新型除湿技术的研究进展.pdf

1 7l 0 化 工 进 展 C H E MI C A L I N DU S T R Y AN D E NG I NE E R I N G P R OGR E S S 2 0 0 8 年第 2 7卷第 1 1 期 新型除湿技术的研究进展 赵伟杰，张立志，裴丽霞 ( 华 南理 工大学化 学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室 ，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要：空气除湿在日常生活和生产中是一个很重要的课题。 但是， 传统的除湿技术例如冷冻除湿、液体除湿等， 虽然已经被广泛应用，但是仍有一定的不足。针对这些不足，很多新型的除湿技术应运而生。本文综述了近年来 发展起来的一些新型除湿技术，包括膜除湿、热泵除湿、H VA C除湿、热电冷凝除湿和电化学除湿等技术，介绍 了它们的工作原理、优缺点以及装置等，并且指出了它们未来的发展方向。 关键词：膜除湿；热泵除湿；H VA C除湿；热电冷凝除湿；电化学除湿 中图分类号：T U 8 3 l 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 06 6 1 3 ( 2 0 0 8 )l 1 1 7 1 00 9 Pr o g r e s s o n no v e l a i r de humi d i fic a t i o n t e c hno l o g i e s Z H A O W e ij i e ，Z H A NG L i z h i ，P E I L i x i a ( Ke y La b o r a t o r y o f E n h a n c e d He a t T r an s f e r an d E n e r g y Co n s e r v a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n， S c h o o l o f Ch e mi s t r y a n d Ch e mi c a l En g i n e e r i n g，S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，Gu a n g d o n g ，Ch i n a ) Abs t r ac t ： De hu mi d i fic a t i o n i s a v e r y i mpo r t a n t i s s u e i n da i l y l i f e a n d p r o du c t i o nTh e t r a d i t i o n a l d e hu mi d i fic a t i o n t e c h no l o g i e s ，s u c h as r e f rig e r a t i o n，l i qu i d d e s i c c a n t ，a r e wi d e l y us e d，b ut h a v e m a ny s ho r t c omi n g s Th i s p a pe r r e v i e ws t h e r e c e n t de v e l op me n t of s o me n o v e l d e hu mi d i fic a t i o n t e c h no l o g i e s ， i n c l u d i n g me mb r a n e d e h u mi d i fic a t i o n， h e a t p u mp d e h u mi d i fi c a t i o n， h e a t i n g， v e n t i l a t i n g， a i r c o n d i t i o n i n g( H VA C) d e h u mi d i fi c a t i o n ，t h e r mo e l e c t r i c c o o l i n g a n d e l e c t r o c h e mi c a l d e h u mi d i f i c a t i o n The i r o p e r a t i o na l prin c i p l e s ， a d va n t a g e s a nd di s a dv a n t a g e s ， a nd e q ui p me n t are i n t r o d u c e d Be s i d e s ， t h e i r f u t u r e d e v e l o pme nt di r e c t i o ns ar e p r e s e n t e d Ke y wo r ds - me mb r a ne d e h u mi d i fic a t i o n； h e a t p u m p de hu mi d i fic a t i o n； HVAC d e h umi d i fic a t i on； t h e r mo e l e c t r i c c oo l i n g d e h u m i di fic a t i o n； e l e c t r o c he mi c a l de hu mi d i fic a t i o n 空气除湿是 日常生活和生产活动中一个普遍较 在的问题，不同的生产环境对湿度 的要求也不同。 