低露点控制技术研究进展

基金项目：湖南省自科基金省市联合基金（2022JJ50003）

第一作者简介：陈琛（1990-），男，硕士，实验师。研究方向为材料工程化应用。

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

摘" 要：低露点控制技术是指通过去除或降低空气中的水分或其他成分，使得空气在温度下降时不会产生液态水滴。该文综述冷冻除湿、溶液除湿、膜除湿和转轮除湿等技术的原理、特点和应用领域，分析各种技术在不同工况下能够实现的露点控制极限，以及空间密封性对于低温下露点控制的重要性。该文指出，低露点控制技术在多个领域都有着广泛的应用前景，但在低温领域的研究尚需深入，通过不同技术手段的结合与优化，将有望实现更低露点的控制，促进这些领域的发展和提升产品质量。

关键词：低露点控制；冷冻除湿；溶液除湿；膜除湿；转轮吸附除湿

中图分类号：TQ116" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

露点是一种反映气体状态的重要参数，它在相对湿度较小的环境下可精确表征环境水蒸气含量[1]。低露点控制技术旨在从空气中去除或减少水分或其他成分，以确保在降温时防止液体凝结。它在很多领域都具有广泛应用，如图1所示。

在农业领域，通过控制低露点可以有效地降低养殖环境中的空气湿度和温度，创造一个更为舒适的养殖环境；在气象领域，对高空气体（包括对流层和平流层）的水分或其他成分进行低露点控制的技术研究，有助于建立大气分析模型，探索卫星遥感、激光在大气中的传播以及卷云对地球辐射的作用；在医药领域，许多医疗设备需要用露点为-60 ℃的极干空气来传输动力，尤其是产生臭氧的装置、输送粉末的用气需要用到这种极干空气；在工业领域，水汽会侵蚀和损坏元器件，降低露点是保证产品品质和寿命的重要措施；伴随着半导体、新型电子元件等精密技术产业的兴起，人们对低湿度超净室的追求极大推动了低露点控制技术的发展。

1" 研究进展

近年来，以冷冻除湿、溶液除湿、膜除湿以及轮转吸附除湿技术为核心的露点控制研究已成为科研领域的热点和重点问题。

1.1" 冷冻除湿

冷冻除湿是一种通过冷却空气以使其温度下降，从而引导空气中的水蒸气凝结为液态水并被移除的过程。这种方法主要是通过降低空气温度到一个特定点，以致水蒸气不能在空气中保持气态，从而导致液态水的形成，并降低露点温度。由于其系统结构简单且维护方便，冷冻除湿在工业和商业应用中非常普遍，尽管它通常受限于较低的处理风量，且工业上实现的露点温度通常在7 ℃以上。

Hawlader等[2]的实验研究表明，冷冻除湿的效果受到气体流动状态、温度和相对速度的影响。研究发现，气体流动速度越快、温度越高、相对速度越大，除湿能力就越强。这些因素共同增加了气体与冷却溶液之间的传质驱动力，促进了水分的迁移，从而降低了露点温度。

陈秉焕等[3]研究发现，湿空气的压力对露点温度有影响。通过使用压缩机，可以将压缩空气的温度降低至低于所需的露点温度，从而有效地去除湿空气中的大部分水分，如图2所示[4]。当压缩空气的压力为0.8 MPa，加压露点温度为0 ℃时，露点可以降至-23 ℃。

这些研究强调了通过操纵冷冻除湿系统的操作参数来优化性能的潜力。调整空气压力、温度和流速等变量可以显著影响去湿效率，从而扩大这种除湿方法在工业环境中的应用范围，特别是在需要控制环境湿度的场合。

Jin[5]的研究揭示了通过改变除湿空间的状态，能够有效地降低露点温度。具体方法包括在食品中添加冰核蛋白（INPs）以改变冰的形态和层状冰结构，这些改变促进了除湿空间内水蒸气的流动和升华速率的提升，进而降低了空间内的水分含量。

冷冻除湿技术通过使用加压设备、优化气流和改变除湿空间的状态等多种手段，能够有效提升露点控制的效率，从而有效控制空间内的水分含量。然而，需要大量的能源来维持低温环境以凝结空气中的水蒸气，特别是在处理大量空气的场合，能耗问题尤为突出。

1.2" 溶液除湿

溶液除湿是一种利用溶液的低水蒸气压力特性来控制露点的技术。在此过程中，空气中的水分被溶液吸收，从而降低空气的露点，如图3所示[6]。常用的除湿溶液包括氯化锂水溶液、氯化钙水溶液、溴化锂水溶液、二甘醇等。这些溶液的除湿能力与其温度密切相关，一般来说，溶液的温度越低，其效率越高。

Koronaki[7]的研究评估了不同溶液的除湿速率和效率，发现使用较低温度的冷却介质（如4.4 ℃的水）冷却氯化锂溶液可以在潮湿条件下实现更高的吸收效率，将露点降至-11 ℃。除了温度，空气的压力也是影响溶液除湿能力的重要因素。当空气被压缩后，其水蒸气分压增大，从而增加了空气与溶液表面的水蒸气分压差，这不仅提高了传质驱动力，也加强了除湿的能力。例如，当空气压力超过0.3 MPa时，出风露点可以降至-10 ℃；而在0.5 MPa的压力下，露点甚至可以降至-15 ℃[8]。

