一種新型熱管固體除濕系統(tǒng)的設計與應用分析*

牛永紅郭寧

（內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院　內蒙古包頭014010）

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一種新型熱管固體除濕系統(tǒng)的設計與應用分析*

牛永紅郭寧

（內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院內蒙古包頭014010）

摘要目前的除濕系統(tǒng)大多單一，除濕效率不高，能源的利用率也相對較低。研究了一種熱管與吸收式制冷的新型固體吸附除濕系統(tǒng)，提高了除濕效率和能源利用率。采用吸收式制冷對除濕過程中產(chǎn)生的吸附熱進行降溫，從而有效地提高吸附劑的除濕效率。吸收式制冷利用工廠余熱和廢熱等低品位熱源，對能源的利用范圍很廣。設計的系統(tǒng)是一種傳熱效率高、節(jié)能、除濕效率高的新型固體吸附除濕系統(tǒng)。

關鍵詞熱管吸收式制冷固體除濕系統(tǒng)

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

市場上有各種類型的除濕機，多數(shù)由于適用范圍有限，在很多領域受到限制而不能大量投入使用。如冷凍除濕機不能達到非常低的露點，而且能耗比較大；液體除濕機，由于其具有腐蝕性，且再生溫度高，設備的造價也較高［1］；轉輪除濕機除了再生溫度高，其結構也比較復雜，且價格昂貴［2］。單一的除濕系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人類生活和生產(chǎn)工藝的要求，設計一種保護環(huán)境、節(jié)約能源的新型除濕系統(tǒng)已經(jīng)成為除濕領域未來的發(fā)展方向［3］。

熱管具備優(yōu)良的熱傳導性、二次間壁換熱、熱流密度可調節(jié)等普通換熱設備所不具備的優(yōu)越性能，因而在工業(yè)換熱和回收余熱等方面獲得了廣泛應用，在冶金、化工、建材、動力等行業(yè)有很多成功的實例［4－5］。在有穩(wěn)定低品位工業(yè)廢熱的情形下，采用熱管技術利用工業(yè)廢熱作為吸收式制冷的熱源，達到提高能源利用率，減少環(huán)境污染的目的［6］。

本文設計了一種節(jié)能型固體吸附除濕裝置，并對其在應用實施方面進行了分析。

1固體吸附除濕系統(tǒng)的設計

傳統(tǒng)的固體除濕系統(tǒng)在吸附除濕過程中產(chǎn)生吸附熱，降低了吸濕劑的除濕性能。同時，吸附熱導致處理氣流溫度升高，這對固體吸附除濕制冷系統(tǒng)是非常不利的。再生過程中由于對再生溫度要求較高，對能源的利用效率不高，所以利用熱管對除濕過程的空氣進行冷卻，對再生過程中的空氣進行加熱，有利于提高不同工況下的除濕和再生性能。

該除濕系統(tǒng)采用重力式熱管，在重力作用下實現(xiàn)熱管內工質的循環(huán)和傳熱。系統(tǒng)包括一套利用熱管技術的吸收式制冷系統(tǒng)（其中制冷劑為低沸點的氨，吸收劑為沸點較高的水）和一套利用熱管技術的吸附除濕系統(tǒng)。

熱管換熱器中的熱管上橫向裝著翅片，將吸附劑材料密集、有規(guī)律地粘附在翅片上。采用雙熱管換熱系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠連續(xù)地對氣體進行除濕和再生，達到固體吸附除濕空調系統(tǒng)工作的連續(xù)性。

