冷庫除濕材料特性研究

申 悅，楊 超，馬文超，唐 瑤，胡蘭方，孫 穎，孫惠蕾，甄 仌

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150028)

隨著人們生活水平的逐漸提高，越來越多的人更加注重一些珍貴物品的儲(chǔ)存，有一些商品如種子、藥材等,在貯藏的過程中為了防止霉變、發(fā)芽, 要求冷庫內(nèi)有一個(gè)比較干燥的環(huán)境，因此冷庫除濕材料的特性研究對(duì)于冷庫內(nèi)的存放物品的保存起著重要作用.一些特殊用途的冷庫，如種子冷庫、藥品冷庫等，這些冷庫一般要求的濕度更低，因此冷庫除濕問題[1]不容忽視.

李笑春[2](1981)探討了氧化硅膠連續(xù)再生除濕機(jī)在冷庫除濕的可行性.范國泰[3](1991)認(rèn)為當(dāng)庫外絕對(duì)濕度低于庫內(nèi)絕對(duì)濕度時(shí), 可以開動(dòng)冷庫的換氣設(shè)備.利用庫內(nèi)外空氣的水汽壓差以及換氣設(shè)備的通風(fēng)量計(jì)算通風(fēng)時(shí)間降低庫內(nèi)的相對(duì)濕度.王國欽[4](1992)引用空壓站干燥的壓縮空氣來降低安裝普冷設(shè)備的冷庫濕度.李景建[5](1997)分析了現(xiàn)行鮮蛋冷藏庫恒溫降濕方法存在的問題，以五千噸冷庫為例分析了冷凍恒溫降濕法的實(shí)際應(yīng)用.黃勁松[6](1998)分析了冷庫除濕的方法，包括冷凍除濕、固體除濕、升溫降濕等.王志遠(yuǎn)[7-8](2002)提出使用蒸發(fā)器降溫除濕，控制長期種子庫的溫濕度參數(shù).胡靜云[9](2007)為提高種子的耐儲(chǔ)性和抗病性，根據(jù)蒸發(fā)器冷卻除濕的原理對(duì)種子冷藏庫進(jìn)行除濕.

王婷婷[10](2011)采用低溫庫(5～10 ℃)機(jī)械制冷、生石灰除濕方法進(jìn)行玉米種子夏季貯藏效果研究.張馨予[11](2017)搭建種子倉儲(chǔ)庫除濕系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過改變溫度(5 ℃、15 ℃、25 ℃)，對(duì)制冷除濕方式和轉(zhuǎn)輪除濕方式的除濕效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為在低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)輪除濕方式更加適用.岳治強(qiáng)[12](2017)以某大型種質(zhì)庫的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)傳統(tǒng)低溫冷凍除濕設(shè)計(jì)的優(yōu)化，采取升溫降濕(利用冷凝廢熱提供熱源加熱空氣)滿足種子儲(chǔ)藏的特殊條件.吳超超[13](2018)提出帶熱回收冷凍除濕系統(tǒng)的解決方案，并與傳統(tǒng)的冷凍除濕機(jī)性能以及節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比.索曄[14](2019)提出兩種降低相對(duì)濕度(通過降低蒸發(fā)器的溫度進(jìn)行除濕、向冷庫內(nèi)注入干燥的壓縮空氣)的解決方案，以滿足藥品儲(chǔ)存要求.陳楨[15](2019)提出一種基于熱泵驅(qū)動(dòng)的冷庫用溶液除濕抑霜系統(tǒng)，利用已有的溶液除濕實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)冷庫低溫環(huán)境下的除濕過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究.

冷庫內(nèi)濕度控制的方法有冷卻除濕、冷凍除濕、吸收/吸附除濕、膜除濕法等，但由于冷庫溫度較低且不同儲(chǔ)存物品對(duì)濕度的要求差異較大，冷庫內(nèi)的相對(duì)濕度控制一直是一個(gè)不好解決的問題.由于在現(xiàn)代社會(huì)中需要在低濕環(huán)境儲(chǔ)存的物品種類越來越多，同時(shí)為了避免冷庫內(nèi)水蒸氣過多在蒸發(fā)器凝露結(jié)霜而浪費(fèi)能源，本文對(duì)用于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的固體吸附除濕材料在冷庫中的除濕性能進(jìn)行研究.

1 冷庫除濕材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 冷庫除濕材料

在吸附式除濕系統(tǒng)中的固體干燥劑是決定系統(tǒng)性能的主要因素.在吸附時(shí)，固體除濕材料表面的作用力可以讓吸附的物質(zhì)附著在固體除濕材料表面的孔道里.用于吸附式除濕系統(tǒng)的干燥劑，一般要求其對(duì)水蒸氣有較大的吸附量，同時(shí)能夠在較低的再生溫度下脫附再生.冷庫常用的固體除濕材料(除濕劑)有沸石、分子篩、硅膠、無水氯化鈣、活性氧化鋁、無水硫酸鎂、氧化鈣、活性炭等，本次實(shí)驗(yàn)選取四種冷庫除濕材料：硅膠、生石灰(氧化鈣)、分子篩、氯化鈣，具體參數(shù)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)Table 1 The parameters of experimental material

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備與儀器有壓縮式電冰箱、加濕器SC-3E40、外置溫濕度傳感器、YH-400A精準(zhǔn)充電廚房秤.