在常压下，液体吸收除湿系统通常能实现的露点温度在0 ℃以上。为了达到更低的露点温度，可以借鉴冷冻除湿的方式，使用空压机增加空气的压力。

1.3" 膜除湿

膜除湿技术是一种利用特殊膜材料的物理性质来实现空气干燥的方法。这种技术主要依赖于水蒸气通过膜的速率远高于其他气体的特性。当湿空气接触到膜表面时，水蒸气能够穿过膜进入渗透侧，而其他气体则被阻挡，从而达到水蒸气与干燥空气的有效分离，实现低露点的干燥空气，如图4所示[9]。

在膜除湿技术中，膜材料的选择至关重要。常见的膜材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺等高分子材料。这些材料具有良好的水蒸气透过性和足够的机械强度，能够在长期运行中保持稳定的性能。

近年来，一些研究和应用已经实现了膜除湿技术的进一步发展。Wu等[10]采用双膜分离过程进行集成除湿，实现了出风露点达到-30 ℃的效果。AN-DREW公司的膜式干燥机通过对膜的进气侧气体加压，增加了水蒸气的分压力差，使水蒸气向膜侧渗透排出，出风露点可达-45 ℃。此外，Perma Pure Products公司开发了一种结合膜除湿和溶液除湿的气体前处理用膜式干燥装置，除湿后的空气露点可达-60 ℃，显示了膜除湿技术在极低露点控制方面的巨大潜力。

膜除湿技术相比于传统的冷冻除湿和溶液除湿，能够实现更低的露点，这对于需要极度干燥空气的应用领域，如医疗器械用气、压缩空气等，具有重要的应用价值。但高效膜材料的制备和成本较高，特别是对于特殊工业应用所需的高性能膜，与传统的冷冻或吸附除湿系统相比，膜除湿系统可能需要更复杂的设计和控制系统。

1.4" 转轮式吸附除湿

转轮吸附除湿技术，是一种高效的空气干燥方法。其核心是一个旋转的吸湿剂轮，通过物理吸附作用去除空气中的水分，如图5所示[11]。这项技术的工作原理是湿气被转轮上的吸湿剂吸附后，通过干燥空气的流过将水分带走。随后，加热或其他再生方法被用于释放吸附的水分，从而恢复吸湿剂的干燥状态以供再次使用。转轮吸附系统和空间密封是该技术的关键组成部分。

在转轮吸附系统方面，目前有多项研究对不同吸附材料的性能进行了评估。Al-Alili等[12]通过实验分析了采用新型沸石吸附材料的转轮除湿系统，研究了工艺气流条件、再生温度、质量流率和转轮转速对除湿性能的影响，发现在特定条件下除湿能力可达1.96±0.12 kg/h。贾春霞[13]开发的由硅胶和卤素盐（氯化锂）组成的新型复合干燥剂，其除湿性能高于常用吸附剂（如硅胶）的67%～145%。常温下各种转轮吸湿剂所能达到的低露点见表1。

空间密封性在转轮吸附除湿技术中至关重要，尤其对于露点控制。良好的密封性能可以有效防止水气进入和在系统中凝结。目前，这项技术已在食品业、电池能源行业、光学研究和材料研究等多个领域得到广泛应用，主要用于控制生产车间的低露点。例如，刘训春等[14]设计的“一种低露点干燥房”能在常温下实现相对湿度低至0.957％，露点温度达到-36 ℃的超净室环境。这证明了转轮式吸附除湿在控制露点方面的卓越效果。

2" 总结与展望

本文从冷冻除湿、溶液除湿、膜除湿和转轮除湿几个方面简要阐述了低露点控制技术部分研究进展和存在的问题，并对其未来可能发展方向提出以下展望。

1）冷冻除湿和溶液除湿方面，目前研究方向主要为提高冷冻除湿、溶液除湿的效率，降低能耗，优化系统设计和控制策略，为了更全面地考虑室内环境，未来可拓展探索冷冻除湿和溶液除湿的混合模式，通过充分发挥2种技术的优势，实现对温湿度的独立控制。

2）膜除湿方面，相较传统的冷冻除湿和溶液除湿存在能耗高、效率低、环境污染等问题，膜除湿技术可以克服这些缺点，实现低能耗、高效率、环保的低露点控制，效率主要取决于膜的性能和形态，未来有望开发新型的膜材料，提高膜的分离性能和稳定性，降低膜的成本和腐蚀性，优化膜的结构和表面性质，增加膜的透过率和选择性，减少膜的厚度和孔隙率，提高膜的传热传质效率。

3）转轮吸附除湿方面，目前对于吸湿剂和常温下的空间密封性进行了广泛的研究，但少有针对低温下空间密封性的研究，更少有针对低温下空间密封性与露点关系的研究，低温下密封材料会收缩变形，导致材料开裂，密封性能失效，与外界发生气体交换；同时密封材料本身含水，在低露点环境下由于水分浓度差驱动作用会散发水分，将导致空间露点上升。未来有望结合低温密封和吸湿性研究，从而获得低温下的低露点性能，满足航空等低温领域的要求。

参考文献：

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[14] 刘训春，姚健.低露点干燥房：CN204126303U[P].2015-01-28.