圖1為除濕系統(tǒng)結構示意圖，圖2為熱管換熱器吸附除濕結構三維立體圖。

1－發(fā)生器；2－冷凝器；3－蒸發(fā)器；4－吸收器；5－溶液泵；6．7－熱管換熱器圖1除濕系統(tǒng)結構示意

圖2熱管換熱器吸附除濕結構三維立體圖

在該系統(tǒng)中，除濕和再生過程同時進行。

除濕過程：考慮到除濕過程產(chǎn)生大量的吸附熱影響除濕效率，所以設計中對其進行了優(yōu)化處理。利用余熱驅動的吸收式制冷來解決效率低的問題。將吸收式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器生成的冷空氣，與被處理空氣按除濕要求進行合理配比，送入熱管換熱器凝結段進行低溫除濕，從而大大提高了除濕效率。

加熱再生過程：高溫余熱、廢熱經(jīng)過熱管，對熱管中的工質進行加熱，使工質在管內蒸發(fā)，蒸汽從管中心通道流向凝結段散熱區(qū)，放出潛熱對流過的空氣進行加熱，使熱空氣流經(jīng)吸附劑對吸附劑進行再生。熱管中的工質凝結后借助重力作用返回到熱管換熱器蒸發(fā)段進行再蒸發(fā)，從而使熱管換熱器形成一個閉合的換熱循環(huán)。

制冷過程：吸收式制冷系統(tǒng)中發(fā)生器吸收外部的余熱，制冷劑蒸發(fā)進入冷凝器，被冷卻凝結后經(jīng)節(jié)流閥降壓進入蒸發(fā)器，吸收室內空氣的熱量后蒸發(fā)，然后進入吸收器被吸收劑（水）所吸收，吸收劑變?yōu)榘钡南∪芤?，通過溶液泵再送到發(fā)生器中進行余熱加熱蒸發(fā)，完成一個制冷循環(huán)。同時，被蒸發(fā)器冷卻的室內空氣進入除濕系統(tǒng)，該過程能有效地解決除濕劑除濕時由于吸附熱的生成降低除濕效率的問題，同時還有利于夏季空調制冷的需要。

熱管換熱器進行除濕和再生過程，吸收式制冷系統(tǒng)進行冷卻過程，除濕和再生的切換依據(jù)出口空氣參數(shù)確定，依靠閥門進行切換。這樣就形成了一套連續(xù)的冷卻除濕再生系統(tǒng)。

本設計采用自動感應溫濕度裝置來自動控制各個閥門的開啟狀態(tài)，將反饋信息傳送給PLC控制板，由PLC控制面板對反饋信息進行分析處理，再將信息傳送到閥門，從而控制各個閥門的開啟度，控制混合空氣的溫濕度，使得吸附除濕能夠達到最佳的效果。

2應用分析與具體實施方式

熱管換熱器具有安全可靠、阻力小、單向導熱等特性。熱管換熱器屬于二次間壁換熱，蒸發(fā)段和冷凝段一般不可能同時損壞，所以設備運行的可靠性大大增強了，適合于回收各種工業(yè)余熱、廢熱作為空調工程的熱源［7］。將熱管換熱器用于空調系統(tǒng)中，可使除濕效果大大增強，空調系統(tǒng)的總能耗也有所減少，使空調器的送風溫濕度適宜，從而達到空調的舒適性要求。

夏季除濕制冷：夏季空氣溫度高且潮濕，需對其進行冷卻除濕。在吸收式制冷系統(tǒng)中，利用外部余熱完成制冷過程，將蒸發(fā)器中被冷卻的空氣送入熱管吸附除濕系統(tǒng)中。當熱管換熱器6進行除濕，熱管換熱器7進行再生時，閥門①②③⑥打開，閥門④⑤關閉，冷空氣通過閥門③與被處理空氣經(jīng)過閥門①混合一起進入熱管換熱器6進行除濕，被處理空氣經(jīng)過閥門②進入熱管換熱器7對吸附劑進行再生。當冷空氣溫度不能達到室內要求時可進行二級吸收式制冷。當熱管換熱器6中吸附劑達到飽和時，連接熱管換熱器的控制閥門進行相反的操作即可對被處理空氣進行連續(xù)的除濕和制冷。當不需要對室外空氣進行除濕時其他所有閥門都關閉，打開閥門⑦，直接將冷空氣送入室內，即可達到夏季室內空氣制冷的效果。

