低露點(diǎn)控制技術(shù)研究進(jìn)展

基金項(xiàng)目：湖南省自科基金省市聯(lián)合基金（2022JJ50003）

第一作者簡介：陳琛（1990-），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)椴牧瞎こ袒瘧?yīng)用。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.003

摘" 要：低露點(diǎn)控制技術(shù)是指通過去除或降低空氣中的水分或其他成分，使得空氣在溫度下降時不會產(chǎn)生液態(tài)水滴。該文綜述冷凍除濕、溶液除濕、膜除濕和轉(zhuǎn)輪除濕等技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，分析各種技術(shù)在不同工況下能夠?qū)崿F(xiàn)的露點(diǎn)控制極限，以及空間密封性對于低溫下露點(diǎn)控制的重要性。該文指出，低露點(diǎn)控制技術(shù)在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，但在低溫領(lǐng)域的研究尚需深入，通過不同技術(shù)手段的結(jié)合與優(yōu)化，將有望實(shí)現(xiàn)更低露點(diǎn)的控制，促進(jìn)這些領(lǐng)域的發(fā)展和提升產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：低露點(diǎn)控制；冷凍除濕；溶液除濕；膜除濕；轉(zhuǎn)輪吸附除濕

中圖分類號：TQ116" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0012-04

Abstract： Low dew point control technology refers to the removal or reduction of moisture or other components in the air， preventing the formation of liquid water droplets as the temperature decreases. This paper reviews the principles， characteristics， and application areas of technologies such as refrigeration dehumidification， solution dehumidification， membrane dehumidification， and rotary wheel dehumidification. The analysis includes the dew point control limits achievable by various technologies under different conditions and emphasizes the importance of air tightness for dew point control at low temperatures. This paper points out that low dew point control technology has broad prospects in multiple fields， but further research is needed in low-temperature applications. Combining and optimizing different technical approaches may achieve even lower dew point control， promoting advancements in these fields and enhancing product quality.

Keywords： low dew point control; refrigeration dehumidification; solution dehumidification; membrane dehumidification; rotary wheel adsorption dehumidification

露點(diǎn)是一種反映氣體狀態(tài)的重要參數(shù)，它在相對濕度較小的環(huán)境下可精確表征環(huán)境水蒸氣含量[1]。低露點(diǎn)控制技術(shù)旨在從空氣中去除或減少水分或其他成分，以確保在降溫時防止液體凝結(jié)。它在很多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用，如圖1所示。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過控制低露點(diǎn)可以有效地降低養(yǎng)殖環(huán)境中的空氣濕度和溫度，創(chuàng)造一個更為舒適的養(yǎng)殖環(huán)境；在氣象領(lǐng)域，對高空氣體（包括對流層和平流層）的水分或其他成分進(jìn)行低露點(diǎn)控制的技術(shù)研究，有助于建立大氣分析模型，探索衛(wèi)星遙感、激光在大氣中的傳播以及卷云對地球輻射的作用；在醫(yī)藥領(lǐng)域，許多醫(yī)療設(shè)備需要用露點(diǎn)為-60 ℃的極干空氣來傳輸動力，尤其是產(chǎn)生臭氧的裝置、輸送粉末的用氣需要用到這種極干空氣；在工業(yè)領(lǐng)域，水汽會侵蝕和損壞元器件，降低露點(diǎn)是保證產(chǎn)品品質(zhì)和壽命的重要措施；伴隨著半導(dǎo)體、新型電子元件等精密技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起，人們對低濕度超凈室的追求極大推動了低露點(diǎn)控制技術(shù)的發(fā)展。

1" 研究進(jìn)展

近年來，以冷凍除濕、溶液除濕、膜除濕以及輪轉(zhuǎn)吸附除濕技術(shù)為核心的露點(diǎn)控制研究已成為科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題。

1.1" 冷凍除濕

冷凍除濕是一種通過冷卻空氣以使其溫度下降，從而引導(dǎo)空氣中的水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)水并被移除的過程。這種方法主要是通過降低空氣溫度到一個特定點(diǎn)，以致水蒸氣不能在空氣中保持氣態(tài)，從而導(dǎo)致液態(tài)水的形成，并降低露點(diǎn)溫度。由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且維護(hù)方便，冷凍除濕在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中非常普遍，盡管它通常受限于較低的處理風(fēng)量，且工業(yè)上實(shí)現(xiàn)的露點(diǎn)溫度通常在7 ℃以上。

Hawlader等[2]的實(shí)驗(yàn)研究表明，冷凍除濕的效果受到氣體流動狀態(tài)、溫度和相對速度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氣體流動速度越快、溫度越高、相對速度越大，除濕能力就越強(qiáng)。這些因素共同增加了氣體與冷卻溶液之間的傳質(zhì)驅(qū)動力，促進(jìn)了水分的遷移，從而降低了露點(diǎn)溫度。

