空调系统中的除湿技术_王倩.pdf

第 23卷 第 4 期广东石油化工学院学报Vol. 23 No. 4 2013年 8 月Journal of Guangdong University of Petrochemical TechnologyAug. 2013 空调系统中的除湿技术 * 王倩 (广东石油化工学院 机电学院, 广东 茂名 525000) 摘要: 空气除湿与人们日常生活和生产活动密切相关。综述了冷却除湿、 液体吸收除湿、 固体吸附除湿和膜除湿技术在空 调领域的应用, 介绍了各种除湿方式的工作原理和类型, 分析了各自特点及在应用中应当注意的问题, 并对未来的除湿技 术进行了展望。 关键词: 空调系统; 冷却除湿; 液体除湿; 转轮除湿; 膜除湿 中图分类号:TU111- 19文献标识码: A文章编号: 2095- 2562(2013)04- 0063- 05 空气湿度是空气调节的一个重要参数, 潮湿的室内环境会影响人的热舒适感, 造成建筑围护结构、 家 具、 地毯织物等霉烂, 损坏电器物品, 导致细菌生长繁殖, 影响人的健康和带来经济损失; 在诸如精密仪器、 计量仪器、 电子产品生产等工业领域中, 如不对空气湿度进行控制, 会严重影响产品质量, 物品在潮湿的环 境里存放, 会由于霉菌的侵蚀而发霉变质, 会使金属生锈、 仪表精度下降、 绝缘参数降低, 给国民经济造成 重大的损失, 因此, 必须采取有效的措施来保证空气湿度符合要求。在空调领域, 对于湿度控制技术的研 究远滞后于对于温度控制技术的研究。随着室内空气品质问题和空调节能要求的提高, 温湿度独立控制 系统成为当今空调领域的研究热点, 空调系统的除湿技术, 尤其是新风的除湿技术越来越受到重视。本文 对空调系统中各种除湿技术进行阐述。 1 冷却除湿技术 冷却除湿技术是目前应用最为广泛的除湿技术, 它的基本原理是让空气流过一冷盘管表面, 盘管表面 的温度低于空气的露点温度, 空气在盘管表面产生凝结水, 空气的含湿量得到降低。冷盘管一般是通冷冻 水的冷水盘管或者是流动制冷剂的直接蒸发式冷却盘管, 经过冷盘管处理后的空气温度越低, 则空气就越 干燥。冷却除湿技术成熟, 使用可靠, 但当室内舒适要求或空调精度要求的空调送风温度高于露点温度 时, 为了达到室内送风温度, 不得不对空气进行再热, 从而造成再热损失。在对新风进行除湿处理时, 可以 采用图 1 所示的带水盘管热回收装置的除湿系统 1 来减小再热损失。室外新鲜空气经过热回收盘管 1, 将热量传递给盘管 1 中的水, 温度降低的空气进 入冷却除湿盘管进行除湿, 除湿后的低温空气再经 过热回收盘管 2, 吸收盘管 2 中水的热量, 空气温度 升高后送出。该系统中热回收的介质是水, 在泵的 作用下在热回收盘管 1、 2 之间不停循环流动, 管路 上装有三通阀, 可根据出风温度的高低控制进入热 回收盘管 2 中的水流量以实现热回收量的调节。 图1 带水盘管热回收装置的除湿系统 集中空调系统中冷水机组所提供的冷水温度一般为 7e , 进入表冷器可实现 11. 5 e 的露点温度。当 *收稿日期: 2013- 03- 01; 修回日期: 2013- 04- 29 作者简介: 王倩( 1973) ) , 女, 江西南昌人, 教授, 硕士, 主要从事空调制冷方面的教学与科研工作。 课题背景 要求的露点温度低于 11. 