除湿轮以微波再生技术研发

组员：罗生证、陈峥嵘、黎伟彬、王俊渊、徐正卫

德霖技术学院机械工程系日四技0922

指导老师：李志良  老师

摘    要

台湾属亚热带海岛型气候，高温多湿，平均湿度>75%RH，雨季及入夜更高达90%RH，当相对湿度超过了60%时，室内人员也许会稍感不适而室内易生霉菌，潮湿状态可经由冷却过程达到附加之除湿目的，但此方法却非常不经济且除湿效能有限，而除湿效率稳定之转轮式除湿系统便成为了不错的选择，除湿轮的主要吸附剂是硅胶，硅胶为一特殊耐热橡胶，耐热温度可达220˚C~280˚C，而此转轮为一蜂巢状，蜂巢表面及孔内附着硅胶材质之吸湿剂，将空气导入除湿机内缓慢转动之硅胶转轮，当空气流通蜂巢孔时，其中的湿气会吸附于硅胶上微小的多孔处，藉由此方式除湿，除湿后吸湿了的硅胶会随着转动进入一密封之再生区，接受电热产生之高温空气将湿气由硅胶吸湿材排出，达到再生作用。

本专题构想希望将原本的电热器，改为使用日常生活中常用的微波炉里的微波发射器，微波发射器所发射出的微波为2.45GHz，它可以使分子高频率振荡，利用微波加热的方式，形成电磁场，水分子会随着磁场的振荡而来回碰撞，互相摩擦而产生热，利用此原理代替电热器加热，且探讨两者的优缺点以及各方面效率。

一、前言

(1)研究动机：

由于台湾属亚热带海岛型气候，高温多湿，许多建筑物的水泥墙壁，甚至于以水泥为底的壁纸、水泥漆常出现白粉毛状的所谓「壁癌」，壁癌出现后，整个水泥漆、壁纸膨突、破裂、剥落，邻近的墙壁、家具显现黑霉、朽蚀斑斑，不但令人厌烦，有碍观瞻；甚且墙壁、家具为之破损。

温湿度是环境背景因素，一般人对湿度高低没有像温度冷热般敏感，因此忽略了台湾潮湿环境产生的潮害，其实台湾四面环海，平均湿度>75%RH，雨季及入夜更高达90%RH，是相当潮湿的海岛型气候，如果不作好防潮的话，将会造成许多不便及损失，潮湿是一个环境因素，影响我们工作与生活的全部，因此每个家庭及机关行号都应该作好防潮措施。

在过去15年中，需要比一般建物还要低湿度的商业建物会将主动型除湿系统当作其冷冻空调系统的一般组件，当建物中的水气负载藉由主动型移除

也就是加热再生式之后，溜冰馆、大型超市、以及冷冻仓库之冷冻系统便可以更有效的冷却空气，因此可省钱，增加舒适度及延长营业季节等效益，而超市有低温储存产品，冷冻仓库则有安全性提升之效益。这些效益足以使得除湿组件成为商业建物的一部份。

但是近来亦有将主动型除湿系统用在并不明显需要低湿之建物的通风系统中，学校、卖场、旅馆饭店、影剧院以及老人看护中心的拥有者通常只需要适中的湿度而不需要低湿控制当相对湿度超过了60%时，室内人员也许会稍感不适而室内易生霉菌，但是资产并未因而折损，且运转费用的增加也难以判断出有多少是因湿度引起，因此在这些建物的通风中，加装主动型除湿系统就很能看出其优点，另外有其他各种方式可移除换气中的多余水气。

潮湿状态可经由冷却过程达到附加之除湿目的，单纯的降温空调却无法达到要求，改善方式即加装电热，同时对室内作 冷却及加热之温湿度控制，但此方法却非常不经济且除湿效能有限，无法 达到较低露点要求，于实验室、清静室等环境条件要求严谨区域，冷冻式除湿是很难达到控制要求的，而除湿效率稳定之转轮式除湿系统便成为了唯一的考虑。

目前市面上所贩卖的除湿机还是以传统压缩循环式的为主，但我们也发现了某家品牌所推出的除湿轮除湿机，除湿轮除湿机再生过程中，是使用电热器来蒸发除湿轮上已吸附的水份，电热产生之高温空气将湿气由硅胶吸湿材排出，它不但比一般传统压缩式机除湿机还要耗电，再加上使用电热器加热，室温也略为提升造成些微闷热。

