膜式液體除濕技術膜組件結構研究

羅城鑫　谷菁

摘? 要：膜式液體除濕技術可以充分利用太陽能、地熱能等可再生能源或工業低品位余熱驅動除濕溶液再生，代替傳統冷凍除濕過程的電力消耗，平衡電網用電負荷，實現電力資源的優化配置。但膜式液體除濕技術的膜組件結構還存在成本高，穩定性差等問題，這制約了技術的規模化推廣和應用。文章介紹了膜式液體除濕技術及兩種膜組件的結構特點，提出了膜組件結構設計的發展方向。

關鍵詞：膜式;液體除濕;膜組件;結構

中圖分類號：TU834.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0151-02

Abstract： Membrane-based liquid desiccant air dehumidification technology can make full use of solar energy， geothermal energy and other renewable energy or industrial low-grade waste heat to drive the regeneration process， replace the power consumption in the traditional refrigerated dehumidification， balance the power load of the grid， and realize the optimal allocation of power resources. However， the membrane module structure of membrane-based liquid desiccant air dehumidification technology still has some problems， such as high cost and poor stability， which restricts the large-scale promotion and application of the technology. This paper introduces the technology of membrane-based liquid desiccant air dehumidification and the structural characteristics of two membrane modules.

Keywords： membrane-based; dehumidification; membrane module; structure

1 概述

空氣的濕度和溫度，對于保持室內舒適性和空氣質量都非常重要。據報道，如果空氣濕度能控制在50-60%，即使溫度維持在28℃，人體仍然會感到舒適[1]。在傳統的空調除濕系統中，室外空氣被冷卻到其露點溫度以下使空氣中的水蒸氣冷凝，從而達到除濕的目的。由于冷卻后的空氣溫度太低，把它送到室內仍然需要加熱到合適的溫度，這個冷卻和加熱是高能耗過程。據統計，我國南方炎熱潮濕地區，用于空氣除濕的能耗占空調能耗的20-40%[2]，與此同時，空氣冷凝的冷卻盤管由于長時間處于潮濕的環境中，給細菌的滋生創造了良好的條件，從而使室內空氣質量惡化。

為了降低傳統除濕過程的能源消耗，研究者們對新型的空氣除濕方法做了很多的研究，主要包括膜法除濕、固體除濕和液體除濕技術等技術。單一除濕技術的膜穩定性差，固體除濕劑壓降損失高，液體除濕劑氣流攜帶等問題都嚴重制約了技術的應用和發展，組合除濕由于具有集成優勢成為除濕技術的重點研究課題。

2 膜式液體除濕技術概述

液體除濕技術本身雖然不新，但將多孔膜用于液體除濕系統是個相對較新的研究方向。膜式液體除濕技術是膜法除濕和液體除濕的有機集成，其核心除濕組件基本原理如圖1所示：當空氣橫掠膜組件時，由于多孔膜的選擇透過性，空氣中的水蒸氣可以通過多孔膜而阻止其他氣體或膜另一側的除濕溶液透過它;液體除濕劑與空氣呈逆流或錯流方向布置，利用液體除濕劑的強吸水性，隨著溶液的流動，空氣側的水蒸氣不斷通過多孔膜并被除濕溶液帶走。然后利用太陽能或者低品位余熱對除濕溶液進行加熱再生，濃縮后的除濕劑繼續送到除濕組件實現對空氣的連續除濕。

液體除濕技術可以利用工業低品位余熱驅動除濕溶液再生，降低除濕系統的運行成本。從分布式能源“溫度對口、梯級利用”的科學用能思想[3]來看，它可以提高分布式能源系統的綜合能源利用率。除此之外，液體除濕劑還有除菌的優點，在空氣除濕領域已經得到了廣泛的應用和發展。空氣與液體除濕劑直接接觸液體除濕技術的主要問題是除濕溶液的氣流攜帶，由于液體除濕劑具有腐蝕性，這種攜帶不僅會腐蝕空調系統管網，室內設備設施，還會惡化空氣質量并影響人體健康。基于膜式的液體除濕技術是間接接觸的方法，在空氣與液體除濕劑之間使用多孔膜實現傳熱傳質過程，解決了直接接觸液體除濕技術的氣流攜帶問題。