冬季制熱：直接打開閥門①②⑤⑥，余熱氣體對熱管蒸發(fā)段進行加熱，使熱管內的工質蒸發(fā)，蒸汽上升到冷凝段，蒸汽凝結放出潛熱加熱空氣，從而達到冬季制熱的效果。由于冬季空氣干燥，所以翅片裝置應該是便于裝卸的裝置，冬天制熱時應該將其取出，換上無吸附劑的翅片，進行強化換熱。

3適用范圍

在各種工業(yè)窯爐的能量輸出中，煙氣余熱占15%～35%，我國許多鋼鐵行業(yè)對余熱的平均回收率約為25．8%，而一些發(fā)達國家則高于50%。盡管高溫廢氣的余熱已經(jīng)普遍被回收利用在預熱助燃空氣或者產(chǎn)生蒸汽中，但是中低溫廢氣余熱（300℃以下）仍然沒有得到很好的回收和利用。在濕熱地區(qū)，空氣除濕已廣泛應用在冶金、建筑、食品、制藥、化工等領域，并大多采用冷凍除濕技術［8］。

本文提出的工業(yè)余熱驅動熱管固體除濕系統(tǒng)，再生吸附劑利用低溫煙氣余熱來加熱，除濕空氣利用低溫固體除濕技術進行除濕處理，除濕后的空氣可用于空氣助燃、特殊介質冷卻和空調新風等領域。

4　結語

本設計不同于傳統(tǒng)的固體除濕，它解決了除濕過程中由于吸附熱的產(chǎn)生而影響除濕效率的問題，而且利用余熱驅動的吸收式制冷系統(tǒng)更加節(jié)能，除濕效率也大大提高。同時還有效應用了熱管技術的高傳熱性能，使得能量的利用效率大大提高，在熱管冷凝段裝翅片增大了傳熱效果，從而使吸附劑的再生效率大大提高。

應用了2臺熱管式換熱器，實現(xiàn)了固體吸附除濕空調系統(tǒng)工作的連續(xù)性。本系統(tǒng)巧妙地利用PLC系統(tǒng)對閥門開啟的大小進行反饋自動控制，從而使得空氣混合后的溫度和濕度能夠滿足空調房間的需要，能更加合理地利用空氣的能量，達到更高的除濕制冷效果，亦可滿足冬季的制熱過程，更加高效地利用了余熱。

參考文獻

［1］王倩．空調系統(tǒng)中的除濕技術［J］．廣東石油化工學院學報，2013，23（4）：63－67．

［2］萬鑫．轉輪除濕空調系統(tǒng)再生能耗研究進展［J］．潔凈與空調技術，2014（1）：77－82．

［3］張立志．除濕技術［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2005：227 －260．

［4］P D Dunn，D A Reay．Heat pipes，thirded［M］．Perga mon Press，1994．

［5］莊駿，張紅．熱管技術及其工程應用［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2000．

［6］袁勝利．吸收式制冷系統(tǒng)的熱管換熱器［J］．化工裝備技術，2001，22（2）：34－36．

［7］余霞，王文，王如竹．熱管在空調中的應用［J］．暖通空調，2004，34（5）：26－29．

［8］富莉．我國冶金企業(yè)廢氣余熱利用的現(xiàn)狀［J］．冶金能源，2000，19（3）：23－29．

郭寧，內蒙古科技大學供熱、供燃氣、通風與空調工程專業(yè)碩士研究生，內蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項目（S20141012703）負責人。

收稿日期：（2014－12－15）

作者簡介牛永紅，男，1977年生，副教授，碩士生導師，主要從事暖通空調節(jié)能及生物質能高效清潔利用方面的研究。

*基金項目：內蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項目（S20141012703），內蒙古科技大學試驗室建設資助項目（201203）。