在我们日常生活中常常会使用到微波炉，而微波炉的原理就是运用电磁场，将具极性物质置于磁场中，水分子会随着磁场的振荡而来回碰撞，互相摩擦而产生热，因此而把食物加热，那么我们就灵机一动，是否我们也可将除湿轮所吸附的水份，运用微波加热的方式，使其逼出水份，因为微波炉所发射出的微波为2.45GHz使分子高频率振荡，所以一定能加速除湿轮的循环再生能力，如果此方法可行，那相对的不管是在除湿轮除湿机的运作效能上或是整体重量上，都可达到高效能又兼具轻巧，因此，本专题构想希望将原本的电热器(图1)，替换改为使用微波发射器，利用微波加热的方式，形成电磁场。将具极性物质置于磁场中，水分子会随着磁场的振荡而来回碰撞，互相摩擦而产生热，并且探讨两者的优缺点以及各方面效率。

图1. 电热器

(2)研究目的：

目前除湿机机型大约可分为两种：

一是传统式除湿机，利用压缩机压缩冷媒之特性来除湿。

二就是化学式除湿，化学除湿的另一个说法就是转轮式除湿机(图2)，也就是利用固体吸热剂其原理就是利用固体吸热剂多孔性特性，在常温下可以吸湿；而高温下可以排除湿气的特性做为除湿原理。

固体吸热剂可分为：活性矾土(Activated Alumina)、硅胶(Silica Gel)、活性钡(Activated Bauxites)、活性炭(Activated Charcoal)

图2. 转轮式除湿机内部

蜂巢转轮式(Honey Combe Rotor)化学除湿机为瑞典Mr. Munters于公元1956发明，至今Munters除湿机在全世界各个角落为空调界解决各种不同的湿气问题，蜂巢转轮式除湿机能迅速有效地减低空气中的湿度以供各业主要求，其主要之工作方式乃按照两气流分别经过Munters吸收兼吸附式转轮进行热量转换之原理所研制而成，处理空气侧转轮快速吸收空气中的湿气使成干燥空气，另一回路引入 外气经加热后送入转轮再生侧，使其放出湿气完成还原程序，高温高湿空气排至室外，经由马达及皮带驱动转轮，周而复始不停抽出湿气。

Munters蜂巢转轮式化学除湿机尚有一应用上的优势，由于转轮效率稳定经系统整合应用后可达极佳之恒温恒湿要求，不论是小型恒温恒湿条件皆可轻易达到确保工作环境质量。

(i)主动和被动的除湿系统

　　除湿轮系藉由吸附的方式来移除空气中的水份。由于除湿物质表面较潮湿空气有较低的水蒸气压，因此水气会渗入除湿剂中，因此空气在排出时会较其进入该系统前干燥，应用在工业建物和制程中有液体和固体两类型，但是在商业建物中则大多使用固体除湿剂。

　　将固体除湿剂应用在空气流道的方式是将其注入在轮状物之蜂巢型方格内。供气会通过轮子的一区而得以干燥，以后轮子会缓慢地旋转至第二道再生空气流道，以干燥除湿剂并将所吸附之湿气排放到室外。

　　除湿剂可用较热或较干的空气予以再生，所谓「主动」的除湿轮系使用加热空气进行再生，而「被动」的除湿轮则是干燥空气进行再生，通常是使用建物的排气。

主动型除湿轮(Active Desiccant Wheels)的优点是其能在任何天气条件下，不论排放气体的湿度如何，都可以连续地提供干燥空气，而且可以用室外空气而非建物排气来再生除湿剂，因此在安装上可因不需将排气引回而较有弹性，但另一方面，由于主动型除湿轮需要额外的热输入以干燥空气则会增加运转费用，被动型除湿方式则移除较少之水份，建物供气的水气含量视建物排气的含水量而定，由于它是以一绝热方式来再生除湿剂，因此不需要额外能源的输入，因此每小时的运转费用较主动型除湿轮低，两种技术皆可在商业建物中除湿通风系统中使用，而主动型除湿轮可大量除湿；而被动型除湿轮可便宜地除湿，以帮助冷却系统适切地调整湿度。

