膜式液體除濕組件研究綜述

李錦航， 張光玉

（浙江理工大學建筑工程學院，杭州 310018）

0 引言

濕度是空氣調(diào)節(jié)中的重要參數(shù)，不適宜的室內(nèi)濕度不但會影響室內(nèi)人員舒適性，還會影響工業(yè)生產(chǎn)的安全和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，控濕對提升人們的生活質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)安全與品質(zhì)都有著重要的意義。

在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，相比加濕過程而言，除濕較為復雜。目前常用的除濕技術主要包括冷卻法除濕、固體吸附劑除濕、液體吸收劑除濕、膜法除濕等［1］。其中，液體吸收劑除濕因擁有除濕效率高，可利用如太陽能等低品位熱源再生，且再生后的濃溶液可用于蓄能等優(yōu)點被廣泛研究。但是常規(guī)的液體除濕過程中，空氣與溶液直接接觸，溶液液滴很容易隨空氣進入室內(nèi)，產(chǎn)生各種不良影響，因而受到限制。為了解決溶液除濕產(chǎn)生的飛沫問題，研究人員提出了采用防水透氣膜將溶液與空氣隔離的方案［2，3］。薄膜為多孔介質(zhì)，空氣中的水蒸氣可以通過膜孔道進入到膜內(nèi)被溶液吸收，而溶液由于薄膜疏水性并不能透過膜孔。

文中首先介紹了現(xiàn)有研究中膜式液體除濕系統(tǒng)常用的溶液，將其分成單一溶液和混合溶液兩大類；其次詳細介紹除濕膜組件的研究進展，將膜組件從結(jié)構上分為平板式和中空纖維膜式，主要從理論建模和試驗研究兩方面介紹了室外配置與室內(nèi)配置兩種情況；最后對膜式液體除濕組件未來發(fā)展方向進行了展望。

1 除濕溶液

除濕溶液是決定膜式液體除濕組件除濕性能的關鍵。一種理想的除濕溶液應該具有以下特性：吸濕能力強、再生溫度低、低粘度、高傳熱、無揮發(fā)性、無腐蝕性、無臭、無毒、不易燃，并且價格低廉［4］。然而，目前為止暫未發(fā)現(xiàn)一種除濕溶液能滿足以上全部要求。在現(xiàn)有研究中，除濕系統(tǒng)所用的除濕溶液主要可分為單一溶液和混合溶液兩大類。

1.1 單一溶液

單一溶液主要為有機溶液和無機溶液兩類。其中有機溶液使用最多的是三甘醇。Lof［5］最早提出用三甘醇作為除濕劑，但是三甘醇粘度高，會由于液體的滯留導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)，且三甘醇等有機物易揮發(fā)，會進入房間對人健康產(chǎn)生危害，因此其應用存在限制，目前基本被具有吸濕性的無機鹽溶液所替代。

無機鹽溶液不但吸濕性高、成本較低，而且具有殺菌消毒的效果，故成為液體除濕劑的首選。在除濕系統(tǒng)中常用的無機鹽溶液主要為LiBr、LiCl、CaCl2。Lazzarin等［6］研究了 LiBr溶液和CaCl2溶液隨溶液進口溫度、溶液濃度及溶液流量變化下的性能，研究發(fā)現(xiàn)在條件參數(shù)相同的情況下LiBr溶液與濕空氣的傳質(zhì)性能遠高于CaCl2溶液。劉曉華等［7］等以相同溶液溫度與相同表面蒸汽壓為基準分析比較了LiBr溶液和LiCl溶液與濕空氣之間的傳質(zhì)性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同條件下，兩者體積流量大致相同，傳質(zhì)性能相差不大，但LiCl溶液質(zhì)量分數(shù)遠低于LiBr溶液。比較上述3種除濕鹽溶液可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，LiCl溶液除濕性能最強，LiBr溶液次之，CaCl2溶液最弱。

