冷凍除濕技術(shù)研究進(jìn)展*

滿林香

(北海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 北海 536000)

0 引言

除濕技術(shù)一般指的是采用一定的工藝和方法將水分從空氣或原料氣體中除去，從而使其水分的含量降低至一定比例，在日常生活、倉(cāng)儲(chǔ)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。從工作原理上來(lái)劃分，除濕技術(shù)主要有冷凍除濕(包括熱泵除濕)、溶液除濕、膜法除濕、固體吸附除濕(包括轉(zhuǎn)輪除濕)、半導(dǎo)體除濕、電化學(xué)除濕和離子液體溶液除濕等方法[1,2[。各種除濕方法均有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，本文主要針對(duì)冷凍除濕技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

1 冷凍除濕技術(shù)基本原理和分類

冷凍除濕的工作過(guò)程本質(zhì)上是制冷循環(huán)，其工作原理如圖1所示，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器出口的氣相制冷劑吸出并壓縮為高壓氣體，該高壓氣體經(jīng)冷凝器冷凝后變?yōu)轱柡突蜻^(guò)冷液體，該液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔铮渲械牡蜏匾合嘀评鋭┰谡舭l(fā)器內(nèi)部蒸發(fā)吸熱為蒸發(fā)器提供冷量，當(dāng)空氣流過(guò)蒸發(fā)器表面時(shí)，空氣中的干空氣和水蒸氣同時(shí)被冷卻，隨著空氣溫度降低，相對(duì)濕度逐漸增加，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%后，空氣中部分水蒸氣會(huì)逐漸冷凝析出，從而實(shí)現(xiàn)空氣的冷凍除濕。

圖1 冷凍除濕機(jī)工作原理圖

根據(jù)從蒸發(fā)器除濕后出來(lái)的空氣是否經(jīng)過(guò)冷凝器以及所經(jīng)過(guò)冷凝器的形式，冷凍除濕機(jī)可以分為降溫型、升溫型、可調(diào)溫(含恒溫)型。從蒸發(fā)器除濕后出來(lái)的空氣不經(jīng)過(guò)冷凝器的冷凍除濕機(jī)為降溫型，流過(guò)完整的冷凝器的冷凍除濕機(jī)為升溫型，流過(guò)部分冷凝器的冷凍除濕機(jī)為可調(diào)溫(含恒溫)型。熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)工作原理相同，只是工況不同，因此從工作原理上來(lái)說(shuō)，熱泵除濕可歸入冷凍除濕中的升溫型。

2 冷凍除濕技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 進(jìn)口風(fēng)量

萬(wàn)夏紅等[3]、耿世彬等[4]分別采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法深入研究了風(fēng)量對(duì)冷凍除濕機(jī)性能的影響，結(jié)果表明冷凍除濕機(jī)的單位功率除濕量隨著風(fēng)量的增加先增大后減小，中間存在最大值。朱東海等[5]、劉帥領(lǐng)等[6]分別采用建立數(shù)學(xué)模型和編程求解的方法研究了風(fēng)量對(duì)冷凍除濕機(jī)性能的影響，亦得出了隨風(fēng)量增加冷凍除濕機(jī)單位功率除濕量先增后減，存在最大值的結(jié)論。分析出現(xiàn)該規(guī)律的原因是：風(fēng)量較小時(shí)隨著風(fēng)量增加空氣與換熱器的對(duì)流換熱和傳質(zhì)系數(shù)增大，換熱增強(qiáng)，系統(tǒng)的除濕量增加；當(dāng)風(fēng)量達(dá)到一定數(shù)值之后再繼續(xù)增加，單位質(zhì)量的空氣與換熱器的接觸時(shí)間減小，系統(tǒng)的除濕量減?。欢斎牍β史矫妫S著風(fēng)速增加，壓縮機(jī)輸入功率減小，風(fēng)機(jī)功率增加，修正后的輸入功率基本呈增大趨勢(shì)，因此最后的單位功率除濕量隨著風(fēng)量的增加呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。