壓縮式電冰箱是一種可以保持恒定低溫的制冷設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)用壓縮式電冰箱模擬冷庫內(nèi)的低溫環(huán)境，探究除濕材料在冷庫中的除濕效率.

加濕器SC-3E40是一種用于增加房間濕度的家用電器.在本實(shí)驗(yàn)中，加濕器放置于壓縮式電冰箱用于模擬冷庫的高濕環(huán)境.

外置溫濕度傳感器以溫濕度一體式的探頭作為測(cè)溫元件，將溫度和濕度信號(hào)采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號(hào)或電壓信號(hào)輸出，也可以直接通過主控芯片進(jìn)行485接口輸出.用于測(cè)試模擬冷庫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)變化的溫濕度.

YH-400A精準(zhǔn)充電廚房廚房秤電子秤是利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱量裝置，在實(shí)驗(yàn)過程中用于測(cè)量除濕前后除濕材料的質(zhì)量，精度為0.1 g.見表2.

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器Table 2 Experimental equipment and instruments

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)部分.

1)將加濕器放入低溫制冷的壓縮式電冰箱中加濕進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，觀察其是否能夠有效達(dá)到低溫高濕環(huán)境，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

2)將硅膠、生石灰(氧化鈣)、分子篩、氯化鈣四種除濕材料放置其中進(jìn)行除濕實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)定材料的吸濕效果，選擇適用于冷庫除濕的材料，研究冷庫除濕材料的特性.

3)將材料吸濕前后質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，探討不同除濕材料在冷庫中的吸濕效果.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本次研究的實(shí)驗(yàn)部分是在一個(gè)保持穩(wěn)定低溫制冷的壓縮式電冰箱中進(jìn)行的，裝置內(nèi)部為模擬冷庫的高濕密閉環(huán)境，利用加濕器對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部進(jìn)行不斷加濕.試驗(yàn)前，將四種除濕材料進(jìn)行預(yù)處理至完全干燥后冷卻至室溫并稱重，四種材料取相同質(zhì)量50 g，記為mg.實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)溫度15 ℃，相對(duì)濕度為82%.

吸濕過程：在常溫下利用加濕器對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部進(jìn)行不斷加濕，通過重力傳感器測(cè)量四種除濕材料質(zhì)量變化，每10 min記錄一組數(shù)據(jù)，記為mt，直到傳感器示數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)有穩(wěn)定微小波動(dòng)后，停止吸濕試驗(yàn).

四種除濕材料吸濕過程的對(duì)比見圖1，可以看出四種除濕材料在吸濕過程中的顏色、密度等均發(fā)生了明顯的變化.除濕材料質(zhì)量及模擬冷庫裝置內(nèi)濕度隨時(shí)間變化的曲線如圖2、3所示?？梢悦黠@看出四種除濕材料在吸濕過程中的質(zhì)量均隨著吸濕時(shí)間的增加而增長.在70 min內(nèi)，硅膠質(zhì)量增加幅度最大，分子篩質(zhì)量增加幅度最小.在20 h內(nèi)，硅膠質(zhì)量的增加幅度最大，生石灰質(zhì)量增加幅度最小.在100 h內(nèi)，氯化鈣質(zhì)量增加幅度最大，生石灰質(zhì)量增加幅度最小見圖4.從圖5可以看出，在多種吸濕材料共同作用下，裝置內(nèi)相對(duì)濕度隨除濕時(shí)間增加而逐漸減小.

圖1 材料吸濕過程的對(duì)比Figure 1 Comparison of moisture absorption process of materials

圖2 短時(shí)間內(nèi)吸濕材料質(zhì)量隨時(shí)間變化Figure 2 Change of hygroscopic material mass with time in a short time

圖3 一段時(shí)間內(nèi)吸濕材料質(zhì)量隨時(shí)間變化Figure 3 Change of hygroscopic material mass with time in a period of time

圖4 長時(shí)間下吸濕材料質(zhì)量隨時(shí)間變化Figure 4 Change of hygroscopic material mass with time in a long time

圖5 多材料作用下裝置內(nèi)濕度隨時(shí)間變化Figure 5 Humidity changes with time in the device under the action of multiple materials

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 吸濕過程分析

固體除濕材料的吸濕性能常使用吸濕量、含水率等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.本文通過測(cè)定除濕材料的吸濕量隨時(shí)間的變化來分析其吸濕性能.吸濕量W吸，即單位質(zhì)量除濕劑吸收水蒸汽的質(zhì)量，其計(jì)算公式為：

(1)

其中：W吸為除濕材料的吸濕量，kg；Δm=mt-mg除濕材料吸濕前后質(zhì)量的變化，kg；mg為除濕材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，kg；mt為除濕材料t時(shí)刻吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，kg.

