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CN103096996B - 改进用于低湿应用的干燥剂除湿装备的性能的系统和方法 - Google Patents

改进用于低湿应用的干燥剂除湿装备的性能的系统和方法 Download PDF

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CN103096996B CN201180040749.3A CN201180040749A CN103096996B CN 103096996 B CN103096996 B CN 103096996B CN 201180040749 A CN201180040749 A CN 201180040749A CN 103096996 B CN103096996 B CN 103096996B
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Abstract

本发明披露了用于将空气或其它气体干燥至低湿水平的节能干燥剂除湿的方法和设备。该方法和设备包括具有多于一个除湿区域或扇区的干燥剂转动件(轮)。分开的除湿扇区可以被用来给分开的气体或气流除湿，或它们也可以通过使单股空气或气流穿过多于一个的扇区被用来给单股空气或气流除湿。从除湿机扇区排出的所有或部分空气或气体在加热之前被用于再激活流入空气或气体的全部或部分。干燥剂轮包括多于一个再激活扇区，其中各独立的空气或气体源用于各扇区。该干燥机轮包括一个再激活和除湿扇区之间的气洗扇区用以提高除湿处理的热效率。

Description

改进用于低湿应用的干燥剂除湿装备的性能的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及用固体干燥材料去除空气中或其它气体中的湿气的装置。本发明具体涉及热-再激活的干燥剂除湿机，该干燥剂除湿机利用含有固体干燥剂材料的旋转阵列或转轮连续对空气或其它气体除湿。本发明更具体地还涉及热-再激活的干燥剂除湿机，该干燥剂除湿机需要以非常低的湿气含量连续将空气或其它气体输送到一个空间或处理作业，该低含量例如是每磅干空气有0.1克水分(0.0143克水分/千克干空气)或更少。在这些应用场合中，尽可能多的干燥空气通常要从该空间或处理作业经除湿机返流再循环，以尽量减少除湿机上的水分负载。但通常需要一些来自更潮湿的来源的空气例如外部空气或周围设备的空气，以对上述空间或处理作业加压来避免来自更潮湿周边区域的空气漏入上述空间或处理作业中，和/或补偿需为室内人员提供通风空气和/或带走不希望有的蒸汽、烟雾或灰尘而从所述空间或处理作业耗掉的空气。这种加压/补偿空气要被干燥到与除湿机所输送的其余空气相同的非常低的湿度，并且尽管补充空气部分通常占流过除湿机的总空气流的很小比例，但其通常占了除湿机的除湿负载的大部分。在极端情况下，除湿机需要被设计用于应对100%来自更潮湿区域的空气，并仍要在同样极低含水率下将其输送至上述空间或处理作业中。
尽管本申请描述了用于空气除湿的装置和方法，本领域的任何技术人员应该明白，用于除空气以外的其它气体的除湿的相同方法和类似设备都被包含在申请范围之内，该其它气体为例如惰性气体或天然气。
背景技术
在现有技术中，利用固体干燥剂对空气除湿是众所周知的。下文将描述利用干燥剂进行空气除湿的常见技术。
图1示出固体干燥剂除湿机的基本构件。该除湿机包括具有阵列的转动件(常称为轮1)，该阵列包含大量轴向布置的平行小通道，所以多股独立气流能穿过轮1而不会明显交叉混合。该阵列的特征还在于含有粘附到通道壁上或作为所述通道壁的一体部分的大量吸附材料，如硅胶或分子筛或吸收材料如氯化锂。这些吸着性材料通常被称为干燥剂。该通道通常由带有干燥剂的、平面状和波纹状基材的交错层形成。在当前发展状况下，通常干燥阵列重量的80%是活性干燥剂。干燥剂材料具有亲水性，因此能将接触到的空气中的水分去除。所以，潮湿气流在通过阵列时能被除湿。
一段时间后，干燥剂将已含有水。随着干燥剂吸收水分，其亲水能力降低，直到其不再能干燥空气为止，此时干燥剂与流入的湿气流达到相对湿度平衡。干燥剂吸收的水分必须被去除。要做到这一点，干燥剂轮1设有限定多个腔室或通风室的壳体，以使两股独立气流可以经过所述轮1。该壳体配备有邻近轮1表面的气密封以有效避免气流泄漏或交叉混合。该壳体还配备有使轮1持续旋转的机构，从而所述阵列交替暴露在处于壳体的不同区域中的两股气流下，该区域常被称为扇区。气流中的一股是被除湿的空气，常被称为处理空气6。另一股气流被加热10以降低其相对湿度。这被称为再激活或再生气流8。当已加热的再激活气流8通过轮1的再激活扇区3时，其加热10载水干燥剂以使在处理扇区2被吸收的水从干燥剂中蒸发出并被再激活气流9带走。
吸附剂如硅胶和分子筛的平衡相对湿度与吸湿量可以通过控制制造过程的化学性质而适应于各种不同的应用场合。各种不同类型的吸附剂的一般特性已在2009ASHRAE基础手册中有所描述。
图2(摘自ASHRAE基础手册)示出了常用吸附剂的吸湿量与平衡相对湿度曲线的总体形状。这些吸湿量与平衡相对湿度(R.H.)曲线通常称为等温线。对于低相对湿度应用场合，通常使用类型I等温线的干燥剂，因为其能适应于在平衡相对湿度低于10%的条件下有效达到其所有吸附量。所以，类型I吸附剂非常适用于进入除湿机的处理空气处于低相对湿度的应用，但是，该类型吸附剂也有两个缺点：
