仓储除湿技术研究进展

空气除湿是指利用物理或化学手段去除空气中多余的水蒸气的过程。水蒸气本身无害, 但当空气湿度较高时, 易于滋生细菌及电化学腐蚀, 引发疾病、霉变、材料锈蚀等危害。因此空气湿度是仓储生产活动的一个重要影响因素, 不同的生产环境对湿度有着不同的要求, 控制生产环境的湿度对生产活动具有重要意义。特别是我国南方地区, 空气相对湿度普遍较高, 为保护生产活动所需的低湿度环境是十分重要的[1,2]。

随着对湿度水平影响生产的认识愈发提高, 除湿技术的发展越来越快。目前常用的空气除湿方法有冷凝除湿、固体吸附除湿、液体吸收除湿等, 此外热电冷凝除湿、膜除湿、热泵除湿等新型除湿技术也引起了越来越多的关注[3]。不同的除湿方式在除湿效果、调控参数及能耗等方面有着区别, 有必要对不同除湿方式加以对比分析, 指出其发展趋势, 为除湿技术与装备的研究提供参考。

根据不同的除湿原理, 除湿技术有如下几类:冷凝除湿、吸附除湿、吸收除湿、膜除湿[1]。冷凝除湿根据制冷方式的不同分为压缩、热电、热泵等方法;固体吸附除湿根据吸附装置运动与否分为固定和旋转两类, 其中旋转式由于转轮结构的不同又分为平行通道式转轮及蜂窝状转轮;液体吸收除湿根据对除湿过程是否冷却分为绝热型除湿器和内冷型除湿器, 见图1。现按照除湿技术的分类图, 对除湿技术的工作原理及组成进行介绍。

冷凝除湿是利用露点法来进行除湿的, 其工作原理是将高湿空气与低于其露点的固体壁面接触, 使气态水凝结, 再将干冷空气加热排出, 从而降低空气湿度。冷源可采用制冷机的制冷剂、半导体、冰水等[4]。这是应用最早的除湿方法, 在高温高湿环境下较为适合[2]。压缩装置一般由制冷系统和送风系统构成, 工作原理见图2。湿空气由管道到达蒸发器, 被冷却至露点以下, 大于饱和含湿量的水汽析出凝结, 从而降低含湿量, 然后进入再热器吸热升温, 达到降低相对湿度的效果, 最后送风机排出干空气。其中制冷剂气体经压缩机进入再热器将热量传给空气, 冷凝后的常温高压液体经膨胀阀节流进入蒸发器, 通过蒸发器吸收外部空气热量变成低温低压气体, 再吸入压缩机进行压缩, 完成一个循环[5]。该方式具有效果好、速率快、操作灵活等优势, 从而应用最为广泛。但其也有设备购置运行成本较高, 在高湿、大风量情况下效率低、运行中排水不便等问题。

图1 除湿技术分类  下载原图
 

热电除湿利用直流电通过两种不同导电材料的节点上产生的温差电效应, 将空气中的水分冷凝。热电除湿无需制冷剂, 设计设备简易, 对工作环境和电路情况适应性好, 可以应用在许多有特殊要求的场合中[6]。半导体制冷所需的能耗高、相比效率较低、并且设备造价较高, 它不适用于除湿量大的场合。

图2 压缩制冷的除湿原理  下载原图
 

热泵除湿是利用蒸发器降温除湿, 并回收冷凝器释放的热加热空气的除湿方法。这种方式较传统压缩机制冷除湿相比, 省去再热器, 同等条件下热泵除湿可节能20%~50%, 其节能性已得到国内外专家学者的认同[7]。蒸发器内的制冷剂吸收热变为气态, 进入压缩机压缩至液态从而放出热, 此热量加热湿空气直至一定温湿度, 热泵加热停止开始冷凝除湿, 湿热空气中的水汽被蒸发器冷却排除, 干空气经过换热器再次加热送回。热泵除湿加装热管, 可吸收湿空气热量, 经过蒸发器后再把这部分热还给空气, 以提高能源利用率[8,9]。热泵除湿有能耗低、设备简单、工作温度低等优点。但同时其控制方法复杂, 调节温度能力差, 脱水耗时长, 影响到了除湿的速率。

吸附除湿是采用固体吸附剂吸附空气中的水蒸气来除湿的, 适用于深度除湿。常用的固体吸附剂有硅胶、氯化锂、氯化钙等[10]。最早用来做吸附剂的化合物有氯化锂, 其性质稳定、溶解度大、再生温度低, 吸附性能优异。但价格昂贵, 且容易腐蚀设备。氯化钙多用于实验室, 吸湿效果好, 但泄漏后有污染环境的风险。硅胶也是应用较多的吸附剂, 优点是无毒耐用, 缺点是吸湿能力较差、再生耗能高[11]。

