干燥劑，比如說極為干燥的空氣—壓縮空氣，這種干燥的空氣通過與濕空氣混合，達(dá)到被處理空氣除濕的效果。本文對此術(shù)語進(jìn)行了初步的探討。

2 固體吸濕劑

所謂固體吸濕劑，就是能從空氣中吸附水蒸氣的一種固體物質(zhì)，亦稱固體干燥劑。利用表面積很大的多孔物質(zhì)，在表面吸附和毛細(xì)管凝結(jié)下吸收空氣的水分。由于固體吸濕劑表面的水蒸汽分壓力低于空氣中水蒸汽分壓力，從而吸收空氣中的水分，達(dá)到空氣除濕的目的。在空調(diào)工程中，最常用的固體吸濕劑是硅膠和氯化鈣。在焓濕圖上，使用固體吸濕劑的空氣處理過程為等焓升溫。當(dāng)固體吸濕劑和濕空氣接觸時，固體吸濕劑吸收濕空氣中的水分，同時放出汽化潛熱，使空氣升溫，而空氣減濕前后的焓值不變。

固體吸濕劑在蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)中的典型應(yīng)用是用在轉(zhuǎn)輪中，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)利用固體吸濕劑吸收空氣中的水分來達(dá)到空氣除濕的目的。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)輪，它由特殊復(fù)合耐熱材料制成的波紋狀介質(zhì)所構(gòu)成，波紋狀介質(zhì)中載有固體吸濕劑［3］。使用固體吸濕劑的優(yōu)點是設(shè)備比較簡單，投資和運行成本較低。而缺點是固體吸濕劑吸濕到一定程度后，需要再生，除濕的性能也不穩(wěn)定，適合使用在除濕量較小的場所［4］。

3 液體吸濕劑

所謂液體吸濕劑，就是能從空氣中吸收水蒸氣的一種液體物質(zhì)，亦稱液體干燥劑。液體吸濕劑除濕就是利用液體吸濕劑具有很強(qiáng)的吸濕和容濕能力直接處理空氣，當(dāng)液體吸濕劑與濕空氣直接接觸時，推動力為空氣中水蒸氣的分壓力與液體吸濕劑表面的飽和蒸汽壓之差，從而實現(xiàn)空氣除濕的效果。在除濕過程中，液體吸濕劑會放出熱量，此熱量是空氣中水分由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時釋放出來的熱量，濕空氣的含濕量下降，液體吸濕劑吸收空氣中的水分變成稀溶液［5～7］。在焓濕圖上，根據(jù)液體吸濕劑的濃度和溫度不同，可以實現(xiàn)等焓減濕過程和等溫減濕過程。

在空調(diào)工程中，使用的液體吸濕劑有氯化鈣、氯化鋰、溴化鋰等。氯化鈣吸濕劑的吸濕性能最差，而且有較強(qiáng)的腐蝕性;氯化鋰和溴化鋰吸濕劑都具有較強(qiáng)的吸濕能力，在國內(nèi)外使用較多［8］。使用液體吸濕劑除濕的主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)空氣的大幅度減濕，使空氣達(dá)到很低的含濕量;而缺點則是液體吸濕劑除濕過程需要一套鹽水溶液的再生設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，初投資高，適用于含濕量要求很低的場所。

4 氣體吸濕劑

所謂氣體吸濕劑，就是通過與濕空氣混合，能從濕空氣中稀釋水蒸氣的一種特殊的、氣態(tài)的干燥的空氣，亦稱氣體干燥劑。氣體吸濕劑除濕就是利用兩種濕度不同的空氣 （干燥空氣和濕空氣）混合發(fā)生熱質(zhì)交換的過程，從而實現(xiàn)濕空氣稀釋除濕的效果。氣體吸濕劑不需要再生，除濕性能穩(wěn)定，是一種低成本、綠色吸濕劑，以下主要介紹兩種常見的氣體吸濕劑—壓縮空氣和干空氣。