一个除湿轮的除湿量视许多因素而定，包括进气之温度和湿度吸附剂的型式和份量，除湿轮的厚度、蜂巢结构之表面积、空气流过除湿轮的速度，以及除湿轮旋转速度等，但是商业建物的建商则多半是以再生空气的温度为除湿能力的主要变量。因此若要使得供气更干，再生空气通常会被加热至更高的温度，商业用除湿轮通常在华氏190到225度等于摄氏82到107度的温度下进行再生。

在设计一个开放式除湿轮空调系统时，对一个系统中的个别设备组件可能有不一样的设计要求。对显热交换器而言，为了达到以上二个要求，平衡流是必要的balanced flow即处理风之质量流率等于再生风之质量流率。提供最低温的出口处理风，以增大整个系统的冷却能力。提供最高温的出口再生风，以使预热效果最佳。

除湿轮的主要吸附剂是硅胶，硅胶为一特殊耐热橡胶，耐热温度可达220˚C~280˚C，并拥有最佳的离型能力，但机械性质差及耐油性不佳为最大缺点，硅胶分为固态硅胶及液态硅胶，液态硅胶又分为缩合型硅胶；价格为固态硅胶最低，缩合型硅胶次之，加成型硅胶最高，但用途却各不同，只须固态硅胶即可达到所须之使用效果则不必选择高价的液态硅胶，加成型硅胶并不一定适合缩合型硅胶所适用的场所，反之亦然。

(ii)将其用途及物性简单说明如下：

1.     固态硅胶：常用于耐热及离型能力较佳者，但产品表面较不要求，无其它特殊亮面、雾面，通常使用于一般耐热、耐臭气、耐紫外线的贴合辊轮、挤水辊，除静电机附近的过桥辊轮等。

2.     液态缩合型硅胶：常用于耐高热及离型力特优、不可有接痕与气孔的场所，产品表面须亮面、雾面及不能有任何亮点、接痕、研磨痕、颤痕等；但机械性质最差，须小心呵护，压力不能过高、通常使用于胶布、薄膜、淋膜等用途。

3.     液态加成型硅胶：常用于耐热及离型力优、无亮点、无接痕、无研磨痕、高强度、高弹性的场所，通常使用于胶布、胶板的压花辊轮与仿PU合成皮的硅胶花轮等，但离型能力较缩合型硅胶差一些，研磨困难耗时，可研磨成光面。

4.     硅胶又分为食品业用、医疗业用及工业硅胶：

A.    食品业用硅胶常用于食品机械上的零配件，这些零配件须具有高耐热性，无污染性及无毒性，最常见的为食品输送机上的输送皮带、奶嘴...等。

B.    医疗业用硅胶常用于医疗用导管、人工软骨、齿科复制材、丰颊用注入物...等。

C.    工业用硅胶常用于各种耐热迫紧、耐热辊轮、事务机器、键盘及各种软性模具等。

二、研究方法

(1)表示空气中水汽含量多寡之方法：

(i)相对湿度% RH：

气中含水气之多寡与空气之压力与温度有关，一定重量之空气，如放在气球内，恰似一块大海棉，海棉体积越大，吸水越多，将海绵压缩，部份的水即由海绵排出。空气温度增加，体积变大，则含水量也越大，反之，体积越小，温度下降，则含水量也越少。空气中的水气如未饱和，此时之含水量与达到饱合程度时之水量百分比，称为相对湿度。

(ii)绝对湿度H：

在一定的空气压力与温度下，每一单位重量之空气，所含水气之重量。

(iii)露点湿度：空气温度下降一定程度，空气中之含水量饱和，温度再行下降，水份即凝结而出，此时之温度称为露点温度。

(2)空气除湿法的种类：

(i)加压除湿法：

空气之压力增高，其露点温度亦高，因此高压空气温度稍降，即可达到露点，高压空气达到露点后，水份即可由空气中析出。

(ii)冷却除湿法：

空气之绝对湿度一定，空气干球温度越低，其相对湿度越高，降低空气干球温度直至到达露点，水份即可由空气中凝结而出，此时再将空气加热，即可得到相对湿度甚低的干燥空气。

(iii)干剂吸着除湿法：

空气通过后，水气即附着于干剂之毛细孔内，水气之分子增多后即在干剂之毛细孔内凝结，并放出凝结热量，经过干燥剂之空气温度稍高。

(iv)吸着及冷却合并使用除湿法：

「集含热量」过程中，因空气内水气虽达被凝出，但凝结所放出之热复被空气吸取，故空气之含热量不变，但温度也增高。

我们针对除湿轮除湿机的功能做更进一部的探讨，其动作是将空气导入除湿机内缓慢转动之硅胶转轮，而此转轮为一蜂巢状，蜂巢表面及孔内附着硅胶材质之吸湿剂，当空气流通蜂巢孔时，空气中的湿气会吸附于硅胶上微小的多孔处，藉由此方式除湿，除湿后吸湿了的硅胶会随着转动进入密封之再生区，接受电热产生之高温空气将湿气由硅胶吸湿材排出。