固体吸附式除湿装置分为两类, 一是固定床式除湿器, 二是旋转式除湿器。旋转式除湿器由于转轮结构差异, 包括平行通道式除湿转轮和蜂窝状除湿转轮。固定床除湿是将固体吸附剂作为固定层填充于塔或筒内进行空气除湿, 因吸附剂需进行定期脱附处理, 固定床具有间歇操作的特点。为解决不能连续除湿的缺陷诞生了流化床除湿, 但耗能过大[5]。还有双塔轮换除湿器, 一塔工作一塔再生, 两塔转换吸湿再生以达到连续除湿的目的。为进一步提高除湿效率, 回收低品热能, 转轮式除湿器应用而生, 其吸湿原理是通过具有良好亲水性的吸附材料吸附空气中的水汽, 由除湿转轮、传动装置、风机、过滤器、再生加热器等组成[12], 如图3。转轮除湿器可以连续运转, 通过调整转盘尺寸、风机风速、处理温度等参数, 可控制到不同湿度要求[13]。转轮除湿设备可利用回收余热、废热进行除湿剂再生, 除湿速率较高, 适用于常温低湿、低温低湿等特殊环境, 弥补冷凝除湿方法的不足。

图3 转轮除湿流程图  下载原图
 

液体吸收除湿是一种利用液体吸湿溶液除湿的方式, 其装置主要由除湿器、再生器及循环泵构成, 如图4。首先湿空气进入除湿器, 在其内接触到喷洒的吸收剂溶液, 吸收液吸收空气中的水分从而降低湿度。随后循环泵将吸收了水分的吸收液送至再生器, 与再生器内的加热的再生空气, 吸收液中的水分因压差蒸发出。于是再生器内吸收液浓度变高, 吸收液在循环回除湿器内[14]。吸收液可使用氯化锂、氯化钙、氯化锌、二甘醇、丙三醇、聚乙烯醇和聚乙二醇等溶液[15]。Mazzei等认为环境空气中的水汽分压与溶液表面的饱和蒸汽压之差是水分传质的动力来源, 因此除湿的推动力由工作介质的饱和蒸汽压决定, 同理可用蒸汽压推测除湿机的除湿效率[16]。

液体吸收除湿系统最重要的部件是除湿器, 其结构可以影响除湿效率, 在目前应用的多种结构形式中, 可根据除湿过程是否进行冷却分为绝热型除湿器和内冷型除湿器两类[14]。绝热型除湿器是指空气在与吸收液的接触过程中与外界传热较少, 典型的有填料塔喷淋式除湿器[17], 中孔纤维膜空气液体干燥除湿器、蜂窝结构液体吸收式除湿器等也都属于绝热型除湿器。内冷型除湿器是在除湿过程中加入冷源, 对液体或空气进行冷却以减少不可逆损失, 补充相变热, 实现等温的除湿和再生过程[18,19], 典型的有逆流式除湿器、叉流式除湿器等。液体吸收除湿连续性好, 吸收液再生较快, 并具有杀菌除尘洗涤空气的作用, 但由于吸收液为液态, 需防控液体飞散。

图4 液体吸收流程图  下载原图
 

膜除湿主要利用膜的选择透过性进行除湿, 膜材料技术的进步带动了利用膜特性进行空气除湿方法的发展。在膜的两端制造压力或温度引起的浓度差, 以此为水分运动的驱动力, 一般这种浓度差越大传质强度越大[20]。

传统膜除湿是利用水蒸气分压差进行除湿, 其原理图如图5。为了增大膜两端压差加强水分传递动力, 有压缩法、真空法、吹扫气法等工作模式[21,22,23]。新产生的湿泵技术, 在原有膜技术基础上, 进行了机械结构简化, 降低了膜除湿的能耗。湿泵技术利用温度梯度产生的浓度差, 使水分由水蒸气分压较低的一边向水蒸气分压较高的一边移动的现象。其温度梯度可利用低品位热源, 节约能耗[24]。膜除湿在运行期间不存在除湿间断, 可连续除湿, 有较高的效率, 同时由于膜材料研究的限制, 该方法存在强度较低、成本高的问题。