4.1 壓縮空氣

目前壓縮空氣已廣泛應(yīng)用于石油、制氧、航空等工業(yè)領(lǐng)域，另外壓縮空氣作為一種干燥空氣的介質(zhì)，即“氣體吸濕劑”，可以與蒸發(fā)冷卻技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于空調(diào)中，如一些礦井空調(diào)［9］，而近些年來，越來越多的應(yīng)用于紡織廠空調(diào)中。

高壓噴氣以壓縮空氣為冷媒，通過高壓噴嘴將壓縮空氣射出，壓縮空氣和濕空氣接觸，經(jīng)過絕熱膨脹吸收空氣中的熱量，同時干燥的壓縮空氣和濕空氣又通過卷吸、摻混等作用吸收濕空氣中的水分，達(dá)到空氣減濕的效果［10］。

以高壓噴氣和直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為例，來說明“氣體吸濕劑”壓縮空氣的運行原理［11］。如圖1所示為高壓噴氣+直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程的焓濕圖。Y點表示干燥空氣的狀態(tài)點，Wx點表示潮濕的室外空氣狀態(tài)點，虛線指的是壓縮空氣與潮濕的室外空氣Wx混合的過程，當(dāng)干燥的壓縮空氣和潮濕的室外空氣混合時，室外空氣的狀態(tài)點達(dá)到混合點Cx2，然后送入直接蒸發(fā)冷卻段。由此可知潮濕的室外空氣經(jīng)過和壓縮空氣混合，其溫度和濕度都有所降低，在此，壓縮空氣充當(dāng)了“氣體吸濕劑”的角色，可以對被處理的室外空氣降溫干燥。

直接蒸發(fā)冷卻的空氣處理過程是等焓加濕降溫過程，其效率公式:

圖1 高壓噴氣+直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程

由公式中可以看出當(dāng)直接蒸發(fā)冷卻器 （段）進(jìn)風(fēng)干球溫度tgw和直接蒸發(fā)冷卻效率ηDEC不變時，室外空氣越干燥，則直接蒸發(fā)冷卻器 （段）進(jìn)口空氣濕球溫度tsw越低，所以送風(fēng)溫度越接近于被處理空氣的濕球溫度，降溫效果越好。因此室外空氣的狀態(tài)直接影響直接蒸發(fā)冷卻的效率，所以利用氣體吸濕劑壓縮空氣使得室外空氣越干燥，干濕球溫差越大，直接蒸發(fā)冷卻效率越高。如保持直接蒸發(fā)冷卻效率為95%不變，高壓噴氣+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)能使室外新風(fēng)降低到22.6℃，而室外空氣不經(jīng)過和壓縮空氣混合，直接進(jìn)入直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)則能使室外新風(fēng)降低到26.2℃。通過壓縮空氣和室外空氣進(jìn)行混合，降低進(jìn)入直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)中的空氣濕度和溫度，使其充分和水進(jìn)行熱濕交換，在這里濕度的降低是主要的原因，因為越干燥的空氣能容納的水蒸氣越多，熱濕交換越充分，以西安地區(qū)室外氣象參數(shù)為例計算，2m3/min的壓縮空氣就能使5000m3/h室外空氣降低1.6℃，相對濕度降低10.9%，濕球溫度降低3.8℃。表1所示，是西安某紡織廠測得的空氣處理的各狀態(tài)點，我們可以看出，室外空氣Wx狀態(tài)點的含濕量為18.4g/kg，通過與壓縮空氣Y混合，室外空氣的狀態(tài)點Wx被處理到混合狀態(tài)點Cx2，含濕量和溫度都有所降低。可見將高壓噴氣與直接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合，能有效的提高直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的效率，擴(kuò)大其使用范圍。

表1 西安某紡織廠空氣處理的各狀態(tài)點的參數(shù)

4.2 干空氣

我們知道，濕空氣是由干空氣與水蒸氣所組成。濕空氣中水蒸氣的含量雖然很少，但是水蒸氣含量的變化卻對空氣的干燥和潮濕程度產(chǎn)生非常重要的影響。一般絕對干燥的空氣在自然界中幾乎是很少見的，但是在我國西北等干燥地區(qū)卻蘊含著這樣一種非常干燥的空氣，由此可知“干空氣”自身即是一種天然的“氣體吸濕劑”。這種干空氣經(jīng)過大自然的天然除濕后變得極為干燥，可以直接送入建筑物消除室內(nèi)的濕負(fù)荷。