除濕溶液的選擇除了需要考慮本身的除濕性能之外，還需要考慮其腐蝕性的強弱。LiBr、LiCl、CaCl2皆屬于非氧化性鹵素鹽，對碳鋼和銅材料的管道均有一定的腐蝕性。而且，碳鋼和銅的腐蝕速度與溶液的pH有著直接的關系。如圖1所示，金屬在酸性的環(huán)境下腐蝕速度較快，當pH＜4時，腐蝕速度急劇升高。且提高溶液溫度也會加快腐蝕的速度。在相同摩爾濃度下，3種無機鹽溶液pH值由小到大順序為：LiBr＞LiCl＞CaCl2［8］。其中 CaCl2溶液為酸性鹽，對金屬腐蝕性最大。LiBr與LiCl溶液腐蝕性相差不大，但LiBr溶液再生溫度高于LiCl，因此LiCl溶液對金屬腐蝕性最小。由于鹵素鹽對金屬具有腐蝕性，對管道設備提出了新的要求。目前最常用的方法是采用塑料材料來進行運輸，如聚丙烯、聚氯乙烯等，并且其成本也比較低；或者對金屬表面采取防腐處理，但其對工藝要求較高，且會增加成本。

圖1 碳鋼的腐蝕速度與溶液pH的關系

從以上分析可知，LiCl作為除濕溶液最為合適，但從經(jīng)濟性方面來說，其價格最為昂貴，使用成本高。LiBr以其高濃度擁有與LiCl溶液相近的傳質(zhì)能力，但再生溫度較LiCl溶液更高，且價格同樣高昂。CaCl2溶液除濕能力相對較弱，且粘度較大，會增大系統(tǒng)能耗，容易在管道內(nèi)殘留，但因其價格低廉也被廣泛應用。因此上述3種除濕鹽溶液沒有哪一種具有絕對的優(yōu)勢，需根據(jù)除濕系統(tǒng)具體情況來綜合考慮。

1.2 混合溶液

由于單一除濕溶液皆存在各自的缺點，不少學者對混合除濕溶液的有效性進行了試驗與數(shù)值的研究，這些研究表明，混合除濕溶液可以獲得更低的能耗，更好的除濕效率以及更低的材料成本。

沈子婧等［11］對不同配比LiCl和CaCl2混合鹽溶液在不同溫度下的黏度及表面張力進行試驗研究，研究結(jié)果表明，在LiCl與CaCl2質(zhì)量比1：1情況下，混合溶液的黏度與表面張力皆最低。蔣小強等［12］搭建了除濕系統(tǒng)試驗臺，以除濕能力和綜合費用為指標，探究不同配比下LiBr和CaCl2混合溶液性能情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LiBr和CaCl2比例為3：1時，除濕系統(tǒng)性價比最高。然而，對混合溶液物性測量及除濕特性研究仍然較少，缺乏全面精確的擬合公式。Zhao等［13］提出了一種基于NRTL（非隨機雙液體）方程的混合除濕溶液蒸汽壓預測方法，具有較高的精度，誤差在5%以內(nèi)。其余物性參數(shù)，如比熱容、密度等，目前通常采用簡單混合法進行估算，理論計算值實際測量值誤差在15%以內(nèi)，但已能滿足絕大多數(shù)工程應用的需求。

2 膜式液體除濕組件

目前，膜式液體除濕組件主要應用于兩種不同的配置。第一種將組件配置于室外，作為新風獨立除濕組件，在新風送入室內(nèi)之前對其進行除濕；第二種配置方式是將膜式液體除濕組件放置在室內(nèi)空間中，直接從室內(nèi)空氣中吸收水蒸汽。兩種配置都具有良好的性能。

2.1 室外配置

2.1.1 平板式膜組件

在室外配置的情況中，除濕組件可做成平板式或中空纖維式。平板式膜組件是最早的膜組件類型，圖2是典型的叉流平板膜組件［14］，由多層平行的平板式半透膜堆疊而成，膜與膜之間構成矩形通道，空氣和除濕溶液彼此在相鄰通道內(nèi)以叉流的方式交替流過，叉流的流動型態(tài)更容易實現(xiàn)空氣與溶液的分離與密封。空氣與溶液通過半透膜實現(xiàn)的熱質(zhì)交換，以達到除濕降溫的目的。

