自然對流下豎直簾式中空纖維膜組件的除濕供冷特性

李錦航 張子含 劉江峰 張光玉

摘 要： 為探討豎直壁面在較高冷源溫度下同時進行供冷除濕的可行性，開展了自然對流條件下基于中空纖維膜的豎直壁面供冷除濕特性的實驗研究。利用中空纖維膜接觸器技術制作了能夠同時除濕供冷的組件，搭建了供冷除濕性能測試實驗臺，以氯化鈣溶液為除濕溶液，采用正交試驗方法，研究了自然對流下溶液進口質量濃度、溫度、流速等參數對中空纖維膜組件除濕量、顯熱供冷量以及除濕效率的影響。結果表明：溶液進口質量濃度和溫度對除濕量、除濕效率有重要影響，進口溫度和流速對顯熱供冷量影響較顯著。在試驗因素水平取值范圍內，組件單位膜面積除濕量達5～14 g/h，顯熱供冷量為4～24 W，除濕效率為28%～65%，表明該組件具有一定的工程應用前景。

關鍵詞： 中空纖維膜；溶液除濕；供冷；自然對流；輻射供冷

中圖分類號： TU831.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 01-0124-07

引文格式：李錦航，張子含，劉江峰，等. 自然對流下豎直簾式中空纖維膜組件的除濕供冷特性［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（1）：124-130.

Reference Format： LI Jinhang， ZHANG Zihan， LIU Jiangfeng， et al. Dehumidification and cooling properties of a vertical curtain type hollow fiber membrane module under natural convection［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：124-130.

Dehumidification and cooling properties of a vertical curtain type hollow fiber membrane module under natural convection

LI Jinhang， ZHANG Zihan， LIU Jiangfeng， ZHANG Guangyu

（School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：? In order to find the feasibility of simultaneous cooling and dehumidification by vertical wall at a high cooling medium temperature， an experimental study on cooling and dehumidification properties of vertical wall based on hollow fiber membrane under natural convection was conducted. A non-direct contact non-quid dehumidification and cooling module employing hollow fiber membrane contactor technology was designed and fabricated. A test bench for cooling and dehumidification properties was built. With CaCl2 solution as the dehumidification desiccant， the effects of inlet solution parameters， such as concentration， temperature and flow rate， on the dehumidification capacity， sensible heat cooling capacity and dehumidification efficiency of hollow fiber membrane module were studied. The results showed that the inlet concentration and temperature were major parameters that influenced the dehumidification property. Inlet temperature and flow rate were major parameters that influenced the sensible heat cooling property. Within the value range of test factor level， the dehumidification capacity per unit membrane area of the module was 5～14 g/h， the sensible heat cooling capacity was 4～24 W and the dehumidification efficiency was 28%～65%， indicating that this module was promising for engineering purpose.

Key words： hollow fiber membrane; solution dehumidification; cooling; natural convection; radiant cooling

0 引 言

除濕是空氣調節的重要功能之一。傳統空調系統通過冷卻空氣到露點溫度以下進行除濕，存在能效低、凝結水影響室內空氣品質等缺點［1-3］。采用溶液除濕技術，不僅可實現等溫除濕，能效較高，還可蓄冷，且蓄冷密度較高［4-5］。然而，常規的溶液除濕技術采用空氣與溶液直接接觸的方式，溶液液滴很容易隨空氣進入室內，造成氣液夾帶問題，影響人體健康和室內設備。解決氣液夾帶問題的主要方法是采用防水透氣膜［6-7］隔離溶液與空氣，或采用中空纖維膜溶液除濕技術［8-11］。其中，中空纖維膜是一種中空的纖維管狀防水透氣膜，膜管壁上有大量微孔，空氣中的水蒸氣可以通過膜孔道被膜內溶液吸收，而溶液由于膜的疏水性不能透過膜孔，這種特性非常適用于溶液除濕。

