CN111013342B

CN111013342B - 一种用于真空环境的除湿装置及除湿方法

Info

Publication number: CN111013342B
Application number: CN202010001571.2A
Authority: CN
Inventors: 王俞凯; 张玉翔; 王天宝; 崔广志; 韩士玉; 李建冬
Original assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Current assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2040-01-02
Also published as: CN111013342A

Abstract

本申请公开了一种用于真空环境的除湿装置及除湿方法，属于除湿技术领域，解决了现有技术中除湿装置不能同时对液态水和水蒸汽进行有效吸附易导致干燥剂失效、易造成产品或设备损坏的问题。本申请的除湿装置包括干燥器壳体、液态水吸附组件和气态水吸附组件，液态水吸附组件和气态水吸附组件位于干燥器壳体中。除湿方法如下：水气分离器将液态水和湿空气分离，真空泵将湿空气抽出至干燥器壳体内；湿空气依次通过第一滤网、前级聚乙烯醇吸水材料、第一分子筛网、13X型分子筛、第二分子筛网、后级聚乙烯醇吸水材料、第二滤网，最后进入真空泵，完成除湿。本申请的除湿装置及除湿方法能用于真空环境的除湿。

Description

一种用于真空环境的除湿装置及除湿方法

技术领域

本申请涉及除湿技术领域，尤其涉及一种用于真空环境的除湿装置及除湿方法。

背景技术

随着现代工业快速发展，航空航天、军工产品和精密仪器、设备、半导体、电子器械等产品在使用和贮存过程中，对使用及贮存环境的干燥度有较高要求，因为环境中液态水或水蒸汽的存在，会导致关键零部件表面腐蚀、材料性能改变及电子元器件的电化学腐蚀等异常，从而影响产品使用性能、降低使用寿命。

真空环境下水蒸汽露点远低于常压环境，水蒸汽易发生结露相变为液态水。上述特性会对环境湿度控制带来以下两点不利影响：一是结露产生的液态水易导致干燥剂的失效；二是液态水遇干燥剂后会产生大量的热量，局部温度升高，易造成产品或设备损坏。能够对液态水和水蒸汽进行有效吸附，是真空环境下除湿的核心关键，具有十分重要的研究意义。

现有真空环境吸附除湿装置通常采用硅胶干燥剂、分子筛干燥剂或者黏土干燥剂；在真空环境下，水蒸汽易发生结露相变为液态水，硅胶干燥剂遇到液态水会发生炸裂，不仅吸湿功能丧失，还会造成安全隐患；分子筛干燥剂遇到液态水时会发生胀球现象，释放大量热量的同时会使分子筛丧失对水蒸汽的吸附能力；黏土干燥剂对使用环境温度要求较高，当环境温度超过50℃时，其吸湿效果低于50％。

发明内容

鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种用于真空环境的除湿装置及除湿方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有技术中除湿装置不能同时对液态水和水蒸汽进行有效吸附易导致干燥剂失效；(2)液态水遇干燥剂后会产生大量的热量，局部温度升高，易造成产品或设备损坏。

本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本申请提供了一种用于真空环境的除湿装置，包括干燥器壳体、液态水吸附组件和气态水吸附组件，液态水吸附组件和气态水吸附组件位于干燥器壳体中。

在一种可能的设计中，液态水吸附组件为聚乙烯醇吸水材料，气态水吸附组件为分子筛。

在一种可能的设计中，液态水吸附组件包括前级聚乙烯醇吸水材料和后级聚乙烯醇吸水材料，气态水吸附组件包括13X型分子筛，13X型分子筛设置于前级聚乙烯醇吸水材料和后级聚乙烯醇吸水材料之间。

