王佳韵：充电桩散热除湿技术-多孔材料及热湿传递优化（PPT+文字稿+视频）
本文内容为王佳韵师姐于2022年11月17日在常州#2022能源装备仿真技术峰会#的演讲内容，经王老师授权，周祺 整理，与各位同行一起学习。
今天我非常荣幸地收到邀请来常州做报告。我报告的内容是热湿传递、散热除湿的技术。跟大家分享一下研究进展，抛砖引玉，请各位专家多多指教。
报告框架是介绍充电桩散热除湿的背景，四大除湿技术还有除湿技术的关键点。同时还有近三年一些先进除湿材料的介绍，以及除湿性能的强化手段，当然这些材料的研发都会涉及到模拟仿真。接着是通过热力学模型实现的全球除湿量预测，这是一个十分有趣的工作。最后就是除湿技术的应用展望。正式报告之前，先介绍一下我自己。我本科毕业于大连理工大学，后来在2013-2018年在交通大学硕博连读，师从王如竹教授。恩师到现在还是会给我很多学术指导。毕业进入上海理工大学的张华副校长研究团队，一直从事热湿传递、除湿以及空气取水研究。不管是我的导师还是张华老师都告诉我要两条腿走路，顶天又立地。所以我迫切希望在新能源领域为新技术开拓应用前景。下面是我在近五年来发表的论文，期刊包括Joule，Energy & Environmental Science，Nature communications，Cell Reports Physical Science，Nature water等。特别是EES上的文章被接受后，对我们是一个非常振奋人心的消息，这也是上海理工大学的第一篇EES。另外就是获得了一些荣誉，包括交大硕博期间以及入职以后拿到的，以及一些专利，这些专利涉及吸附、冷凝、除湿等相关领域。最后就是我进行中的一些项目。充电桩在应用的过程中面临严重的结露问题。尤其是在秋冬季，充电桩内部的电子器件表面就会有冷凝水聚集，这种现象对充电设备寿命的损害是非常大的。第一，它会造成金属的生锈；第二会造成电路的短路；第三，它会使器件霉变。所以我们需要一种技术使充电桩的内部环境保持干燥，从而延长充电桩的使用寿命，这个非常重要。同时充电桩还面临散热的问题，在功率大的时候，它会产出大量的热。我们如何把散热和除湿结合起来，就是我们所研究课题的大背景。在除湿领域，目前主要有四种技术，第一种是冷凝除湿，该技术在传统空调除湿中应用最广：将湿热空气通过冷凝达到露点，空气中的水分就会析出，从而获得干燥空气。第二种是膜式除湿，它运用的是海水淡化的原理：让空气透过选择性的半透膜，可以有效地减少空气中含有的水分。第三个技术是吸附除湿，它是采用吸附剂把空气中的水蒸气吸附，从而减少空气中的水蒸气含量；将吸附剂加热再生，就可以将储存的水分排出。最后一种技术是吸收除湿，主要依靠一些吸湿溶液，比如溴化钾、氯化锂等溶液，使空气达到干燥的状态。这四种大类技术中，综合考虑充电桩散热除湿的需求，吸附除湿是最适用的。它是唯一可以实现耦合热驱动的技术，即充电桩不工作或者待机时的结露问题可以用吸附材料解决；充电桩工作时产热量大，帮助吸附材料再生，同时这个再生过程也可以消耗一部分热量，辅助散热。除湿系统里面一般包括两个过程，第一个是分离水蒸气；第二个就是将水蒸气冷凝。左边部分着重点是分离，右边部分着重点是冷凝。这里着重介绍两个出现在动物身上的两个冷凝技术。首先是纳米比亚沙漠的甲虫。由于沙漠十分干旱，在夜间这种甲虫会把自己的背拱起来，因为它背部的顶端是亲水的，所以就能很轻松地从空气中抓取水蒸气。当收集的水蒸气越来越多，就会由于重力的作用滚落到底下的槽里，而这些槽是疏水的。所以水就会沿着槽滚动，最后达到甲虫的嘴部。除了这个甲壳虫，还有一个是通过观察蜘蛛网发现的一个技术。蜘蛛网是由丝和节组成的，其中丝是疏水的，节是亲水的。在结露的过程中露珠挂在蜘蛛网上，因为节是亲水的，露珠会集聚在节上，然后节与节之间形成力的平衡。另外，蜘蛛丝的刚度也是现在人工材料刚度难以企及的。所以说大自然是非常宝贵的财富，值得我们不断地去发掘、学习、借鉴。介绍完这个除湿技术的重点，现在我们回归吸附除湿的原理。当一个对象需要除湿的时候，对象周围空气中的水蒸气就会被多孔介质吸收，因为比表面积大，所以能够吸收很多的水蒸气。为了进一步提升效果，多孔介质中也添加了盐成分，这个盐可以与水蒸气形成结合水，将水分更牢固地储存在里面，现在一克的材料就能够吸附五克的水蒸气。