轉輪除濕干燥技術研究進展*

王教領，宋衛東，金誠謙，丁天航，王明友，吳今姬

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

通訊作者：金誠謙，男，1973年生，安徽潛山人，博士，研究員；研究方向為農業裝備工程與技術。E-mail: jinchengqian@caas.cn

0 引言

常見干燥傳熱有輻射、傳導與對流三種方式，對流干燥以其設備簡單、適用范圍大而獲得了廣泛的應用。對流干燥一般可調參數有風溫與風速，但溫度在每個干燥階段都有上限，超過上限可能會破壞產品品質；風量調節也不宜太大，超過最佳風量后不利于干燥介質與物料之間進行充分的熱交換，導致能耗的浪費。而干燥介質的濕度在干燥大部分階段是不受限制的，低濕度可以提高干燥速率，實現低溫快速干燥，因此濕度是一個理想的調節參數[1-2]。除濕的方法有冷凝除濕、液體除濕、固體除濕等。轉輪除濕是固體除濕中常用的模式，與傳統干燥系統相比具有以下優點：以太陽能或廢熱能用于轉輪再生，具有初始、運行成本低、環境友好、節能等優點；吸附除濕不產生冷凝水減少細菌繁殖；利用低溫再生技術可以實現低溫快速除濕以及具有溫濕度深度獨立除濕等優勢。因此，轉輪除濕干燥是最有前途的空氣濕度調節方法之一，被認為是未來干燥領域極具競爭力的方式[3]。

世界上最早的除濕機是由瑞典科學家Mr.Carl Munters于1956年發明的蜂窩吸收式除濕機，國內大概于20世紀70年代開始研究轉輪除濕技術。轉輪除濕技術由于具有溫濕度深度獨立除濕和多再生模式等優點，目前已經成為除濕干燥研究新的熱點[4]，并已擴展到糧食生產和谷物、果蔬等農產品干燥領域。國內專門將轉輪除濕應用于產品干燥的研究較晚，較早的報道是由華南理工大學完成的高效節能型吸附式旋轉干燥機，該設備泛應用于中藥、食品等產品干燥過程，具有速度快、質量好等優點[5]。

典型轉輪除濕干燥系統由轉輪、表冷器及加熱器等組成，轉輪中裝填吸附劑，轉輪面分為除濕與再生區。新風或回風先通過表冷器降溫除濕[6-7]后進入轉輪除濕，在除濕過程中，轉輪在驅動裝置帶動下緩慢轉動，當轉輪在除濕區域吸附水分達到飽和狀態后，進入再生區域由高溫再生進風進行脫附再生，這一過程循環進行，除濕干燥后的處理出風經加熱處理后送入干燥箱對物料進行干燥。

目前針對轉輪除濕干燥技術的研究主要集中在除濕干燥劑、再生模式、數學模型、干燥工藝和轉輪除濕系統優化等研究，但總體而言還存在耗能高，結構不合理等問題，主要表現在缺乏對除濕能耗綜合分析與結構優化的深入研究，同時缺乏對操作參數的優化設計和部分負載工作條件的研究。本文針對上述問題闡述了轉輪除濕干燥技術的現狀與不足，提出了改進思路，以期為轉輪節能除濕干燥提供參考。

1 除濕干燥劑研究進展

轉輪是轉輪除濕干燥機的重要部件，其中包裹有干燥劑材料，常見的干燥劑有硅膠、活性氧化鋁、氯化鈣、氯化鋰和分子篩等。氯化鋰是最早用于除濕劑材料的，性能非常穩定，適合在堿性環境中工作，但除濕深度與能力有限且對金屬有一定的腐蝕性；硅膠是應用最廣泛的吸附材料，但在除濕時會放出很大的吸附熱且總體除濕能力一般，40 ℃再生溫度時硅膠填充床是高成本蜂窩硅膠的替代品，其中3A硅膠在再生溫度為50 ℃時除濕性能好[8]。活性氧化鋁其吸附能力比硅膠強，吸附熱和硅膠接近；分子篩主要用于低溫環境，符合S形等溫線特性[9],高酸性和堿性對其性能影響很大，但再生溫度相對較高；氯化鈣雖然價格便宜、吸水能力強，但對金屬具有較強的腐蝕性[10]。干燥劑作為轉輪的心臟，影響著整個除濕系統[11]。Hodali等[12]設計了一種基于硅膠吸附單元的隧道式干燥設備，實現了農產品太陽能低溫再生干燥。趙玲玲等[13]通過試驗測算不同各種干燥劑的除濕率和再生率，確定變色硅膠為理想的干燥劑材料。

