太陽能智能控制除濕系統(tǒng)研究

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摘要：設(shè)計了一種太陽能再生式智能控制除濕系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的除濕系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計有效降低了對太陽輻射的反射率和熱損失，系統(tǒng)內(nèi)外筒間充填變色硅膠，達到了迎光側(cè)通過太陽能加熱硅膠脫附再生，背光側(cè)對風(fēng)機送入的風(fēng)吸附除濕的效果。同時系統(tǒng)采用在內(nèi)筒配置智能溫控儀、間歇轉(zhuǎn)動等方法提高了再生熱量的吸收率，使得系統(tǒng)除濕和再生效果大幅度提高。

關(guān)鍵詞：太陽能；再生；硅膠；智能控制

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高以及工業(yè)發(fā)展的迫切需要，人們對空氣品質(zhì)的要求也越來越高，不僅要求空氣的溫度和濕度合適，還要求空氣中污染物濃度處在較低水平，因而對除濕機需求量越來越大。然而除濕工作還面臨著一些問題，如干燥劑除濕率及機械性能問題，能源利用率及傳熱問題，除濕區(qū)和再生區(qū)之間、轉(zhuǎn)芯和風(fēng)道之間的結(jié)構(gòu)、密封問題，整個裝置的輕巧性、拆裝性和成本問題等，實際應(yīng)用中都需要加以考慮。為此，研發(fā)一種節(jié)能、環(huán)保、高效、低噪聲、體積輕巧的新型除濕系統(tǒng)迫在眉睫。

1除濕技術(shù)研究進展

目前，常用的空氣除濕方法有冷卻除濕法、壓縮除濕法、溶液吸收除濕法和固體吸附除濕法［1］。其中，固體吸附除濕是將固體除濕材料裝載在空氣流道內(nèi)對流過的空氣進行除濕，除濕材料經(jīng)加熱再生后又可繼續(xù)吸附，具有處理空氣量大、除濕能力強、結(jié)構(gòu)簡單且無污染等優(yōu)點。固體除濕主要包括轉(zhuǎn)輪除濕［2－4］和固定床除濕，主要能耗均為再生耗能［5］。再生耗能的來源和能源形式直接影響整個系統(tǒng)的運行效果和節(jié)能效果。傳統(tǒng)的電加熱存在能源利用率低、對吸附劑造成損壞等缺點［6］。為了降低再生過程中的能耗，提高再生效率，不同的研究者根據(jù)能量來源提出了各種加熱再生方法，包括太陽能輻射再生、超聲波再生、電滲再生以及微波再生等。有研究表明，通過太陽能系統(tǒng)可滿足室內(nèi)50％的能源消耗［7］。采用太陽能等低品位能源將顯熱和潛熱分開處理，能實現(xiàn)節(jié)能和舒適性的要求［8］。

2除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1整體設(shè)計

除濕系統(tǒng)由除濕筒體、轉(zhuǎn)動驅(qū)動部件、通風(fēng)機與柔性連接件、電控組件、支架等組成。其中除濕筒體由太陽能加熱外筒、電加熱內(nèi)筒（兩筒內(nèi)填充硅膠干燥劑）、風(fēng)筒等構(gòu)成；轉(zhuǎn)動驅(qū)動部件主要由步進電機、加速器、軸承及相關(guān)連接與固定件等構(gòu)成；電控組件主要由電機、加熱等控制元件等構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2．2工作原理

太陽能再生式除濕系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。除濕系統(tǒng)結(jié)合了太陽能再生方式及轉(zhuǎn)輪除濕和固定床除濕的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用迎光再生側(cè)與背光除濕側(cè)1∶1的多層筒狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)面積越接近，均勻性越好，所需的再生溫度也越低。外層為太陽能加熱筒，筒中設(shè)置真空夾層以提高太陽能利用率。太陽能加熱筒利用太陽能熱輻射的能量加熱硅膠使其再生，當(dāng)夜晚或冬季太陽能不足時，內(nèi)層電加熱筒對硅膠進行輔助加熱。通過這種多層筒狀結(jié)構(gòu)，可為除濕系統(tǒng)中的硅膠再生持續(xù)集中供熱。背光側(cè)硅膠吸附飽和后轉(zhuǎn)動到迎光側(cè)進行脫附再生，原迎光側(cè)的硅膠則相應(yīng)轉(zhuǎn)動到背光側(cè)對空氣除濕，由此可實現(xiàn)硅膠的邊吸附邊脫附，從而縮短再生時間，降低能耗，減弱噪聲提高除濕系統(tǒng)整體性能。

2．3除濕轉(zhuǎn)筒

為了使太陽能利用率最大化，太陽能加熱筒雙層有機玻璃間為真空層，內(nèi)層有機玻璃筒外壁包裹高吸收率、低發(fā)射率的太陽能熱吸收膜。有機玻璃筒端設(shè)置法蘭，以便與不銹鋼筒連接。太陽能加熱筒設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。電加熱筒采用不銹鋼筒作為支撐，不銹鋼外壁加設(shè)2塊肋片將轉(zhuǎn)筒分為迎光側(cè)再生區(qū)和背光側(cè)除濕區(qū)，同時配備智能溫控儀，控溫更精準(zhǔn)。外壁包裹如圖4所示硅橡膠加熱帶，直接加熱筒間填充的變色硅膠使其再生。電加熱筒結(jié)構(gòu)如圖5所示。特殊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸（如圖6所示）上兩圓盤分別與電加熱筒筒端采用平頭螺絲連接。太陽能加熱筒與電加熱筒再通過筒端法蘭結(jié)構(gòu)連接，筒間填充硅膠干燥劑。組裝出的除濕系統(tǒng)轉(zhuǎn)筒部分如圖7所示，筒端部開有通氣孔，內(nèi)襯托有既防漏硅膠又能通風(fēng)的內(nèi)絲網(wǎng)。