当材料中储存了足量的水，整个材料就同时有了吸热效果。因为在它再生的时候，比如说受到充电桩的加热效果，材料中的水分就会蒸发出来，同时带走大量的热。这就是一个吸热再生的过程。所以对于吸湿散热材料来说，它有两个性能是最重要的，一个是动态吸附特性，就是它吸水与脱水的速率；一个是平衡吸附特性，即最大的吸水和脱水量。针对这两个性能，我们团队开展了不同材料的性能研究。第一种是凝胶材料，吸水性能极佳。我们研究的PCLG材料也收录在了一篇Cell子刊中；接着的一种PCP纤维防护材料，目前这种材料是用于膜式除湿的；还有一种ACF多孔碳材料，这是一种比较高效的除湿材料，研究成果也是发在了Nature communications上。下面着重介绍一下PCLG材料的吸湿散热性能。我们在25℃，75%相对湿度下吸附，在45℃实现解吸再生，这对于充电桩以及其他用电设备来说是很容易达到的解吸温度。在这样的一个工况下，它可以达到1.52 g/g的除湿量，同时可以把内部环境的露点由零上20 ℃降到零下10 ℃。此外，我们将这款材料与其他先进材料对比发现，PCLG兼具单位质量吸水量高、再生温度低的优势。凝胶材料是日常生活较为普遍的吸湿材料，吸湿量大，成本造价也低。但是它有一个致命的缺点，即吸水蒸气的速度不够快，用更学术化的语言来描述就是吸附动力学很差。所以我们要采用多孔结构对它的吸附动力学进行改进。我们在COMSOL里构建了几何模型和数学模型，对蜂窝结构进行了尺寸上的优化：对于这样的结构，20%的孔隙率下性能是最好的。这样优化的结构基本上能实现1.6 g/g的吸湿量。与无蜂窝结构的性能对比中发现，蜂窝结构的材料将整体吸湿性能提高了接近两倍。这样一个工作中，仿真的助力很大，我们也真正感受到了仿真模拟与实验相结合的有效性与重要性。上面就是我们对于蜂窝结构材料的一个优化，后面我们实际生产了这款材料，并且还在理工大学的屋顶上进行了除湿实验。这个实验主要是利用太阳能的热量辅助材料的再生，实测在六个小时内能使材料达到64 ℃，然后同时记录材料的温湿度变化。最后我们这项验证性工作发在了Cell Reports Physical Science上面。我也感到很幸运啊，有专家针对这篇文章写了篇读后感，发在了Matter上，这也是对我们工作的一个相当大的肯定。下面我们由表及里，介绍一下热湿传递的机理。主要是对多孔材料、多孔凝胶材料、多孔碳材料这些多孔材料的机理进行一个分析。一旦建立起一个能够自洽并且有一定解释能力的理论，我们就能够依据这个理论去输出一些结构，比如蜂窝吸附床结构、隔热格栅装置、微通道除湿换热器等。这些结构都是在COMSOL软件中进行的设计优化。还有一个比较有意思的工作就是我们建立了除湿基准设定和潜能预测，因为现在市面上有很多除湿材料，那界定它的除湿性能就显得十分重要。同时我们构建了热力学模型，可以在全球领域宏观地预测除湿量。同时我们还将吸湿材料运用到了防腐蚀中。我们采用了多孔碳材料，然后在外面进行覆膜处理，最后做出了一个能日均除湿1.4 L的材料。后面我们同样建立了热力学的数学框架，优化了它的结构，最后得到了一个最优性能。这样一个除湿模块，是非常轻便、高效的。上面是我在上海理工大学三年的工作，接下来介绍一下我交大博士期间做的工作，主要是空气取水。空气取水和除湿是密切相关的，空气取水是在除湿的基础上将除去的湿量回收储存得到水。我的这个工作受到了MIT机械系主任Evelynwang的重点引用。读博也是一段艰苦的岁月，之前一直在楼顶做实验，发烧发了两次，发到40多度，最后实验还不成功，只取到了0.3公斤的水。后来就推翻了所有的设计，吸取之前的经验和教训，最后成功做了一个14.5公斤的装置。这个经历我的感悟就是：走对路，并一路坚持下去，是一件非常幸运的事情。这个也是我读博期间成型的装置结构，也给大家分享一下。最后我来展望一下除湿材料的一个应用前景。第一个应用场景就是现在非常火的新能源产业里面的电极生产，它是需要深度除湿的，现在我们也在做深度除湿的相关研究。同时，充电桩需要散热除湿。还有就是现代农业中的智慧控湿和海上的除湿取水。最终就是我们要仰望星空。对于月球基地，它需要淡水回收的，所以可能也会用到除湿材料。所以总结来说，除湿材料的未来真的是需要仰望星空，脚踏实地。
