一种新型热管固体除湿系统的设计与应用分析*

2016-03-16牛永红郭宁

工业安全与环保 2016年1期

关键词：吸收式制冷系统热管

牛永红郭宁

（内蒙古科技大学能源与环境学院　内蒙古包头014010）

一种新型热管固体除湿系统的设计与应用分析*

牛永红郭宁

（内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古包头014010）

摘要目前的除湿系统大多单一，除湿效率不高，能源的利用率也相对较低。研究了一种热管与吸收式制冷的新型固体吸附除湿系统，提高了除湿效率和能源利用率。采用吸收式制冷对除湿过程中产生的吸附热进行降温，从而有效地提高吸附剂的除湿效率。吸收式制冷利用工厂余热和废热等低品位热源，对能源的利用范围很广。设计的系统是一种传热效率高、节能、除湿效率高的新型固体吸附除湿系统。

关键词热管吸收式制冷固体除湿系统

Design and Application Analysis of a New Heat Pipe Dehumidification System

NIU Yonghong GUO Ning
（School of Energy and Environment，Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou，Inner Mongolia 014010）

Abstract The current dehumidification system is mostly single and inefficient and the energy utilization is relatively low．In this paper a new solid dehumidification system of a heat pipe and absorption refrigeration is studied and the dehumidification and energy efficiency is improved．The absorption refrigeration is used for cooling condensing heat during dehumidification，which can effectively improve the efficiency of the adsorbent dehumidifier．The absorption refrigeration uses low－grade waste heat，such as afterheat and waste heat，with a wide range of energy use．Therefore，the newly designed solid desic-cant dehumidification system has a high heat transfer efficiency，energy saving and high efficiency dehumidifying．

Key Words heat pipe absorption refrigeration solid desiccant system

0　引言

市场上有各种类型的除湿机，多数由于适用范围有限，在很多领域受到限制而不能大量投入使用。如冷冻除湿机不能达到非常低的露点，而且能耗比较大；液体除湿机，由于其具有腐蚀性，且再生温度高，设备的造价也较高［1］；转轮除湿机除了再生温度高，其结构也比较复杂，且价格昂贵［2］。单一的除湿系统已经不能满足人类生活和生产工艺的要求，设计一种保护环境、节约能源的新型除湿系统已经成为除湿领域未来的发展方向［3］。

热管具备优良的热传导性、二次间壁换热、热流密度可调节等普通换热设备所不具备的优越性能，因而在工业换热和回收余热等方面获得了广泛应用，在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功的实例［4－5］。在有稳定低品位工业废热的情形下，采用热管技术利用工业废热作为吸收式制冷的热源，达到提高能源利用率，减少环境污染的目的［6］。

本文设计了一种节能型固体吸附除湿装置，并对其在应用实施方面进行了分析。

1固体吸附除湿系统的设计

传统的固体除湿系统在吸附除湿过程中产生吸附热，降低了吸湿剂的除湿性能。同时，吸附热导致处理气流温度升高，这对固体吸附除湿制冷系统是非常不利的。再生过程中由于对再生温度要求较高，对能源的利用效率不高，所以利用热管对除湿过程的空气进行冷却，对再生过程中的空气进行加热，有利于提高不同工况下的除湿和再生性能。

该除湿系统采用重力式热管，在重力作用下实现热管内工质的循环和传热。系统包括一套利用热管技术的吸收式制冷系统（其中制冷剂为低沸点的氨，吸收剂为沸点较高的水）和一套利用热管技术的吸附除湿系统。

热管换热器中的热管上横向装着翅片，将吸附剂材料密集、有规律地粘附在翅片上。采用双热管换热系统，使得系统能够连续地对气体进行除湿和再生，达到固体吸附除湿空调系统工作的连续性。

图1为除湿系统结构示意图，图2为热管换热器吸附除湿结构三维立体图。

1－发生器；2－冷凝器；3－蒸发器；4－吸收器；5－溶液泵；6．7－热管换热器图1除湿系统结构示意

图2热管换热器吸附除湿结构三维立体图

在该系统中，除湿和再生过程同时进行。

除湿过程：考虑到除湿过程产生大量的吸附热影响除湿效率，所以设计中对其进行了优化处理。利用余热驱动的吸收式制冷来解决效率低的问题。将吸收式制冷系统蒸发器生成的冷空气，与被处理空气按除湿要求进行合理配比，送入热管换热器凝结段进行低温除湿，从而大大提高了除湿效率。