陳秉煥等[3]研究發(fā)現(xiàn)，濕空氣的壓力對露點(diǎn)溫度有影響。通過使用壓縮機(jī)，可以將壓縮空氣的溫度降低至低于所需的露點(diǎn)溫度，從而有效地去除濕空氣中的大部分水分，如圖2所示[4]。當(dāng)壓縮空氣的壓力為0.8 MPa，加壓露點(diǎn)溫度為0 ℃時，露點(diǎn)可以降至-23 ℃。

這些研究強(qiáng)調(diào)了通過操縱冷凍除濕系統(tǒng)的操作參數(shù)來優(yōu)化性能的潛力。調(diào)整空氣壓力、溫度和流速等變量可以顯著影響去濕效率，從而擴(kuò)大這種除濕方法在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用范圍，特別是在需要控制環(huán)境濕度的場合。

Jin[5]的研究揭示了通過改變除濕空間的狀態(tài)，能夠有效地降低露點(diǎn)溫度。具體方法包括在食品中添加冰核蛋白（INPs）以改變冰的形態(tài)和層狀冰結(jié)構(gòu)，這些改變促進(jìn)了除濕空間內(nèi)水蒸氣的流動和升華速率的提升，進(jìn)而降低了空間內(nèi)的水分含量。

冷凍除濕技術(shù)通過使用加壓設(shè)備、優(yōu)化氣流和改變除濕空間的狀態(tài)等多種手段，能夠有效提升露點(diǎn)控制的效率，從而有效控制空間內(nèi)的水分含量。然而，需要大量的能源來維持低溫環(huán)境以凝結(jié)空氣中的水蒸氣，特別是在處理大量空氣的場合，能耗問題尤為突出。

1.2" 溶液除濕

溶液除濕是一種利用溶液的低水蒸氣壓力特性來控制露點(diǎn)的技術(shù)。在此過程中，空氣中的水分被溶液吸收，從而降低空氣的露點(diǎn)，如圖3所示[6]。常用的除濕溶液包括氯化鋰水溶液、氯化鈣水溶液、溴化鋰水溶液、二甘醇等。這些溶液的除濕能力與其溫度密切相關(guān)，一般來說，溶液的溫度越低，其效率越高。

Koronaki[7]的研究評估了不同溶液的除濕速率和效率，發(fā)現(xiàn)使用較低溫度的冷卻介質(zhì)（如4.4 ℃的水）冷卻氯化鋰溶液可以在潮濕條件下實(shí)現(xiàn)更高的吸收效率，將露點(diǎn)降至-11 ℃。除了溫度，空氣的壓力也是影響溶液除濕能力的重要因素。當(dāng)空氣被壓縮后，其水蒸氣分壓增大，從而增加了空氣與溶液表面的水蒸氣分壓差，這不僅提高了傳質(zhì)驅(qū)動力，也加強(qiáng)了除濕的能力。例如，當(dāng)空氣壓力超過0.3 MPa時，出風(fēng)露點(diǎn)可以降至-10 ℃；而在0.5 MPa的壓力下，露點(diǎn)甚至可以降至-15 ℃[8]。

在常壓下，液體吸收除濕系統(tǒng)通常能實(shí)現(xiàn)的露點(diǎn)溫度在0 ℃以上。為了達(dá)到更低的露點(diǎn)溫度，可以借鑒冷凍除濕的方式，使用空壓機(jī)增加空氣的壓力。

1.3" 膜除濕

膜除濕技術(shù)是一種利用特殊膜材料的物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)空氣干燥的方法。這種技術(shù)主要依賴于水蒸氣通過膜的速率遠(yuǎn)高于其他氣體的特性。當(dāng)濕空氣接觸到膜表面時，水蒸氣能夠穿過膜進(jìn)入滲透側(cè)，而其他氣體則被阻擋，從而達(dá)到水蒸氣與干燥空氣的有效分離，實(shí)現(xiàn)低露點(diǎn)的干燥空氣，如圖4所示[9]。

在膜除濕技術(shù)中，膜材料的選擇至關(guān)重要。常見的膜材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亞胺等高分子材料。這些材料具有良好的水蒸氣透過性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠在長期運(yùn)行中保持穩(wěn)定的性能。

近年來，一些研究和應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了膜除濕技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。Wu等[10]采用雙膜分離過程進(jìn)行集成除濕，實(shí)現(xiàn)了出風(fēng)露點(diǎn)達(dá)到-30 ℃的效果。AN-DREW公司的膜式干燥機(jī)通過對膜的進(jìn)氣側(cè)氣體加壓，增加了水蒸氣的分壓力差，使水蒸氣向膜側(cè)滲透排出，出風(fēng)露點(diǎn)可達(dá)-45 ℃。此外，Perma Pure Products公司開發(fā)了一種結(jié)合膜除濕和溶液除濕的氣體前處理用膜式干燥裝置，除濕后的空氣露點(diǎn)可達(dá)-60 ℃，顯示了膜除濕技術(shù)在極低露點(diǎn)控制方面的巨大潛力。

