1主要低湿行业及露点温度要求

      湿度是衡量室内空气质量的一个重要指标，对人体舒适度、生产工艺、产品质量等都有着重要的意义[1]。随着工业的发展，环境湿度在工业中受到了高度的关注，尤其是在锂电池、制药、食品等行业中。这些行业对于湿度的要求较为严格，且多为低湿环境。不同低湿行业所需环境湿度的范围、精度不同，如何针对具体的低湿环境需求将合适的深度除湿技术与之进行匹配十分重要。在营造此环境时，常将工艺空气除湿至露点温度范围为-65～-20 ℃时称为深度除湿[2]。表1列出了目前常见的低湿行业对环境的温湿度要求。

表1  常见低湿环境需求行业的温湿度要求

      常见的除湿技术如冷冻（冷凝）除湿、液体吸收（溶液）除湿、固体吸附除湿及膜除湿等，可满足日常生产生活的常规湿度需求。但在营造低湿度环境时，需在加压、增加空气处理装置的数量、材料优化及多技术联合等方式的作用下，实现深度除湿[3]。2.1  冷冻除湿冷冻除湿是将空气冷却至露点温度以下，使大于饱和含湿量的水蒸气析出，从而实现空气除湿。湿空气中的水蒸气在水冷式表冷器（冷水温度为7 ℃）的作用下析出，空气出口的露点温度在13~17 ℃左右。若需进一步降低露点温度，则可采用直接蒸发式表冷器，露点温度可至7~8 ℃。防冻液的使用可将露点温度降至3.3 ℃，甚至0 ℃。二级制冷冷冻除湿也可以将露点温度降低至0 ℃。采用加压的方式可以将露点温度降至0 ℃以下。压缩空气压力为0.8 MPa、加压露点温度为0 ℃时，常压露点温度可达-23 ℃。冷冻除湿目前技术最为成熟，应用也最为广泛。在实现低露点温度送风时，常与其他技术结合，组成多技术联合除湿系统，如与固体吸附除湿结合用于压缩空气的除湿。

图1  带冷凝热回收的冷冻除湿系统简图

2.2  液体吸收除湿

      液体吸收除湿是指湿空气在除湿器中与液体除湿剂接触，因除湿剂溶液表面的水蒸气分压力低于湿空气中的水蒸气分压力，在压力梯度的作用下，湿空气中的水蒸气转移到溶液中，从而实现空气除湿[4]。常用的除湿剂有：氯化锂水溶液、氯化钙水溶液、溴化锂水溶液、二甘醇、三乙二醇等。空气的出风露点温度可维持在6.0~12.3 ℃[5]。若需进一步降低送风露点温度，则可利用较低温度的冷却媒介、多级溶液除湿及加压溶液除湿等方式。1）低温溶液除湿：液体除湿剂的除湿能力与温度相关，利用较低温度的冷却媒介可提高除湿驱动力，从而降低溶液除湿器的出风露点温度。2）多级溶液除湿：该方式可分为2种类型。一种是在不同的循环过程中，空气中的水分被液体干燥剂在多个除湿器中串联吸收；另一种是一股干燥剂溶液流进入多个除湿器，串联起来，吸收不同气流的水蒸气。3）加压溶液除湿：由于被压缩后的空气比常压下的空气具有更高的水蒸气分压力，因此空气与溶液表面水蒸气分压力的差值增大，除湿过程的传质驱动力增加，除湿能力增强，从而能够获得含湿量更低的空气。在加压溶液除湿的作用下，可达到-20 ℃的露点温度，常在压缩空气除湿领域中应用。

图2  液体吸收除湿/溶液除湿系统原理简图

表2  液体吸收除湿技术在低湿行业中的应用

2.3   固体吸附除湿

      固体吸附除湿是利用多孔固体除湿材料内外表面的吸附作用，吸收空气中的水蒸气，从而实现空气除湿，主要有吸附床除湿和转轮除湿2种。固体转轮除湿不受空气露点温度影响，可获得较低的露点温度。因效率高且除湿量大等特点，在低湿行业中受到了广泛的关注。常用的固体除湿剂包括硅胶、沸石、活性氧化铝、氧化钙、无水氯化钙、无水硫酸镁、活性炭等。当露点温度为-30~3.3 ℃时，多采用单级转轮进行除湿。当露点温度低于-30 ℃时，需采用多级转轮除湿系统，图3为常见的两级转轮除湿系统。

图3  典型两级转轮除湿系统原理图

      转轮除湿在低湿行业中的应用十分广泛，除湿范围广，除湿量大，可满足多种生产场合的除湿要求，在低温、低湿的送风需求场景中具有较大的优势。但与冷冻除湿与液体吸收除湿相比，固体转轮除湿的再生能耗较大，系统性能系数（COP）较低。与冷冻除湿联合可降低能耗。

表3  固体转轮除湿技术在低湿行业中的应用

2.4  膜除湿

      膜除湿是利用水蒸气透过膜的速率比氧气、氮气等气体高这一特性，使得湿空气在经过膜表面时，水蒸气能够透过膜进入渗透侧，而其他气体不能透过，实现空气除湿[13]。膜材料主要有乙基纤维素、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、磺化聚醚砜等高分子材料[14]。若需将空气露点温度进一步降低，则须与压缩机配合，形成加压膜除湿。

图4 膜除湿原理图

 图5 加压膜除湿原理图

2.5 多技术联合除湿及新型除湿技术

      不同除湿技术因除湿原理不同，其应用特点也不同。不同技术的联合可克服相关缺点，除湿过程更为灵活。常用的多技术联合除湿主要有：冷冻除湿与液体吸收除湿联合、冷冻除湿与固体吸附除湿联合、膜除湿与液体吸收除湿联合等。除上述基于常见的除湿技术开展的深入研究外，新型除湿技术也在不断涌现。如电解质膜除湿、电渗析除湿等，其实现深度除湿的可能性已经被证实，而在工程实际中的应用仍需进一步研究。

      不同行业的不同工艺对于湿度的需求不同，其适用的除湿技术也不同，所需的除湿范围不同。常见低湿行业的湿度需求及除湿技术的应用范围如图6所示。

图6  常见低湿行业的湿度需求及除湿技术的应用范围

作者简介

      杨英英，上海理工大学副教授，上海市东方学者（青年）。博士毕业于法国波尔多大学，博士后从事于法国国家科研中心力学与工程研究所，清华大学访问学者。主要从事相变储热、除湿材料及系统优化等相关研究工作，《制冷与空调》杂志青年编委，QIRT Journal 杂志编委。近五年主持国家级省部级项目7项，发表学术论文40余篇，获中国机械工业科学技术奖二等奖等奖项。

      E-mail：yingyingyang@usst.edu.cn

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