1、转轮除湿技术动力工程 胡涛涛1.概述2.转轮除湿的工作原理及特点3.转轮除湿的吸附介质4.转轮除湿技术的应用5.总结1.概述 除湿是工农业生产和人们日常生活中常见的问题，尤其是在我国南方等高湿地区。在工业生产过程中，随着人们对空气、水源、食品、医药等品质要求的不断提高，生产环境中湿度的控制成为一个重要指标。除工业应用外，在汽车、坦克、飞行器、舰艇、地下室等特殊的环境中也需要除湿，以保证驾乘人员正常的新陈代谢活动。 目前比较成熟的除湿技术有冷却式除湿、液体吸收式除湿、固体吸附式除湿、膜法除湿及转轮除湿。 转轮除湿是在实际工程中应用最广泛的固体吸附式除湿技术之一，转轮除湿机利用吸附材料的良好亲水性
2、吸附空气中的水分，降低空气的湿度。转轮除湿机由除湿转轮、传动装置、风机、过滤器、再生用加热器等组成。2.转轮除湿的工作原理及特点 转轮除湿机的核心部件是一个蜂窝状转轮，转轮由特殊陶瓷纤维载体和活性硅胶复合而成，转轮两侧由特殊的密封装置分成两个区域，处理区域和再生区域。当需要除湿的潮湿空气通过转轮的处理区域时，湿空气的水蒸汽被转轮的活性硅胶所吸附，干燥空气被处理风机送至需要处理的空间；而不断缓慢转动的转轮载着趋于饱和的水蒸汽进入再生区域；再生区内反向吹入的高温空气使得转轮中吸附的水分被脱附，被风机排出室外，从而使转轮恢复了吸湿的功能而完成再生过程，转轮不断地转动，上述的除湿及再生周而复转地进行，
3、从而保证除湿机持续稳定的除湿状态。转轮除湿系统的工作原理转轮除湿的特点： （1）构造简单。机体本身是由低速旋转的转轮、再生加热器、处理风机和再生风机所组成，构造非常简单，所以运转和维护都很方便； （2）轮纸芯的主要材料为无机成分，不会老化，性能稳定，使用寿命长体； （3）转轮单位体积内的吸湿面积大。由于转轮的蜂窝状流道的直径仅1.53mm，故1m3体积的转轮纸芯的吸湿面积达3000 m3。空气流经蜂窝状流道时，虽处于边界层流状态，仍能充分进行热湿交换，除湿能力强； （4）连续地获得低露点、低温度的干燥空气。固体吸湿剂吸湿性很好，即使吸收了水分，其化学性能也不会发生变化，而且只要通过加热就能简单
4、地放出已经吸收的水分。由于具有这种特性的转轮是旋转的，除湿和再生连续进行，所以能保持出口空气的露点稳定； （5）没有液体吸湿剂的飞沫损失。固体除湿转轮与液体吸收式除湿机相比，最大的特点是没有飞沫带液损失，既不需要补充吸湿剂，也不会对金属管道形成腐蚀。3.转轮除湿的吸附介质 3.1 氯化锂 氯化锂是最早用来作为转轮除湿机的吸附材料的，它属于一种高含湿量的吸湿盐，易再生，具有高度化学稳定性。此外，氯化锂吸附剂具有强烈的杀菌能力，因此，氯化锂作为除湿剂被广泛应用于医药、食品等对空气洁净度和湿度要求较高的领域。但是氯化锂在低湿度范围除湿量小、除湿能力低，而且吸湿时易形成液体从基体逸出，对除湿设备周围的
5、金属产生腐蚀，这些不足在很大程度上限制了除湿机中氯化锂吸附剂的用量，也即限制了除湿机的除湿量。3.2 硅胶 硅胶是继氯化锂后研究应用比较多的一种固体吸附剂，其吸湿能力、再生能耗等方面较氯化锂稍差，但由于在吸附、解吸过程中始终保持固态，有良好的物理化学稳定性，克服了氯化锂吸附剂容易液化逸出的缺点，即使在高湿度下（100%）也能保持转轮表面不结露，对周边设备无腐蚀。同时当转轮长期使用过程中因灰尘或油污覆盖表面影响除湿效率时，可采用清水（除灰尘）或清洁剂（除油污）直接清洗掉使之恢复，因此得到了广泛的应用。 目前制备硅胶转轮最有效方法为浸渍法。其工作原理是：在无机纤维基材上让水玻璃与酸就地反应，使生成
