冷冻除湿技术研究进展*

2022-05-24满林香

机械工程与自动化 2022年2期

满林香

(北海职业学院机电工程系，广西北海 536000)

0 引言

除湿技术一般指的是采用一定的工艺和方法将水分从空气或原料气体中除去，从而使其水分的含量降低至一定比例，在日常生活、仓储和工业生产等领域应用较为广泛。从工作原理上来划分，除湿技术主要有冷冻除湿(包括热泵除湿)、溶液除湿、膜法除湿、固体吸附除湿(包括转轮除湿)、半导体除湿、电化学除湿和离子液体溶液除湿等方法[1,2[。各种除湿方法均有其特点和适用场合，本文主要针对冷冻除湿技术的研究进展进行论述。

1 冷冻除湿技术基本原理和分类

冷冻除湿的工作过程本质上是制冷循环，其工作原理如图1所示，压缩机将蒸发器出口的气相制冷剂吸出并压缩为高压气体，该高压气体经冷凝器冷凝后变为饱和或过冷液体，该液体经节流阀降压后变为低温低压的气液混合物，其中的低温液相制冷剂在蒸发器内部蒸发吸热为蒸发器提供冷量，当空气流过蒸发器表面时，空气中的干空气和水蒸气同时被冷却，随着空气温度降低，相对湿度逐渐增加，当相对湿度达到100%后，空气中部分水蒸气会逐渐冷凝析出，从而实现空气的冷冻除湿。

图1 冷冻除湿机工作原理图

根据从蒸发器除湿后出来的空气是否经过冷凝器以及所经过冷凝器的形式，冷冻除湿机可以分为降温型、升温型、可调温(含恒温)型。从蒸发器除湿后出来的空气不经过冷凝器的冷冻除湿机为降温型，流过完整的冷凝器的冷冻除湿机为升温型，流过部分冷凝器的冷冻除湿机为可调温(含恒温)型。热泵循环和制冷循环工作原理相同，只是工况不同，因此从工作原理上来说，热泵除湿可归入冷冻除湿中的升温型。

2 冷冻除湿技术研究进展

2.1 进口风量

万夏红等[3]、耿世彬等[4]分别采用实验测试的方法深入研究了风量对冷冻除湿机性能的影响，结果表明冷冻除湿机的单位功率除湿量随着风量的增加先增大后减小，中间存在最大值。朱东海等[5]、刘帅领等[6]分别采用建立数学模型和编程求解的方法研究了风量对冷冻除湿机性能的影响，亦得出了随风量增加冷冻除湿机单位功率除湿量先增后减，存在最大值的结论。分析出现该规律的原因是：风量较小时随着风量增加空气与换热器的对流换热和传质系数增大，换热增强，系统的除湿量增加；当风量达到一定数值之后再继续增加，单位质量的空气与换热器的接触时间减小，系统的除湿量减小；而输入功率方面，随着风速增加，压缩机输入功率减小，风机功率增加，修正后的输入功率基本呈增大趋势，因此最后的单位功率除湿量随着风量的增加呈现先增后减的规律。

2.2 进口温度及湿度

除湿机蒸发器进口湿空气温度包括干球温度、湿球温度，进口湿度包括绝对湿度、相对湿度。干球温度、湿球温度、绝对湿度、相对湿度这四个物理量关系密切，只有两个是独立的，为便于讨论和分析，进口温度和湿度可采用干球温度和相对湿度的组合。在相同相对湿度情况下，除湿机蒸发器进口干球温度越高，与蒸发器的温差越大，同时空气中水蒸气含量越多，蒸发器的负荷也越大。而在相同干球温度情况下，除湿机蒸发器进口相对湿度越大，空气中水蒸气含量越多，蒸发器负荷越大。

杜会璞[7[、刘帅领等采用建立数学模型求解的方法分别研究了进口干球温度和相对湿度对冷冻除湿机的影响，发现随着干球温度增加单位功率除湿量均降低，随着相对湿度增加单位功率除湿量均增加。这是因为在相对湿度相同的情况下，进口干球温度越高，水蒸气分压越大，露点温度增加，潜热比例提升，析湿系数减小，单位功率除湿量降低；而相对湿度越大，除湿系统的制冷效率和析湿系数均增大，单位功率除湿量增加。