為了突破單一除濕劑的性能限制，硅膠—氯化鋰、硅膠—高分子材料等復合除濕劑的研究逐漸受到重視。PPS+PPM轉輪比PPS和PPM單個轉輪除濕能力強[14]；利用低成本的太陽能再生固體粘土-CaCl2干燥劑，可在45 ℃下再生，且吸附性好[15]；基于硅膠和氯化鋰的復合干燥劑材料比硅膠具有更高的除濕能力，并且在較低的相對濕度下具有更高的優勢[16]；將沸石和硅膠采用1∶1和1∶3兩個比例進行混合，1∶3 是最有效的除濕配比[17]。Uphade研究表明沙子+硅膠是干燥花卉的最佳干燥劑組合。表1列出了常見的幾種除濕劑及其組合的除濕性能對比，綜合來看組合式除濕劑除濕能力高于單一材料除濕劑。目前對于干燥劑研究已由單一材料性能驗證，發展到組合材料除濕能力的同步探索。

表1 不同類型除濕劑除濕能力對比Tab. 1 Comparison of dehumidification capacity of different dehumidifiers

2 轉輪再生與除濕循環模式

2.1 轉輪再生模式

常見的轉輪再生熱源有蒸氣壓縮系統、太陽能、微波、電加熱、超聲波和余熱等(表2)。電加熱器是一種原始、簡單的再生方法，然而由于其高能耗，目前逐漸被其他再生模式替代，或作為輔助再生熱源使用。熱泵和轉輪除濕在干燥應用中的結合提高了能源效率并降低了處理空氣的濕度。這個系統也被稱為混合干燥劑系統。熱泵一方面可以進行冷凝除濕，另一方面可以對轉輪進行再生。陳捷超等[18]針對高濕環境，利用高溫熱泵作為再生熱源開展了試驗，研究表明COP不太高，熱泵的最大值為2.26，整個系統的最大值為2.08。太陽能熱作為一種可再生能源，運行費用低，無污染，是轉輪除濕再生一種較理想熱源，Misha等[19]用太陽能輔助轉輪干燥破碎油棕櫚葉，太陽能用于轉輪再生，在改善干燥性能和在降低電能方面效果顯著。Yadav等[20]研究了真空管式太陽能集熱器除濕輪的再生性能，發現在50 ℃～55 ℃的平均再生溫度范圍內，太陽能轉輪的轉速為16 r/h適合于印度的氣候條件。針對液體干燥劑，可利用超聲波非熱再生技術[21-23](圖1)，但存在一些與環境有關的問題。廢熱再生因低成本也是一種較理想除濕模式[24]，但對排熱溫度有要求。Zaltash, Li等[25-26]嘗試使用電滲透進行再生。轉輪再生是轉輪除濕主要能耗之一，大量研究表明，轉輪再生熱源已有單純熱風發展到熱泵、太陽能、電加熱器、超聲波和余熱等多種技術，微波與太陽輻射聯合用于轉輪再生，比兩者單獨再生節能效果明顯[27]，目前已有學者研制出以CO2為工質的熱泵技術并將其應用在轉輪除濕的再生中[28-29]，CO2工質作為我國在制冷劑研發方面彎道超車的關鍵著力點，如果技術一旦成熟將擁有巨大的前景，同時也將會成為轉輪除濕與再生的最要手段。

表2 轉輪再生方法對比Tab. 2 Comparison of runner regeneration methods

圖1 超聲波再生系統Fig. 1 Ultrasonic regeneration system

另外除了在再生熱源上開展研究外，再生方式也是研究的一個焦點。如圖2所示，分級再生是將轉輪的再生區分為預熱再生區與加熱再生區，冷凝器加熱后的空氣一部分先進預熱再生區再生后，另一部分再通過電加熱提升再生空氣溫度進行加熱再生，可以有效提高熱力性能[30-31]。另外對于除濕區與再生區固定為3∶1的轉輪，有學者提出分級冷凝的再生方法，既串聯設置兩個不同容量的冷凝器，利用前置冷凝器可以獲取高品位熱能輔助再生，后級冷凝器產生的中溫用于干燥，實現循環能量的高效利用[32]。壓縮機排氣溫度的高低與制冷劑類型有關，如R22在相同的冷凝溫度下其排氣溫度明顯高于R134a，但R22環保性差。因此，在選擇制冷劑時要綜合考慮環保與干燥性能等要求。

