“固态湿泵”——微环境湿度调节新策略

来源：X一MOL资讯

固体制冷（如热电制冷）作为一种简单、环保的新型制冷技术长期受到关注，但是当前基于该类技术的装置系统仍然面临温差小或者效率低的问题，因此在传统制冷和基于冷凝的除湿方面的应用缺乏足够的经济性和适应性。同时，固体干燥剂是生活中小空间常用的被动除湿材料，但是其吸附过程放热导致材料温度显著上升，不仅限制了其自身除湿能力，还会引起微环境内的温度变化。那么，有无可能将两种技术结合，通过优势互补突破各自原有的局限呢？近日，上海交通大学的王如竹教授团队通过结合固体制冷和吸附除湿技术的优势，提出了适用于微环境湿度控制的新策略——“固态湿泵”。

微环境中的湿度控制在生产生活各领域（如精密仪器保存、文物保护、药物存储等）扮演非常重要的角色。然而，传统基于压缩制冷的冷凝除湿和基于固/液吸水材料的吸附/吸收除湿等技术，不可避免地在除湿过程中过度冷却或加热被处理空气，造成能源浪费。此外，此类传统除湿系统或体积庞大，装置复杂，或成本高，效率低。而目前针对微环境除湿需求，主要有热电制冷除湿、电加热干燥剂、电化学除湿膜三种技术路线，其仍存在如能效低、需维护等缺点。

众所周知，热泵作为温度调节（制冷/制热）的典型形式，可以连续不断地从低温环境吸热，同时向高温环境放热。相对应的，理想的湿度控制系统，也应该能实现连续地从低湿环境吸湿，向高湿环境放湿的功能。该团队开发的固态湿泵系统则成功地实现这一目标，其中干燥剂作为湿分的载体和传递介质，热电制冷器通过控制干燥剂的温度改变其向空气吸湿和放湿作用，热沉（散热器）促进干燥剂与热电模块之间换热以及干燥剂与空气之间的传质过程。此外，通过部件翻转和电流反转可以实现干燥剂吸湿和放湿作用的交替循环。基于以上运行机理和类比，同时由于装置仅采用固态部件和介质，该系统被称为“固态湿泵”。

文章指出热泵冷端处理干燥剂的吸附热的同时热端放热使干燥剂再生，这种组合可以让两者形成互补进而实现理想的等温除湿过程。然而微环境湿度控制对装置系统的体积重量等有严格的限制，传统热泵系统中的流路结构决定了其难以小型化的特性，因此文章提出以无运动部件、结构简单且便于精确控制的热电制冷器作为热泵，固体干燥剂作为吸附解吸材料，从而使“湿泵”装置的尽可能小型化。此外，团队在开发“湿泵”概念验证样机过程中，采用了在散热器表面直接涂覆干燥剂的结合方式，不仅可以尽可能减小材料与散热器之间的接触热阻，而且可以保持材料与空气之间充足的接触面积以减小传质阻力，同时以小型电机驱动功能部件快速翻转，使加湿和除湿侧的吸附剂涂层交替实现解吸、吸附功能。文章实验测得装置在28.38 g/h湿度传递速率下对应0.61 g/(w•h)的湿度传递效率。与文献报道的其他小型除湿装置（基于热电制冷、电化学除湿膜）对比，所开发的概念验证样机表现出最佳的除湿性能，在接近的除湿速率下，除湿效率可以实现近一倍的提升。为了进一步演示所提出的装置湿度控制性能，该文同时进行了实际微环境除湿场景模拟实验。固定在尺寸为80 cm × 50 cm × 80 cm的木柜顶部的样机能够在60分钟左右将柜子内湿度由95%以上降至60%左右。在此期间，柜子外部始终保持极高（>95%）的相对湿度，且无需对柜子进行任何特殊的密封处理，即柜内始终存在泄露负荷。

这项工作巧妙的结合了固体制冷技术和固体除湿剂的优点，构建了适应性强、能效高的湿泵系统。该系统不仅以紧凑、灵活的结构实现了理想的空气除湿处理过程，而且有效避免了传统除湿过程引入的制冷剂、溶液、冷凝水等有诸多副作用的流体。为解决局部湿度控制需求提供了新的思路与策略，并且为固体制冷技术开拓了新的应用途径。最后，需要指出的是，本文所搭建的概念验证样机仍有诸多优化空间，以进一步提高效率和商业应用价值。