1.吸附热随着平衡相对湿度的降低而升高，以至于在低的平衡相对湿度下，吸收每单位湿气而排到处理空气6中的热量大幅增加。这通常会增加位于除湿机下游的处理空气调节装置的冷却负载。此外，较高的吸附热导致处理扇区2中媒介的温度较高，降低了其对处理空气6的除湿能力。
2.再激活空气8的相对湿度须降低至将干燥剂中的水分驱出，所以相比于不需要完全干燥的空气7的应用场合所要求的280F或更低温度，再激活空气8须被加热到更高温度，通常在300F到320F范围内。这增加再激活空气8加热所需要的能量，也提高留在再激活扇区3的干媒介的温度。
现在参照图3，对于需要极低的供送空气露点的处理，任何所需加压/补偿空气6通常利用制冷来冷却至40F-50F的温度，以借助冷却盘管13表面上的冷凝来除去尽可能多的水分。然后，通常被预冷的补偿空气6与处理循环空气16混合，混合空气12在进入处理扇区2前被冷却盘管14冷却至40F-55F温度，以增加其相对湿度并降低处理扇区2中的干燥剂的温度，从而增大除湿机干燥能力。如前所述，干燥剂轮1实际上呈圆柱形。但为简单起见，它示出为矩形，还示出了各不同的分区以及气流方向。矩形内的箭头表明轮1的旋转方向，即阵列经过各不同分区的顺序。借助于补偿空气和处理空气的预冷，在典型的补偿空气组成中，进入处理扇区2的空气相对湿度是20%或更低。为获得较低的处理空气12的排出湿度7，再激活的导入空气也可以在加热前利用冷却盘管11被预冷以降低其含湿率，以使加热的再激活空气8具有较低的相对湿度。
离开再激活扇区3的干媒介的温度通常将接近于再激活的流入空气温度(热)，所以其平衡相对湿度比率很高，在该媒介首次旋转至处理扇区2时不能非常有效地干燥空气，直至处理空气12冷却了媒介，从而降低其平衡相对湿度比率。此外，从媒介上去除以将其冷却的热量被转移到了处理空气12，这增加了位于除湿机下游的处理空气调节装置的冷负载。总体而言，其效果是降低了除湿机的除湿能力和增加了空气调节系统所需的冷却量。目前有很多方法用于解决这些问题，提高除湿机的除湿能力并降低处理空气调节系统的冷却需求。
现有已知的是使用至少一个附加扇区，通常叫做干燥剂除湿机的气洗(purge)扇区。美国专利5667560和2993563，美国专利公开文本2009-044555和日本专利公开文本006-00032，英国专利GB890790，和美国专利5242473和5659974都披露了在干燥剂除湿机中的一个或多个气洗扇区的使用。
图4示出具有至少一个附加扇区(目前广泛使用的)的干燥剂除湿机的基本配置。该附加扇区通常被称为气洗扇区。在此基本结构中，第三股气流(通常称为气洗空气18)在再激活扇区3和处理扇区2之间按顺序地穿过轮1。气洗气流的方向通常与处理气流12的方向相同且与再激活气流20方向相反。该气洗空气源18可能是处理循环空气16或其它来源的空气、如通过用于再激活/补偿空气6的预冷盘管13的空气的一部分。气洗空气18将留在再激活扇区3的热媒介在其进入处理扇区2前冷却，以使其排出较少热量至处理空气，这减小了下游的处理空气调节装置的冷负载。进入处理扇区2的较冷媒介也提高其除湿效果。气洗空气18在通过轮1时被加热且通常被用作再激活的导入空气的至少一部分，减少再激活10所需的热量输入。此外，气洗空气18可稍作除湿，减少再激活的流入空气20的湿度并进一步增强了除湿机的性能。现有技术中，在多个不同配置的一个或多个气洗扇区的使用提高了除湿性能是众所周知的。
图5示出当前用于提高干燥剂除湿机的除湿性能和能效的另一配置，该装置包含闭合回路式气洗。在该装置中，扇区顺序依次是处理2/气洗-17a/再激活3/气洗-17b。用独立风扇25让气洗空气24、23在两个气洗扇区之间的闭合回路中循环。气洗空气24在离开除湿机扇区3的媒介进入处理扇区2之前将其预冷并利用回收热以在离开除湿机扇区2的媒介进入到处理扇区3之前将其预热。在某些情况下可以使用不止一个闭合的气洗回路，例如为解决处理作业2与再激活气流8之间的高气压差，或者为避免在干燥剂单元或阵列的某些部分中结霜时。通常只使用一个气洗回路，因为多个气洗回路造成尺寸、成本和复杂性增加。这种配置实现了与图4所示配置基本相同的目的，但无需用作气洗空气的其它空气源。日本专利公开号59-130521，英国专利GB0890790，国际申请公开文本WO2009/090492A2、美国专利US5659974、美国专利US2993563和US7101414B2是上述配置的典型例子。尽管在图5中未示出，但气洗回路可被强制通风至除湿机壳体中的特殊通风室以及气洗再循环风扇25，该风扇定位成在壳体的扇区之间形成有利的静压平衡，由此任何可能在腔室或扇区间出现的空气泄漏都很少或不会对除湿机的整体性能造成影响。气洗回路中的气流可以为任一方向，这取决于应用场合的特性。美国专利4701189示出很多具有与处理和/或再激活气流相连通的气洗循环的配置。
即便伴随图4和图5(以及引用专利)所述的性能增强，除湿机仍然不能在湿度十分低的情况下输送空气。
