錯(cuò)流式平板膜除濕組件除濕性能實(shí)驗(yàn)研究

牛潤(rùn)萍, 李翼帆, 孔祥辰

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 北京 102600)

1 概述

空氣濕度是影響人體舒適性、生產(chǎn)條件、物質(zhì)保存條件的重要因素,過(guò)高的空氣濕度易引起金屬銹蝕以及食品、藥品等變質(zhì),給生產(chǎn)生活帶來(lái)?yè)p失。濕度與人體舒適感和人體健康息息相關(guān),人長(zhǎng)時(shí)間處于濕度過(guò)大的環(huán)境易影響體溫調(diào)節(jié)功能,高濕度環(huán)境也促使微生物與污染物滋生,從而影響人們的生活。因此,空氣除濕對(duì)營(yíng)造舒適的生活環(huán)境,改善室內(nèi)空氣品質(zhì)有重要意義。

傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)降低空氣溫度,使空氣溫度低于露點(diǎn),以達(dá)到除濕效果。但為了滿足人體舒適度,空調(diào)送風(fēng)溫度一般高于露點(diǎn)。因此,需要對(duì)除濕后的空氣進(jìn)行再加熱,導(dǎo)致了額外能耗。相比之下,溶液除濕采用除濕液體吸收空氣中水分,無(wú)需再進(jìn)行加熱處理,能耗更低。但經(jīng)溶液除濕的空氣易夾帶液滴,導(dǎo)致空氣污染,為解決這一問(wèn)題,研究者提出了分離空氣和除濕溶液的膜除濕技術(shù)[1]。該技術(shù)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要旋轉(zhuǎn)部件、空氣不與除濕溶液直接接觸、可連續(xù)工作、可靠性高、除濕效率高等優(yōu)點(diǎn)在各種除濕技術(shù)中脫穎而出,應(yīng)用領(lǐng)域涉及暖通空調(diào)全熱回收、壓縮空氣除濕、空間應(yīng)用等[2-4]。

本文以錯(cuò)流式平板膜除濕組件為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)分析膜組件進(jìn)口濕空氣流速、進(jìn)口濕空氣溫度、進(jìn)口濕空氣含濕量、進(jìn)口除濕溶液速度、進(jìn)口除濕溶液溫度、進(jìn)口除濕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)膜組件除濕性能的影響。為方便闡述,本文的空氣指濕空氣,溶液指除濕溶液。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 膜組件

錯(cuò)流式平板膜除濕組件(簡(jiǎn)稱膜組件)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。濕空氣與除濕溶液在膜組件中成90°錯(cuò)流流動(dòng),濕空氣與除濕溶液間為除濕膜。空氣流道、溶液流道均由有機(jī)玻璃板切割而成。濕空氣、除濕溶液均分別通過(guò)軟管通入空氣流道、溶液流道,空氣軟管內(nèi)直徑為15 mm,溶液軟管內(nèi)直徑為6 mm。

圖1 膜組件結(jié)構(gòu)

除濕膜分為親水膜、疏水膜。親水膜在除濕過(guò)程中除濕溶液會(huì)潤(rùn)濕除濕膜,當(dāng)除濕膜被完全浸濕后其傳質(zhì)能力大幅下降。疏水膜阻止了液態(tài)水向除濕膜內(nèi)的流動(dòng)。因此,實(shí)驗(yàn)選擇聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜作為除濕膜。除濕溶液選取LiCl溶液。膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

膜組件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。膜組件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由空氣循環(huán)回路、溶液循環(huán)回路組成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用空氣壓縮機(jī)將濕空氣送入膜組件中,進(jìn)口空氣流量通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度控制。使用熱風(fēng)機(jī)調(diào)整進(jìn)口空氣溫度,通過(guò)加濕器調(diào)整進(jìn)口空氣含濕量。使用風(fēng)速儀測(cè)量進(jìn)口空氣流速,進(jìn)出口空氣溫度和相對(duì)濕度由溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量。除濕溶液通過(guò)溶液泵送入膜組件,除濕溶液流速通過(guò)調(diào)節(jié)溶液泵轉(zhuǎn)速控制。使用電子溫度計(jì)對(duì)膜組件進(jìn)出口溶液溫度進(jìn)行測(cè)量。采用恒溫水箱調(diào)整除濕溶液溫度。