因此，控制湿度不仅与人 的生活息息相关，也对工 业生产等活动有着重要的影响。尤其在我国华南地 区，相对空气湿度较高 ，如何保证所需要的低湿度 环境，对改善居住条件、保护生产活动等都具有非 常重要的意义。 随着生产的发展和生活水平的提高，空气除湿 已发展成一 门新的技术。 目前常用的空气除湿方法 有冷却法除湿、 液体吸收剂除湿、 固体吸附剂除湿、 转轮法除湿。这些传统的除湿方法虽然应用广泛 ， 但是仍然存在一定的不足 。例如冷冻除湿法不能达 到非常低 的露点，而且能耗较大；液体吸附剂存在 吸湿剂的腐蚀问题；固体干燥剂的再生过程复杂且 会消耗大量 的能量等 。 尤其是当前人们在保护环境、 节约能源等方面的意识不断增强，以及传统的除湿 技术的弊端的 日益显现，研究并提 出新型除湿技术 便成为关键 。因此膜法除湿 、热泵除湿 、HV AC除 湿 、热电冷凝除湿和电化学除湿等一些新型除湿技 术也 引起 了广泛关注I l I 2 J 。本文作者将介绍一下这 些新型除湿技术的国内外的研究进展，并指 出了未 来的发展方向。 收稿 日期：2 0 0 8 0 5 0 7 ；修改稿 日期：2 0 0 8 0 7 0 4 。 基金项 目：国家 “ 十一五”国家科技支撑计划 ( 2 0 0 6 B AA 04B 0 2 1 ) 及广东省科技攻关 计划 ( 2 0 0 7 B 0 1 0 8 0 0 0 2 5 ) 。 第 一作者 简介 ：赵伟 杰 ( 1 9 8 4 ) ，男 ，硕士研 究生 。Em a i l w e i j i e z h a o m a i l s c u t e d u c n 。联系人：张立志，教授，博士生导师。 电话 0 2 0 8 7 1 1 4 2 6 8 ；Em a i l l z z h a n g s c u t e d u c n 。 第 l 1 期 赵伟杰等：新型除湿技术的研究进展 1 膜法除湿 膜法 除湿作为一 门新兴的除湿技术 ，随着新材 料与膜分离技术的发展，已经在空气 除湿方面得到 了很大的应用。它与传统除湿技术相 比，具有操作 连续、无需再生、无二次污染、设备操作灵活方便、 集成度高和节省空间等明显技术优势 的特点L 3 J ，因 此具有很大的发展潜力。 1 1 膜除湿机理 1 1 1 传统膜除湿机理 要使水蒸气透过膜，必须在膜的两端产生一个 浓度差 。这种浓度差既可 由膜两端压力差造成，又 可由膜两端温度差造成。因为浓度是由温度和压力 共同作用的结果 。一般对膜空气除湿基本都是以膜 两边的水蒸气分压差作为驱动势，因此为了强化传 湿 ，应尽量增大膜两侧的压力差 。张立志等I 4 J 综述 了利用压力差来膜法除湿 的各种工作模式 。 1 1 2 湿泵除湿机理 为了改善传统膜除湿法的机械复杂性和高耗能 性， Z h a n g 等【 1 ， 5 】 提出了一种新的空气除湿方式， 称为 湿泵除湿，其原理如图 1 所示。这种除湿方式的工作 原理不同于传统的除湿机理， 是水蒸气 由分压低的一 侧 向分压高的一侧转移渗透， 即水蒸气的转移方向是 逆压力差的。渗透的机理是膜中存在一温度梯度 ， 膜 中水分在这 温度梯度作用下形成一浓度梯度， 这 梯度 由分压较小的一侧指 向分压较大的一侧， 从而驱 动水分由湿度较小一侧向湿度较大一侧渗透。 它的优 点是可以实现除湿过程的连续进行， 由于热源可以是 低品位余热，所以节能降耗，系统可靠。但是，由于 膜材料方面的原因，目前湿泵的性能并不高。 热交换器 图 1 膜湿泵 的工作原理 1 - 2 膜法除湿 的特点 ( 1 ) 传统 的除湿技术中，固体或液体除湿剂的 再生过程会使除湿 间断，并且有很多的运动部件， 而且耗能大 。而膜法除湿并没有这个过程 ，使得除 湿过程可以连续进行 ，提高了除湿过程的效率和系 统 的可靠性，而且还能耗小。 ( 2 ) 对于液体除湿剂来说， 可能存在对设备的 腐蚀问题 。而膜法除湿则可以避免这个 问题 。 ( 3 )相 比于冷却或液体除湿设备来说，膜法除 湿设备占地面积更小， 且没有运动部件， 更利于维修。 但是，作为膜法除湿的核心部件 除湿膜， 现阶段还存在着透湿率低、强度差、 成本高的缺点， 限制膜法除湿 的发展 。李鑫等 艮 道 了最新的除湿 膜材料 。 1 3 膜法除湿技术的发展 膜法除湿 的工艺有真空法、吹扫气法、膜吸附 等，并且在工业上得到越来越大的应用。P e r me a 公司 7 1 推出的 C a c t u s膜空气除湿技术采用聚砜中空 纤维膜制成分离膜，原料气走丝内、渗透气走丝外的 操作模式， 并且利用一定的原料气作为吹扫气 以提高 除湿效率。