新型除湿技术的研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2008年第27卷第11期·1710·化工进展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510640）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、HVAC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；HVAC除湿；热电冷凝除湿；电化学除湿中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：1000–6613（2008）11–1710–09ProgressonnovelairdehumidificationtechnologiesZHAOWeijie，ZHANGLizhi，PEILixia（KeyLaboratoryofEnhancedHeatTransferandEnergyConservationofMinistryofEducation，SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，Guangdong，China）Abstract：Dehumidificationisaveryimportantissueindailylifeandproduction.Thetraditionaldehumidificationtechnologies，suchasrefrigeration，liquiddesiccant，arewidelyused，buthavemanyshortcomings.Thispaperreviewstherecentdevelopmentofsomenoveldehumidificationtechnologies，includingmembranedehumidification，heatpumpdehumidification，heating，ventilating，airconditioning(HVAC)dehumidification，thermoelectriccoolingandelectrochemicaldehumidification.Theiroperationalprinciples，advantagesanddisadvantages，andequipmentareintroduced.Besides，theirfuturedevelopmentdirectionsarepresented.Keywords：membranedehumidification；heatpumpdehumidification；HVACdehumidification；thermoelectriccoolingdehumidification；electrochemicaldehumidification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[1]。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、HVAC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[1－2]。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：2008–05–07；修改稿日期：2008–07–04。基金项目：国家“十一五”国家科技支撑计划（2006BAA04B02-1）及广东省科技攻关计划（2007B010800025）。第一作者简介：赵伟杰（1984—），男，硕士研究生。E–[e-mail]。联系人：张立志，教授，博士生导师。电话[phone]；E–[e-mail]。第11期赵伟杰等：新型除湿技术的研究进展·1711·1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[3]，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[4]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[4]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，Zhang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，膜中水分在这一温度梯度作用下形成一浓度梯度，这一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。供气湿气膜废热扫气热交换器除湿气图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[6]报道了昀新的除湿膜材料。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、膜吸附法[1]等，并且在工业上得到越来越大的应用。Permea公司[7]推出的Cactus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，来实现昀优的工艺组合和昀低的经济投资[8－9]。WuYonglie等[10]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空气除湿过程，采用30%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－30℃；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。123552449821110267图2膜集成除湿系统工程实验室装置流程图1—压缩机；2—阀门；3—压力计；4—膜组件；5—流量计；6—蒸馏烧瓶；7—加热系统；8—温度控制系统；9—冷凝器；10—半导体冷却阱；11—渗透组分收集器化工进展2008年第27卷·1712·Teplyakov等[11]将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。冷凝器吸收膜组件加热器除湿空气流增湿空气流解吸膜组件循环液流图3循环膜接触器系统的工作原理图李国民等[12]将吹扫法和真空法集成起来。通过考察发现，吹扫和抽真空联合使用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昀有效的方法。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20%～50%[13]。它可以利用太阳能[14]、地热能[15]以及工业废热[16]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[17]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[18]。2.2热泵除湿的特点[13,19]（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，123654图4热泵除湿干燥系统的工作原理图1—压缩机；2—辅助冷凝器；3—冷凝器；4—干燥室；5—蒸发器；6—膨胀阀第11期赵伟杰等：新型除湿技术的研究进展·1713·达到干燥的目的。在整个干燥过程中，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