另外杜会璞、范良凯等[8[的研究表明进口温度和湿度对单位功率除湿量最佳风量存在影响。

2.3 蒸发器

蒸发器作为冷冻除湿机的关键部件，其结构和布置形式对除湿性能影响较大。冷冻除湿机的蒸发器与普通制冷系统的蒸发器既有共性也有区别。与普通制冷系统一样，蒸发器的换热性能越好，则冷却、冷凝湿空气中单位质量水蒸气所消耗的功率越低。与普通制冷系统不同的是冷冻除湿机的蒸发器还要考虑蒸发器中的气流带走冷凝析出的水滴的问题，如果除湿机蒸发器结构设计得不合理，即使换热性能再好，也可能存在单位功率除湿量反而降低的问题。

马小魁等[9[对带亲水层开缝翅片管换热器空气侧传热传质特性进行了研究，发现管径越小、翅片间距越小，换热器空气侧的传热和传质特性越好，条缝翅片比百叶窗翅片的传热传质特性强。张婷[10[对风冷翅片管蒸发器的换热除湿特性进行了研究，发现管径、管间距、翅片间距与除湿量存在一定关系，且其规律受风速影响较大。杨哲等[11[研究了流路布置对蒸发器除湿性能的影响，发现两支路流路布置比三支路的除湿量更大，顺流比逆流更利于除湿，原因是支路越多，管内侧制冷剂流速越低，制冷剂侧换热能力降低，而顺流布置可使空气和制冷剂温度变化趋势一致。

2.4 热回收

冷冻除湿机中的热回收技术主要有板翅式换热器回热和热管回热两种方式。

板翅式换热器回热的冷冻除湿机工作原理如图2所示，在普通的冷冻除湿机结构基础上增设一个板翅式换热器，室内湿空气先进入板翅式换热器一换热通道，被板翅式换热器逐渐冷却至接近露点，然后进入蒸发器，湿空气中的水蒸气逐渐冷却、冷凝为液态水并从湿空气中分离出来，而除湿后低温空气从蒸发器中出来后引回到板翅式换热器的另一换热通道，吸收之前流入板翅式换热器的室内湿空气热量后通到冷凝器，除湿后空气在冷凝器吸热后排入室内。从换热角度来看，增设板翅式换热器回热后，蒸发器和冷凝器换热温差减小，可以较大程度上降低蒸发器和冷凝器的换热损失。

图2 板翅式换热器回热冷冻除湿机工作原理

热管回热除湿机与板翅式换热器回热除湿机工作原理类似，室内的湿空气首先与热管的蒸发端接触，湿空气被冷却至接近露点，然后进入蒸发器，湿空气中的水蒸气被进一步冷却、冷凝为液体，并从空气中析出，从蒸发器出来的冷空气与热管冷凝端接触换热，热管蒸发端和冷凝端通过自身管道进行换热。与板翅式换热器回热类似，热管回热可以减少蒸发器和冷凝器的换热损失。

在文献[4]中，耿世彬等通过实验测试发现采用板翅式换热器回收冷量的方式可大幅提升冷冻除湿机的单位功率除湿量，节能可达44%。罗乔军等[12[在对稻谷的热泵干燥过程中发现，在环境温度为26.2 ℃、空气相对湿度为80.2%条件下，采用热管回热的方式比常规的热泵除湿干燥系统节能18.2%，节能效果显著。

2.5 复合除湿

复合除湿指的是采用两种或两种以上的除湿方法除去空气或原料气体中的水蒸气，由于各种除湿方法均有其优缺点和适用场合，通过采用复合除湿的方法可以实现优势互补。曾瑞璇等[13[在对除湿等级划分的研究过程中，总结了常用的不同除湿方法适用的除湿等级，如冷冻除湿和溶液除湿适用于浅近除湿，膜法除湿和转轮式吸附除湿适用于深度除湿，而塔式吸附除湿适用于极深除湿。如果空气或原料气中的湿度较大，而对处理后的气体水蒸气含量要求较高的场合可采用冷冻除湿和分子筛轮转除湿复合除湿的方式。