它具有较高的可靠性、高的除湿深度 、极 少的维修和过程简单等特点，已经在全世界应用了 2 万多套。 另外， 中科院大连化物所、 长春应化研究所、 日本的宇部兴产等也开发 出了商业化的膜法空气除 湿系统。 但是这些工艺具有各 自的应用局限性，只有 一 些特定的工况和特定对象下才具有明显的优势。 因 此人们提出了将膜法除湿分离技术与其它技术集成， 来实现最优的工艺组合和最低的经济投资L 8 J 。 Wu Y o n g l i e等【 l U _ 将两个膜分离过程集成来进 行 乙醇气相除湿，工作流程 图如图 2所示。第一个 膜分离为压缩窄气除湿过程 ，采用 3 0 的产品气作 为第一个膜分离的吹扫气，得到产品气的露点大约 为一3 0；剩余 的产 品气作为第二个膜分离过程 ( 乙醇除湿 )的吹扫气，由于吹扫气流的气体十分 干燥，提高了除湿效率。 图 2 膜集成除湿 系统工程实验室装置流程 图 l 一压缩机；2 一 阀门；3 一压力计；4 一膜组件；5 一流量计；6 一蒸馏烧 瓶；7 一加热系统；8 一温度控制系统；9 冷凝器；1 O 一半导体冷却阱： l 1 一渗透组分收集器 1 7 1 2 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 T e p l y a k o v等I u 哿膜分离和液体吸收两种除湿 方法组合起来 ，提出了循环膜接触器系统 ，并对其 除湿效果进行 了计算机模拟 ，其工作原理如图 3所 示。这一系统有两个膜接触器组成：膜吸收器和膜 解吸器。膜吸收器用来吸收空气 中的水蒸气，而渗 透侧有液体干燥剂对水分进行吸收，从而使得膜两 侧的水蒸气始终存在浓度差。液体干燥剂在两个膜 接触器中循环流动 ，并通过解吸膜组件进行再生。 研究结果表明：此系统兼顾 了膜法和液体吸收除湿 的优 点，使除湿效率大大提高。 图 3 循环膜接触器系统的工作原理图 李国民等l1 Jj 哿 吹扫法和真 法集成起来。 通过 考察发现，吹扫和抽真空联合使J j 能更有效地提高 膜组件的除湿效率，使产气露点降低 5 6 ( 与 吹扫条件下相 比) 。在保证不增加新 的能耗 的前提 下 ，吹扫和抽真空联合使用是消除浓差极化提高膜 组件效率最有效的方法。 总之，在空调设备等领域 ，膜法除湿 的应用潜 力非常大，但膜法除湿技术还具有除湿应用面还较 窄、规模不大以及压力比大和一次性投资较大等不 足。随着膜材料和制膜工艺的研究进展和新型膜技 术的开发，膜法除湿将得到更大发展，是很有前途 的除湿分离技术。 2 热泵除湿 热泵除湿是应用冷冻除湿的原理 ，将湿空气冷 却到露点温度以下，析出水分后，再利用回收的冷 凝热加热冷却后的干空气 ，从而实现循环除湿 的一 种除湿技术 。研究表明，在同等条件下除湿，热泵 除湿可节能2 0 5 0 【 l 3 J 。它可以利用太阳能 、 地热能 1 以及工业废热 等低 品位热源 ， 是一种高 效节能的除湿技术。 2 1 热泵除湿的工作原理j 热泵除湿装置主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、 膨胀阀和干燥室 5个部分组成，如图 4所示。工作 原理是：压缩机把气态的热泵工质 ( 热泵干燥机 内循 环的制冷介质)提高压力和温度后，在冷凝器放热冷 凝成液态， 液态的热泵工质经过膨胀阀膨胀， 在蒸发 器中吸热蒸发，转化成低温低压的气态，气态的热泵 工质进入压缩机从而完成热泵工质的闭路循环。另 外，经冷凝器加热的干空气进入干燥室，干燥物料成 为湿热空气，然后进入除湿蒸发器析出水分排到机 外， 降低温度和湿度后的干空气再经冷凝器加热进入 干燥室，这样就完成了空气的闭路循环 。 图 4中的辅助冷凝器并不是必须的。但是，它 在此处的优势在 于控制干燥温度灵活方便 ，且辅助 冷凝器具有较高的换热系数 。另外，若采用辅助冷 凝器加热外界空气对物料进行预干，可以回收这部 分温度 比较高的冷凝热 ，能够节约能源，提高系统 效率。 根据不同场合的除湿要求不同，热泵除湿系统 又可以分为单蒸发器单冷凝器系统、双蒸发器单冷 凝器系统和双蒸发器双冷凝器系统。单冷凝器单蒸 发器的系统主要适用于需要除湿和加热的地方，而 双蒸发器的系统，进一步增加了系统供热 的能力， 系统的调节性能也得到很大的提高。双冷凝器 的系 统主要是为了实现系统除湿的同时，用调节热量对 室 内环境进行温度调节 1 8 1 。 2 2 热泵除湿的特点 J ( 1 ) 具有高的性能系数和低的能耗率。 从干燥 室排出的低温高湿空气，通过冷凝器被加热成高温 低湿 的空气，再进入干燥室干燥物料 ，依次循环， 图 4 热泵除湿干燥系统 的工作原理 图 1 一压缩机；2 一辅助冷凝器；3 一冷凝器；4 一千燥室 5 一蒸发器；6 一膨胀阀 第 1 1 期 赵伟杰等：新型除湿技术的研究进展 1 7 1 3 达到干燥的 目的。 整个干燥过程 中，回收了冷凝 热和废气中的废热，热能损耗仅限于系统的热阻和 热漏，从而使得整个 除湿干燥过程 中的能量利用率 提高很多。