圖2 分級再生系統Fig. 2 Fractional regeneration system

2.2 轉輪除濕循環模式

單級轉輪的基本回風方式有全新風、一次回風和二次回風(圖3)。即新風經降溫處理(可選)，直接經過轉輪除濕后用于除濕；一次回風即新風經降溫處理(可選)，后經過轉輪除濕后用于除濕，而部分回風可與參與再除濕；二次回風，即新風經降溫處理(可選)，后經過轉輪除濕后用于除濕，一部分回風可與參與再除濕，另一部回風與除濕后的氣體混合后再進行除濕利用模式，適應不同的除濕要求。同時對于一次回風，如果的用于農產品干燥場合，一次回風可以先經過冷卻設備降溫后經過轉輪除濕。另一方面，對于一次與二次回風風量也需要綜合考慮。在此基礎上又分別形成了Pennington循環、Dunkle循環、SENS循環以及DINC循環[33-36]。而再循環-冷凝循環與類再循環-冷凝循系統分別可節能56.5%～66%和24%～40%[37]；Wang[38]將熱泵與轉輪聯合用于物料表面除濕干燥，比較了四種混合循環系統的特點，確定空氣交換循環為最優方案。Attkan等[39]采用轉輪除濕全新風方式干燥谷物。研究表明，通過控制空氣質量流量反應速率和再生溫度，可以得到一個很好的溫度范圍適用于農作物低濕度干燥環境。

傳統的箱式對流干燥以熱泵干燥為例(圖4)，熱風循環主要有開式、半開式、封閉式及旁通式。其中開式干燥是干燥介質從冷凝器換熱升溫后，進入干燥裝置對物料進行干燥；然后，廢氣直接排到環境中。根據需要干燥介質可進行蒸發除濕也可直接進行冷凝加熱。而閉式干燥主要是閉路式熱泵干燥系統是干燥介質從熱泵冷凝器出來后，經干燥裝置對物料干燥后，全部回到熱泵系統的蒸發器；干燥介質只在干燥系統和熱泵換熱系統內循環，不排到外界環境中[40]。

半開式循環熱泵干燥系統是指干燥介質從冷凝器換熱升溫后，進入干燥裝置對物料進行干燥，根據物料干燥要求和環境情況有四種主要形式[41]。該方法可針對不同回風實現高效利用，但在轉輪除濕干燥中卻不適用。因為優化后的轉輪除濕結構，首先是空氣通過蒸發器降溫，再通過轉輪除濕，之后再通過冷凝器加熱。如果在蒸發器出口混合后的空氣溫濕度增大的話，一方面高濕度增大轉輪除濕負荷不滿足滴露點除濕要求，另一方面高溫度同樣會降低轉輪除濕效率。為了能夠更高效的利用空氣能提出了一種帶有旁通率的熱泵干燥系統，出干燥室的熱空氣一部分經過蒸發器降溫除濕，另一部分按照一定比例通過旁通閥與流過蒸發器的空氣混合，混合后的空氣進入冷凝器加熱，隨后進入干燥室對物料進行干燥[42]。

轉輪除濕循環模式與傳統的箱式對流干燥循環模式的結合，可以形成新的干燥循環模式。如全新風與開式干燥結合，即將新風先經過轉輪再經過冷凝器，可以得到低濕高溫氣體。將轉輪與閉式干燥結合，回風先經過蒸發器降溫除濕后，再經過轉輪除濕，形成干燥高溫氣體。同理也可以與半開式及旁通干燥結合。如王教領[3, 43]等針對轉輪閉式除濕前期回風濕度大、溫度低的問題，基于物料與轉輪等焓除濕干燥過程，分析除濕過程，通過對新風與回風焓值的判斷，確定適宜的轉換點，建立柔性除濕模式，從而實現對回風熱量的高效利用。熱風循環的具體結合方式可依據物料及環境特性綜合確定。

(a) 全新風 (b) 一次回風

(c) 二次回風 (d) 分級冷凝與柔性除濕系統圖3 轉輪除濕熱風循環方式Fig. 3 Hot air circulation mode of wheel dehumidification