图6示出另一种目前常用的配置，其利用串联的两个除湿机来应对某些应用场合所需要的高补偿/加压空气比例和/或非常低的湿度。在这些配置中，单独的除湿机被用来预处理加压/补偿空气31并减小下游的工作除湿机的湿度负载。当该配置大规模应用时，一个除湿机通常要为用于多个空间或处理空气除湿机的加压/补偿和再激活空气26预除湿。日本专利公开号64-071821和美国专利5167679、7207123B2和7217313B2都是利用串联的两个除湿机的系统的示例。上述概念已经众所周知且利用串联的两个轮1的其它配置也被普遍使用。
现有技术的显著缺点在于所提供的系统的复杂性，且增加了相应的能量损耗。这些缺点都体现需要一种不仅功能有效且也成本节约的系统。
发明内容
本发明的一个目的是，使干燥剂单元能将干燥空气供送至一个空间或处理作业，同时实现优于上述现有技术的能源效率。
本发明的另一目的是，相比于前述的现有技术，使具有单个轮的干燥剂单元能将更干燥的空气供送至具有高达100%外部空气比例的处理作业。
本发明的再一个目的是，使干燥剂单元能利用单个干燥剂轮在湿度低至-70F或以下的露点情况下将100%的外部空气或气体供送到需要空气或气体的处理作业中。
本发明的另一个目的是用简单便宜地构造且易于控制的单元和壳体的设计实现上述的性能目标。
附图说明
图7是本发明的示意图，其在整个说明书中可称为“干气洗”，配置用于对再循环处理空气16与补偿/加压空气36的混合气体除湿。
图7a是如图7所示的本发明的示意图，除了在再激活扇区3和处理扇区2之间依序加入气洗扇区17外。离开气洗扇区37的空气被用作再激活流入空气20的至少一部分8。这将进一步改善该单元的除湿性能和能效。
图8是本发明的示意图，配置成对需要100%外界空气34用于补偿/加压的处理作业的空气除湿，即没有空气是来自空间或处理作业的再循环。
图8a是如图8所示的示意图，除了在再激活扇区3和处理扇区2之间依序加入气洗扇区17外。这将改善该单元的除湿性能和能效。
图9是本发明的示意图，配置成对空气或其它气体16除湿，其中，处理空气7被与外界/环境空气34隔离，该外界/环境空气34在被加热10和经过再激活扇区3之前在OSA扇区33中被预除湿。该处理空气可能是从一处理作业再循环得到的空气或其它气体，或者是来自于另一来源的空气或气体或者是上述两者的混合气体。需要注意的是该处理空气或气体可以任一方向的通过处理扇区。
本发明的上述示意图是配置来应对完全独立于再激活空气和外界/环境空气扇区的处理空气，其为利用用于再激活的环境空气给惰性气体(例如低氧含量处理空气)除湿提供机会。
图9a是如图9所述的本发明的示意图，除了在再激活扇区3和处理扇区2之间依序加入气洗扇区17外，以便改进该单元的除湿性能和能效。气洗空气37可以再循环8形成再激活的流入空气20的一部分，降低再激活所需的供热10。
图10是类似于图9的本发明示意图，除了有两个处理扇区依序加在再激活扇区之后且处理空气是依序通过两个处理空气扇区以获得改善的除湿性能外。需要注意的是，该处理空气或气体可以在通过再激活扇区后以任一顺序且相对于再激活和外界气流以任一方向通过两个处理扇区。
图10a是如图10所述的本发明的示意图，除了在再激活扇区3和处理扇区2之间依序加入气洗扇区17外，从而改善该单元的除湿性能和能效。气洗空气37可以再循环8形成再激活的流入空气20的一部分，降低再激活所需的供热10。
图11a是本发明的示意图，其配置有两个再激活扇区3和40，允许不同热源10和41用于每个再激活气流20和42，并且也配置成对来自空间或处理作业再循环空气或气体16和已在外界空气扇区33中被除湿的补偿/加压空气进行除湿。
图11b是类似于图11a的本发明示意图，除了其配置成将100%外界空气或气体供送至空间或处理作业7。
图11c是类似于图11a的本发明示意图，除了其配置成在单个处理扇区2中对独立空气或气流16进行除湿外。该处理空气或气流可以是来自环境，可以来自空间或处理作业的再循环空气或气体或者其任意混合气体。
图11d是类似于图11a的本发明的示意图，除了其配置有两个处理扇区2和44以对两次穿过轮的处理空气或气体进行除湿外。该处理空气或气体可以是来自环境，可以来自处理作业的再循环空气或气体或者其任意混合气体。
需要明白的是，图11a至图11d中的再激活气流20和42无需来自同一来源，例如，再激活扇区1的空气或气体可以是来自环境且再激活扇区2的空气或气体来自预调节扇区33。
图12是具有类型Ⅱ特性的干燥剂的等温线图，即在低相对湿度下有良好但有限的吸湿能力和在中等和高的相对湿度下有良好的吸湿能力。
图13是示出了当轮1旋转经过OSA扇区时，随时间变化，吸附波如何穿过本发明的OSA(加压/补偿空气)扇区33的曲线图。
图14是示出了当轮1旋转经过处理空气扇区时，随时间变化，吸附波如何穿过本发明的处理空气扇区2的曲线图。
图15是示出了当轮1旋转经过再激活扇区时，随时间变化，吸附波如何穿过本发明的再激活扇区3的曲线图。
图16是示出了供送的处理空气露点和再激活空气热需求量之间的大体关系曲线图，且其还示出了利用本发明增加补偿空气比率对再激活空气热需求量的大体影响。
图17a和图17b是本发明的示意图，其示出需要极干燥的空气的应用场合例如锂电池生产的典型性能，该应用场合需要生产空间维持在-40F露点(0.555克水/磅空气)。标准供送空气条件是-70F露点(0.073克水/磅空气)或更低。图17a示出设计用于应对15%的加压/补偿空气和来自生产区域的85%的再循环空气的单元的性能，这是这些应用场合常见的。图17b示出极端情况下的性能，其中除湿机须以-70F露点供送100%的外界空气。在本领域目前的状态下，本发明是唯一能以-70F露点或更低供送100%外界空气的实用装置。