尤其是在 当前 国家节能减排 的趋势下 ， 热泵除湿的这个优点显得更为突出。 ( 2 )具有好的产品质量 ， 二 作环境卫生 。 热泵 除湿干燥是一种接近 自然十燥 的干燥技术。干燥后 的物品品质好、色泽好、产品等级高。并且热泵在 封 闭的状态下工作，下燥过程 中除了冷凝水 ，没有 任何废气、废液排放 ，有利于环境保护 。因此，热 泵干燥广泛应用于食品的干燥和保鲜领域 。 ( 3 ) 干燥参数易于控制且可调范围宽，自动化 程度高，设备投资和运行成本低，适合于工业上 的 大规模生产。 热泵干燥技术虽然具有明显的技术优势，但是 它还有一定的不足 。 ( 1 ) 环境保护问题 。 大部分的热泵干燥装置使 用的制冷剂仍是 C F C s ，此类物质对地球大气臭氧 层 的破坏而不得不引起人们的关注。 ( 2 )维修保养问题。为了防止制冷工质泄漏 ， 需要定期进行维护。对热泵干燥系统泄漏 的检查是 一 项要求高、技术性强的工作 ，对维修人员的技术 水平有一定要求。 ( 3 ) 虽然可 以利用太阳能、 地热和工业废热等 低 品位热源 ，但是加热温度由于比较低 ，所 以使得 除湿时间会较长。 2 3 热泵除湿技术的发展 热泵除湿作为一种高效节能的除湿技术，已经 在生产和生活中得到 了广泛的应用。P e r e r a等 2 0 1 设 计 了一个干燥食 品的热泵除湿干燥机，如 图 5所 示 ，并研究 了它在除湿干燥过程 的各种参数。这个 干 燥 系统 是 几乎 完全 循环 的 ，热 效率 可 以接近 1 0 0 。由于水是以液态而非气态 的形式在 内部移 动 ，所 以气态潜热全部回收，而显热损失也很少。 在设计上 ，增加了蒸发器旁路系统和换热器 ，是为 了最大限度地提高除湿效率。研究表明：随着相对 湿度 的增大，水分的提取率也会增大。但是，在温 度达到 6 0左右的时候 ，就是减小。由于被干燥 食品的物理性质等资料的不足，对这个系统的整体 性能分析有一定的影响。 由于传统的制冷工质 C F C s对臭氧层和大气变 暖的不利影响，为保护环境，实现 C F C s的替代成 为全世界共同关注的问题。C O2 作为环境工质，对 环境无害，具有 良好的安全性和化学稳定性，并且 n j J f 1 _、 l 牵 一一 l I f 7 图 5 热泵 除湿干燥器流程 图 l 一密封绝缘结构；2 加温器 ；3 一过热阀；4 一外部冷凝器；5 一热泵 除湿器；6 一冷凝水：7 一= 1 一 燥产品；8 一风扇；9 分布器 自身费用低。因此以 C O 2自然工质为制冷工质的 C O2热泵 干燥 技术 以其符合环保和节能的社会趋 势 ，具有广阔的发展前景L 2 卜 引 。天津大学和西安交 通大学对 C O2 热泵干燥技术进行了一些相关的理论 研 究，并得到 了一些有益 的结 论。曾宪阳等l 2 _j I 从 C O 2的跨 临界循环的热力学分析入手 ，给出了二氧 化碳热泵干燥系统的两种形式 ，并对系统进行 了评 价和分析。结果表 明：C O 2跨临界循环能够实现与 干燥介质( 空气 ) 良好 的温度匹配， 热泵循环的 C OP 达 5 1 5 7 ，系统的单位除湿率 S ME R 达 2 8 6 3 2 0 k g ( k W h ) 。Kl o c k e r等 设计 了一台 C O2 热泵 干燥机 ，并进行 了性能实验。实验表明：C O2 作为 对制冷工质 ，节能优势是明显的，并且可以用 C O 2 代替 H F C1 3 4 a 应用于家用干燥机上。 随着能源问题的日益突出，人们已经把 目光放 到利用丰富的太阳能 、地热和工业废热等低品位热 源，并不断将这些低品位热源应用到除湿领域 。由 此出现了太阳能热泵除湿系统、地热与热泵联合干 燥系统等。张壁光l 2 5 J 将太阳能联合热泵干燥系统应 用到木材干燥 中，与传统的蒸汽干燥法相比，节能 率可 以达到 7 0 左右，并且供热系数高 ，实验期间 可以达到 7 0以上 。太阳能与热泵干燥系统可 以优 势互补，受气候的影响较小，较常规干燥时间约减 少 2 0 以上 ，适于用在太阳能丰富，电能不足的地 方。 H a wl a d e r 等【 2 6 J 研究了一种太阳能热泵干燥器的 性能， 并与系统模拟的结果进行 了比较。 研究表 明， 产品的干燥时间随着干燥能力的增强而缩短，干燥 能力与气体流动速率、气体温度和相对速度成比例 关系。除此之外，影响系统的性能的主要因素是太 阳能的辐射率、 压缩机的速率和整个系统的总负荷。 1 7 1 4 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 相比较太阳能热泵干燥系统在生产和生活中广泛应 用，地热和工业废热等热泵干燥系统还处在实验阶 段，现阶段应用还比较少。 近年来，为了解决单一热泵除湿技术无法完成 的任务，热泵除湿与化学除湿、机械除湿、膜除湿 等的耦合技术 已经被提 出来 。