(a) 開式干燥 (b) 半開式干燥

(c) 閉式干燥 (d) 旁通干燥圖4 熱泵干燥熱風循環方式Fig. 4 Hot air cycle of heat pump dry

綜上，國內外學者建立了多種熱風循環方式(表3)，而在轉輪除濕熱風循環上主要用于除濕或干燥，而一般的箱式對流干燥要么是采用開式、半開式或者封閉式諸類剛性干燥方法，或者是帶有旁通率的循環可以針對不同的回風進行一定比例混合實現節能干燥。同時轉輪除濕模式與熱泵箱式干燥的方式的組合可以形成新的熱風循環。因此，基于干燥溫濕度要求與轉輪除濕特性，針對不斷變化的回風與新風系統，構建適宜高效熱風循環方式，實現產品的快速、節能與優質干燥意義重大。

表3 幾種常用熱風循環方式主要特點及應用Tab. 3 Main features and applications of several common hot air circulation modes

3 轉輪除濕模型研究

目前農產品干燥建模對象有物料和干燥器。針對物料的建模通常有3種方式，第一種可以通過回歸方程建立多項式方程，預測各干燥響應與干燥條件的關系；另一種是利用大量的實驗數據結合經典模型、經典方程(函數)進行擬合迭代，確定常數項建模[44-45]；第三種根據物料特性結合傳熱傳質方程等模擬、預測溫濕度分布及含水率等。針對干燥器的建模，主要是利用干燥器的物理特性結合熱質傳遞規律進行建模。如轉輪除濕可取干燥器微元體，以能量與質量守恒等條件建立微分方程組，結合初始、邊界條件求解微分方程組模擬除濕過程。熱泵除濕可利用除濕過程特點，進行除濕計算，利用能量守恒等條件建立模型[46]。

早期對于轉輪除濕模型的研究一般不考慮熱質阻力，但模擬出的除濕量要比實際高，這是因為除濕劑在除濕過程中會放熱，降低了飽和水蒸氣的濃度梯度差[47]。Majumdar[48]建立了氣相傳熱傳質較全面非轉動數學模型。俞金娣等[49]基于除濕劑熱質傳遞和周向擴散，構建了除濕轉輪系統的數學模型和物理模型，得到了與國外相關計算一樣的結構，從而確定了轉輪除濕系統所存在的優勢；張學軍等[50]通過數學模型對轉輪除濕系統性能進行預測，并對系統各重要部件參數進行了分析；郝紅等[51]在模型中將基材的蓄熱對傳熱傳質的影響考慮進去，考察轉輪瞬態除濕性能，可將模擬誤差控制在10%以內。Al-Sharqawi[52]等建立轉輪除濕二維傳熱傳質模型，Zhang等[8]建立了轉輪三維傳熱傳質的模型，但多維模型增大了求解難度。利用多孔介質理論，采用Fluent及Comsol理論開展建模仿真(圖5)，可以有效模擬轉輪除濕過程[53-54]。另外Elman神經網絡實現了模擬與求解過程的簡化(圖6)，為轉輪除濕模型的建立與求解提供了新思路[55]。因此，目前的轉輪除濕模型，既可以考慮實際物理過程進行三維建模，也利用神經網絡進行仿真建模，兩種建模方式均可較好的實現輸出預測，為轉輪制備及制定優化工藝提供理論支撐。

圖5 Comsol模擬波紋狀通道含濕量分布Fig. 5 Simulation of moisture by Comsol

圖6 Elman神經網絡結構Fig. 6 Network structure of Elman neural

4 轉輪除濕干燥工藝與系統優化研究

4.1 轉輪除濕干燥工藝研究

低溫和低濕有利于產品干燥[56-57]，使用除濕干燥方式對熱敏物質進行干燥，可以保持干燥物質的顏色、質地、香味和營養成分[58]。Seyhan等[59]發現使用低溫(20 ℃，30 ℃和40 ℃)與硅膠偶聯以干燥熱敏性產品，結果顯示可以有效降低美拉德褐變反應速度。Pasini[60]提出用除濕轉輪來干燥蔬菜和香腸。轉輪除濕干燥另一個重要應用是在干燥種子，低濕有能夠提升低溫干燥速率，可以較好的保存種子的活性[61-66]，有利于種子復蘇。