2.2 進(jìn)口溫度及濕度

除濕機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)口濕空氣溫度包括干球溫度、濕球溫度，進(jìn)口濕度包括絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度。干球溫度、濕球溫度、絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度這四個(gè)物理量關(guān)系密切，只有兩個(gè)是獨(dú)立的，為便于討論和分析，進(jìn)口溫度和濕度可采用干球溫度和相對(duì)濕度的組合。在相同相對(duì)濕度情況下，除濕機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)口干球溫度越高，與蒸發(fā)器的溫差越大，同時(shí)空氣中水蒸氣含量越多，蒸發(fā)器的負(fù)荷也越大。而在相同干球溫度情況下，除濕機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)口相對(duì)濕度越大，空氣中水蒸氣含量越多，蒸發(fā)器負(fù)荷越大。

杜會(huì)璞[7[、劉帥領(lǐng)等采用建立數(shù)學(xué)模型求解的方法分別研究了進(jìn)口干球溫度和相對(duì)濕度對(duì)冷凍除濕機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干球溫度增加單位功率除濕量均降低，隨著相對(duì)濕度增加單位功率除濕量均增加。這是因?yàn)樵谙鄬?duì)濕度相同的情況下，進(jìn)口干球溫度越高，水蒸氣分壓越大，露點(diǎn)溫度增加，潛熱比例提升，析濕系數(shù)減小，單位功率除濕量降低；而相對(duì)濕度越大，除濕系統(tǒng)的制冷效率和析濕系數(shù)均增大，單位功率除濕量增加。

另外杜會(huì)璞、范良凱等[8[的研究表明進(jìn)口溫度和濕度對(duì)單位功率除濕量最佳風(fēng)量存在影響。

2.3 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器作為冷凍除濕機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和布置形式對(duì)除濕性能影響較大。冷凍除濕機(jī)的蒸發(fā)器與普通制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器既有共性也有區(qū)別。與普通制冷系統(tǒng)一樣，蒸發(fā)器的換熱性能越好，則冷卻、冷凝濕空氣中單位質(zhì)量水蒸氣所消耗的功率越低。與普通制冷系統(tǒng)不同的是冷凍除濕機(jī)的蒸發(fā)器還要考慮蒸發(fā)器中的氣流帶走冷凝析出的水滴的問(wèn)題，如果除濕機(jī)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理，即使換熱性能再好，也可能存在單位功率除濕量反而降低的問(wèn)題。

馬小魁等[9[對(duì)帶親水層開(kāi)縫翅片管換熱器空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管徑越小、翅片間距越小，換熱器空氣側(cè)的傳熱和傳質(zhì)特性越好，條縫翅片比百葉窗翅片的傳熱傳質(zhì)特性強(qiáng)。張婷[10[對(duì)風(fēng)冷翅片管蒸發(fā)器的換熱除濕特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管徑、管間距、翅片間距與除濕量存在一定關(guān)系，且其規(guī)律受風(fēng)速影響較大。楊哲等[11[研究了流路布置對(duì)蒸發(fā)器除濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩支路流路布置比三支路的除濕量更大，順流比逆流更利于除濕，原因是支路越多，管內(nèi)側(cè)制冷劑流速越低，制冷劑側(cè)換熱能力降低，而順流布置可使空氣和制冷劑溫度變化趨勢(shì)一致。