圖2 膜組件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

每組實(shí)驗(yàn)工況做5次,最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果取5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值。實(shí)驗(yàn)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)條件良好,實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制得當(dāng)。

2.3 膜組件除濕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)膜組件除濕性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為除濕量、除濕效率。除濕量表示在單位時(shí)間內(nèi)除濕溶液吸收的空氣中水蒸氣質(zhì)量,除濕效率表示進(jìn)出口空氣含濕量差和氣液兩相熱質(zhì)交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)進(jìn)出口空氣含濕量差的比值。

膜組件除濕量的計(jì)算式為:

qm,w=ρqa(da,in-da,out)

(1)

式中qm,w——膜組件除濕量,g/s

ρ——空氣密度,kg/m3,本文取1.29 kg/m3

qa——空氣流量(根據(jù)風(fēng)速儀測(cè)得的空氣流速及空氣軟管內(nèi)直徑計(jì)算得到),m3/s

da,in——進(jìn)口空氣含濕量,g/kg

da,out——出口空氣含濕量,g/kg

空氣含濕量的計(jì)算式為:

da=φdb

(2)

式中φ——空氣相對(duì)濕度

db——空氣飽和含濕量[5],g/kg

膜組件除濕效率的計(jì)算式為:

(3)

式中η——膜組件除濕效率

de——等效含濕量,g/kg

等效含濕量是指濕空氣與除濕溶液之間熱質(zhì)交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),濕空氣中水蒸氣分壓力與除濕溶液表面蒸汽壓相等時(shí)的空氣含濕量,計(jì)算式為[6]:

(4)

式中ps——除濕溶液表面蒸汽壓,Pa,查閱文獻(xiàn)[6]獲得

p——大氣壓力,Pa,實(shí)驗(yàn)室大氣壓力為101 325 Pa

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)口空氣參數(shù)影響

① 進(jìn)口空氣流速

進(jìn)行進(jìn)口空氣流速影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口空氣流速變化范圍為0.5～2.5 m/s,變化步長(zhǎng)為0.5 m/s。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣溫度30 ℃,進(jìn)口空氣含濕量15 g/kg,進(jìn)口溶液流速0.1 m/s,進(jìn)口溶液溫度25 ℃,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣流速的變化見(jiàn)圖3。由圖3可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣流速增大而增大。這是由于空氣流速加快,導(dǎo)致濕空氣與除濕溶液之間傳質(zhì)時(shí)間縮短,出口空氣含濕量增大。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣流速的變化見(jiàn)圖4。由圖4可知,膜組件除濕量隨進(jìn)口空氣流速增大而增大,這主要是由于進(jìn)口空氣流速增大所致。膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣流速增大而減小。這主要是由于進(jìn)口空氣流速增大加強(qiáng)了氣液間傳熱,使除濕溶液溫度升高。而等效含濕量隨除濕溶液溫度升高而增大,因此等效含濕量隨進(jìn)口空氣流速增大而增大。由于除濕溶液溫升較小,等效含濕量增大幅度有限,在出口空氣含濕量、等效含濕量變化的共同作用下,膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣流速增大而減小。因此,降低進(jìn)口空氣流速可提高膜組件的除濕性能。

圖3 出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣流速的變化

圖4 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣流速的變化

② 進(jìn)口空氣溫度

進(jìn)行進(jìn)口空氣溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口空氣溫度變化范圍為26～34 ℃,變化步長(zhǎng)為2 ℃。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣流速1 m/s,進(jìn)口空氣含濕量15 g/kg,進(jìn)口溶液流速0.1 m/s,進(jìn)口溶液溫度25 ℃,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣溫度的變化見(jiàn)圖5。由圖5可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣溫度升高而增大,但增大幅度有限。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣溫度的變化見(jiàn)圖6。由圖6可知,膜組件除濕量、除濕效率均隨進(jìn)口空氣溫度升高而減小,但減小幅度有限。與進(jìn)口空氣流速相比,進(jìn)口空氣溫度對(duì)膜組件除濕量、膜組件除濕效率的影響較小。