再生温度的范围要以除湿剂的种类为考虑，对硅胶再生的温度在摄氏80度以上时，硅胶的含水率会剧降，所以温度越高硅胶所能吸附的水分越少，因此在越高温的情形下再生越好，但温度过高会使硅胶产生结构上的变化而丧失除湿能力。一般而言，硅胶之再生温度低于摄氏200度。

三、制作步骤

(1)除湿机部份：

(i)先将市面上买来的除湿轮除湿拆解开，并研究内部的电路设计与风管路径(图3)。

(ii)为必免压克力模型的组装破坏到微波炉本身的安全装置及机体结构，所以我们仿照了原本机体上的电热再生系统的外型，制作了一个类似的压克力模型(图4)。

图3. 内部电路设计与风管路径

图4. 压克力模型

(iii)接着我们在压克力模型上挖开一个7×3.5的矩形孔，并在模型的内侧贴上抗微波材料，以确保操作人员之安全。

(iv)再将电热再生系统拆下换上事先准备好的压克力模型(图5)。

图5. 压克力模型安装在除湿机上

(2)微波炉部份：

(i)将市面上买来的微波炉拆解开，并了解机体内部的结构与相关之安全装置(图6)。

图6. 微波炉机体内部

(ii)我们将机体本身的微波发射装置拆下，并在微波发射器前加装一个可程控器(图7)用来控制微波运转时间，以防止除湿轮结构由于加热时间过长而发生脆化。

图7.PLC可程控器

(iii)因为此实验装置为两个不同的机体经改装后相连接，所以我们特别制作了一只7×3.5×50公分的金属导波管(图8)，做为联结与微波之导通用。

图8. 7×3.5×50cm金属导波管

※注:此导波管的大小是因微波的导通功率及导波有效距离，经由厂商所指导的数学公式运算所得。

公式如下：

微波发射器所发出的截直频率为2.45GHz

截直频率FC、截直波长λC

宽A、高B、光速C

FC ╳ λC = C

FC = C / λC

截直频率FC >截直波长 λC

FC必须要大于λC 1~2倍，通常不会选择太靠近1或2，比较常选用1.6倍或1.7倍

由于影响导波管是否导波只与截面宽度A有关系，与高度B只需微小空间即可，不过一般

导波管的宽、高比通常为A=2B

所以我们以7 ×3.5 做为导波管尺寸

(iv)将导波管与微波发射器连接，启动后周围以防微波布阻挡，避免直接接触人体，再由高斯计(图9)量测电磁波之计量，并随时注意是否过量外泄。

图9. 高斯计

四、实验步骤

(1)     准备一台使用电热器再生的除湿机，与一台使用微波发射器的除湿机(图10)。

图10.电热式与除湿轮式除湿机

(2)     将导波管插入压克力模型上的矩型孔中，并且在压克力外壳与导波管连接处及微波发射器与导波管连接处以硅胶黏着剂(silicone)密封，并贴上抗微波材料，以防止电磁波之外泄。

(3)     将两台除湿机放置在同个空间内(图11)，并以温湿度计(图12)纪录运转前的室内温度及相对湿度。

图11.除湿实验室内空间

图12.温湿度计

(4)     开始运转以及设定可程控器在装有微波发射器的除湿机通电时间。

(5)     间隔固定时间，纪录两台除湿机的水量。

(6)     最后比较两台除湿机的水量，评估效率。

五、注意事项

磁电管发射出微波所造成的人体危害包括：

(1)     眼部的危害：眼睛部分水分极为丰富，极易受微波影响，一旦受到微波的侵袭，无法有效于短时间热量驱散，而造成热的残留，长期暴露可能会有发生白内障的危险。

(2)     生殖器官的危害：男子睪丸若受微波之热，容易温度升高而伤害到精子的产生，需避免鼠蹊部直接暴露于微波可能泄漏之处，若有泄漏可能时，那么孕妇也不适合接近，以免可能影响胎儿。