目前關于中空纖維膜溶液除濕技術的研究，主要集中在膜材料選擇、組件裝填方式、流體流動方式等對膜組件除濕性能的影響方面。Huang等［8］采用一種橢圓形的中空纖維膜管用于除濕，發現橢圓形管傳熱傳質強度較圓管有所加強；張寧等［9］發現，中空纖維膜管三角形排列較四邊形排列有更好的除濕效果；梅寧等［10］采用順流中空纖維膜組件進行了除濕過程的數值研究，發現提高溶液進口質量分數對提高吸濕性能最為有效；殷少有等［11］采用叉流中空纖維膜組件進行了除濕過程傳熱傳質特性研究，結果發現組件除濕效率為20%～60%，且與工況有關。在上述研究中，空氣均以強制對流方式掠過膜管，膜組件為常規的強制對流傳熱傳質設備。將中空纖維膜組件作為室內壁面、在自然對流工況下吸收室內空氣中水蒸氣的同時，以輻射、對流的方式為室內供冷是一種新的技術思路，有望進一步降低動力消耗和噪聲，并提高舒適性［12］，但相關報道目前較少。本文設計制作了豎直安裝的簾式中空纖維膜組件，采用氯化鈣（CaCl2）溶液作為除濕劑，通過實驗研究探明自然對流工況下不同溶液進口質量濃度、溫度、流速對組件除濕量與供冷量的影響和作用規律，為新型高效空調供冷技術的研究開發提供基礎。

1 實驗方案

1.1 實驗材料與儀器

實驗所用中空纖維膜組件如圖1所示，中空纖維膜管豎直密布排列，膜管連接在供液集管與回液集管之間，形成簾式結構。中空纖維膜材質為聚丙烯，組件的具體參數見表1。實驗采用氯化鈣（CaCl2）溶液作為除濕劑［13］。實驗主要儀器及其參數見表2。

1.2 實驗系統與流程

實驗系統如圖2所示，由進液桶、磁力泵、膜組件和出液桶及電子秤構成，其中進液桶儲存除濕濃溶液，出液桶儲存流出膜組件的稀溶液。溶液流量通過兩部電子秤稱重測量。實驗過程中，CaCl2溶液先降溫至設定溫度，由微型電動磁力泵輸送至膜組件，溫度較低的除濕溶液通過膜管向室內供冷的同時，吸收膜外側室內空氣中的水蒸氣，然后流入出液桶。

1.3 實驗方法

為快速探究各參數對組件供冷、除濕性能的影響，采用正交試驗方法，選取溶液進口溫度、進口質量濃度、進口流速3個參數為考察因素，考慮到除濕需要的最低質量濃度和受限于室溫下溶解度的最大質量濃度，其中每個因素皆選擇3個水平數進行實驗，以控制實驗次數。本文采用L9（33）正交表［14］，共9組實驗。各因素水平劃分見表3。

實驗開始前，將進液桶與出液桶分置于電子秤上，調節進液桶中溶液質量濃度與溫度至設定數值，調節磁力泵流量至流速對應值。實驗開始后，系統先運行10 min，以保證溶液完全充滿管路。系統參數穩定后開始每間隔5 min記錄流量數據以及空氣溫濕度的變化，實驗總時長為30 min，取多次測量的平均值為最終結果。

2 實驗結果及組件性能評價

2.1 實驗結果

各組實驗所得結果如表4所示。測試的中空纖維膜組件除濕量在5～14 g/（h·m2），顯熱供冷量在4～24 W/m2，全熱供冷量在9～28 W/m2，除濕效率在28%～65%。第7組表現出最優的性能，即在試驗因素水平范圍內，當溶液進口質量濃度為40.0%、溫度為18.0 ℃、流速為1.2 cm/s時，組件除濕量與顯熱供冷量取得最大值，單位膜面積除濕量與供冷量分別為14 g/h和24 W。

實驗過程中間接測量參數的相對誤差可根據式（1）計算［15］：

δyy=∑ni=1yxiδxi2y×100%（1）

其中：y為與自變量xi相關的因變量；δx為自變量的誤差；δy為因變量的誤差。將儀器精度等參數代入式（1），計算得出除濕量和顯熱供冷量的相對誤差分別小于11%和8%，說明所得除濕量、顯熱供冷量等性能數據較準確，可靠性較高。