5e 时, 如果为了满足除湿的要求而降低制冷机的蒸发温度, 将会导致制冷机效 率降低, 这时可采用图2 所示的常规冷水盘管和机械制冷联合处理的双冷源空调机组 2 。在用7e 冷水盘 管对空气进行冷却除湿后, 再让空气通过直接膨胀式盘管, 利用空气与氟利昂的换热再次进行冷却除湿, 利用机械制冷可以使空气处理到 7e 露点温度甚至更低。这种双冷源设计既可以满足除湿的要求, 又避 免了制冷机出水温度过低而造成的效率下降。 图 2 双冷源空调机组 在以电力为主要驱动能源的除湿技术中, 冷却除湿的成本较其他方式低。用冷却除湿方式实现的极 限低湿空调系统的设计和实践显示 3 , 冷却除湿的场合, 如冷水温度在- 2 e 以下, 处理空气的露点温度极 限值为3e , 如低于 3e 将可能结冰; 对要求处理露点温度在 25e 范围的场合, 冷水温度要控制在- 1. 51e 之间; 设计过程要进行准确的计算并要对空调机组的结构特别是盘管进行改进处理, 如采用多排结构的非 标准配置、 加大翅片的间距, 翅片表面进行涂膜处理、 加大盘管与挡水板的距离等。在我国空调使用时数 多的南方地区, 夏季空气潮湿, 新风负荷中潜热负荷很大, 对夏热冬冷地区各主要城市的计算表明, 夏季平 均新风负荷中潜热负荷所占比例基本在 80% 90% 4 。如果采用直接蒸发式新风机组应用于这一地区 的新风除湿, 应在机组设计时采取措施提高空调设备的潜热处理能力, 降低蒸发盘管中制冷剂的温度, 增 大制冷剂流速, 增大换热面积, 降低空气流速, 增加盘管排数以及注意不要采用过大的翅片密度都有利于 提高机组设备的潜热比。 2 液体吸收除湿技术 液体吸收除湿的基本原理是让潮湿空气与液体吸湿剂接触, 因吸湿剂溶液表面的水蒸气分压低于湿 空气中的水蒸气分压, 在压力梯度的作用下, 湿空气中的水蒸气就会转移到溶液中, 从而实现空气除湿, 常用的除湿剂有氯化钙、 溴化锂、 氯化锂、 三甘醇等。图 3 显示了不同温度浓度下氯化锂溶液表面表面空 气含湿量情况, 空气含湿量与空气中水蒸气分压力是对应的。可以看出: 溶液表面水蒸气分压力总是小于 同温度下纯水表面的水蒸气分压力, 随着溶液浓度的增加, 溶液表面的水蒸气分压力逐渐下降; 在同一浓 度下, 随着温度的升高, 其水蒸气分压力逐渐增大。溶液喷淋除湿时, 浓溶液吸收空气中的水分后浓度降低, 当溶液浓度稀释到一定值后不再有吸湿能力, 需要对其进行再生, 用电能、 蒸汽等对溶液进行加热, 使水蒸气 分子从溶液中转移到空气中, 溶液重新变为浓溶液并恢复吸湿能力。图 4是液体除湿系统的流程图。 液体除湿空调系统中所消耗的能源主要是用于再生的热能, 由于其温度要求并不高, 只要 50 80e 的低温热源即可实现溶液的再生 5 , 因此, 一些低品位热源如太阳能、 工业余热废热、 浅层地热能和压缩制 冷的冷凝废热等都可以利用。以不同的能源作为再生能源形成多种除湿空调系统, 如热泵驱动的液体除 湿空调系统、 太阳能液体除湿空调系统等 6 。与传统的冷却除湿空调系统相比, 液体除湿空调系统除湿能 力大; 且溶液的喷洒具有空气净化的作用, 可以除去空气中的尘埃等粒子; 由于能量在除湿剂中的储存方 式是化学能而不是热能, 因此除湿剂还具有相当强的的储能能力 7 , 可以方便地实现蓄能, 减小系统的容 量和相应的投资。