逆流式中空纖維膜組件特性實驗研究

牛潤萍, 崔純旗, 庚立志

(北京建筑大學, 北京 102600)

1 概述

人類的身體健康與室內溫濕度有著很密切關系,相對濕度過高和過低均會使人體產生不適。當環境相對濕度過低時,易導致體內水分揮發速率增加,可能引發呼吸不暢、干渴、咽喉疼痛等不適癥狀。當環境相對濕度過高時,會抑制體內的散熱,誘發多種疾病。此外,高濕度環境也為微生物和細菌提供了生長繁殖的溫床,對人體健康構成潛在威脅[1]。因此,對建筑室內合理的濕度調節具有重要意義。

中空纖維膜是在除濕領域中除濕膜材料最常制作成的樣式,常被構建成相應樣式的膜組件。在膜組件內部,膜的一側流過液體干燥劑,另一側流過高濕空氣。高濕空氣中的水蒸氣在膜兩側水蒸氣分壓力差的作用下穿越膜,傳輸到液體干燥劑一側。一般情況下,中空纖維膜組件通常由若干根平行排列的纖維膜構成,用于構建類似于管殼式換熱器的模塊[2]。中空纖維膜具有突出的優勢,外形纖維狀,有自支撐作用,膜通量高,擁有可觀的有效膜面積。液體干燥劑與高濕空氣在中空纖維膜兩側進行逆向流動,通過膜完成熱量和水蒸氣的傳遞。

張寧[3]、鐘文朝[4]通過實驗與數學模型,對中空纖維膜液體除濕系統熱質傳遞特性以及熱力學性能進行了研究。Huang等人[5-6]對橢圓截面中空纖維膜管束中的熱濕耦合傳熱過程進行了實驗研究分析,研究了管束結構參數對傳質過程的影響。Bergero等人[7]對中空纖維膜除濕系統進行了模擬和實驗研究,結果顯示中空纖維膜除濕系統具有較好的節能效果。殷少有等人[8]搭建實驗平臺,研究了空氣溫度、壓力等因素對熱質傳遞的影響,結果表明,中空纖維膜液體除濕技術適用于夏季濕熱地區。Zhao等人[9]提出了一種組合式中空纖維膜除濕和集濕系統,該系統不僅能產生新鮮的冷空氣而且能產生清潔的水。

由上述分析可知,中空纖維膜組件(簡稱膜組件)在濕度控制領域得到了廣泛應用。本文利用聚丙烯(PP)中空纖維膜組裝成逆流式膜組件,采用實驗方法,對加濕工況、除濕工況膜組件特性影響因素進行研究。

2 實驗內容

2.1 膜組件

采用聚丙烯(PP)中空纖維膜組裝成逆流式膜組件,外形見圖1。膜絲之間使用ABS塑料進行連接,管壁為UPVC材料。當膜組件按圖1擺放時,溶液左進、右出,空氣下進、上出。溶液在中空纖維膜內流動,空氣在中空纖維膜外流動,進行熱質交換。

圖1 逆流式膜組件外形

2.2 實驗流程及工況

膜組件實驗流程見圖2。膜組件進口空氣溫濕度由空調裝置進行調節。一定溫度及相對濕度的空氣由空氣壓縮機增壓后經過控制閥調節流量后進入膜組件。溶液泵將恒溫水箱中的溶液輸送到膜組件中,通過控制溶液泵轉速調節溶液流量。加濕實驗時溶液為蒸餾水,除濕實驗時溶液為質量分數為36%的氯化鋰溶液。

圖2 膜組件實驗流程

使用熱線風速儀測量進口空氣流速,使用溫濕度測試儀測量進出口空氣的溫度、相對濕度。溶液流量由轉子流量計測得,進口溶液溫度由恒溫水箱控制。每組實驗做5次,實驗結果取5次實驗數據的平均值。

加濕實驗:進口空氣溫度為298 K、進口溶液溫度為290 K、進口空氣含濕量為4.9 g/kg。變空氣質量流量工況,溶液質量流量保持7.0 kg/h。變溶液質量流量工況,空氣質量流量保持2.96 kg/h。加濕實驗變空氣質量流量工況、變溶液質量流量工況見表1、2。

表1 加濕實驗變空氣質量流量工況

表2 加濕實驗變溶液質量流量工況

除濕實驗:進口空氣溫度為308 K、進口溶液溫度為298 K、進口空氣含濕量為21 g/kg。變空氣質量流量工況,溶液質量流量保持28.0 kg/h。變溶液質量流量工況,空氣質量流量保持16.0 kg/h。除濕實驗變空氣質量流量工況、變溶液質量流量工況見表3、4。

表3 除濕實驗變空氣質量流量工況

表4 除濕實驗變溶液質量流量工況

2.3 性能評價指標

將加濕量、加濕效率作為膜組件加濕性能的評價指標,將除濕量、除濕效率作為膜組件除濕性能的評價指標。

加濕量M的計算式為:

M=qρ(do-di)

(1)

式中M——加濕量,g/h

q——空氣流量(由測量風速與空氣管內直徑計算得到),m3/h

ρ——空氣的密度,kg/m3,本文取1.29 kg/m3

do——出口空氣含濕量,g/kg

di——進口空氣含濕量,g/kg

空氣含濕量d的計算式為:

(2)

式中d——空氣含濕量,g/kg

psat——空氣水蒸氣飽和壓力(查文獻[10]獲得),Pa

φ——空氣相對濕度

p——大氣壓力,Pa,實驗室大氣壓力為101 352 Pa

加濕效率η1的計算式為:

(3)

(4)

式中η1——加濕效率

de——溶液等效含濕量,g/kg

pe——溶液表面水蒸氣壓(查文獻[11]獲得),Pa

除濕量S的計算式為:

S=qρ(di-do)

(5)

式中S——除濕量,g/h

除濕效率η2的計算公為:

(6)

式中η2——除濕效率

3 實驗結果與討論

3.1 加濕實驗

① 變空氣質量流量工況

由實驗結果可知:加濕實驗工況1～5出口空氣溫度均低于進口空氣溫度,出口空氣溫度隨進口空氣質量流量增大而增大。加濕實驗工況1～5出口空氣含濕量均高于進口空氣含濕量,出口空氣含濕量隨空氣質量流量增大而減小。加濕實驗工況1～5出口溶液溫度均高于進口溶液溫度,出口溶液溫度隨空氣質量流量增大而減小。

加濕實驗工況1～5加濕量、加濕效率見圖3。由圖3可知,加濕量隨空氣質量流量增大而增大,加濕效率隨空氣質量流量增大而降低。

圖3 加濕實驗工況1～5加濕量、加濕效率

② 變溶液質量流量工況

由實驗結果可知:加濕實驗工況6～10出口空氣溫度均低于進口空氣溫度,出口空氣溫度隨溶液質量流量增大而降低。加濕實驗工況6～10出口空氣含濕量均高于進口空氣含濕量,出口空氣含濕量隨溶液質量流量增大而增大。加濕實驗工況6～10出口溶液溫度均高于進口溶液溫度,出口溶液溫度隨溶液質量流量增大而升高。

加濕實驗工況6～10加濕量、加濕效率見圖4。由圖4可知,加濕量、加濕效率均隨溶液質量流量增大而增大。

圖4 加濕實驗工況6～10加濕量、加濕效率

加濕工況小結:加濕量隨空氣質量流量增大而增大,隨溶液質量流量增大而增大。加濕效率隨空氣質量流量增大而減小,隨溶液質量流量增大而增大。

3.2 除濕實驗

① 變空氣質量流量工況

由實驗結果可知:除濕實驗工況1～5出口空氣溫度均低于進口空氣溫度,出口空氣溫度隨空氣質量流量增大而增大。除濕實驗工況1～5出口空氣含濕量均低于進口空氣含濕量,出口空氣含濕量隨空氣質量流量增大而增大。除濕實驗工況1～5出口溶液溫度均高于進口溶液溫度,出口溶液溫度隨空氣質量流量增加而降低。

除濕實驗工況1～5除濕量、除濕效率見圖5。由圖5可知,除濕量隨空氣質量流量增大而增大,除濕效率隨空氣質量流量增大而減小。

圖5 除濕實驗工況1～5除濕量、除濕效率

② 變溶液質量流量工況

由實驗結果可知:除濕實驗工況6～10出口空氣溫度均低于進口空氣溫度,出口空氣溫度隨溶液質量流量增大而降低。除濕實驗工況6～10出口空氣含濕量低于進口空氣含濕量,出口空氣含濕量隨溶液質量流量增大而減小。除濕實驗工況6～10出口溶液溫度高于進口溶液溫度,出口溶液溫度隨溶液質量流量增大而升高。

除濕實驗工況6～10除濕量、除濕效率見圖6。由圖6可知,除濕量隨溶液質量流量增大而增大,除濕效率隨溶液質量流量增大而增大。

圖6 除濕實驗工況6～10除濕量、除濕效率

除濕工況小結:除濕量隨空氣質量流量增大而增大,隨溶液質量流量增大而增大。除濕效率隨空氣質量流量增大而減小,隨溶液質量流量增大而增大。

4 結論

① 加濕工況:加濕量隨空氣質量流量增大而增大,隨溶液質量流量增大而增大。加濕效率隨空氣質量流量增大而減小,隨溶液質量流量增大而增大。

② 除濕工況:除濕量隨空氣質量流量增大而增大,隨溶液質量流量增大而增大。除濕效率隨空氣質量流量增大而減小,隨溶液質量流量增大而增大。