在一种可能的设计中，前级聚乙烯醇吸水材料和后级聚乙烯醇吸水材料均与干燥器壳体内壁过盈配合。

在一种可能的设计中，前级聚乙烯醇吸水材料和13X型分子筛之间设有第一分子筛网，后级聚乙烯醇吸水材料和13X型分子筛之间设有第二分子筛网。

在一种可能的设计中，干燥器壳体的一端设有第一端盖，干燥器壳体的另一端设有第二端盖。

在一种可能的设计中，第一端盖和前级聚乙烯醇吸水材料之间设有第一滤网，第二端盖和后级聚乙烯醇吸水材料之间设有第二滤网。

在一种可能的设计中，干燥器壳体内部腔体的长度与腔体的直径比为4.5～5.5。

另一方面，本申请提供了一种用于真空环境的除湿方法，除湿方法包括如下步骤：

步骤1：水气分离器将液态水和湿空气分离，真空泵将湿空气从水气分离器内抽出至干燥器壳体内，同时对水气分离器和干燥器壳体内建立真空环境；

步骤2：所述湿空气通过第一滤网过滤掉杂质，然后依次经过前级聚乙烯醇吸水材料、第一分子筛网、13X型分子筛、第二分子筛网、后级聚乙烯醇吸水材料、第二滤网，最后进入真空泵，完成除湿。

在一种可能的设计中，步骤2中，真空泵给干燥器壳体内部提供的体积流量为20～30L/min。

与现有技术相比，本申请至少可实现如下有益效果之一：

a)本申请提供的用于真空环境的除湿装置通过同时设置液态水吸附组件和气态水吸附组件能有效吸附湿空气中的液态水和气态水，防止湿空气进入关键零部件(例如真空泵)造成关键零部件的损坏。

b)本申请的除湿装置通过依次设置前级聚乙烯醇吸水材料、13X型分子筛和后级聚乙烯醇吸水材料，前级聚乙烯醇吸水材料能够将湿空气中的液态水吸附，防止液态水进入13X型分子筛造成其失效；同时后级聚乙烯醇吸水材料也能够将从出气口进来的液态水进行吸附，防止液态水进入13X型分子筛造成其失效，两级聚乙烯醇吸水材料的特定设置，大大降低了13X型分子筛的失效几率，有效提高了除湿装置的使用寿命；对同种湿空气进行除湿，安装13X型分子筛的除湿装置的使用寿命为20～30h，安装聚乙烯醇吸水材料的除湿装置的使用寿命为80～100h，本申请的除湿装置的使用寿命为350～500h。

c)本申请的除湿装置为对称结构，使用时进气口和出气口的位置能够互换，且不影响使用效果，适用性广。

d)本申请的除湿装置通过设置第一滤网和第二滤网能够及时过滤杂质，防止杂质进入聚乙烯醇吸水材料或13X型分子筛，影响吸附效果；通过设置第一分子筛网和第二分子筛网，防止颗粒进入聚乙烯醇吸水材料，影响其对液态水的吸附效果。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请提供的用于真空环境的除湿装置的结构示意图；

图2为本申请提供的用于真空环境的除湿装置的应用场景示意图；

图3为本申请提供的用于真空环境的除湿装置的分解图。

附图标记：

1-水气分离器；2-第一软管；3-干燥器壳体；4-第二软管；5-真空泵；6-第一端盖；7-第一滤网；8-第一密封圈；9-前级聚乙烯醇吸水材料；10-第一分子筛网；11-13X型分子筛；12-第二分子筛网；13-后级聚乙烯醇吸水材料；14-第二端盖；15-第二密封圈；16-第二滤网。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理。

航天领域中，空间站的真空环境下水蒸汽露点远低于常压环境，水蒸汽易发生结露相变为液态水。上述特性会对环境湿度控制带来以下两点不利影响：一是结露产生的液态水易导致干燥剂的失效；二是液态水遇干燥剂后会产生大量的热量，局部温度升高，易造成产品或设备损坏。能够对液态水和水蒸汽进行有效吸附，是真空环境下除湿的核心关键，申请人经过深入研究提供了一种综合利用液态水吸附组件和气态水吸附组件的除湿装置，除湿效果好，使用寿命长，有效解决了真空环境的除湿问题。

实施例1

本实施例提供了一种用于真空环境的除湿装置，参见图1至图3，包括干燥器壳体3、液态水吸附组件和气态水吸附组件，液态水吸附组件和气态水吸附组件位于干燥器壳体3中。

与现有技术相比，本申请提供的用于真空环境的除湿装置通过同时设置液态水吸附组件和气态水吸附组件能有效吸附湿空气中的液态水和气态水，防止湿空气进入关键零部件(例如真空泵)造成关键零部件的损坏。