2．4控制系統(tǒng)設(shè)計

采用步進電機作為驅(qū)動，帶動聯(lián)軸器另一端的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。通過計算機編寫程序輸入研控驅(qū)動器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)筒的間歇式旋轉(zhuǎn)。計算機連接GRM200G等遠程控制模塊，對PLC中的數(shù)據(jù)進行收集，并通過軟件遠程對太陽能除濕器進行及時控制和研判。當(dāng)除濕系統(tǒng)除濕效率達不到要求時，可通過計算機或手機更換模式和增大除濕系統(tǒng)功率。該情況下的大數(shù)據(jù)會反饋到控制系統(tǒng)，在以后出現(xiàn)類似情況時，除濕系統(tǒng)會自動加大功率。遠程操控過程如圖8所示。為了增加進氣量，提高除濕系統(tǒng)除濕效率，在轉(zhuǎn)筒左側(cè)加設(shè)進風(fēng)口與風(fēng)機相連，為裝置供風(fēng)。最后綜合實際性能及成本因素，對電機及風(fēng)機進行優(yōu)選計算。步進電機參數(shù)見表1。因為硅膠堆積，風(fēng)僅能從孔隙流動，風(fēng)量達不到最大，故選用JQ12032L12B型風(fēng)機，其參數(shù)見表2。

2．5殼體設(shè)計

風(fēng)筒固定于支架上，筒內(nèi)加裝分隔板將風(fēng)道均分為上下兩部分，與轉(zhuǎn)筒再生區(qū)和除濕區(qū)位置相對應(yīng)。轉(zhuǎn)筒法蘭上開溝槽連接風(fēng)筒，采用O型密封圈進行動態(tài)密封。轉(zhuǎn)軸兩端靠軸承及軸承座固定于支架。在風(fēng)筒下側(cè)設(shè)置進風(fēng)口和送風(fēng)口，風(fēng)機引流的濕空氣經(jīng)干燥除濕后送到室內(nèi)；再生區(qū)風(fēng)筒右側(cè)開通風(fēng)孔，硅膠脫附再生后釋放的水蒸氣由此排出。風(fēng)筒通風(fēng)示意圖如圖9所示。圖9風(fēng)筒通風(fēng)示意圖

3系統(tǒng)創(chuàng)新性

（1）采用間歇轉(zhuǎn)動連續(xù)工作形式，延長單側(cè)工作時間，使硅膠吸附脫附充分，同時保持連續(xù)工作，達到最大除濕效率。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪式除濕系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)綜合了轉(zhuǎn)輪式和固定床式除濕系統(tǒng)的優(yōu)點，在高效除濕的同時保證了連續(xù)工作。（2）除濕機體為多層筒狀覆膜轉(zhuǎn)筒，增加了硅膠的填充量，提高了除濕量。在有機玻璃筒中采用真空＋太陽能熱吸收膜集熱，提高了太陽能利用率。（3）為保證除濕系統(tǒng)在夜間或陰天等太陽能資源少而濕度大的情況下仍高效運行，在轉(zhuǎn)筒迎光側(cè)內(nèi)側(cè)設(shè)置電加熱器，輔助太陽能加熱。與傳統(tǒng)的側(cè)邊設(shè)置加熱器相比，內(nèi)側(cè)設(shè)置集熱器增加了傳熱面積，強化換熱，提高了脫附效率。（4）系統(tǒng)各部分采用組合式安裝，裝配方便，拆卸靈活，便于維修，延長了使用壽命，還利于材料更換。（5）采用傾斜安裝方式，使太陽能輻照角度達到最佳。通過輕巧簡單的支架設(shè)計，以最低的成本獲得最大的脫附效率。

4結(jié)語

本文通過對除濕系統(tǒng)各組成部分的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了具有高效節(jié)能、空氣凈化除濕雙功能、智能控制、成本低、壽命長等特點的太陽能再生式智能控制除濕系統(tǒng)。該除濕系統(tǒng)以太陽能加熱方式使硅膠脫附再生，節(jié)能環(huán)保；結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合了轉(zhuǎn)輪除濕和固定床除濕技術(shù)的優(yōu)點，使得除濕性能顯著提高；智能控制既可根據(jù)太陽能光照強度和除濕效率自動切換太陽能和電能，也能通過遠程控制模塊，將信號發(fā)送到手機、計算機等終端；裝置設(shè)備簡單緊湊，整體造價低；組合式裝配使得裝置不僅靈活性較好，拆裝容易，維修和清洗方便，而且使用壽命延長；與傳統(tǒng)的空氣壓縮及冷凍除濕技術(shù)相比，以變色硅膠作為干燥劑，保證了除濕效果的同時，價格還低廉。

作者：田中訓(xùn) 劉偉軍 余琦 單位：上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院