圖2 典型叉流平板膜組件

現(xiàn)有的平板式膜液體除濕的研究工作主要從理論建模和試驗測試兩方面展開。理論建模能夠讓研究者抓住問題的本質(zhì)，更深刻的理解物理機理，節(jié)省相關試驗操作的時間和經(jīng)濟成本。試驗測試現(xiàn)象直觀、數(shù)據(jù)可靠。兩者相輔相成。Isttti等［15］建立了蒸氣通過疏水膜質(zhì)量通量理論模型，結(jié)果表明蒸氣通量取決于溶液濃度、空氣水蒸氣分壓、液側(cè)/氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)、膜特性、液側(cè)溫度和跨膜的溫度梯度。該模型與試驗相對吻合良好，誤差在12%以內(nèi)。Lin等［16］以叉流平板膜式液體除濕組件為例，以LiCl溶液作為除濕溶液，通過試驗研究空氣與溶液在不同進口溫度、濕度、速度下的除濕效果。還分別建立了空氣側(cè)、溶液側(cè)和膜側(cè)的連續(xù)性、動量、能量和物質(zhì)平衡方程，將量綱模型轉(zhuǎn)化為無量綱形式，采用有限元法對每個單元的偏微分控制方程進行離散，同時求解目標變量的控制方程，模型模擬值與試驗值最大誤差可控制在4%以內(nèi)。但是，他們只考慮了空氣與溶液通道高度相同且縱橫比b/a=1的單一情況，并未考慮流體流動的入口效應，這會低估膜組件的傳熱傳質(zhì)性能。Huang等［17］同樣采用叉流平板膜，假設空氣與溶液流動是水力充分發(fā)展，考慮了熱質(zhì)邊界層入口效應，建立熱質(zhì)傳遞方程，研究了縱橫比由1至無窮大下空氣與溶液的努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)，并進行了試驗驗證。模型與試驗誤差最大為6%，吻合良好。

2.2 神經(jīng)生化代謝的改變 周艷平等［8］研究表明，糖尿病大鼠存在工作記憶障礙，其主要特點是記憶處理速度減慢。體內(nèi)神經(jīng)示蹤結(jié)果表明糖尿病大鼠的海馬、感覺皮層和內(nèi)嗅皮層均存在明顯的軸突和樹突病變，其特征為軸突腫脹、膨大和樹突病變。相關分析表明，空腹血糖水平以及認知功能的高低與軸突和樹枝狀病變均呈正相關。

Jeo等［18］提出其他平板膜式液體除濕組件僅在單一流動構型下進行測試，故建立了三維集成理論模型來預測平板膜式液體除濕組件在不同流動構型（順流、逆流、叉流）和不同空氣與溶液通道高度下的性能特征，建立了基于動量、能量和質(zhì)量平衡的常微分方程組，采用有限體積法離散，并結(jié)合熱質(zhì)邊界條件進行求解，模型與試驗結(jié)果符合較好，最大誤差為7%。研究發(fā)現(xiàn)逆流流動型態(tài)的傳熱傳質(zhì)效率最高，其次是叉流，順流除濕效率最低。然而，叉流的流動型態(tài)對實現(xiàn)空氣與溶液的分離與密封更為有利。黃斯珉等［19］提出了逆流和叉流組合（準逆流）的流動方式，采用六邊形平板膜對空氣進行除濕，可以同時兼顧組件除濕性能和流道密封。室外配置時平板膜不同建模方法比較見表1。

表1 室外配置時平板膜不同建模方法比較

2.1.2 中空纖維膜組件

雖然平行板式膜組件制備簡單，流通截面大，但是在除濕溶液的重力壓迫下平板式膜容易發(fā)生變形，影響組件的除濕性能和使用周期。中空纖維膜液體除濕是對平板式膜液體除濕的改進，與平行板式膜組件相比，中空纖維膜組件具有較高的填充密度（0.144m3交換器中可以包含約6000根中空纖維膜［20］）和較大的傳熱傳質(zhì)能力。圖3（a）和圖3（b）分別展示了逆流型和叉流型兩種中空纖維膜組件［21］，其類似于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，空氣在纖維外流動，溶液在纖維內(nèi)流動。

圖3 中空纖維膜組件類型

中空纖維膜組件的結(jié)構與設計對提高膜傳熱傳質(zhì)性能有相當大的幫助。中空纖維膜在組件內(nèi)的分布主要分為隨機分布、三角形分布和四邊形分布。由于膜絲較細，且數(shù)量眾多，膜絲在組件內(nèi)通常為隨機分布，為考慮分布不均勻?qū)鳠醾髻|(zhì)的影響，研究者提出泰森多邊形法、分形理論、周期單元法等方法模擬膜絲在組件內(nèi)的分布情況。