膜除濕技術(shù)相比于傳統(tǒng)的冷凍除濕和溶液除濕，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的露點(diǎn)，這對于需要極度干燥空氣的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)療器械用氣、壓縮空氣等，具有重要的應(yīng)用價值。但高效膜材料的制備和成本較高，特別是對于特殊工業(yè)應(yīng)用所需的高性能膜，與傳統(tǒng)的冷凍或吸附除濕系統(tǒng)相比，膜除濕系統(tǒng)可能需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)。

1.4" 轉(zhuǎn)輪式吸附除濕

轉(zhuǎn)輪吸附除濕技術(shù)，是一種高效的空氣干燥方法。其核心是一個旋轉(zhuǎn)的吸濕劑輪，通過物理吸附作用去除空氣中的水分，如圖5所示[11]。這項(xiàng)技術(shù)的工作原理是濕氣被轉(zhuǎn)輪上的吸濕劑吸附后，通過干燥空氣的流過將水分帶走。隨后，加熱或其他再生方法被用于釋放吸附的水分，從而恢復(fù)吸濕劑的干燥狀態(tài)以供再次使用。轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)和空間密封是該技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。

在轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)方面，目前有多項(xiàng)研究對不同吸附材料的性能進(jìn)行了評估。Al-Alili等[12]通過實(shí)驗(yàn)分析了采用新型沸石吸附材料的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，研究了工藝氣流條件、再生溫度、質(zhì)量流率和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對除濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)在特定條件下除濕能力可達(dá)1.96±0.12 kg/h。賈春霞[13]開發(fā)的由硅膠和鹵素鹽（氯化鋰）組成的新型復(fù)合干燥劑，其除濕性能高于常用吸附劑（如硅膠）的67%～145%。常溫下各種轉(zhuǎn)輪吸濕劑所能達(dá)到的低露點(diǎn)見表1。

空間密封性在轉(zhuǎn)輪吸附除濕技術(shù)中至關(guān)重要，尤其對于露點(diǎn)控制。良好的密封性能可以有效防止水氣進(jìn)入和在系統(tǒng)中凝結(jié)。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在食品業(yè)、電池能源行業(yè)、光學(xué)研究和材料研究等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要用于控制生產(chǎn)車間的低露點(diǎn)。例如，劉訓(xùn)春等[14]設(shè)計(jì)的“一種低露點(diǎn)干燥房”能在常溫下實(shí)現(xiàn)相對濕度低至0.957％，露點(diǎn)溫度達(dá)到-36 ℃的超凈室環(huán)境。這證明了轉(zhuǎn)輪式吸附除濕在控制露點(diǎn)方面的卓越效果。

2" 總結(jié)與展望

本文從冷凍除濕、溶液除濕、膜除濕和轉(zhuǎn)輪除濕幾個方面簡要闡述了低露點(diǎn)控制技術(shù)部分研究進(jìn)展和存在的問題，并對其未來可能發(fā)展方向提出以下展望。

1）冷凍除濕和溶液除濕方面，目前研究方向主要為提高冷凍除濕、溶液除濕的效率，降低能耗，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略，為了更全面地考慮室內(nèi)環(huán)境，未來可拓展探索冷凍除濕和溶液除濕的混合模式，通過充分發(fā)揮2種技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對溫濕度的獨(dú)立控制。

2）膜除濕方面，相較傳統(tǒng)的冷凍除濕和溶液除濕存在能耗高、效率低、環(huán)境污染等問題，膜除濕技術(shù)可以克服這些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率、環(huán)保的低露點(diǎn)控制，效率主要取決于膜的性能和形態(tài)，未來有望開發(fā)新型的膜材料，提高膜的分離性能和穩(wěn)定性，降低膜的成本和腐蝕性，優(yōu)化膜的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，增加膜的透過率和選擇性，減少膜的厚度和孔隙率，提高膜的傳熱傳質(zhì)效率。

3）轉(zhuǎn)輪吸附除濕方面，目前對于吸濕劑和常溫下的空間密封性進(jìn)行了廣泛的研究，但少有針對低溫下空間密封性的研究，更少有針對低溫下空間密封性與露點(diǎn)關(guān)系的研究，低溫下密封材料會收縮變形，導(dǎo)致材料開裂，密封性能失效，與外界發(fā)生氣體交換；同時密封材料本身含水，在低露點(diǎn)環(huán)境下由于水分濃度差驅(qū)動作用會散發(fā)水分，將導(dǎo)致空間露點(diǎn)上升。未來有望結(jié)合低溫密封和吸濕性研究，從而獲得低溫下的低露點(diǎn)性能，滿足航空等低溫領(lǐng)域的要求。

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