2.4 熱回收

冷凍除濕機(jī)中的熱回收技術(shù)主要有板翅式換熱器回?zé)岷蜔峁芑責(zé)醿煞N方式。

板翅式換熱器回?zé)岬睦鋬龀凉駲C(jī)工作原理如圖2所示，在普通的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)板翅式換熱器，室內(nèi)濕空氣先進(jìn)入板翅式換熱器一換熱通道，被板翅式換熱器逐漸冷卻至接近露點(diǎn)，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，濕空氣中的水蒸氣逐漸冷卻、冷凝為液態(tài)水并從濕空氣中分離出來(lái)，而除濕后低溫空氣從蒸發(fā)器中出來(lái)后引回到板翅式換熱器的另一換熱通道，吸收之前流入板翅式換熱器的室內(nèi)濕空氣熱量后通到冷凝器，除濕后空氣在冷凝器吸熱后排入室內(nèi)。從換熱角度來(lái)看，增設(shè)板翅式換熱器回?zé)岷?，蒸發(fā)器和冷凝器換熱溫差減小，可以較大程度上降低蒸發(fā)器和冷凝器的換熱損失。

圖2 板翅式換熱器回?zé)崂鋬龀凉駲C(jī)工作原理

熱管回?zé)岢凉駲C(jī)與板翅式換熱器回?zé)岢凉駲C(jī)工作原理類似，室內(nèi)的濕空氣首先與熱管的蒸發(fā)端接觸，濕空氣被冷卻至接近露點(diǎn)，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，濕空氣中的水蒸氣被進(jìn)一步冷卻、冷凝為液體，并從空氣中析出，從蒸發(fā)器出來(lái)的冷空氣與熱管冷凝端接觸換熱，熱管蒸發(fā)端和冷凝端通過(guò)自身管道進(jìn)行換熱。與板翅式換熱器回?zé)犷愃疲瑹峁芑責(zé)峥梢詼p少蒸發(fā)器和冷凝器的換熱損失。

在文獻(xiàn)[4]中，耿世彬等通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)采用板翅式換熱器回收冷量的方式可大幅提升冷凍除濕機(jī)的單位功率除濕量，節(jié)能可達(dá)44%。羅喬軍等[12[在對(duì)稻谷的熱泵干燥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為26.2 ℃、空氣相對(duì)濕度為80.2%條件下，采用熱管回?zé)岬姆绞奖瘸Ｒ?guī)的熱泵除濕干燥系統(tǒng)節(jié)能18.2%，節(jié)能效果顯著。

2.5 復(fù)合除濕

復(fù)合除濕指的是采用兩種或兩種以上的除濕方法除去空氣或原料氣體中的水蒸氣，由于各種除濕方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，通過(guò)采用復(fù)合除濕的方法可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。曾瑞璇等[13[在對(duì)除濕等級(jí)劃分的研究過(guò)程中，總結(jié)了常用的不同除濕方法適用的除濕等級(jí)，如冷凍除濕和溶液除濕適用于淺近除濕，膜法除濕和轉(zhuǎn)輪式吸附除濕適用于深度除濕，而塔式吸附除濕適用于極深除濕。如果空氣或原料氣中的濕度較大，而對(duì)處理后的氣體水蒸氣含量要求較高的場(chǎng)合可采用冷凍除濕和分子篩輪轉(zhuǎn)除濕復(fù)合除濕的方式。

3 結(jié)論

本文通過(guò)大量查閱、篩選和對(duì)比研究冷凍除濕技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的方式，分析研究了冷凍除濕技術(shù)的研究進(jìn)展，得到結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)冷凍除濕機(jī)工作原理，將冷凍除濕機(jī)細(xì)分為降溫型、升溫型、可調(diào)溫(含恒溫)型。

(2) 冷凍除濕機(jī)的濕空氣進(jìn)口參數(shù)，如風(fēng)量、溫度、濕度等對(duì)冷凍除濕機(jī)性能均有較大影響，并呈現(xiàn)一定規(guī)律。

(3) 蒸發(fā)器是冷凍除濕機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和布置形式對(duì)除濕性能影響較大。

(4) 通過(guò)板翅式熱回收及熱管熱回收等熱回收方式可顯著提升冷凍除濕機(jī)除濕性能。

(5) 特定場(chǎng)合可采用復(fù)合除濕的方式進(jìn)行除濕。