加热再生过程：高温余热、废热经过热管，对热管中的工质进行加热，使工质在管内蒸发，蒸汽从管中心通道流向凝结段散热区，放出潜热对流过的空气进行加热，使热空气流经吸附剂对吸附剂进行再生。热管中的工质凝结后借助重力作用返回到热管换热器蒸发段进行再蒸发，从而使热管换热器形成一个闭合的换热循环。

制冷过程：吸收式制冷系统中发生器吸收外部的余热，制冷剂蒸发进入冷凝器，被冷却凝结后经节流阀降压进入蒸发器，吸收室内空气的热量后蒸发，然后进入吸收器被吸收剂（水）所吸收，吸收剂变为氨的稀溶液，通过溶液泵再送到发生器中进行余热加热蒸发，完成一个制冷循环。同时，被蒸发器冷却的室内空气进入除湿系统，该过程能有效地解决除湿剂除湿时由于吸附热的生成降低除湿效率的问题，同时还有利于夏季空调制冷的需要。

热管换热器进行除湿和再生过程，吸收式制冷系统进行冷却过程，除湿和再生的切换依据出口空气参数确定，依靠阀门进行切换。这样就形成了一套连续的冷却除湿再生系统。

本设计采用自动感应温湿度装置来自动控制各个阀门的开启状态，将反馈信息传送给PLC控制板，由PLC控制面板对反馈信息进行分析处理，再将信息传送到阀门，从而控制各个阀门的开启度，控制混合空气的温湿度，使得吸附除湿能够达到最佳的效果。

2应用分析与具体实施方式

热管换热器具有安全可靠、阻力小、单向导热等特性。热管换热器属于二次间壁换热，蒸发段和冷凝段一般不可能同时损坏，所以设备运行的可靠性大大增强了，适合于回收各种工业余热、废热作为空调工程的热源［7］。将热管换热器用于空调系统中，可使除湿效果大大增强，空调系统的总能耗也有所减少，使空调器的送风温湿度适宜，从而达到空调的舒适性要求。

夏季除湿制冷：夏季空气温度高且潮湿，需对其进行冷却除湿。在吸收式制冷系统中，利用外部余热完成制冷过程，将蒸发器中被冷却的空气送入热管吸附除湿系统中。当热管换热器6进行除湿，热管换热器7进行再生时，阀门①②③⑥打开，阀门④⑤关闭，冷空气通过阀门③与被处理空气经过阀门①混合一起进入热管换热器6进行除湿，被处理空气经过阀门②进入热管换热器7对吸附剂进行再生。当冷空气温度不能达到室内要求时可进行二级吸收式制冷。当热管换热器6中吸附剂达到饱和时，连接热管换热器的控制阀门进行相反的操作即可对被处理空气进行连续的除湿和制冷。当不需要对室外空气进行除湿时其他所有阀门都关闭，打开阀门⑦，直接将冷空气送入室内，即可达到夏季室内空气制冷的效果。

冬季制热：直接打开阀门①②⑤⑥，余热气体对热管蒸发段进行加热，使热管内的工质蒸发，蒸汽上升到冷凝段，蒸汽凝结放出潜热加热空气，从而达到冬季制热的效果。由于冬季空气干燥，所以翅片装置应该是便于装卸的装置，冬天制热时应该将其取出，换上无吸附剂的翅片，进行强化换热。

3适用范围

在各种工业窑炉的能量输出中，烟气余热占15%～35%，我国许多钢铁行业对余热的平均回收率约为25．8%，而一些发达国家则高于50%。尽管高温废气的余热已经普遍被回收利用在预热助燃空气或者产生蒸汽中，但是中低温废气余热（300℃以下）仍然没有得到很好的回收和利用。在湿热地区，空气除湿已广泛应用在冶金、建筑、食品、制药、化工等领域，并大多采用冷冻除湿技术［8］。

本文提出的工业余热驱动热管固体除湿系统，再生吸附剂利用低温烟气余热来加热，除湿空气利用低温固体除湿技术进行除湿处理，除湿后的空气可用于空气助燃、特殊介质冷却和空调新风等领域。