然而，規(guī)則填充模塊的流動和傳熱綜合能力大于隨機填充模塊，人們開始研究不同排列方式的規(guī)則填充對組件性能的影響。張寧等［22］研究中空纖維膜在三角形和四邊形排列時，不同纖維管束和填充率對濕阻、空氣側(cè)及溶液側(cè)阻力的變化。研究表明雖然四邊形排列對于流體阻力減少有幫助，但濕阻較三角形排列大，以除濕效果為主要目標時三角形排列優(yōu)先考慮。在膜管形狀方面，有別于傳統(tǒng)的圓形膜管，Huang［23］提出了一種橢圓形的中空纖維膜管，研究發(fā)現(xiàn)較圓管而言，橢圓形管傳熱傳質(zhì)強度有所加強。

在理論建模方面，Zhang［24］描述了控制熱量和水分從空氣到液體通過膜傳遞的方程，基于e-NTU方法給出了無量綱微分方程的解析解。由于需要溶液平均溫度與濃度，需要首先預測溶液出口溫度與濃度，在一定程度上增加了計算量，但溶液濃度在除濕過程中變化很小，可忽略不計，只需預測溶液出口溫度。雖然是較為簡單的一維模型，但這種基于代數(shù)關聯(lián)的解析解可以準確、方便地估計組件除濕效果，模型與試驗的誤差為12%，吻合較好。雖然e-NTU法更高效、省時，但精度相對較低。有限差分法以其高精度得到廣泛應用。趙媛媛等［25］采用叉流中空纖維膜組件，在假設溶液與空氣流量不變的情況下，建立空氣與溶液流動熱質(zhì)傳遞微分方程，采用有限差分法進行離散，并對離散節(jié)點數(shù)量進行獨立性驗證，較為精準預測出了空氣出口溫度與相對濕度，模型與試驗誤差小于8%。然而，對于有限差分法而言，熱質(zhì)傳遞系數(shù)是由努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)等基礎數(shù)據(jù)的相關關系導出的，這些數(shù)據(jù)是在均勻溫度（熱流）或濃度（質(zhì)量流）邊界條件下獲得的，無法準確反映膜模塊的真實傳熱傳質(zhì)特性。這是因為膜表面的邊界條件既不是均勻溫度（熱流）也不是均勻濃度（質(zhì)量流），而是空氣和溶液流動耦合自然形成的。為解決這一問題，Zhang等采用共軛傳熱傳質(zhì)法對叉流中空纖維膜組件進行研究，利用自由表面模型建立計算單元，將整個組件的填充率簡化為每根膜管的填充率。提出了自由單元動量、熱量和質(zhì)量的控制方程，并結(jié)合耦合傳熱邊界條件進行了數(shù)值求解。得到并分析了自然邊界條件下的努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)。模型與試驗的誤差可控制在5%以內(nèi)。室外配置時中空纖維膜不同建模方法比較見表2。

表2 室外配置時中空纖維膜不同建模方法比較

在試驗研究方面，Bergero等［26］利用叉流的聚丙烯中空纖維膜組件對空氣除濕進行試驗研究，以LiCl溶液作為除濕劑，分析了空氣流量與溶液流量對膜組件效率的影響。試驗表明膜組件的效率會隨空氣流速增加而降低，與液體流速基本無關。殷少有等［27］采用叉流中空纖維膜組件，以LiCl溶液作為除濕劑，試驗研究了不同空氣流量、溶液流量、溫度與壓力對除濕組件熱質(zhì)傳遞的影響。研究發(fā)現(xiàn)在高溫或高濕的情況下，中空纖維膜組件不僅除濕量高，而且具有較強的空氣制冷能力。

2.2 室內(nèi)配置

在室內(nèi)配置的情況中，除濕組件同樣可以做成平板式或中空纖維膜式，但與室外配置的結(jié)構有所不同。

室內(nèi)平板式除濕膜組件通常被稱為熱濕傳遞板，其結(jié)構類似于現(xiàn)有的輻射板，但同時包含了熱量與水分的傳遞，有效解決了輻射板表面易結(jié)露的問題。圖4為熱濕傳遞板示意圖［28］，其表面為疏水多孔膜，可以被水蒸氣滲透，但不能透過液體。薄膜使用環(huán)氧樹脂沿其周邊連接到有機玻璃的框架上。擋板將框架分成通道，其主要原因：①引導溶液覆蓋整個膜表面以充分吸收水蒸氣；②加強膜的穩(wěn)定性，防止其下垂。