2.3.2 逐時(shí)吸濕量變化規(guī)律

將某一時(shí)刻吸濕前后的吸濕量之差定義為逐時(shí)吸濕量，其計(jì)算公式為

ΔW吸=W吸后-W吸前

(2)

5 ℃時(shí)，不同吸附劑逐時(shí)吸濕量變化曲線如圖6所示，硅膠的逐時(shí)吸濕量最大，生石灰的逐時(shí)吸濕量最小.

圖6 除濕材料隨時(shí)間變化的逐時(shí)吸濕量Figure 6 Hourly hygroscopic capacity of dehumidification material with time

2.3.3 不同溫度下除濕材料的吸濕性能分析

除濕材料在不同溫度下的吸濕量變化曲線如圖7～9所示，可以明顯看出，在5～20 ℃的溫度下，四種除濕材料中硅膠吸濕量最高.硅膠在5～15 ℃之間，其吸濕量與吸濕時(shí)間成正比，在20 ℃時(shí)曲線有較小波動(dòng).根據(jù)圖8、9可以明顯看出，在5～15 ℃范圍內(nèi)，前4 h內(nèi)分子篩吸濕量大于生石灰的吸濕量，但同時(shí)在20 ℃時(shí)，生石灰的吸濕量大于分子篩的吸濕量，可見在短時(shí)間內(nèi)不同溫度對(duì)生石灰的吸濕量影響相對(duì)較大.

圖7 在5 ℃下不同材料吸濕量隨吸濕時(shí)間變化關(guān)系Figure 7 Relationship between hygroscopic capacity of different materials and moisture absorption time at 5 ℃

圖8 在15 ℃下不同材料吸濕量隨吸濕時(shí)間變化關(guān)系Figure 8 Relationship between hygroscopic capacity of different materials and moisture absorption time at 15 ℃

圖9 在20 ℃下不同材料吸濕量隨吸濕時(shí)間變化關(guān)系Figure 9 Relationship between hygroscopic capacity of different materials and moisture absorption time at 20 ℃

在5、15、20 ℃三種不同溫度下，除濕材料的吸濕量變化曲線分別如圖10～13所示.可以明顯看出，在5 ℃時(shí)，除濕材料的吸濕量明顯高于其他溫度，且溫度越低，吸濕量越高.

圖10 硅膠在不同溫度下的吸濕量變化Figure 10 Hygroscopic capacity of silica gel at different temperatures

圖11 氯化鈣在不同溫度下的吸濕量變化Figure 11 Hygroscopic capacity of calcium chloride at different temperatures

根據(jù)圖10、11可以明顯看出，硅膠和無水氯化鈣的吸濕量隨溫度變化的影響較小，隨著溫度升高，吸濕量有穩(wěn)定微小的降低.而根據(jù)圖12可得生石灰的吸濕量隨溫度變化的影響相對(duì)較大，且吸濕量變化也相對(duì)不穩(wěn)定.分子篩在5 ℃時(shí)的吸濕量明顯高于其他溫度的吸濕量，如圖13所示.

圖12 生石灰在不同溫度下的吸濕量變化Figure 12 Hygroscopic capacity of quick lime at different temperatures

圖13 分子篩在不同溫度下的吸濕量變化Figure 13 Hygroscopic capacity of molecular sieve at different temperatures

經(jīng)過以上的數(shù)據(jù)匯總分析：在24 h內(nèi)硅膠的吸濕量最高，其次是無水氯化鈣；生石灰與分子篩在實(shí)驗(yàn)20 min后分子篩吸濕量高于生石灰；在24 h后，無水氯化鈣的吸濕量高于硅膠.在一段時(shí)間(24 h)內(nèi)硅膠的吸濕效率最高，適宜對(duì)冷庫里短期儲(chǔ)存的物品進(jìn)行除濕.長期來看，除濕材料吸濕效率從高到低分別是無水氯化鈣、硅膠、分子篩、生石灰.

3 結(jié) 語

本文通過對(duì)硅膠、生石灰(氧化鈣)、分子篩、氯化鈣等四種冷庫除濕材料在多個(gè)溫度下的除濕特性進(jìn)行研究.研究發(fā)現(xiàn)：在一段時(shí)間(24 h)內(nèi)硅膠的吸濕效率最高，適宜對(duì)冷庫里短期儲(chǔ)存的物品進(jìn)行除濕，或者適用于物品在流動(dòng)過程中的暫存，例如，果蔬在運(yùn)輸過程中的儲(chǔ)存等.而對(duì)于冷庫長期貯存的物品來說,無水氯化鈣除濕效率更佳.

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查分析，分子篩的使用成本最高，其次分別是硅膠、無水氯化鈣、生石灰.綜合分析各個(gè)除濕材料的除濕效率與其經(jīng)濟(jì)性，無水氯化鈣作為冷庫除濕材料比較適合.