空氣的干濕程度不同，其容納水汽的能力也不同。由于干空氣可以容納較多水汽，因此，我們可以利用這種天然的氣體吸濕劑，通過稀釋建筑物室內(nèi)的濕空氣，從而消除室內(nèi)的濕負(fù)荷，達(dá)到除濕的目的。從這個層次上講，干空氣扮演了“氣體吸濕劑”的角色。

另外，未飽和干空氣中蘊含的能量可以用于空調(diào)制冷，即利用干空氣能，來達(dá)到空調(diào)制冷的效果。所以從這個意義上來說，“干空氣能”又起到了降溫的作用。這是由于干空氣可以容納較多水汽，而水蒸發(fā)成氣體會吸收大量的熱量，因此在蒸發(fā)過程中就產(chǎn)生了制冷效應(yīng)?？諝庠礁稍铮恼舭l(fā)能力越強(qiáng)，吸收的熱量越多，即干空氣中可利用的能量就越大，產(chǎn)生的制冷量越大。通過干空氣水汽分壓與飽和空氣水汽分壓之差的驅(qū)動勢而對濕空氣降溫，這個過程其實是干空氣蘊含的能量轉(zhuǎn)化為熱能的一種方式。干空氣由于其水蒸氣處在不飽和狀態(tài)而具備了對外做功的能力，當(dāng)其達(dá)到了飽和狀態(tài)時，就停止了對外做功的能力，這種蘊含在未飽和干空氣中的能量就是“干空氣能”。蒸發(fā)冷卻空調(diào)就是利用“干空氣能”來達(dá)到建筑物降溫的目的。

與太陽能、風(fēng)能等環(huán)保能源一樣，干空氣能也可作為一種能源，并成為制冷空調(diào)的新動力。“干空氣能”蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的工作原理是，干空氣可以容納較多的水汽，以水為制冷劑，干空氣在吸收水汽由于變濕的過程中為空調(diào)提供制冷動力，而水在由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中可吸收熱量，從而達(dá)到降溫的效果［12］。干空氣能制冷空調(diào)產(chǎn)品適合于中國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和消費者對于空調(diào)產(chǎn)品的綜合要求，擁有更廣闊的市場空間和市場前景。

我國西北等干燥地區(qū)蘊藏著豐富的“干空氣能”。目前，“干空氣能”蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在西北等干旱、半干旱地區(qū)已得到廣泛的推廣應(yīng)用。因此，對于這些干燥地區(qū)而言，由于大自然已將室外濕空氣進(jìn)行了很好的除濕，因此，我們應(yīng)充分利用干空氣氣體吸濕劑，直接消除室內(nèi)的濕負(fù)荷，大大降低人工制冷除濕的能耗，同時充分利用“干空氣能”，達(dá)到盡量采用蒸發(fā)冷卻天然冷源降溫的目的，從而實現(xiàn)建筑低能耗、低碳、健康的目的。

5 結(jié)束語

固體吸濕劑和液體吸濕劑是我們經(jīng)常提到的吸濕劑，而“氣體吸濕劑”作為一種新的概念被提及。氣體吸濕劑是一種特殊的、氣態(tài)的干燥的空氣，可以和蒸發(fā)冷卻技術(shù)結(jié)合用在空調(diào)中，不但可以提高蒸發(fā)冷卻空調(diào)的效率，而且擴(kuò)大了使用范圍，在蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)中起著重要的作用。本文主要通過探討氣體吸濕劑:壓縮空氣和干空氣，進(jìn)一步說明了“氣體吸濕劑”的概念。因此，今后當(dāng)我們再談及吸濕劑的種類時，希望大家不僅能想到固體吸濕劑和液體吸濕劑，也能自然聯(lián)想到一種新的吸濕劑—— “氣體吸濕劑”。

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