图5 膜湿泵的工作原理  下载原图
 

应对仓储要求, 需降低环境湿度至最佳, 但除湿技术的应用将增加装备及运行能耗方面的成本。因此在选择具有适当除湿效果的除湿技术的同时, 需要结合购置成本、能耗、设备维护等方面综合考虑, 并列举出部分除湿技术在仓储生产中的应用。

制冷除湿设备除湿速率高, 环境相对湿度下降快, 一定温度条件下除湿效果好, 但难以深度除湿[25]。热电除湿装置运行稳定, 对工作坏境适应性好, 但除湿效率较低。热泵除湿有高的除湿性能系数, 但使用低品位热源时加热温度较低, 会延长除湿时间[26]。固体吸附转轮除湿设备运转连续可靠, 且湿度控制较易, 并且处理露点低, 适用于多种工作环境[27]。膜除湿技术具有良好的连续性, 但其除湿效果受除湿膜材料的限制。

利用压缩机制冷和利用半导体制冷的除湿技术都具有设备成本较高、耗电量大的特点, 相比而言半导体制冷除湿用于小功率制冷有优势, 而当需要除湿量较大时机械制冷则更经济[28]。热电除湿装置结构简单, 其设备成本低, 但耗电量大。热泵除湿设备复杂, 可利用废热提高能量利用率, 能耗较低[29]。固体吸附除湿技术和液体吸收除湿技术都有很多的运动部件, 设备成本较高, 且除湿剂的再生过程需要耗能较大[30]。固体转轮除湿设备结构复杂、费用高, 且在相对湿度较高时需增设加热器以避免吸湿剂过饱和, 需要耗能较大, 可使用低品热源[31]。膜除湿设备机构简单, 由于对压差有要求, 泵和除湿膜成本较高, 且运行过程能耗低[32]。

热电除湿装置简单, 不需要经常维修。热泵除湿需要检查制冷工质是否泄漏, 需要定期由具有一定技术水平的维修人员进行维护, 维修保养成本高。固体吸附转轮除湿维护容易, 而且可以充分利用低品位热能[31]。液体除湿需注意控制吸湿溶液浓度, 以免循环泵损坏或喷头堵塞, 还需定期补换吸湿溶液, 具有较高的设备维护费用。膜除湿设备简单, 便于维修且费用低。

仓储环境中温湿度对物资贮藏质量影响较大, 例如长期保存农业作物种子的资源库, 要求达到0~10℃、35%的温湿度条件, 除湿技术在仓储中有诸多应用实例。冷凝除湿技术成熟, 是最普遍应用的除湿方式, 安全性好, 李凌云发现其公司化肥仓库现有的液体吸收除湿设备维护费用高, 改用冷凝除湿设备更具经济性优势[33]。冷凝除湿技术应用在小型仓库中可节约成本[34]。但对于温湿度要求严格的仓库, 冷凝除湿稳定性差, 可应用为初级除湿。王学文设计的种子库除湿, 采用冷凝除湿为初级除湿, 固体转轮除湿为二级除湿, 运行稳定、满足低温低湿的环境要求[35]。陈晓峰分析了工程实例, 采用冷凝除湿和固体转轮除湿耦合的除湿方式, 在全年高温高湿及低温高湿工况下皆可发挥良好的除湿效果[36]。

通过对不同除湿技术的原理的介绍, 以及其性能的比较和应用的讨论, 总结出以下三个研究方向:

1) 近年来涌现出越来越多的多技术耦合研究, 进一步提升除湿技术节能性和除湿效率。例如Teplyakov等组合了膜除湿和液体吸收除湿两种技术, 建立的新系统兼顾膜除湿和液体吸收除湿的优点, 研究表明其大大提高了除湿效率[37]。多技术耦合除湿拥有综合的技术优势, 可以解决单一除湿无法攻克的难题。制冷除湿和固体吸附转轮除湿耦合, 可得到具有高除湿速率及深度除湿优点的新系统。

2) 同时加强新型材料技术的发展也会推动除湿技术的进步, 例如固体吸附剂、液体吸湿剂、膜分离材料等的出现, 使得除湿技术多样化发展, 并可解决氟利昂等制冷剂危害环境的问题。因此寻找新型吸湿工质[38]、研究吸湿性能优秀的混合工质或填塔结构等工作也是发展的另一个方向, 以达到改进除湿剂物性和经济性的目的。

3) 考虑到现有除湿装备的耗能普遍较高, 进一步提高能源利用率, 利用低品废热或太阳能环保能源作为吸湿剂再生热源, 补充除湿能耗, 也是下面需要研究的重点之一。