此外，干燥器壳体3的两端均设有端盖，为了便于描述，将两侧的端盖分别称为第一端盖6和第二端盖14，第一端盖6上设有进气口，第二端盖14上设有出气口；进气口通过第一软管2与水气分离器1连接，出气口通过第二软管4与真空泵5连接(如图2的除湿装置的应用场景示意图所示)；系统工作时水气分离器1将液态水和湿空气分离，真空泵5将湿空气从水气分离器1内抽出同时对水气分离器1建立真空环境(绝对压力为1kPa，环境压力为101kPa，环境温度为25℃)，除湿装置对湿空气进行干燥，避免液态水和气态水进入真空泵5内部造成真空泵5损坏。

具体的，液态水吸附组件为聚乙烯醇吸水材料，气态水吸附组件为分子筛，优选的，气态水吸附组件为13X型分子筛11；这是因为聚乙烯醇吸水材料对液态水具有很好的吸附效果，但其对气态水几乎没有吸附效果；13X型分子筛11对环境中的气态水具有极强的吸附效果，但其在遇到液态水时会发生胀球现象，释放大量热量的同时会使13X型分子筛11丧失对气态水的吸附能力。

充分考虑到13X型分子筛11在遇到液态水时会发生胀球现象，且会丧失对气态水的吸附能力，因此，液态水吸附组件包括前级聚乙烯醇吸水材料9和后级聚乙烯醇吸水材料13，气态水吸附组件包括13X型分子筛11，13X型分子筛11设置于前级聚乙烯醇吸水材料9和后级聚乙烯醇吸水材料13之间，如此设置，前级聚乙烯醇吸水材料9能够及时将从进气口进来的液态水进行吸附，后级聚乙烯醇吸水材料13能够及时将从出气口进来的液态水进行吸附，防止液态水进入13X型分子筛11造成其失效。

考虑到聚乙烯醇吸水材料与干燥器壳体3内壁存在间隙的话会导致部分湿空气未经过吸附进入13X型分子筛11造成其失效，因此，控制前级聚乙烯醇吸水材料9和后级聚乙烯醇吸水材料13均与干燥器壳体3内壁过盈配合。

考虑到13X型分子筛11是颗粒状的，由于空气流动过程会导致部分颗粒会运动，为了防止颗粒进入前级聚乙烯醇吸水材料9或后级聚乙烯醇吸水材料13，影响其对液态水的吸附效果，前级聚乙烯醇吸水材料9和13X型分子筛11之间设有第一分子筛网10，后级聚乙烯醇吸水材料13和13X型分子筛11之间设有第二分子筛网12。

为了防止第一软管2和第二软管4中的杂质进入到除湿装置中，造成除湿装置的损坏，第一端盖6和前级聚乙烯醇吸水材料9之间设有第一滤网7，第二端盖14和后级聚乙烯醇吸水材料13之间设有第二滤网16。

此外，为了提高除湿装置的密闭性，保证真空环境，除湿装置还包括第一密封圈8和第二密封圈15，第一端盖6上设有第一密封圈沟槽，第二端盖14上设有第二密封圈沟槽，第一密封圈8置于第一密封圈沟槽内，第二密封圈15置于第二密封圈沟槽内，第一端盖6和第二端盖14分别与干燥器壳体3通过螺纹连接，第一端盖6和第二端盖14分别通过第一密封圈8和第二密封圈15与干燥器壳体3实现端面密封。

为了能够保证湿空气的有效干燥，同时尽量降低成本，13X型分子筛11、前级聚乙烯醇吸水材料9、后级聚乙烯醇吸水材料13的重量比为15：1：1，这样的话能够实现在25℃、1kPa的真空环境条件下将湿空气有效干燥，保证干燥后的气体的相对湿度达到5％以内。