图17c和图17d是本发明的示意图，示出塑料树脂干燥的典型性能，另一常见应用场合需要非常干的空气(大约-70F露点)供送至树脂料斗。示出了本发明的两种不同配置。在这些应用中，处理空气为在实践中尽量接近100%的再循环空气。图17c示出具有如图9所示的配置的本发明单元的性能，即有单个处理空气扇区。图17d示出具有如图10所示的配置的本发明单元的性能，即有两个处理空气扇区。如图所示，两种配置提供了优越的性能。图17d所示出的配置明显更节能，而图17d中的配置将更小且建造成本较低。
具体实施方式
图7是配置成对来自低湿度空间或处理作业的返流(或再循环)空气16与用于加压/补偿的外界空气36的混合气进行除湿的本发明示意图。在干燥剂轮内的箭头表明轮1旋转经过多个扇区的顺序，即其依序旋转经过再激活扇区3、处理扇区2和外界空气33(或预调节)扇区，然后回到再激活扇区3。
图7a与图7类似。除了图7a中在再激活扇区3和处理扇区2之间依序加入气洗扇区17。该气洗扇区在离开再激活扇区的干燥剂媒介进入处理扇区前将其预冷却，改善该单元的除湿性能并降低从再激活到处理扇区的再激活热转移量。气洗排出空气37可再循环以形成再激活供给空气20的一部分，降低再激活的热需求量10并进一步改善除湿机的整体能效。
图8是本发明的另一示意图，其配置成处理100%外界空气34并且也以-70F或更低的露点将空气供送到处理作业。请注意，通过适合的平衡缓冲机构，该装置能被制成整个除湿机仅有单个风扇39。
本发明具有三个在现有技术中尚未发现的独特装置特性，该特性为：
1.该除湿机包含两个扇区来处理待除湿空气，如图7所示，第一除湿扇区2依序紧接在再激活扇区3之后，从而进入除湿扇区2的干燥剂有非常低的平衡相对湿度，因此能产生非常干燥的空气7。进入该扇区的空气的大部分通常为来自空间或处理作业的已非常干燥的再循环空气16，用于处理作业如锂电池制造的循环空气16的干燥程度是低至0.5克/磅空气或更低。
2.第二除湿扇区33依序紧接在第一除湿扇区2之后。其通常应对补偿/加压空气34，该空气是来自外界或来自周围设备的较湿空气。该空气在进入除湿机前通常经过制冷的冷却盘管35来降低其温度并通过冷凝被除去尽可能多的水分。
因此，该空气在进入第二除湿扇区33时通常处于高的相对湿度下。这样，该除湿机成为“一体的双单元结构”，其中第一个扇区2将非常干燥的空气7供送到处理作业并且第二扇区33在较高相对湿度下承担大部分除湿负载，从而大幅度改善除湿和再激活过程的热效率。
3.所有的或者至少一部分供应到再激活扇区3的空气来自于从OSA扇区33离开的已除湿空气36，从而加热10后进入再激活扇区36的空气处于非常低相对湿度下，并因此离开再激活扇区3的干燥剂阵列是近乎无水的。正如图7和图8所示，同向地穿过轮1的处理气流和再激活的气流7和9使壳体能更简单且更便宜地构建。为了使处理流7与再激活空气9反向流动，壳体需要包括附加的管道并可能附加的风扇。事实上，按图8和8a所示意性示出的系统示出了应对100%外界空气34的单元可以为整个单元仅构建单个风扇39。
在再激活扇区3中，干燥剂被干燥至基本无水的状态。
图9示出了本发明的另一种配置，其中处理空气或气流16完全独立于其它气流，并且外界空气扇区33仅被用来对供应到再激活扇区3的供给空气20除湿。通过这种布置形式，干燥剂在再激活扇区3被干燥至近乎无水状态，从而处理扇区2能产生更干燥的空气。该处理空气可以是自一处理作业再循环的空气或其它气体，或来自其它来源的空气或气体，或者上述两者的混合气体。需要注意的是，该处理空气或气体可以沿任一方向通过该处理扇区。
本发明的上述示意图配置成独立于再激活空气和外界/环境空气扇区地应对处理空气，其提供了利用用于再激活的环境空气给惰性气体(例如低氧含量的处理空气)除湿的机会。
图9a是与图9所示同样的配置，但是气洗扇区17被依序加入到再激活扇区3和处理扇区2之间用来冷却离开再激活扇区3的热媒介，改善了该单元的除湿性能。来自气洗扇区37的空气已被热媒介加热且其通常再循环成为再激活的流入空气8，减少再激活的流入空气所需的空气加热10。
图10所示的布置形式与图9类似，其中处理空气或气流16完全独立于其它气流的但是该单元被配置有两个处理扇区44和2，并且该处理空气通过轮两次，使该单元能够产生更干燥的空气。
图10a所示的布置形式与图10相同，但气洗扇区17被依序加入再激活扇区3和处理扇区2之间，用来冷却离开再激活扇区3的热媒介，提高该单元的除湿性能。来自气洗扇区37的空气已被热媒介加热且其通常再循环成为再激活的流入空气8，减少再激活的流入空气所需的空气加热10。
图11a-11d示出本发明的其它布置形式，在这些布置形式中除湿机包含多于一个的再激活扇区。每个扇区可供应不同来源的空气。例如在有两个再激活扇区3和40的单元中，进入第一再激活扇区3的阵列含湿量接近饱和，因为其刚刚离开高湿度的外界空气扇区33并载有接近其完全完全吸附能力的水分。这意味着利用环境空气20和便宜的热源10例如直燃式气体能完成大部分的吸附再激活。当利用环境空气20和低成本的热源将大部分水分从阵列驱出时，可利用来自外界/环境空气扇区33的少量空气和加热再激活空气42却未增加湿度的电热或类似热源41，使媒介在第二再激活扇区40中进行最后的干燥，从而离开第二再激活扇区40的干燥剂基本上是无水的。