Og u r a H i r o n a o等 ， I 利用 C a O H2 O C a ( OH ) 2 相互之间的反应 ， 做成一种 新型的化学热泵干燥器 ( C H P d r y e r )，这种干燥器 可以以化学能的形式把一些如工业废气中的废热、 太阳能、地热等热能储存起来，并且在需要的时候 释放 。由于整个过程中全部都是 以热能的形式 ，不 会有任何杂质 ， 所以环境友好，能源的利用率很高， 而且 C HP可以广泛应用于空气冷凝、 热储存、加热 以及制冷等模式。具有很大的应用前景 。 总得来说，热泵除湿技术还是在高效节能方向 具有明显的优势的。随着一些新型的制冷工质 的出 现、新型相变材料和热泵耦合技术的发展 ，热泵除 湿技术必将在是后得到一个长足的发展。 3 H V A C除湿技术 HV AC ( h e a t i n g，v e n t i l a t i o n， a i r - c o n d i t i o n i n g) 除湿是指用冷凝和加热方法使空气相对湿度降低一 种除湿技术。由于应用这种技术除湿投资少、运行 费用低，而且节能环保 ，正在受到广大研究者的重 视 一 。 3 1 HV AC除湿系统的工作原理I 3 o 】 HV AC除湿系统主要 由风扇、 过滤器 、 加湿器， 加热器 以及冷却和除湿器等 5个部分组成 ，这 5 个组成部分构成 一个气 体处理单元 ( A HU)。如 图 6所示。 图 6 H V AC除湿 系统的工作原理 图 工作原理如下：夏季时，热湿空气进入冷却和 除湿器 ，水蒸气经冷凝之后，空气温度和相对湿度 除低。 在这个过程中， 恒温器被用来检测过程温度， 将信号传送至控制者 ，以决定是否调节制冷器 以改 变送入空气 的温度。在除湿过程 中，恒湿器来被用 来检测过程 的湿度，如果过程湿度过大，将会给控 制者发信号，通过制冷器降低温度 ，使过程中的水 蒸气冷凝，降低相对湿度 。冬季时 ，干冷空气进入 气体处理单元，恒温器来感应过程温度，将信号传 送给控制者，以决定是否通过加热器而增大气体温 度，保证一定的相对湿度 。 3 2 HA V C除湿的特点 3 2 1 传统 H VA C除湿系统 圳 传统 HVA C 除湿系统一般都是通过制冷器将 空气 中的水蒸气冷凝 ， 然后除掉 ，从而达到降低空 气相对湿度 的 目的，又名机械 HVA C 除湿系统。 图 7是一个典型的机械 HV AC除湿系统l2 “ 。它主 要 由室外和室 内两部分组成 ， 具体又可 以分成室 内 空气 、室内冷却水 、制冷、室外空气和室外冷却水 等五大循环回路 。室内空气回路包括终端 、 冷却线 圈、阻尼器、风扇、管道和控制器 。冷冻水回路包 括冷却线圈、制冷机、蒸发器、水泵、水管、阀门 和控制器 。 传统 HV AC 除湿系统较之于其它除湿技术不 但提高系统的 C OP ，同时又减小了能耗 ，节省了能 源；缺点是这种方式的初投资高，而且结构 比较复 杂。但是其运行费用较低 ，可以弥补这一缺点。并 且除湿制冷的同时又提供一 定的新风量 ，可 以创造 一 个舒适 的环境，对人体健康有益。 1 热L 一 一 一 冷却； 空 I J r一 压 缩 机 f ： 建筑内部 图 7 一个机械 HV AC除湿系统结构图 3 2 2 混合化学 H VA C除湿系统 2 9 , 3 2 - 3 3 】 使用机械 HV AC除湿系统， 不得不考虑加大这 制冷器的效率和对重生气持续 的加热，这明显提高 了能耗。另外，在一些更严格 的空气条件下 ，传统 H V A C系统将不能对周围的大气进行控制，会产生 一 系列的后果：制冷设备的负荷增大 ，将会提高 运行成本 ； 由于霜冻的影响，尤其在一些较冷的 区域，将会使防霜期增长 ，从而使外面暴露的商品 保质期缩短，使包装变坏 ，使标签变得模糊不清； 随着露点的增大，在外表、结构和商品方面，表 室外 环境 _I 一 棵 _ 冷 凝器 儿 第 l 1 期 赵伟杰等 ：新型除湿技术 的研究进展 l 7 1 5 面水冷凝问题将会出现。 因此，为了解决这个 问题，研究者把注意力转 向了混合化学 HVA C除湿系统。 这个系统因为可 以 用热回收来弥补再生气 的再加热，所 以节能效果明 显，而且还可 以省去除霜装置，减少投资成本 。 相 比与传统的机械 H VA C除湿系统， 混合化学 Hv AC除湿系统具有 以下优点。 ( 1 ) 传统的制冷系统不能独立地控制潜热和显 热 ，所以为了保持一定的相对湿度 ，不得不将空气 冷却到很低温度后再加热， 从而使得 C O P和能量利 用率很低。这种混合系统可以避免这种情况 ，尤其 在一些低的潜热和显热条件下，节能优势更明显。 ( 2 ) 在混合系统中， 温度和湿度可 以直接独立 控制 ，但是传统的系统只有温度可 以控制，而湿度 是变 化 的 。 ( 3 )混合系统中，除湿温度的露点可 以更低； 而传统系统中，露点却不能低于 4。 ( 4 ) 因为湿度可 以精确地控制，混合系统可 以 保证一个好的舒适度和空气条件 。另外，因为整个 过程 中，没有冷凝水产生，可 以减少细菌、病毒等 的产生。所以，这个系统可 以在一些对卫生要求严 格的地方如医院、实验室等地得到广泛应用 。 ( 5 ) 混合系统只需要较小的水蒸气压缩机的功 率，并且体积越小，能耗、所需 电功率和投资成本 越小。并且减少了一些有害环境的制冷工质如 C F C 和 H C F C的使用，对保护环境有很大的帮助 。 ( 6 ) 虽然混合系统的一次性投资成本要高， 但 是其运行成本 比较低，比较经济 ，尤其是可以利用 回收热来使干燥剂重生。 但是，混合化学 H VA C也存在一些不足 。 ( 1 ) 在一些使用 固体干燥剂的情况下，固体颗 粒因为气流阻力而受阻，但是随着技术的进步，这 个问题将会得到很好的解决。 ( 2 ) 虽然干燥剂重生的温度一般为 4 0 8 0， 利用热回收技术就可以满足，但是，投资回收率还 可能会比较小 。 ( 3 ) 虽然混合除湿系统在 些住宅和商业领域 可以替代传统的制冷系统，但是 由于技术的不熟悉 和运行知识的不足， 混合除湿系统的推厂 并不太好 。 3 3 HVAC除湿技术的发展 HV AC除湿系统在国内的研究还不太多，但是 在 国外已经成为研究的一个热点。H VA C除湿系统 可以在超市、图书馆 、博物馆等公共场所得到广泛 的应用L 3 - 3 。 因为在这些地方空气不但要保证一定 的舒适度， 也要使相对湿度保持在一个较低的水平 。 L a u r a B e l l i a等【 3 3 J 将一种全空气型的 H VAC除 湿系统在博物馆 的文物保护中，并研究了各种情况 下的除湿效果。实验表明：利用单区系统，冬天的 室 内相对湿度可 以稳定控制在一定范围内的时间可 以达到 9 5 。夏天的稳定控制时间可以达到 8 0 ， 这要高于多区系统和变风量系统。 在节能效果方面， 刚多区系统要 占有一定的优势。 Ma z z e i 等【 3 分别将传统和混合化学 HV AC除 湿系统应用于商品和超级市场 中，比较两者的除湿 效果。研究表明：运行成本主要是集 中在开放的 制冷设备方面，适当的操作可以间接地降低运行成 本； 因为周围空气 的相对湿度维持在一个较低 的 水平，降低 了霜冻的可能性，从而使商品的保质期 增长和包装不易变坏 ；大约 3 0 的送入空气可 以 节省 ，从而使运行成本和系统制冷管所 占的空间减 小。相比较于前者 ，后者具有更高的除湿效率 。 随着人们对居住环境的舒适性要求和人们环保 意识 、节能意识的提高，H VAC除湿系统 以其改善 室内居住环境和节能效果好的优势 ，必将成为人们 关注的一个重点。 4 热电冷凝除湿 热电冷凝除湿是建立在热电制冷的基础上，将 空气 中的水蒸气冷却到露点温度 以下来在到除湿的 目的L 3 。相比于传统的除湿技术，它具有体积小、 稳定性高、 无需制冷剂和干燥剂、环境友好等特点， 因此 日益受到人们的关注 ，在除湿领域中显示出了 潜在 的重要价值。 4 1 热 电冷凝除湿的工作原理 热电冷凝除湿是建立在热 电制冷原理基础上， 主要是塞贝克效应和珀尔帖效应。塞贝克效应是指 通过 N型和 P型两种半导体将热能转化为电能的现 象 。珀尔帖效应则是与之相反的，将电能转化为热 能的现象。因此，热 电冷凝除湿中，起关键作用的 是前者珀尔帖效应。 热 电制冷是通过直流 电通过一对或多对 N 型 和 P型半导体实现的。图 8则是单个热电对的制 冷模型 3 6 】 。 在制冷模式 中， 直流 电从 N型半导体流 向P型 半导体。 热 电对中冷端的温度 减小，并且从环境 中吸收热量 。当电子通过相互连接的导体从 P型半 导体的低能端流 向N型半导体的高能端的时候， 便 会从环境中吸收热量 。然后热量通过电子传导转移 1 7 1 6 化 工 进 展 2 0 0 8 年 第 2 7卷 从环境中吸收热量 ( 冷端) 7 Q n e I 传 焦 连接导体 热 P 型 i 篡 ； ， 一) P e ltie r P 型 热 N 型 ， ， “ I 向 散 放 热 I 直流电源 济 到别一端 ( T H )，然后当电子返回到 P型导体 的低 能端时释放热量 。 多个热 电对连接在一起，就构成热 电装置。在 这个热 电装置中，每个半导体叫热 电偶。对热 电 偶组成一个热 电对 。图 9是两种商业上常用的热电 对排列方式 。 制 导电 带 一 陶 瓷绝缘 板 热 电偶 ( a )有陶瓷绝缘板和大的热电偶间隔分离层 铝导 电带 绝缘 层 ( b )没有陶瓷绝缘板和有小的热电偶间隔分离层 图 9多对 热审偶的示意图 4 2 热 电冷凝除湿的特点 热 电冷凝除湿作为一种新兴的除湿技术 ，与传 统的除湿技术相 比具有以下几个优势：热 电除湿 装置没有机械移动部分，因此不需要经常的系统维 修，而且设备小、质量轻 ；研究表明，热 电除湿 装置可 以达到稳定运行 1 0 0 0 0 0 h以上； 热 电除湿 装置不用制冷剂或干燥剂 ，因此不需要经常性的补 充， 而 且不用 C F C等有利于温室效应的物质，可 以 起到保护环境的作用；热电除湿装置温度控制可 以精确到 0 1；热电除湿装置可以在恶劣、敏 感或是小的环境 中工作，对环境没有太大的要求， 同时对地点也没有太大的要求 ；热电除湿装置可 以利用太阳能、工业废热和地热等低 品位热源 。