需要说明的是，由于空间站的空间有限，如果干燥器壳体3内部腔体的长径比过大，干燥效果提升不明显且会提升成本，占用较大空间，如果干燥器壳体3内部腔体的长径比(腔体的长度和腔体的直径的比值)过小，会导致湿空气进入干燥器壳体3内部还来不及干燥充分就流进入真空泵5内部造成真空泵5损坏；因此，控制干燥器壳体3内部腔体的长径比为4.5～5.5，示例性的，长径比为5，这样的话，能够保证在体积流量为20L/min的条件下，干燥器壳体3内部流阻小于0.5kPa，有助于湿空气在干燥器壳体3内部流动，实现充分吸附。

具体的，该除湿装置的装配步骤如下：将第二滤网16贴合于第二端盖14内表面，将第二密封圈15置于第二密封圈沟槽内，将干燥器壳体3与第二端盖14螺纹连接，通过第二密封圈15实现端面密封；按顺序先后将后级聚乙烯醇吸水材料13、第二分子筛网12、13X型分子筛11、第一分子筛网10、前级聚乙烯醇吸水材料9装入干燥器壳体3内；最后将第一滤网7贴合于第一端盖6内表面，将第一密封圈8置于第一密封圈沟槽内，将干燥器壳体3与第一端盖6螺纹连接，通过第一密封圈8实现端面密封。

具体的，考虑到13X型分子筛11的粒径过大会导致13X型分子筛11不能完全充分使用，造成浪费，粒径过小会导致13X型分子筛11失效速度变快，降低使用寿命，因此，控制13X型分子筛11的密度为0.62g/cm³～0.72g/cm³，粒径分布为0.2cm～0.3cm，静态水吸附率≥25wt％。

进一步的，聚乙烯醇吸水材料是以聚乙烯醇、甲醛、硫酸为主要原材料制备而成的高分子化合物，聚乙烯醇吸水材料密度为0.09g/cm³～0.16g/cm³，对液态水具有很好的吸附效果，吸水率为1600％～1650％。

进一步的，聚乙烯醇吸水材料的制备方法包括如下步骤：

步骤1、将636～684g的聚乙烯醇装入设有桨叶式搅拌器和冷凝器的第一容器中，然后将4300g去离子水加入第一容器，将第一容器加热至90℃～100℃并保温，同时启动搅拌器搅拌实现聚乙烯醇的溶解，1.5h～3h后，停止加热，并继续搅拌、冷却至室温，得到聚乙烯醇溶液；

步骤2、将2120g水加入第二容器中，启动搅拌器和冷凝器，然后用滴液漏斗将1174g甲醛缓慢滴加至水中，滴加完毕后继续搅拌、冷却至室温，得到甲醛溶液；

步骤3、将步骤1得到的聚乙烯醇溶液重新加热至90℃～100℃并搅拌1h后，倒入有搅拌器和冷水浴的反应器中，启动搅拌器搅拌并加入步骤2中得到的甲醛溶液，同时加入十二烷基苯磺酸钠、四氢呋喃和淀粉，继续搅拌，溶液逐渐由无色透明变为乳白色，得到液体泡沫；

步骤4、将步骤3得到的液体泡沫倒入模具，在20℃下进行固化定型18～24h，得到固态泡沫体；

步骤5、依次用丙酮和乙醇清洗固态泡沫体；然后用水洗涤、甩干，重复用水洗涤、甩干20次后在室温下风干2天至表面硬结后，放入60～62℃的烘箱中干燥至恒重得到聚乙烯醇吸水材料。

本申请的除湿装置通过依次设置前级聚乙烯醇吸水材料9、13X型分子筛11和后级聚乙烯醇吸水材料13，前级聚乙烯醇吸水材料9能够将湿空气中的液态水吸附，防止液态水进入13X型分子筛11造成其失效；同时后级聚乙烯醇吸水材料13也能够将从出气口进来的液态水进行吸附，防止液态水进入13X型分子筛11造成其失效，两级聚乙烯醇吸水材料的综合设置，大大降低了13X型分子筛11的失效几率，有效提高了除湿装置的使用寿命(例如，对同种湿空气进行除湿，安装13X型分子筛11的除湿装置的使用寿命为20～30h，安装聚乙烯醇吸水材料的除湿装置的使用寿命为80～100h，本申请的除湿装置的使用寿命为350～500h)。