2.2 組件性能評價

利用膜組件在自然對流條件下進行除濕供冷是一項新型空調技術，其除濕供冷性能是考察其工程應用潛力的最重要參數，而除濕效率則反映其傳質性能。因此，重點考察除濕量w、顯熱供冷量Qs、除濕效率η三個參數，以評價膜組件性能。

2.2.1 除濕量

根據質量守恒定律，實驗組件的除濕量為每小時進液桶溶液增加的質量與出液桶溶液減少的質量差，計算公式可用式（2）表示：

w=2［（mo2-mo1）-（mi1-mi2）］（2）

其中：w為除濕量，g/h；mo2為實驗結束時刻出液桶溶液質量，g；mo1為實驗開始時刻出液桶溶液質量，g；mi1為實驗開始時刻進液桶溶液質量，g；mi2為實驗結束時刻進液桶溶液質量，g。由于每次實驗時長為30 min，因此每小時除濕量為組件30 min除濕量的2倍。

根據表4，在所有實驗中，實驗1、2、3溶液進口質量濃度最低，總體上除濕量也最低；實驗4、5、6溶液進口質量濃度高于實驗1、2、3，除濕量也高于實驗1、2、3；而實驗7、8、9溶液進口質量濃度最高，相比前6組實驗，總體上除濕量也更高，其中實驗7溶液進口質量濃度、速度為最高值而溫度為最低值，除濕量為最大，而實驗9雖然溶液進口質量濃度最高，但進口溫度也較高，與溶液進口質量濃度較低、但進口溫度更低的實驗5相比，除濕量相同，且低于溶液進口質量濃度較低、但進口溫度為最低值的實驗4。此外，由表4還可知，溶液進口質量濃度較高但速度較低的實驗8、6，除濕量均高于進口速度較高但質量濃度較低的實驗2、3。上述結果說明：溶液進口質量濃度和溫度對除濕量有重要影響，速度的影響則稍弱。

2.2.2 顯熱供冷量

供冷量包括顯熱供冷量和潛熱供冷量，二者之和為全熱供冷量。其中潛熱供冷量QL為溶液吸收的水蒸氣量所對應的潛熱量，計算公式可用式（3）表示：

QL=wr/3600（3）

顯熱供冷量Qs為溶液進出口焓差與潛熱供冷量之差，計算公式可用式（4）表示：

Qs=Mcp（to-ti）-wr/3600（4）

Q=Mcp（to-ti）（5）

其中：M為除濕溶液質量流量g/s；cp為比熱容，J/（g·K）；to為溶液出口溫度，℃；ti為溶液進口溫度，℃；r為水蒸氣汽化潛熱，取2440 J/g。由實驗可知，溶液在吸濕過程中吸收水蒸氣的量相對較小，溶液質量濃度變化不到0.5%，因此溶液質量流量與比熱容可認為不變，取為溶液進口質量流量與比熱容。

比較表4中不同進口溫度下的顯熱供冷量，可以發現：進口溫度為最低值的實驗1、4、7，顯熱供冷量也為最大，而進口溫度最高的實驗3、6、9，顯熱供冷量最小；進口溫度介于中間的實驗2、5、8則其顯熱供冷量也介于中間，且各組中進口速度較高的相應的顯熱供冷量也較大。說明除濕量不太大的情況下，組件的顯熱供冷量主要取決于溶液進口溫度和速度。這是因為溶液溫度低，則輻射及自然對流傳熱溫差較大，而溶液流速高，則膜管內傳熱系數較高，因而低溫、高速下傳熱能力也較大，從而顯熱供冷量較大。