圖5 出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣溫度的變化

圖6 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣溫度的變化

③ 進(jìn)口空氣含濕量

進(jìn)行進(jìn)口空氣含濕量影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口空氣含濕量變化范圍為15～19 g/kg,變化步長(zhǎng)為1 g/kg。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣溫度30 ℃,進(jìn)口空氣流速1 m/s,進(jìn)口溶液流速0.1 m/s,進(jìn)口溶液溫度25 ℃,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣含濕量的變化見(jiàn)圖7。由圖7可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣含濕量增大而增大,但增大幅度有限。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口空氣含濕量的變化見(jiàn)圖8。由圖8可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進(jìn)口空氣含濕量增大而增大,但增大幅度有限。與進(jìn)口空氣流速相比,進(jìn)口空氣含濕量對(duì)膜組件除濕量、膜組件除濕效率的影響較小。

圖7 出口空氣含濕量隨進(jìn)口空氣含濕量的變化

圖8 膜組件除濕量、除濕效率隨進(jìn)口空氣含濕量的變化

3.2 進(jìn)口溶液參數(shù)影響

① 進(jìn)口溶液流速

進(jìn)行進(jìn)口溶液流速影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口溶液流速分別取0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 m/s。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣流速1 m/s,進(jìn)口空氣溫度30 ℃,進(jìn)口空氣含濕量15 g/kg,進(jìn)口溶液溫度25 ℃,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液流速的變化見(jiàn)圖9。由圖9可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液流速增大而減小。主要原因?yàn)檫M(jìn)口溶液流速增大,除濕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化減小,有利于維持溶液吸濕能力穩(wěn)定。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液流速的變化見(jiàn)圖10。由圖10可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進(jìn)口溶液流速增大而增大。主要原因?yàn)檫M(jìn)口溶液流速增大,除濕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化減小,并抑制除濕溶液溫度升高,有利于提高除濕效率。因此,增大進(jìn)口溶液流速可提高膜組件除濕性能。

圖9 出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液流速的變化

圖10 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液流速的變化

② 進(jìn)口溶液溫度

進(jìn)行進(jìn)口溶液溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口溶液溫度變化范圍為25～29 ℃,變化步長(zhǎng)為1 ℃。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣流速1 m/s,進(jìn)口空氣溫度30 ℃,進(jìn)口空氣含濕量15 g/kg,進(jìn)口溶液流速0.1 m/s,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液溫度的變化見(jiàn)圖11。由圖11可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液溫度升高而增大,但增大幅度有限。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液溫度的變化見(jiàn)圖12。由圖12可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進(jìn)口溶液溫度升高而減小,但減小幅度有限。與進(jìn)口溶液流速相比,進(jìn)口溶液溫度對(duì)膜組件除濕量、膜組件除濕效率的影響較小。

圖11 出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液溫度的變化

圖12 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液溫度的變化

③ 進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

進(jìn)行進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響實(shí)驗(yàn)時(shí),進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為30%～38%,變化步長(zhǎng)為2%。盡量保持以下參數(shù)穩(wěn)定:進(jìn)口空氣流速1 m/s,進(jìn)口空氣溫度30 ℃,進(jìn)口空氣含濕量15 g/kg,進(jìn)口溶液流速0.1 m/s,進(jìn)口溶液溫度25 ℃。

出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見(jiàn)圖13。由圖13可知,出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小,但減小幅度有限。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見(jiàn)圖14。由圖14可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大,但增大幅度有限。與進(jìn)口溶液流速相比,進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜組件除濕量、膜組件除濕效率的影響較小。

圖13 出口空氣含濕量隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖14 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進(jìn)口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

4 結(jié)論

① 降低進(jìn)口濕空氣流速可提高膜組件的除濕性能。與進(jìn)口濕空氣流速相比,進(jìn)口濕空氣溫度、進(jìn)口濕空氣含濕量對(duì)膜組件除濕性能影響較小。

② 增大進(jìn)口除濕溶液流速可提高膜組件除濕性能。與進(jìn)口除濕溶液流速相比,進(jìn)口除濕溶液溫度、進(jìn)口除濕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜組件除濕性能影響較小。