6、的硅胶较为均匀地分散在纤维表面及其空隙中，构成块体吸附剂。它归属于第三代吸附剂材料（活性硅胶），由于不需外加黏合剂，制备过程中对环境无污染，故具有工艺简便、环保、产品性能稳定、吸附剂与纤维作用较好等优点，特别适用于制作除湿转芯。该方法主要存在的问题是：受溶胶稳定性的制约难以形成高浓度溶胶，加之无机纤维不溶于水，溶胶与纤维间接触面小，因而在无机纤维上附着的溶胶量少，生成的硅胶少，除湿效率较低。近期，又提出了高效纳米孔径硅胶吸附材料制备方法，让水玻璃与聚沉剂（絮聚剂）反应生成硅酸盐沉积在无机纤维上，然后与酸作用生成硅胶，该方法提高了硅胶在纤维基材的挂胶量。 硅胶作为吸附材料存在的不足： （1）吸附
7、性能有待提高； （2）耐热性能需要加强,由于硅胶耐热性能较弱,除湿转芯长时间处于80 150再生环境中,易出现熔融、塌陷、堵塞孔道等现象,从而使系统吸附效率降低； （3）机械强度有待增强，由于硅胶与陶瓷纤维作用力较弱，使得转芯材料机械强度较差，在系统运行过程中，易出现粉化、掉粉现象，从而影响其使用寿命。因此，必须对硅胶进行改性。硅胶 3.3 改性硅胶吸附材料 目前对硅胶的改性主要有两个方面： 一是将传统硅胶吸附材料和卤素盐结合制成复合吸附剂；二是在硅胶中掺杂其他金属元素。 （1）硅胶/卤素盐复合材料 为克服硅胶吸附剂吸湿量小的不足，人们提出新型的硅胶和卤素盐复合的吸附剂，由于结合了两种吸附剂的
8、优点使得复合吸附剂的吸附性能得到改善，是吸附剂研究的一个新的方向。但卤素盐进入硅胶孔道必然会降低孔容和比表面积，同时也会影响孔道的结构，因而必须控制卤素盐的用量。 将传统的硅胶转轮材料和卤素盐复合起来制得硅胶/卤素盐复合干燥剂材料，实现硅胶物理吸附和卤素盐化学吸附的有机结合，具有高吸湿量、易再生和稳定性高等优点，改善了转轮除湿机的除湿性能。 （2）若在硅胶中引入少量金属离子M，金属原子部分替代硅原子进入硅胶网络，但不改变硅胶的主体网络结构，由于硅胶表面形成M-O-Si 键（M为B、Al、Ti 等），增加了多孔材料表面的质子酸和路易斯酸的酸性活性中心数目及酸性强度，增强了材料表面与水的亲和力，使
9、硅胶对水的吸附能力得到增强；另外金属原子掺杂入硅胶后，改变其微结构，进而增大了硅胶的比表面积和孔容，使硅胶的吸附能力得到增强。 金属掺杂硅胶吸附材料，即将铝、钛等金属离子掺杂入硅胶中得到的一种多孔金属键合硅吸附材料，归属于第四代转轮除湿机吸附剂材料，它克服了硅胶在吸附性能、耐热强度及机械强度方面的缺陷。 3.4 沸石分子筛 沸石分子筛是研究及应用比较多的固体吸附剂材料，它在低湿度环境下仍能吸湿的优异性能，使它非常适用于低露点深度除湿；另一方面 即使在较高温度下（如100 120）分子筛仍保持13%以上的吸水率，而硅胶的吸水率几乎为零。 因此在电子、精密仪器等一些对湿度要求非常低及环境温度较高的