现在着眼于本发明的吸收特性和操作周期，提供以下信息：
图12是理想情况下适合本发明的干燥剂等温线，即其通常具有Ⅱ型等温线并且在10%或更少的相对湿度下具有总容量的大约5-20%的吸湿容量，但是剩余的吸附容量偏向更高的相对湿度地分布在直至100%相对湿度范围，从而总的平均吸附热量被尽量减小以获得最高的热效率。
接下来的附图概念性地示出了在连续操作时通过除湿机阵列的吸附过程和解吸过程是如何随着时间变化来进行的。所示的时间数值并非打算表示具体应用的确切时间，而是为了表示在操作过程中如何移动通过阵列的吸收/解吸波动。确切的时间、转动件扇区的尺寸、转速以及穿过每个扇区的空气质量流速可根据不同应用场合而改变。我们发现在低湿应用场合例如锂电池组装室中，最优的转速是非常低的，范围从用于应对100%外界空气的单元的2-3转/小时的转速到用于应对处理作业的90%返流空气和10%的补偿/加压空气的单元的小于等于0.5转/小时的转速。
图13示出了在轮的第二吸附扇区中吸附波如何穿过阵列深度(通常是400-500mm)。该扇区大小和轮的旋转速度如此选择，所以几乎全部的自该扇区的排出空气已经被深度除湿了，并且该吸附波在轮的排出空气侧才刚开始“突破”。进入该扇区的空气通常是来自外界或周围设备的空气，并且其通常进行了预冷却以使其处于饱和或近似饱和且使该吸附处理是热效率高的。空气表面风速通常在400-500ft/min范围内。
图14示出在轮的第一吸附扇区(处理空气扇区)中吸附波如何穿过阵列。进入该扇区的空气通常是从空间或处理作业中返流的空气和已经在第二吸附扇区被除湿过的加压/补偿空气的混合气体。该空气的相对湿度是空间或处理作业内维持的湿度与处理返流空气相比于加压/补偿空气的比例的函数。即使没有处理返流空气(100%外界空气)，进入该扇区的空气的相对湿度仍少于10%，并且根据处理返流空气的比例及其湿度，上述相对湿度可能更低得多。对例如锂电池装配的应用场合，进入该扇区的空气相对湿度通常是大约1%RH。为了得到尽可能最低的露点，扇区大小和空气表面风速被如此选择，从而吸附波仅突破了阵列的排出空气面很短一段。在该扇区中典型的表面风速是在400-500ft/min范围内。
图15示出吸附波如何通过轮的再激活扇区。除了具有两个处理空气扇区外，与现有技术相比，本发明还具有另两个特有特性：
1.在第一处理扇区和再激活扇区中的气流是并行的，即同一方向的。这对本领域的技术人员而言不是直观的，因为干的干燥剂除湿机的最佳性能通常在处理和再激活扇区的气流彼此逆向流动时实现的。这能够在本发明中做到，但从图7和图8能轻易看出，该单元壳体需要附加的内部管道且其难以制造并且昂贵。然而，轮1依序经过处理扇区、补偿/加压扇区，然后是再激活扇区。除湿负载的大部分在OSA/补偿/加压扇区被承担，所以阵列离开该扇区时有很高的载水容量，并且该扇区与再激活气流的流向相反。这显著提高除湿处理的热效率，因为大多数被吸收的水分是取自高相对湿度的补偿/加压气流且在再激活扇区中大部分干燥剂的干燥发生在与吸附过程相关的较高平衡相对湿度情况下。如前所述，吸附热随平衡相对湿度降低呈指数上升。至少一部分再激活空气已被加压-补偿空气扇区预处理，显著降低其湿度率，从而至少再激活扇区的最终部分被供以很干燥的空气。这能使再激活扇区把干燥剂干燥至基本无水状态。阵列的无水性使其能以很低的除湿负载将处理空气干燥至极低的露点，因为它的补偿空气已经在补偿/加压空气扇区被干燥过。该扇区将承担大部分除湿负载，因为进入其中的空气将通常在大部分时间里处于或接近饱和，这取决于气温。
2.我们发现再激活扇区需要较低的空气表面速度来确保阵列的整个的深度被干燥至基本无水状态。一般来说，在150-400ft/min范围内、更具体的说是150-250ft/min的表面速度能够提供最佳热效率。
根据本发明上述描述的配置，离开最后的再激活扇区的阵列温度在轮的整个深度上将接近进入最后的再激活扇区时的再激活空气温度。如前所述，本发明的优化性能在低旋转速度下实现，典型范围是从用于应对空间或处理作业的100%外界空气的单元的2-4转/小时到用于应对在70F和-40F的露点下的90%的返流空气与被预冷至约50F的干球温度计温度或饱和度的10%外界空气34的单元的0.5转/小时。由于轮的低旋转速度，从再激活到处理的再激活热转移量是相当低的，但是其还能利用依序在再激活和处理空气扇区之间的一个非常小的气洗扇区被大幅降低。这已经在图7a、8a、9a、和10a示出了。其可能只有几度的尺寸，并使用一个少量空气量，但冷却所需的净减少量可能是显著的。
图16示出了在利用类似于图10所示的干燥剂等温线的阵列的干气洗配置中的除湿机的典型性能。其纵坐标表示处理排出空气的露点湿度，横坐标表示以再激活所需的每千瓦(热量)热的处理空气排出量CFM(立方英尺/分)为单位的再激活热需求量。曲线显示在8%、10%和12%的补偿/加压空气比例下的性能。该单元的操作参数在图的左下角示出。例如，对于10%的补偿/加压空气比例，除湿机能在每千瓦(热量)再激活能量需求下供送大约300CFM的处理空气，其中有90%的处理流入空气为在-40F露点湿度下从处理作业返流的空气。该再激活热输入等于或少于现有可用除湿机的需求量，并具有更简单和低花费的设备设计。