2.2.3 除濕效率

在溶液吸收除濕過程中，室內空氣的水蒸氣分壓力與溶液蒸汽壓之間的壓差是驅動吸收的推動力，理論上最大驅動力為溶液進口質量濃度對應的蒸汽壓與室內空氣的水蒸氣分壓力之差。隨著溶液流動和吸收過程的進行，溶液質量濃度不斷降低，其對應的蒸汽壓不斷提高，與室內空氣中水蒸氣的分壓力之差逐漸減小。在極限情況下，出口溶液質量濃度蒸汽壓與室內空氣的水蒸氣分壓平衡。故溶液進出口質量濃度差對應的蒸汽壓差可近似反映溶液對水蒸氣的吸收程度。因此，本文定義溶液進出口質量濃度對應的蒸汽壓差與室內空氣的水蒸氣分壓與進口溶液蒸氣壓差之比為除濕效率，以反映組件的吸收效率：

η=Pso-PsiPv-Psi（6）

其中：η為除濕效率，%；Pso、Psi分別為出口溶液與進口溶液水蒸氣分壓力，Pa；Pv為空氣中水蒸氣分壓力，Pa。

除濕效率反映組件的實際除濕量與其潛在的理論除濕量的接近程度。由表4可知，除濕量較小的實驗1、2、3，其除濕效率反而較高，而除濕量最大的實驗7、8、9，其除濕效率反而較小，除濕量介于中間的實驗4、5、6，除濕效率也介于中間。除濕量、除濕效率間的上述差異表明，組件結構、膜材料參數、溶液參數需要優化組合，在最優匹配時，才能獲得最好的綜合性能，實際機理則需進一步分析。

3 影響因素分析

3.1 極差分析

采用極差分析法對實驗結果進行分析，可定量判斷各因素對性能指標的影響和作用規律，進一步檢驗前文的分析和說明，為后續的研究和開發指明方向。圖3是不同溫度、質量濃度和流速等參數所對應的除濕量、供冷量和除濕效率的極差圖。

由圖3可見：對于除濕量，三個極差中質量濃度對應的極差值最大，溫度對應的極差值次之，流速對應的極差值最小，說明質量濃度對除濕量的影響最顯著，其次是溫度，流速的影響最小，與前述分析一致。對于供冷量，三個極差中溫度對應的極差值最大，其次是流速對應的極差值，質量濃度對應的極差值最小，說明進口溫度對顯熱供冷量的影響最顯著，其次是流速，質量濃度的影響最小，與前述分析也一致。而對于除濕效率，三個極差中質量濃度對應的極差最大，其次是溫度應對的極差值，流速對應的極差值最小，說明質量濃度對除濕效率影響最大，其次溫度，流速的影響最小，與前述分析也基本一致。

圖4—圖6為除濕量、供冷量隨質量濃度、溫度、速度三個因素的變化趨勢圖，其中橫坐標為某因素的水平值，縱坐標為該因素在某水平下的性能指標和的平均值ki，ki越大，說明在相同因素時，該水平下的性能指標越高［15］。由圖可見，組件除濕量和供冷量的ki值變化與前述分析一致，說明提高質量濃度和速度、降低溫度有利于提高除濕量，而要提高供冷量，則應降低溫度和質量濃度、提高流速。

圖7—圖9給出了除濕效率的ki值隨質量濃度、溫度、速度三個因素變化的趨勢圖。由圖7—圖9可見，除濕效率的ki值隨溶液進口溫度升高而降低，與前述除濕量變化趨勢一致，說明采用較低的進口溫度可獲得較高的除濕量和除濕效率，除濕性能較好；但除濕效率的ki值隨溶液進口質量濃度、速度則呈下降趨勢，與前述除濕量的變化趨勢相反，值得進一步分析。

3.2 提高除濕性能的方法

實驗數據和極差分析均表明，膜組件除濕量、除濕效率隨溶液進口溫度的降低而提高，但除濕量和除濕效率隨溶液進口質量濃度的變化呈現相反的變化趨勢，即：提高溶液進口質量濃度，組件除濕量增加，而除濕效率卻降低；此外，提高溶液進口流速，組件除濕量增加，但除濕效率也降低。