但 是，热 电冷凝除湿技术的 C OP比较低 。 4 3热电冷凝除湿技术的发展 热电冷凝除湿技术是在热电制冷技术的基础上 发展起来的，所以热电制冷技术的发展必将带到热 电除湿技术的发展 。尽管国内外热电制冷技术发展 很快，应用越来越 。 泛 ，但仍然有很多问题需要改 进和提高，主要表现在以下几个方面l 3 ， 粥 ：现有 的热电材料的热电转换效率 ( 即 Z T值 )太低； 热 电偶及其热 电对的制作工艺不成熟，使得元件成 本较高，性能价格 比较低；热 电制冷要求平稳的 低 电压 、大电流的直流 电和低的焊接处电阻，而现 有技术水平并不能满足这些要求 。 为了解决这些 问题，国内外的研究者们进行 了 深入 的研究，并且已经取得 了一定的进展。针对热 电材料 Z T值太低的特点， 人们提出了各种新型的热 电材料I 3 圳 。如 S k u t t e r u d i t e 热电材料、 C l a t h r a t e s 热电 材料、Ha l f - He u s l e r 热电材料 、功能梯度材料，低维 热电材料等，这些材料的共同特点是可以实现 Z T值 达 1 5 43 0 。 针对热电制冷所需直流电，利用太阳能 等低 品位能源直接产生直流 电，并且直流 电的产生 和应用相对于交流 电来说要容易和方便的多。这样 不但可以节能能源，还可以减少高品位 电能的使用， 以缓解当前电能供应不足的局面。不足的是太阳能 转换为电能的效率较低。H o n g x i a Xi 刊报道了太 阳能热电技术在国内外的发展和应用情况。 但是，将热电冷凝技术应用于除湿方面报道的 还比较少。 图 1 0 是一个热电冷凝式除湿装置模型【 4 。 作者在特定的条件下利用这个装置进行了实验和模 拟，并与传统的冷凝式除湿方式进行了对 比。实验 表明，此实验装置的 C O P可达到 0 8 ，而在 同等实 验条件下， 传统的冷凝除湿方式的 C O P为 0 7 1 - 3 。 1 排出外部空气 一 输入外部空气 4 8 排出除湿 后的空气 9 l 0 图 l 0 热电冷凝式除湿装置模型结构图 1 铝板；2 一热电对 ( 第 l I 阶段)；3 一风扇 ( 第一阶段 )；4 一换热片 ( 热端，第一阶段)；5 一绝缘层；6 一换热片 ( 冷端 ，第一阶段)； 7 一热电对 ( 第二阶段)；8 一风扇； 换热片 ( 热端，第二阶段)： 1 o - _ 换热片 ( 冷端，第二阶段)；1 1 一集水器；1 2 一隔板 第 1 1 期 赵伟杰等：新型除湿技术的研究进展 1 7 1 7 虽然热电冷凝除湿技术的 C OP还比较低， 这住 一 定程度上限制了它的使用 。但是随着热 电材料热 电转换系数的不断提高，热 电偶及其热电对制作T 艺的发展和利用能量方式及其得用利用率的提高， C OP必将会有大幅度的捉i葛， 热 电冷凝式除湿技术 的应用将更加地广泛 。 5 电化学除湿 ( 质子传导 ) 电化学除湿是指通过电觯水蒸气，来实现除湿 的 目的的方法 。这种方法是近年来 由 1 wa h a r a等 】 提出来的，彼用 J 科学研究L J 小的、封 闭的环境 中 的除湿 。 5 1 电化学除湿的机理 水蒸气在阳极被电解 ，形成质子，在电流的作 用下转移到电解质中，然后质予通过电解质膜辽移 到阴极 ，并存阴极放 电形成氢分子，或者与气休中 的氧气反应生成水分了。无论是通过那种方式 ， 极端的水蒸气含量都会 降低 ，窀内的空气被干燥。 工作原理图如图 l 1 所示。 盲流 巾源I ， o 02 l 2 O一2 H_+2 e +1 2 0 2 2 H 2 e 一 ( a )水蒸 电解模式 Hz O H+ O2 02 一 H2 o H 2 o 一2 r + 2 e +1 2 2 H _ 2 e +l ， 2 ( ) 2 一 H 2 O ( b )水蒸 泵模式 图 1 1 电化学除湿的工作原理图 5 2 电化学除湿技术发展 电化学除湿作为一种新提出来的除湿方式，到 目前为止还在理论阶段。由于它是经过水电解的方 式来除湿的，只用电能，使得工作环境很卫生。而 且仝部 电解过程 中， 会有任何的对环境有害的物 质产生。所 以对环境保护是有好处的。 总得来说，随着相关理 论的不断完善和技术的 不断进步，电化学除湿也会成为 一 种新颖的除湿技 术的，并得到人们的重视。 6 结 话 随着人们对居住环境的舒适性和工业生产 中对 除湿要求 的提 高以及传统 除湿技术弊端 的 j 益 显 现 ，新型除湿技术逐渐引起 了人们的注意。膜法除 湿、热泵除湿 已经在 国内外得到了广泛研究，已经 在商业上得到了应用 。H V A C除湿是和其它除湿技 术集成的，随着相关除湿技术和集成技术的发展， 必将得到进 步的发展。热电除湿和 电化学除湿虽 然还处 理 沦阶段 ，但足以其独特的优势正在引起 研究者的关注 。除此之外，祸合除湿技术也是研究 者们 在研究的一个热点，它可 以集合几种除湿技 术的优势，取得 个 良好的除湿效果。 