图17a和17b示出了用于两种不同状况下的非常干燥的空间或处理作业(例如锂电池制造)的干气洗配置中的除湿机的典型性能——上图是需要15%加压/补偿空气的应用场合，下图是需要100%外界空气的应用场合。在两种情况下，该单元要在-70F露点或更低的条件下将10000CFM的空气供送到处理作业中。选择这些状况用于说明该干气洗单元在从0%-100%的任何补偿空气比例下传递极干燥的处理空气的能力。对于上图，返流空气的条件是锂电池生产空间特有的。在上面的例子中(15%的补偿空气)，该单元具有的再激活的具体能量输入值为约1790BTU(英制热量单位)/磅由除湿机从空气中去除的水。在下面的例子中(100%补偿空气)，该单元具有的再激活的具体能量输入值为约2950BTU/磅由除湿机从空气去除的水。我们相信，这种性能提供的能效等于或优于本领域已知用于需要极干燥空气用于空间或处理作业的应用场合的任何其它配置。
图17c和17d示出用于需要非常干燥的供送空气条件但具有较高的流入或返流空气湿度的另一总体应用场合的干气洗配置中的除湿机的典型性能。一个很好的实例是塑料树脂球的干燥，其需要空气在约-70F露点条件下供送至干燥料斗。这些应用场合通常要100%的再循环空气，且从干燥料斗返流的空气湿度通常为约8-10克水分/磅空气。在这些状况下，该干气洗配置需要稍作改造以适应100%的处理空气再循环。图17c示出了一种干气洗配置，其利用单个处理扇区并利用外界空气扇区来为再激活扇区提供所有的空气。从而以大约285F的温度为再激活的流入空气提供非常低的相对湿度。图17d示出了另一种方法，其中处理空气要通过两个连续的处理扇区。通过比较再激活热需求量可以看出，图17d所示的配置具有更高的热效率，但是需要较大的单元。
需要指出的是，所示的性能是当前发展状态的思想理念。可预期，随着当前正在进行的干燥剂等温线和空气流量、扇区大小等的进一步发展和测试，性能将显著的提高。还应当指出的是，在本发明讨论内容集中在需要非常干的空气的应用场合，但也存在采用本发明揭露思想的其它他应用，其在较高湿度应用场合下提供优越的性能。

Claims (40)

1.一种固体干燥剂式除湿设备，包括干燥剂轮(1)和轮驱动器，含有内部挡板以及邻近轮表面的气密封的壳体，以形成多个通气室或扇区并避免空气在相邻扇区之间渗漏，以为空气形成三个通过该轮的路径，该扇区依序是：
-使干燥剂干燥至低的平衡相对湿度的再激活扇区(3)；
-干燥自处理作业返流的空气以及从外界空气扇区(33)接收的补偿空气的、或者所有进入空气接收自外界空气扇区(33)的、或者干燥可以自空间或处理作业再循环的独立空气和/或气流、环境空气、或两者的混合气体的处理扇区(2)；以及
-对另一股气流(34)除湿，为处理扇区(2)提供补偿空气(36)和为再激活扇区(3)提供所有空气的、或者对另一股气流(34)除湿以为处理扇区(2)提供预除湿空气和为再激活扇区(3)提供其需要的所有供给空气(36)的、或者对另一股气流(34)除湿以为再激活扇区(3)提供所有空气的外界空气扇区(33)。
2.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，所述干燥剂轮(1)如此定位，即处理气流与再激活气流沿相同方向通过干燥剂轮，而外界气流和再激活气流沿相反方向通过干燥剂轮。
3.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，该处理气流和外界气流均沿与再激活气流相反的方向通过该轮。
4.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，设置预冷却进入到外界空气扇区(33)的空气以通过冷凝来从空气中去除一些水分并以接近饱和的相对湿度供送空气到外界空气扇区(33)的机构(35)。
5.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，设置预冷却进入到处理空气扇区(2)的空气的机构(14)，从而增加了该空气的相对湿度以改进除湿性能并降低从处理扇区(2)供送的空气温度。
6.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，在再激活扇区(3)和处理扇区(2)之间依序布置一附加的气洗扇区(17)，从而将扇区的总数增加到四个，用于该扇区的供给空气来自外界空气扇区(33)的排出或者流入到处理扇区(2)的空气，在离开再激活扇区(3)的媒介进入处理扇区(2)前将其预冷却，使除湿设备能制备较干燥的处理空气并减少从再激活到处理空气的热转移量。
7.根据权利要求6所述的除湿设备，其特征是，离开气洗扇区(17)的空气用作再激活流入空气的至少一部分。
8.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，在处理空气扇区之前依序布置两个再激活扇区(3,40)，允许不同空气来源和不同热源用于这两个扇区，用于第一再激活扇区(3)的供给空气是可以被预冷却的环境空气，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气是处理进入空气或者是外界空气预调节扇区(33)排出的空气，且加热机构(41)不给空气增加水分。