10、情况下，分子筛除湿得到广泛的应用，应用分子筛的转轮除湿机其出风口空气露点最低可达到-60。 但沸石分子筛也有其不足之处：分子筛吸附是利用其分子网络结构中的非常规则的孔道实现的。其吸湿量较氯化锂、 硅胶都要低很多；另外，分子筛网络结构中的这种孔道对水分子的作用力较强，这是它能适用于深度除湿的原因，但也造成脱附困难，在除湿转轮中就体现为再生温度高达250以上，能耗大大增加，而且不能应用太阳能、工业余热等低品位热源作为再生热源。因此，目前分子筛作为除湿转轮吸附剂还只应用在一些对空气露点要求非常低的特殊场合。沸石分子筛吸附材料优点缺点氯化锂吸附量大，除湿效果好，再生能耗低溶液易飘逸对周边设备腐蚀硅胶吸
11、附过程中稳定性好，易于清洗吸附性能和热稳定性差金属掺杂硅胶吸附性能和热稳定性得到改善制造工艺较为复杂分子筛低湿度和高温条件下吸附性能好常规条件下吸附量小，再生能耗高转轮除湿机用各种吸附材料的对比 转轮除湿机吸附材料的发展方向： （1）对沸石分子筛材料进行改性以提高常规条件下吸附性能或降低再生温度以节约能耗，是以后转轮除湿机吸附材料的一个发展研究方向。 （2）由于复合吸附材料能结合各种吸附材料的优点，同时也抑制克服了单一材料的缺点和不足使得其在吸附性能、耐热性能和机械强度都有改善。因此，降低吸附材料脱附再生的能耗，提高转轮材料的使用寿命，提供高效节能的设备都是未来研究的热点。 （3）在材料的制备
12、和转芯的成型过程中，如何尽量使用无机和绿色友好材料以代替有机材料，从而适应现代化工对环保和环境的要求也是研究的重点。4. 转轮除湿技术的应用 转轮除湿技术的应用范围涉及制药、航空、锂电池、电子、超市、糖果、玻璃、胶卷等的生产和储藏诸多方面。 （1）空气湿度调节。如各种类型的仓库、有温湿度要求的生产车间、地下工程及船舱的除湿； （2）杀菌。由于有的除湿剂(如氯化锂)具有强烈的杀菌作用，能将处理空气中90以上的细菌杀掉，故可用于制药工业、食品工业、无菌室的通风除湿； （3）低湿要求的工程。若与冷冻技术联合使用，能很容易地获得一40以下的低露点空气； （4）干燥工艺。由于处理后的空气相对湿度一般都在
13、10%左右，因此适用于采用常温空气干燥的工艺，如动物胶、尿素、砂糖等的脱水。 转轮除湿技术由来已久，早在1949年，Pennington NA就获得了转轮除湿技术的专利，提出的Pennington循环至今证明是最有前途的。转轮除湿空调技术相比机械制冷空调有诸多优点，它设备体积小，安装简便，处理露点温度低，可利用太阳能、工业废气废热等余热作为再生热源，不产生腐蚀，控制简单等，所以在现实生活和生产中得到大量应用。 4.1 转轮除湿器与空调系统的结合 （1）转轮除湿器与一般空调系统的结合 对于室内冷负荷和湿负荷都较大的场合，或新风负荷较大，室内要求湿度较低的环境，如果靠常规制冷就要降低蒸发温度或采用
14、乙二醇溶液，把空气冷却到很低的温度，有时还要加热以防房间温度过低。这样既增加系统能耗，而且冷却盘管容易结霜，导致COP值下降。如果由转轮除湿器承担湿负荷，机械制冷承担显热负荷，就能达到比较满意的效果。这就是除湿技术与一般空调相结合的基本思路。在这里使用的是氯化锂转轮除湿器。转轮除湿器与一般空调系统结合的空气处理过程示意图 转轮除湿器内部共有二路空气流，分别是处理空气流，再生空气流。处理空气流1汇同从房间出来的一次回风至2，首先经过一级蒸发器至3，在这里空气被冷却，温湿度降低，然后通过处理风入口进入转轮除湿器至4，其中所含的绝大部分水分被留在转轮除湿器中，以备再生空气流带走，此时再汇同二次回风至