這種現象可以根據傳熱傳質理論進行機理分析。在吸收過程中，組件除濕量由傳質系數和空氣與溶液之間的水蒸氣分壓差決定。提高空氣中水蒸氣分壓與溶液蒸氣壓之間的壓差可增大吸收的傳質驅動力，從而提高組件除濕量。當進口質量濃度較高而進口溫度較低時，溶液的蒸氣壓降低，與空氣中的水蒸氣間分壓差增大，從而提高了吸收驅動力；而提高溶液進口流速，強化了膜管內的擴散，提高了傳質系數，最終獲得較高的除濕量。實驗結果與上述分析一致。同時，提高溶液進口質量濃度和流速，組件除濕效率卻下降，說明高質量濃度溶液的潛在吸濕能力未能充分發揮，實際除濕量遠未達到溶液的理論除濕量，因而除濕效率較低。綜合質量濃度、溫度、速度對除濕量、除濕效率的影響，本文認為存在阻礙溶液實現理論除濕能力的因素。根據室內空氣中水蒸氣到膜管內溶液的擴散傳遞路徑可以判斷，阻力主要在于膜管壁本身及膜管外的擴散傳遞過程中。正是因為通過膜管壁本身和膜管外的傳質阻力較大，影響了水蒸氣的擴散和吸收，使組件的實際除濕量遠未達到溶液的理論除濕量，因而質量濃度提高時總除濕量提高了，但除濕效率反而降低。

上述分析表明，要提高膜組件供冷除濕性能，除選擇合理的溶液進口質量濃度、溫度等操作參數外，一方面應改進膜本身的性能，如降低膜厚度、提高孔隙率等，以減少水蒸氣擴散路徑長度，降低膜管自身的傳質阻力；另一方面，還應強化膜管內外的傳遞過程，合理采用膜管內流速，采取適當措施提高膜管外空氣流速，使其處于受迫流動和自然對流的混合流狀態，即強化吸收傳質，提高供冷除濕性能，又不過分增加動力消耗。此外，改進組件的結構設計，也是值得考慮的方向。

4 結 論

本文制作了疏水性中空纖維膜供冷除濕組件，搭建了性能測試實驗臺，在室內溫度（26.0±0.5）℃，相對濕度（60±5）%條件下，以CaCl2溶液為除濕溶液，采用正交方法實驗，研究了自然對流工況下不同參數對膜組件除濕、供冷性能的影響，探明了各運行參數對中空纖維膜組件性能的影響規律，在試驗因素水平范圍內獲得了組件單位膜面積除濕量5～14 g/h，顯熱供冷量4～24 W，除濕效率28%～65%的結果，證明了基于中空纖維膜的溶液除濕、同時供冷的技術思路的可行性，主要結論如下：

a）各因素對中空纖維膜組件除濕量影響由大到小排序為：溶液進口質量濃度，溶液進口溫度，進口流速。對顯熱供冷量影響由大到小排序為：溶液進口溫度，溶液進口流速，溶液進口質量濃度。

b）溶液進口質量濃度和溫度是影響除濕性能的主要參數。提高溶液進口質量濃度，降低溶液進口溫度有利于提高除濕性能。

c）膜管壁及膜管外存在較大傳質阻力，使組件的實際除濕量遠未達到理論除濕量，除濕效率較低。因此研究改進膜性能、強化膜外傳質，是提高除濕效率的重要途徑。

本文進行的自然對流條件下基于中空纖維膜的溶液除濕供冷實驗研究，是探索和發展新型空調除濕技術的新嘗試，取得了有意義的實驗結果，為可能的新型、高效空調除濕技術的研究開發提供了良好的基礎。

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（責任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2022-02-25? 網絡出版日期：2022-06-01網絡出版日期

基金項目： 浙江省自然科學基金項目（LY22E060004）

作者簡介： 李錦航（1997- ），男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事暖通空調新技術方面的研究。

通信作者： 張光玉，E-mail：guangyuzhang@zstu.edu.cn