9.根据权利要求1所述的除湿设备，其特征是，该另一股气流(34)总体是环境空气。
10.一种固体干燥剂式除湿设备，包括干燥剂轮(1)和轮驱动器，含有内部挡板以及邻近轮表面的气密封的壳体，以形成多个通气室或扇区并避免空气在相邻扇区之间渗漏，从而为空气形成四个通过该轮(1)的路径，该扇区依序是使干燥剂干燥到低的平衡相对湿度的再激活扇区(3)；第二和第一处理扇区(2，44)，干燥沿相反的方向依序通过这两个扇区且可以是从空间或处理作业再循环的独立空气和/或气流、环境空气、或两者的混合气体；以及对另一股气流(34)除湿、为再激活扇区(3)提供所有空气的外界空气扇区(33)。
11.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，所述干燥剂轮(1)如此定位，第二处理气流(7)与再激活气流(9)沿相同方向通过干燥剂轮(1)，而外界气流(36)和再激活气流(9)沿相反方向通过干燥剂轮(1)。
12.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，第二处理气流(7)与再激活气流(8)沿相反方向通过该轮，且外界气流(36)和再激活气流(9)沿相反方向通过该轮。
13.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，设置预冷却进入到外界空气扇区(33)的空气以通过冷凝来从空气中去除一些水分并以接近饱和的相对湿度供送空气到外界空气扇区(33)的机构(35)。
14.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，设置预冷却进入到第一和/或第二处理空气扇区(44，2)的空气的机构(45，14)，从而增加了该空气的相对湿度以提高除湿性能并降低从第二处理扇区(2)供送的空气温度。
15.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，在再激活扇区和处理扇区(3，2)之间依序布置一附加的气洗扇区(17)，从而将扇区的总数增加到五个，用于该扇区的供给空气来自外界空气扇区(33)的排出，在离开再激活扇区(3)的媒介进入处理扇区(2)前将其预冷却，使除湿设备能制备较干燥的处理空气并减少从再激活到处理空气的热转移量。
16.根据权利要求15所述的除湿设备，其特征是，离开气洗扇区(17)的空气用作再激活流入空气的至少一部分。
17.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，在处理空气扇区(2)之前依序布置两个再激活扇区(3,40)，允许不同空气来源和不同热源用于这两个扇区，用于第一再激活扇区(3)的供给空气(20)是可以被预冷却的环境空气，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气(42)是外界空气预调节扇区(33)和/或气洗扇区(17)排出的空气，该用于第二再激活扇区的供给空气通过不给该空气增加水分的加热机构(41)被预加热。
18.根据权利要求10所述的除湿设备，其特征是，该另一股气流(34)总体是环境空气。
19.一种空气除湿的方法，所述方法包括在除湿设备上形成三个空气路径，将所述设备所设的干燥剂在再激活扇区(3)中干燥到低的平衡相对湿度，在处理扇区(2)中干燥来自处理作业的返流空气和来自外界空气扇区(33)的补偿空气，在外界空气扇区(33)中干燥另一股气流(34)以为处理扇区(2)提供补偿空气和为再激活扇区(3)提供所有空气。
20.一种在根据权利要求1所述的固体干燥剂式除湿设备中对空气除湿的方法，该方法包括：
-为空气形成三个通过轮的路径；在再激活扇区(3)中将干燥剂干燥到低的平衡湿度；
-从外界空气扇区(33)发送所有流入空气到处理扇区(2)；
-在外界空气扇区(33)中对另一股气流(34)除湿，为处理扇区(2)提供预除湿空气和为再激活扇区(3)提供其需要的所有供给空气。
21.一种在根据权利要求1所述的固体干燥剂式除湿设备中对空气除湿的方法，该方法包括：
-为空气形成三个通过轮(1)的路径；
-在再激活扇区(3)中将干燥剂干燥到低的平衡湿度；
-在处理扇区(2)中，干燥独立空气和/或气流，该独立空气和/或气流是选自从空间或处理作业再循环的空气和/或气体、环境空气、或两者的混合气体；
-在外界空气扇区(33)中为另一股气流(34)除湿，为再激活扇区(3)提供所有空气。
22.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，该处理气流(7)与再激活气流(9)沿相同方向通过干燥剂轮(1)，而外界气流(34)和再激活气流(9)沿相反方向通过干燥剂轮(1)。
23.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，该处理气流(7)和外界气流(34)均沿与所述再激活气流(9)相反的方向通过轮。
24.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，将进入到外界空气扇区(33)的空气(34)预冷却以通过冷凝来从空气中去除一些水分并以接近饱和的相对湿度供送空气至外界空气扇区(33)。