但是, 液体除湿技术用于民用舒适性空调还并不普遍, 分析原因主要有以下几点: 液体 除湿设备体积较大, 需要占用较多的建筑空间, 在实际应用中有一定困难; 需要有气体和废热的排除, 不易 与建筑设计相协调; 液体除湿一般都以盐类物质的溶液作为吸湿剂, 盐对金属有腐蚀作用, 虽然塑料材料 64广东石油化工学院学报 2013 年 图 3 不同温度浓度下氯化锂溶液表面空气含湿量图 4 液体除湿系统流程图 能够解决腐蚀问题, 但塑料的换热性能差, 所以, 寻找合适的材料, 解决好腐蚀与换热问题是发展液体除湿 技术的重要问题; 另外非常重要的一点就是由于被处理空气与溶液直接接触进行除湿, 送风空气中会存在 一定量的盐类分子, 这是否会影响室内空气品质和人员健康还没有明确的研究结论。有学者认为, 对于液 体除湿技术可以积极探讨研究, 但现阶段应慎重对待大面积的推广应用, 并建议应与病理研究结合, 探讨 微量吸湿剂对健康的长期影响 8 。 3 固体吸附除湿技术 固体吸附除湿指用固体吸湿剂来吸附空气中的水蒸气, 常用的有活性炭、 活性氧化铝、 分子筛、 硅胶、 氯化锂和氯化钙等。活性炭这类固体吸湿剂具有大量孔隙, 吸附面积大, 能从空气中吸附水分, 其吸湿过 程为纯物理作用, 而氯化钙等材料的吸湿作用为物理化学作用, 吸附水分后变成含更多结晶水的化合物。 采用固体吸湿剂, 可以将空气处理到低至 1gP kg 的含湿量, 而一般情况下, 冷却除湿的送风含湿量不低于 8gP kg, 而溶液除湿的送风含湿量不低于 4gP kg 9 。在 对湿度有严格要求的干燥环境中, 如药物生产、 军火 保管、 药品贮存、 粮仓库存等工业领域固体吸湿得到 了广泛的应用。对于固体除湿空调, 依其吸附床工 作状态不同又分为固定床式和转轮式。固定床的床 结构、 除湿材料和湿空气进口状态等都会影响吸附 除湿性能 10- 12 。固定床系统一般为间歇式工作, 采 用图 5 所示的固体吸附除湿系统, 可通过阀的切换 实现两个固定床交替进行除湿和再生过程, 从而使 得除湿系统连续工作。 图 5 固定床式固体吸附除湿系统 空调领域需要对空气进行连续处理, 转轮除湿成为固体除湿中应用最广泛的技术。转轮除湿机的结 构示意图见图 6, 其主要部件是吸湿转轮。吸湿转 轮由均匀载有吸湿剂的波纹状介质构成, 由于转轮 的比表面积极大, 浸附其上的吸湿剂又有很强的水 蒸气吸附能力, 故除湿效率很高。转轮分成除湿区 和再生区, 有的还有冷却区。随着转轮的转动, 转轮 在除湿区吸附水分, 在再生区解吸水分, 再生后又进 入除湿区( 或经过冷却区冷却后再进入除湿区) 吸附 水分, 从而连续不断的处理空气, 使之达到要求的湿 度。空气经过吸湿转轮时, 空气中的水蒸汽凝结释 放出的潜热进入空气中, 且转轮必须经高温气流对图 6 转轮除湿机结构示意图 其吸附剂再生, 因此输出干空气温升较大, 若要得到温度较低的空气, 应对干燥后的空气进行冷却处理。 65第 4 期 王倩: 空调系统中的除湿技术 图7 所示为一冷却除湿与转轮除湿相结合的系统 1 , 潮湿空气A 流经机械制冷装置的蒸发器, 冷却除 湿后得到的空气 B 在通过转轮除湿机的除湿区进行进一步除湿, 处理后的干燥空气 C 由风机送出, 再生 空气 D流经机械制冷装置的冷凝器, 被冷凝热加热了的干的再生空气 E 流过转轮除湿机的再生区, 将转 轮中的水分带走, 在风机的作用下, 湿的再生空气 F 离开转轮。该系统用冷却除湿作为前期除湿, 转轮 除湿作为深度除湿, 发挥了各自的的优点, 在湿度较 高时冷却除湿效率高且设备简单, 经冷却除湿后空 气湿度较低, 此时利用转轮除湿可以不受露点的限 制且由于湿负荷已被冷却除湿处理了大部分, 转轮 除湿无需负担大量的湿负荷, 除湿效率提高。