15、5，达到了送风所要求的湿量，然后再经过二级冷却器至6，处理空气等湿降温，达到送风状态，然后送入房间：再生空气流经过一个热交换器，温度升高，然后在加热器中形成高温干燥的再生气，再进入转轮除湿器的再生区，将其中的水分带出，经过换热器换热，然后排到大气。为了达到节能的效果，我们利用了房间回风。转轮除湿器与一般空调系统结合的处理空气焓湿图 转轮除湿器之前设置一级蒸发器的目的是冷却新风和一次回风，当处理空气温度较低时，氯化锂表面水蒸汽分压力下降，从而导致除湿效率上升。设置二级蒸发器的目的是冷却从转轮除湿器出来的高温处理空气，等湿降温。对氯化锂转轮除湿器来说，再生空气温度达到90，氯化锂就已完全再生，此时
16、COP最大。如果再生空气温度大于或小于90，COP均减小。 （2）除湿转轮与燃气空调系统的结合 转轮除湿方式的主要能耗是在转轮的再生气部分，如果不使用电加热再生而使用废热或太阳能再生，那么节能效果将更佳。用燃气加热再生空气，可以轻易地得到较高的再生温度。 （3）除湿转轮与蒸发冷却空调系统的结合：开式通风型空调 开式固体除湿通风型空调系统在国内外均引起了广泛的研究，特别是近20年来得到了迅速发展，成为一种很有潜力的新型空调系统。美国和日本早在80年初就研制出了系统样机，并对高性能的除湿型空调系统进行了深入的研究。它的主要优点是用水和空气作工质；以低品位的热能来驱动；可直接采用全新风。这种空调系统
17、可以看成是转轮除湿器和蒸发冷却空调的结合。开式固体除湿通风型空调系统空气处理过程示意图 室外新风1首先进入转轮除湿器至2，空气中的水分被吸收或吸附。同时释放出汽化潜热，使处理空气湿度降低，温度升高。处理后的空气由风机送至显热交换器至3。与此同时，再生空气进入水直接蒸发冷却器，直接蒸发冷却(DEC)使空气与水直接接触，水在焓值不变的情况下和空气进行热湿交换，蒸发吸热，该空气处理过程是绝热加湿过程，主要其冷却加湿的作用。再生空气经过喷淋降温后送至显热交换器。在显热交换器里，处理空气和再生空气换热后送入直接蒸发冷却器至4，经过喷淋降温后送入室内。同时，再生空气经加热器加热后，送入转轮除湿器的再生区。
18、开式固体除湿通风型空调系统处理空气焓湿图（4）海水除湿系统 在海水除湿系统里，我们可以采用全新风，环境空气经过转轮除湿器后，湿度达到送风的要求，由于海水温度终年保持在20左右，所以经过除湿后需降温的处理空气可利用海水冷却系统，冷却效果好，并且达到节能的目的，避免了使用机械制冷系统。加热再生空气我们可充分利用船上锅炉蒸汽、燃气、废气及太阳能作为再生热源，因此，可减少对船上电力依赖，节省船上电力。另外本系统不使用氟里昂制冷机，对空气和海洋没有任何污染，保护了海洋环境。水除湿系统示意图 转轮除湿器还可以和冷却顶板空调系统、全热交换器等结合组成新的系统，其中转轮除湿器的效率起着重要作用，而效率主要取决于吸湿剂，转芯结构，入口空气参数和再生空气参数。转轮除湿器能耗主要消耗在生产高温的再生气流对其吸湿剂再生，输出干空气温升较大，这些主要是固体吸湿剂的性能决定的。5. 总结 除湿是空调系统的重要任务之一，转轮除湿空调与传统制冷空调相比具有健康、节能、环保等优点，有着广阔的应用前景。目前转轮除湿空调市场的局限性也为今后的研究指明了方向，应从高效紧凑的除湿设备、高效廉价的除湿剂、高效的系统形式、低能耗的再生手段等方面人手，减小系统体积，降低设备成本，提高系统效率，增强转轮除湿空调系统的市场竞争力。