(3)     皮肤与皮下组织：微波所具的危害性与频率高低成反比，频率越高也就是波长越短，穿透力越弱，伤害层面通常越小。

(4)     电磁辐射的致癌：电磁辐射会促使人体内的遗传基因，微粒细胞染色体发生突变和有丝分裂异常，而使某些组织出现病理性增生过程，使正常细胞变为癌细胞。

六、结果与讨论

(1)数据结果：

表1.为第一次电热式与微波式除湿机在同一室内的温度、相对湿度与水量比较。由于微波效率比电热器高，为防止除湿轮脆化我们以除湿轮转一圈的时间(107秒)做为设定PLC的依据，微波每次通电107秒，即断电535秒。

表2.为第二次实验。

表2.

(2)讨论：

在研究金费与使用器材及实验室有限的情况下，我们也尽可能的将此创意实践，以本次的微波再生除湿轮的研究实验中，由于我们所使用的微波发射器频率为2.45GHz而且该波只对金属才会有反射，也就是说对非金属材料可以完全穿透，所以我们也将金属导波管在连接两机体的截面上贴上了防微波材料，以防止微波外泄造成的不良影响，在导波管的设计上我们也尝试以直径3.5公分之圆型导波管做导引，但确始终无法导通，使得除湿机的改装上增加了许多困难度，在多次与厂商的请教与询问下得知，导波管的口径必须由数学公式计算得知。

于是我们重新制做了一支7×3.5×50的导波管，在之后的实验中我们也成功的导通并加热一张湿卫生纸，加热时间只须5~10秒就可以使卫生纸蒸发出水气，但装在除湿机上需考虑风道的流动必须再经过一个压克力盒，再加上碍于除湿轮需要转动的空间，我们没有办法把除湿轮与导波管部份完全使用金属密封，这个部份无法完全包覆微波，随着微波的散失，也使加热到除湿轮的效果降低了许多。

虽然会有一点微波的散失，但是经过实验之后，在同样的时间、温度、湿度、地点，相同的条件之下，我们同时进行两台不同的加热器来除湿，分别经过两次的实验下来，虽然微波式除湿机的水量比不上原本电热式的除湿机，但还须扣掉先前微波的散失以及风道上的些微影响，若再经过更精密的计算与改良，效率也有可能可以与电热式除湿机抗衡，甚至超越。

七、结论

由于温室效应影响，全球气候变化无常下，人们对空调设备的需求日与俱增，这不仅会大量消耗能源且破坏环境，更对我们的居住质量会造成很大的伤害。

吸附式除湿轮应用上，不需要压缩机减少能源消耗，所以没有噪音及冷媒禁用的问题进而达到节能的目标，改善生态环境及降低在空调系统上的耗电量及提升空调舒适度。

在再生过程中使用磁电管使除湿轮重新达到干燥，由于是利用微波使水分子互相摩擦生热，所以对吸满水的硅胶有一定的干燥效果，不仅提升了再生速度，也减低了耗电量，不过因为微波的电磁波会对人造成健康上的影响，所以使用时要注意磁电管的隔离。

八、参考文献

[1]洪明丰 旋转式除湿轮之性能量测与计算机仿真，http://etds.ncl.edu.tw/theabs/index.jsp

[2]电磁波对人体的危害

http://www.library.com.tw/emf/body.htm

[3]壁癌与环境霉菌，http://www.niea.gov.tw

/analysis/publish/month/38/38th2-1.htm

[4]Yahoo!奇摩知识+ 微波炉原理，

http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1405113017399

[5]光堡冷冻空调技术网

http://www.hvacr.com.tw/index.htm

[6]HGS Internation INC.

http://www.digilife.com.tw/p5.html

[7]商业建物通风用主动型除湿系统之评估，孙即愚　译， http://www.hvacr.com.tw/mag/tech

/rah34/r3405.cfm

[8] 台湾防潮科技

http://www.drytech.com.tw/humidproblem_tw.htm

[9]空气除湿与物品防潮 尹炎 徐氏基金会出版

[10]钟景云，「固体除湿轮空调系统之性能分析」国立成功大学机械研究所，硕士论文，民83年6月

[11] 李国男，「类神经网络法在固体除湿空调系统之应用」国立成功大学机械研究所，硕士论文，民84年6月