25.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，将进入到处理空气扇区(2)的空气(12)预冷却，来增加该空气的相对湿度以改进除湿性能并降低从处理扇区(2)供送的空气(7)的温度。
26.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，在再激活扇区和处理扇区(3，2)之间依序布置一附加的气洗扇区(17)，从而将扇区的总数增加到四个，用于该附加的气洗扇区扇区的供给空气来自外界空气扇区(33)的排出或流入处理扇区(2)的空气，在离开再激活扇区(3)的媒介进入处理扇区(2)前将其预冷却，使除湿设备能制备较干燥的处理空气并减少从再激活到处理空气的热转移量。
27.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，在处理空气扇区(2)之前依序布置两个再激活扇区(3,40)，允许不同空气来源和不同热源用于这两个扇区，用于第一再激活扇区(3)的供给空气(20)是可以被预冷却的环境空气，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气(42)是处理流入空气或外界空气预调节扇区(33)排出的空气，该用于第二再激活扇区的供给空气通过不给该空气增加水分的加热机构(41)被预加热。
28.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，该另一股气流(34)总体是环境空气。
29.根据权利要求19、20或21所述的方法，其特征是，该除湿负载的显著部分在外界空气扇区(33)被吸附，以确保阵列在高水分负载下离开该扇区。
30.根据权利要求20所述的方法，其特征是，在处理空气扇区(2)之前依序布置两个再激活扇区(3,40)，允许不同空气来源和不同热源用于这两个扇区，用于第一再激活扇区(3)的供给空气是可以被预冷却的环境空气，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气是外界空气预调节扇区(33)排出的空气，且空气加热机构不给该空气增加水分。
31.根据权利要求21所述的方法，其特征是，热源是直燃式气体，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气是外界空气预调节扇区(33)排出的空气。
32.一种在固体干燥剂式除湿设备中对空气除湿的方法，该除湿设备包括干燥剂轮(1)和轮驱动器，含有内部挡板以及邻近轮表面的气密封的壳体，以形成多个通气室或扇区并避免空气在相邻扇区之间渗漏，为空气形成四个通过轮的路径，该扇区依序是再激活扇区(3)、第二和第一处理扇区(2，44)以及外界空气扇区(33)，该方法包括：为空气形成四个通过轮(1)的路径；在再激活扇区(3)中将干燥剂干燥到低的平衡湿度；独立空气和/或气流以相反的方向依序地通过所述第二和第一处理扇区(2，44)以干燥所述独立空气和/或气流，该独立空气和/或气流是选自从空间或处理作业再循环的空气和/或气体、环境空气、或两者的混合气体；在外界空气扇区(33)中对另一股气流(34)除湿，为再激活扇区(3)提供所有空气。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征是，该处理气流与再激活气流沿相同方向通过干燥剂轮，而外界气流和再激活气流沿相反方向通过干燥剂轮。
34.根据权利要求32所述的方法，其特征是，该处理气流和外界气流均沿与再激活气流相反的方向通过轮。
35.根据权利要求32所述的方法，其特征是，将进入到外界空气扇区(33)的空气(34)预冷却以通过冷凝来从空气中去除一些水分并以接近饱和的相对湿度传送空气至外界空气扇区(33)中。
36.根据权利要求32所述的方法，其特征是，将进入到处理空气扇区(2)的空气预冷却，从而增加了该空气的相对湿度以提高除湿性能并降低从处理扇区(2)供送的空气温度。
37.根据权利要求32所述的方法，其特征是，在再激活扇区和处理扇区(3,2)之间依序布置一附加的气洗扇区(17)，从而增加扇区的总数，用于该扇区的供给空气来自外界空气扇区(33)的排出或流入处理扇区(2)的空气，在离开再激活扇区(3)的媒介进入处理扇区(2)前将其预冷却，使除湿设备能制备较干燥的处理空气并减少从再激活到处理空气的热转移量。
38.根据权利要求32所述的方法，其特征是，在处理空气扇区之前依序布置两个再激活扇区(3,40)，允许不同空气来源和不同热源用于这两个扇区，用于第一再激活扇区(3)的供给空气是可以被预冷却的环境空气，而用于第二再激活扇区(40)的供给空气是外界空气预调节扇区排出的空气，该用于第二再激活扇区的供给空气通过不给该空气增加水分的空气加热机构被预加热。
39.根据权利要求32所述的方法，其特征是，该另一股气流(34)总体是环境空气。
40.根据权利要求32所述的方法，其特征是，该除湿负载的显著部分在外界空气扇区(33)被吸附，以确保阵列在高的水分负载情形离开该扇区。
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