本申请的除湿装置为对称结构，使用时进气口和出气口的位置能够互换，且不影响使用效果，适用性广。

本申请的除湿装置通过设置第一滤网7和第二滤网16能够及时过滤杂质，防止杂质进入聚乙烯醇吸水材料或13X型分子筛11，影响吸附效果；通过设置第一分子筛网10和第二分子筛网12，防止颗粒进入聚乙烯醇吸水材料，影响其对液态水的吸附效果。

实施例2

本实施例提供了一种用于真空环境的除湿方法，采用上述实施例1的除湿装置，除湿方法包括如下步骤：

步骤1：水气分离器1将液态水和湿空气分离，真空泵5将湿空气从水气分离器1内抽出至干燥器壳体3内同时对水气分离器1和干燥器壳体3内建立真空环境(绝对压力为1kPa，环境压力为101kPa，环境温度为25℃)；

步骤2：湿空气通过第一滤网7过滤掉杂质，然后依次经过前级聚乙烯醇吸水材料9、第一分子筛网10、13X型分子筛11、第二分子筛网12、后级聚乙烯醇吸水材料13、第二滤网16，最后进入真空泵5，完成除湿。

具体的，步骤2中，真空泵5给干燥器壳体3内部提供的体积流量为20～30L/min，能保证干燥器壳体3内部流阻小于0.5kPa，保证湿空气在干燥器壳体3内部的充分流动，实现充分吸附，控制除湿后的湿空气的相对湿度达到5％以内，远远低于现有除湿后的相对湿度(现有的除湿方法除湿后相对湿度为14％～18％)。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于真空环境的除湿装置，其特征在于，包括干燥器壳体（3）、液态水吸附组件和气态水吸附组件，所述液态水吸附组件和气态水吸附组件位于干燥器壳体（3）中；所述液态水吸附组件为聚乙烯醇吸水材料，所述气态水吸附组件为分子筛；所述液态水吸附组件包括前级聚乙烯醇吸水材料（9）和后级聚乙烯醇吸水材料（13），所述气态水吸附组件包括13X型分子筛（11），所述13X型分子筛（11）设置于前级聚乙烯醇吸水材料（9）和后级聚乙烯醇吸水材料（13）之间。

2.根据权利要求1所述的用于真空环境的除湿装置，其特征在于，所述前级聚乙烯醇吸水材料（9）和后级聚乙烯醇吸水材料（13）均与干燥器壳体（3）内壁过盈配合。

3.根据权利要求2所述的用于真空环境的除湿装置，其特征在于，所述前级聚乙烯醇吸水材料（9）和13X型分子筛（11）之间设有第一分子筛网（10），后级聚乙烯醇吸水材料（13）和13X型分子筛（11）之间设有第二分子筛网（12）。

4.根据权利要求3所述的用于真空环境的除湿装置，其特征在于，所述干燥器壳体（3）的一端设有第一端盖（6），所述干燥器壳体（3）的另一端设有第二端盖（14）。

5.根据权利要求4所述的用于真空环境的除湿装置，其特征在于，所述第一端盖（6）和前级聚乙烯醇吸水材料（9）之间设有第一滤网（7），所述第二端盖（14）和后级聚乙烯醇吸水材料（13）之间设有第二滤网（16）。

6.根据权利要求5所述的用于真空环境的除湿装置，其特征在于，所述干燥器壳体（3）内部腔体的长度与腔体的直径比为4.5~5.5。

7.一种用于真空环境的除湿方法，其特征在于，采用如权利要求5或6所述的用于真空环境的除湿装置，所述除湿方法包括如下步骤：

步骤2：所述湿空气通过第一滤网过滤掉杂质，然后依次经过前级聚乙烯醇吸水材料、第一分子筛网、13X型分子筛、第二分子筛网、后级聚乙烯醇吸水材料和第二滤网，最后进入真空泵，完成除湿。

8.根据权利要求7所述的用于真空环境的除湿方法，其特征在于，所述步骤2中，真空泵给干燥器壳体内部提供的体积流量为20~30L/min。