3 膜除濕組件結構

膜除濕組件是膜式液體除濕技術完成傳熱傳質過程的核心部件，它的結構設計直接影響了系統的除濕性能，常用的除濕組件結構有平行板式膜組件和中空纖維膜組件。

3.1 平行板式膜組件

平行板式膜組件由多層平行布置的多孔膜組裝而成，結構如圖2所示，空氣與液體除濕劑呈錯流形式交替通過膜組件，空氣中水蒸氣不斷透過多孔膜進入除濕溶液。平行板式膜組件結構簡單，流通截面大，沿程阻力低。但由于膜面積較大，組件缺少固定結構，膜容易發生變形[4]，影響組件除濕性能和系統使用壽命。

3.2 中空纖維膜組件

中空纖維膜組件結構類似管殼式換熱器，如圖3所示，它由數千根中空纖維膜組成，除濕溶液走中空纖維膜內側，空氣走中空纖維膜外側[6]。由于中空纖維膜組件被加工成圓形或者橢圓形截面，這個結構特點可以抵抗液體壓力。與平行板式膜組件相比，中空纖維膜組件具有更好的結構穩定性和更高的表面積與體積比。中空纖維膜組件只需要在膜的兩端密封，而平行板式組件在每層膜的邊緣都需要密封，由于中空纖維膜具備這些優勢，所以它的應用更為廣泛。

液體除濕劑的吸濕過程，水蒸氣由氣態變成液態釋放出汽化潛熱，使液體除濕劑溶液溫度不斷升高，相對應的飽和蒸汽壓增大，跨過膜結構的傳質推動力就會降低，大大降低了液體除濕劑的吸濕性能。為保證空氣除濕的連續性，需要對除濕組件結構進行優化設計，控制液體除濕劑吸濕過程的溫升，維持選擇透過膜的傳質推動力。

為解決液體除濕劑吸水放熱影響除濕性能的問題，研究者們也對膜組件結構進行深入研究。由于平行板式膜組件結構簡單，對其除濕溶液的冷卻設計就比較容易。如圖4所示，Jason Woods[8]提出在液體除濕劑處增加了一層冷卻層，通過冷卻降低除濕溶液的飽和蒸汽壓，保證水蒸氣通過多孔膜的驅動力。針對中空纖維膜組件的冷卻優化，張衛兵[9]設計了兩級中空纖維膜液體除濕系統，后一級膜組件對除濕溶液降溫后繼續送往第一級實現連續除濕。

4 結束語

2019年8月，中共中央、國務院發布關于支持深圳建設中國特色社會主義先行示范區的意見，能源高效利用和綠色節能必將成為新時代社會主義建設和發展的主旋律。液體除濕劑的低品位余熱驅動適應性增強了膜式液體除濕技術發展的潛力，分布式能源系統與膜式液體除濕的系統集成技術將會在平衡電網負荷及資源優化配置中發揮更重要的作用。

為促進膜式液體除濕技術的規模化推廣，還需對其膜組件進行如下研究：

（1）研發適應于平行板式膜組件多孔膜材料，增加膜結構穩定性和使用壽命。

（2）開展與膜組件結構相適應的強化傳熱傳質方法和技術研究。

（3）研發新型膜組件內部冷卻系統。

（4）優化中空纖維膜組件結構，減少系統阻力損失。

（5）尋求更友好且適用于膜組件結構液體除濕劑。

參考文獻：

[1]H. Watanabe et al. Design of ionic liquids as liquid desiccant for an air conditioning system[J]. Green Energy & Environment， 2019，4：139-145.

[2]梁才航.膜法全熱回收制冷除濕系統的數值模擬與實驗研究[D].華南理工大學，2010.

[3]吳仲華.能的梯級利用與燃氣輪機總能系統[M].北京：機械工業出版社，1988.

[4]Larson M.D.，Simonson C.J.，Besant R.W.，et al. The elastic and moisture transfer properties of polyethylene and polypropylene membranes for use in liquid-to-air energy exchangers[J]. Journal of Membrane Science， 2007，302（1）：136-149.

[5]Huang， S.-M.;Zhang， L.-Z. Researches and trends in membrane-based liquid desiccant air dehumidifification[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，28：425-440.

[6]張衛兵.多級中空纖維膜液體除濕系統的實驗研究與數值模擬[D].華南理工大學，2014.

[7]張寧.熱泵驅動的中空纖維膜液體除濕系統的數值模擬與實驗研究[D].華南理工大學，2015.

[8]J. Woods. Membrane processes for heating， ventilation， and air conditioning[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014，33：290-304.

[9]張衛兵.多級中空纖維膜液體除濕系統的實驗研究與數值模擬[D].華南理工大學，2014.