机械 制冷系统中冷凝器放出的热量用于加热再生空气, 实现了冷凝热回收, 减少了转轮除湿机的再生耗热 量, 达到节能的目的。 图 7 除湿转轮与机械制冷除湿的结合应用 转轮除湿机的 COP 较低且初投资较大, 目前主要应用在大风量、 低湿空气的处理中, 由于再生耗热量 大, 以电力为再生能源显然是不经济的, 在实际应用中, 应尽量采用太阳能和工厂废余热等低品位热源将 吸湿剂再生。关于转轮除湿的研究目前主要集中在新型吸湿剂材料的研制、 再生热源温度的降低和运行 控制的优化等方面, 也有学者开展了将超声波技术应用于液体和固体除湿剂的再生过程以提高能源利用 效率的研究工作 13 。 4 膜除湿技术 膜除湿是近年来随着膜分离技术发展而产生的新型除湿技术, 其关键部件为选择性透过膜, 水蒸气可 以通过膜而氧气、 氮气等不能通过, 这样就将水蒸气从空气中分离出来, 达到除湿的目的。由于膜分离技 术具有设备简单、 操作方便、 分离效率高、 能耗低等特点, 在水 ) 有机溶剂混合物的分离、 天然气脱湿等石 油化工领域和压缩空气干燥领域中已得到越来越多的应用, 具有很大的发展潜力 14- 16 。 要使水蒸气透过膜, 必须在膜两侧有水蒸气分压力差, 且要保证在使用过程中水分子不能在膜的渗透 侧积聚以免降低膜的除湿性能。有不同的工艺方法 解决水分子积聚的问题, 图 8 所示为一种渗透侧抽 真空的空气除湿系统 15- 16 , 抽真空的目的是为了增 大膜两侧的压力差以强化传湿。为了改善传统膜除 湿法的机械复杂性和高耗能性, 很多学者对新型膜 除湿系统进行了研究, 目前在空调领域研究较多的图 8 渗透侧抽真空的空气除湿系统 新的除湿方法主要有膜P 吸收剂法, 膜湿泵法, 再循环膜接触器系统法等 17 。除湿膜是决定膜除湿效果的 主要因素, 膜材料的研究是膜除湿技术的重要研究内容, 理想的除湿膜应分离效率高、 机械强度好、 使用寿 命长、 价格合理和易于生产。现除湿膜多为有机高分子复合膜, 其性能主要由表层决定, 机械强度主要由 支撑层提供。目前研究和应用较多的亲水膜中, 作为活性分离层的有聚丙烯酸、 壳聚糖、 聚乙烯醇, 而支撑 层一般选用通用的高分子多孔膜, 如聚丙烯腈、 聚砜等 18 。 虽然现在除湿膜存在透湿率低、 强度差、 成本高等缺点, 在空调除湿领域还没有得到实际应用, 但已有 研究将除湿膜用于空调新风的热回收, 制成了全热交换器, 测试结果表明显热交换效率为 0. 76, 潜热交换 效率为0. 71 19 , 有较好的产业化前景, 膜除湿技术有望在空调除湿领域得到更广泛的应用。 5 结语 随着人们对舒适性和工业生产中对环境要求的提高, 空调领域中的除湿技术越来越受到重视, 不同的 除湿系统设计直接影响空调能耗的大小和大气污染物的排放。为提高除湿能力、 减少设备投资、 节省运行 66广东石油化工学院学报 2013 年 费用和提高能源利用效率, 应对各种除湿方式进行更加深入的研究, 高效节能地营造舒适和满足工艺需要 的建筑热湿环境。 参考文献 1 Mazzei P, Minichiello F, Palma D. 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Dehumidification in Air Conditioning System WA