参考文献 1 张立志除湿技术 M 北京：化学工、 山版社，2 0 0 4 2 朱冬生， 剧霏，李鑫，等除湿器的研究进展l J 1暖通空训，2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ：3 5 4 0 3 】 保囤，文湘华，陈翠仙膜分离技术 石油化工中应川研究现 状f J 化工进腱，2 0 0 2 ，2 1 ( 1 2 ) ：8 8 0 8 8 4 【 4 张立志，汀亿膜法空气除湿的研究 进展l J J 暖通空调，1 9 9 9 ， 2 9 ( 6 ) ：2 8 3 2 5 Zh a n g L Z，J i a n g Y，Zh a n g Y R Me mb r a n e b a s e d h u mi d i t y p u mp： p e rf o r ma n c e and l i mi t a t i o n s J J o u r n a l ofMe mb r a n e S c i e n c e ， 2 0 0 0 ， 1 71 r 2 1 ： 2 0 7 21 6 6 】 李鑫，李忠，韦利 E ，等蜍湿_卡 爿 料的研究进展【 J J化T进展， 2 0 0 4，2 3 ( 8 ) ：8 1 1 - 8 1 5 7 严万程卡斯特膜空气除湿新工岂 J 】 油与天然 e 化工，2 0 0 1 ， 3 0 ( 6 ) ：2 8 1 2 8 6 8 Te p l y a k o v V V，Ga s s a n o v a L G，S o s t i n a E G，e t a 1 L a b s c a l e b i o r e a c t o r i n t e g r a t e d wi t h a c t i v e me mb r a n e s y s t e m f o r h y d r o g e n p r o d u c t i o n ：e x p e r i e n c e a n d p r o s p e c t s J J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H y d r o g e nE n e r g y ，2 0 0 2 ，2 7 ( 1 1 一 l 2 1 ： 1 1 4 9 1 1 5 5 9 1 赵素 ， 工良恩， 郊辉东 膜法空 L 脱湿的工 及应J_fj 研究进展【 J 化工进腱，2 0 0 5 ，2 4 ( 1 O ) ：1 l 1 3 1 1 1 7 1 0 Wu Yo n g l i e ，P e n g Xi ，L i u J i n g z h i ，e t a l St u d y o n t h e i n g r a nd me mb r a n e p r o c e s s e s o f d e h u mi d i fi c a t i o n o f c o mp r e s s e d a i r a n d v a p o r p e r me a t i o n p r o c e s s e s l J J o u r n a l of Me mb r a n e S c i e n c e ，2 0 0 2 ， 1 9 6 f 2 1 ： 1 7 9 1 8 3 r I I 】 T e p l y a k o v V V，Ok u n e v A Y，L a g u n t s o v N I Co mp u t e r d e s i g n o f r e c y c l e s me mb r a n e c o n t a c t o r s y s t e ms f o r g a s s e p a r a t i o n J S e p a r a t i o n a n d尸 “ r c a t i o n T e c h n o l o g y，2 0 0 7 ，5 7 ( 3 ) ：4 5 0 4 5 4 1 2 李 民，李俊风 ，刘静芝，等消除浓差极化提高膜组件脱湿效 4 qJ 化学工业 工程技术，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ：3 7 3 9 1 3 Ch o u SK， C hu aK J ， Ho JC， e t a l ， Onthe s t u d y o f a l l e n e r g y e ffic i e n t g r e e n h o u s e f o r h e a t i n g，c o o l i n g a n d d e h u mi d i fi c a t i o n a p p l i c a t i o n s J 1 7 1 8 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 1 4 】 1 5 】 【 1 6 】 1 7 1 8 1 9 】 2 0 【 2 1 】 【 2 2 【 2 3 】 2 4 2 5 【 2 6 】