由于室外空氣和潛在負載條件的變化，而過程變化情況、再生參數、面速度及轉速對轉輪運行性能影響非常顯著[67-68]。Chung等[69]對干燥轉輪進行優化與數值模擬，研究表明隨著再生溫度的升高，最佳轉輪速度會降低到接近恒定值，室外濕度越低，最佳輪速越高；且當再生溫度較低的情況下，環境條件對最佳速度的影響不顯著。有些研究專注于通過一對有效參數對性能進行分析。Panaras等[70]根據Jurinak提出的公式，表明在足夠寬的操作條件范圍內，有效因子保持不變。焓差也成為試驗趨勢分析的有效性參數。還有些研究通過濕度比和溫度效率指數來評估除濕轉輪的除濕能力[71-72]。目前針對外部參數對轉輪除濕的效果分析，集中于整個系統控制，缺乏對操作參數的優化設計和部分負載工作條件的研究，很少關注如何對除濕轉輪進行最佳控制。

4.2 轉輪除濕系統優化

由于轉輪的除濕過程會釋放大量的吸附熱，處理空氣升溫，相對濕度減小，最終對導致轉輪表面的水蒸氣分壓力差的減小，除濕效率下降，所以需要較高的再生溫度才能保證轉輪的除濕效率。為了解決這個問題，學者們提出來等溫除濕的想法[73-76]，理論上可以用多級轉輪代替單級轉輪，降低每個單級轉輪的單位時間除濕量降低表面溫升，保證除濕能力，但在實際生產中只采用兩級轉輪，利用雙級轉輪系統除濕，可實現顯著的節能。

也有學者根據不同的除濕負荷，如在大濕度下可先進行冷凝除濕再進行轉輪深度除濕，從而充分發揮兩種除濕模式的優勢，改善潛熱負荷和顯熱負荷的處理方式，提升轉輪除濕能力和能量利用效率，由此形成了混合式除濕和再生式蒸發冷卻等技術[77-78]。李申[79]介紹了冷凍—吸附干燥串級系統的應用，論述了系統露點與能耗的關系。通過對冷凍除濕、轉輪除濕和分子篩除濕對比分析，制定了優化除濕方案[80]。萬強[81]采用轉輪換熱器對流化干燥設備的排風熱量進行回收研究。田紅濤等[82]分析了以干燥間濕負荷、冷負荷、冬季熱負荷等參數計算出干燥間風量分配，以此確定了轉輪除濕系統方案。徐佰磊等[83]通過干燥室空調機組添加轉輪式熱回收裝置回收排風，解決烘干機的高能耗問題。與填充式干燥床相比循環流化床除濕系統具有更高的熱質傳遞效率，出口空氣濕度可降低20%[18, 84]。

研究表明目前除濕系統優化主要集中熱量循環、風量分配、模式分析、結構優化以及等溫除濕等新理論的應用，而兩級轉輪等溫除濕技術可以降低實現低溫再生，減少綜合除濕能耗。

5 總結與展望

綜合國內外研究，轉輪除濕目前已經擴展到化工、農產品干燥等行業。由于其具有深度獨立除濕等優點，且可以實現低溫快速干燥，在種子和熱敏性農產品干燥等方面優勢明顯，未來將會成為極具競爭力的干燥方式，但能耗是影響其產業應用的主要因素，其影響因素較多，除了再生能耗外，還有操作條件及設備的冷熱匹配等因素，這也是未來優化的方向。

轉輪除濕干燥研究主要集中在新裝置或系統配置，新型吸附材料研究，再生模式分析，除濕模型構建，干燥工藝探究及實驗測試和操作優化等方面。干燥劑已由單一材料性能驗證發展到組合材料除濕能力的同步探索；轉輪再生熱源已有單純熱風發展到熱泵、太陽能、超聲波和余熱等多種技術；除濕建模已經可以實現三維方向熱質傳遞的模擬預測；轉輪熱風循環方式多樣，在基本全新風等模式上與經典熱泵熱風循環的組合，可以滿足不同干燥需求，其中臨界除濕可以實現節能干燥；在干燥工藝與系統優化方面應更多關注局部性參數， 同時兩級轉輪除濕與低溫及超聲等復合物理場再生技術，是節能除濕干燥新方向。

未來轉輪除濕干燥研究將繼續以降低能耗為目的，通過研發篩選新型復合式除濕劑融合完善的除濕模型實現熱質的高效傳遞，基于熱風循環提高對空氣能利用率及突破節能再生等技術進一步實現降耗，為農產品的快速節能干燥提供理論技術支撐。