圖4 熱濕傳遞板示意圖

膜液體除濕組件配置在室內(nèi)的情況研究較少，但其也擁有良好的性能。Hout等將熱濕傳遞頂板與置換通風相結(jié)合，將空間劃分為3個區(qū)域：供冷新風區(qū)，上循環(huán)區(qū)和與天花板相鄰的邊界層區(qū)域，建立了溶液側(cè)和空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)方程，并將邊界層模型與下兩區(qū)空間模型相結(jié)合，利用有限體積法將耦合的質(zhì)量和能量方程離散為代數(shù)方程進行求解，預測了在不同空氣流量和溫度以及液體干燥劑的濃度、流量和入口溫度條件下，室內(nèi)熱舒適性和空氣質(zhì)量情況以及吊頂結(jié)露的情況。

通過試驗驗證了該模型的有效性，溫度和濕度測量值的相對誤差可低至4%。研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)冷輻射板，熱濕輻射板允許更低的溶液溫度通過，擁有更好的舒適性與供冷性能。

上述熱濕輻射頂板不直接影響供冷新風區(qū)的濕度水平，它的作用僅限于通過吸收靠近膜的水蒸氣來防止冷凝。然而，配置在室內(nèi)的膜液體除濕組件也具有良好的除濕能力。Vashistha［29］為探究熱濕傳遞板應用在房間內(nèi)的除濕性能，利用Fluent軟件開發(fā)了一個計算流體力學（CFD）模型，用于三維室內(nèi)流體流動、傳熱和傳質(zhì)的數(shù)值模擬。水蒸氣通過薄膜的運輸被認為只是通過擴散。湍流模型采用標準k-epsilon模型。比較了房間內(nèi)熱濕傳遞板有和沒有的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在熱濕傳遞板存在的情況下，室內(nèi)濕度由60%下降到了50%。不僅是平板式除濕膜組件，中空纖維膜式除濕組件也具有良好的性能。

Keniar等［30］研究了中空纖維膜式除濕組件在室內(nèi)除濕的應用效果，建立了一維能量、質(zhì)量與物質(zhì)守恒方程，采用有限差分法求解了穩(wěn)態(tài)條件下室內(nèi)膜管溫度和濃度的變化，并通過試驗測試驗證了模型的可靠性，與空氣含濕量誤差不大于6.5%。將除濕組件應用于夏季一間典型的地中海氣候辦公室豎直壁面，結(jié)果表明，安裝膜系統(tǒng)后，室內(nèi)相對濕度降低了10%，滿足了人體熱舒適要求。

膜液體除濕組件不僅具有良好的性能，其適應性也非常廣泛。Eldeeb等［31］利用TRNSYS仿真程序?qū)釢駛鬟f板的適用性進行了測試，選取了4個具有不同氣候條件的北美城市（分別代表冷與干燥、冷與潮濕、熱與干燥和熱與潮濕氣候）作為典型工況，并模擬了這4個典型工況下熱濕傳遞板的性能。研究結(jié)果表明，熱濕傳遞板具有良好的控制室內(nèi)空間濕度的能力，能夠?qū)⑺谐鞘械目臻g相對濕度控制或接近在30%～70%RH的要求范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

膜式液體除濕技術是解決傳統(tǒng)氣液直接接觸除濕器中氣液夾帶問題的有效方法。文中綜述了現(xiàn)有研究中常用的除濕溶液和膜組件，并作出了以下結(jié)論與展望：

（1）目前最常用的除濕溶液是LiBr、LiCl、CaCl2溶液，三者各有優(yōu)缺點，應根據(jù)除濕系統(tǒng)具體情況來綜合考慮。

（2）除濕溶液的混合可以獲得更低的系統(tǒng)能耗，更好的除濕效率以及更低的材料成本。但目前對于混合溶液的物性及除濕性能試驗測量和理論研究都比較少，所測試的配比比例也較為單一。對現(xiàn)有除濕溶液不同混合比例進行更精細的研究，對混合溶液進行更加豐富、更加全面的試驗測量，推導出更多精度高、適應性強的擬合公式，是進一步的研究內(nèi)容。

（3）在理論建模的過程中，由于除濕組件內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程較為復雜，模型的建立都是設置假定條件，如忽略纖維管間影響、纖維管在組件內(nèi)規(guī)則排布等。假定條件過多或不合適都會影響到模型的準確性。因此，需要減少假定條件數(shù)量，建立更接近真實傳熱傳質(zhì)過程的理論模型，為組件的優(yōu)化設計提供理論基礎。

（4）雖然目前將膜液體除濕組件配置在室內(nèi)的情況研究較少，但已有的研究已證明了這種配置方式的可行性。因此，膜液體除濕組件室內(nèi)配置的研究也將是未來的方向之一。