錯流式平板膜除濕組件除濕性能實驗研究

牛潤萍, 李翼帆, 孔祥辰

(北京建筑大學 環境與能源工程學院, 北京 102600)

1 概述

空氣濕度是影響人體舒適性、生產條件、物質保存條件的重要因素,過高的空氣濕度易引起金屬銹蝕以及食品、藥品等變質,給生產生活帶來損失。濕度與人體舒適感和人體健康息息相關,人長時間處于濕度過大的環境易影響體溫調節功能,高濕度環境也促使微生物與污染物滋生,從而影響人們的生活。因此,空氣除濕對營造舒適的生活環境,改善室內空氣品質有重要意義。

傳統的蒸氣壓縮式空調系統通過降低空氣溫度,使空氣溫度低于露點,以達到除濕效果。但為了滿足人體舒適度,空調送風溫度一般高于露點。因此,需要對除濕后的空氣進行再加熱,導致了額外能耗。相比之下,溶液除濕采用除濕液體吸收空氣中水分,無需再進行加熱處理,能耗更低。但經溶液除濕的空氣易夾帶液滴,導致空氣污染,為解決這一問題,研究者提出了分離空氣和除濕溶液的膜除濕技術[1]。該技術憑借結構簡單、不需要旋轉部件、空氣不與除濕溶液直接接觸、可連續工作、可靠性高、除濕效率高等優點在各種除濕技術中脫穎而出,應用領域涉及暖通空調全熱回收、壓縮空氣除濕、空間應用等[2-4]。

本文以錯流式平板膜除濕組件為研究對象,實驗分析膜組件進口濕空氣流速、進口濕空氣溫度、進口濕空氣含濕量、進口除濕溶液速度、進口除濕溶液溫度、進口除濕溶液質量分數等因素對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 實驗內容

2.1 膜組件

錯流式平板膜除濕組件(簡稱膜組件)結構見圖1。濕空氣與除濕溶液在膜組件中成90°錯流流動,濕空氣與除濕溶液間為除濕膜。空氣流道、溶液流道均由有機玻璃板切割而成。濕空氣、除濕溶液均分別通過軟管通入空氣流道、溶液流道,空氣軟管內直徑為15 mm,溶液軟管內直徑為6 mm。

圖1 膜組件結構

除濕膜分為親水膜、疏水膜。親水膜在除濕過程中除濕溶液會潤濕除濕膜,當除濕膜被完全浸濕后其傳質能力大幅下降。疏水膜阻止了液態水向除濕膜內的流動。因此,實驗選擇聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜作為除濕膜。除濕溶液選取LiCl溶液。膜組件結構參數見表1。

表1 膜組件結構參數

2.2 實驗系統

膜組件實驗系統流程見圖2。膜組件實驗系統由空氣循環回路、溶液循環回路組成。在實驗過程中采用空氣壓縮機將濕空氣送入膜組件中,進口空氣流量通過調節閥門開度控制。使用熱風機調整進口空氣溫度,通過加濕器調整進口空氣含濕量。使用風速儀測量進口空氣流速,進出口空氣溫度和相對濕度由溫濕度測量儀測量。除濕溶液通過溶液泵送入膜組件,除濕溶液流速通過調節溶液泵轉速控制。使用電子溫度計對膜組件進出口溶液溫度進行測量。采用恒溫水箱調整除濕溶液溫度。

圖2 膜組件實驗系統流程

每組實驗工況做5次,最終實驗結果取5次實驗結果平均值。實驗在專業實驗室進行,實驗條件良好,實驗參數控制得當。

2.3 膜組件除濕性能評價指標

評價膜組件除濕性能的評價指標為除濕量、除濕效率。除濕量表示在單位時間內除濕溶液吸收的空氣中水蒸氣質量,除濕效率表示進出口空氣含濕量差和氣液兩相熱質交換達到動態平衡時進出口空氣含濕量差的比值。

膜組件除濕量的計算式為:

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(根據風速儀測得的空氣流速及空氣軟管內直徑計算得到),m3/s

da,in——進口空氣含濕量,g/kg

da,out——出口空氣含濕量,g/kg

空氣含濕量的計算式為:

da=φdb

(2)

式中φ——空氣相對濕度

db——空氣飽和含濕量[5],g/kg

膜組件除濕效率的計算式為:

(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交換達到動態平衡時,濕空氣中水蒸氣分壓力與除濕溶液表面蒸汽壓相等時的空氣含濕量,計算式為[6]:

(4)

式中ps——除濕溶液表面蒸汽壓,Pa,查閱文獻[6]獲得

p——大氣壓力,Pa,實驗室大氣壓力為101 325 Pa

3 實驗結果與分析

3.1 進口空氣參數影響

① 進口空氣流速

進行進口空氣流速影響實驗時,進口空氣流速變化范圍為0.5～2.5 m/s,變化步長為0.5 m/s。盡量保持以下參數穩定:進口空氣溫度30 ℃,進口空氣含濕量15 g/kg,進口溶液流速0.1 m/s,進口溶液溫度25 ℃,進口溶液質量分數30%。

出口空氣含濕量隨進口空氣流速的變化見圖3。由圖3可知,出口空氣含濕量隨進口空氣流速增大而增大。這是由于空氣流速加快,導致濕空氣與除濕溶液之間傳質時間縮短,出口空氣含濕量增大。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進口空氣流速的變化見圖4。由圖4可知,膜組件除濕量隨進口空氣流速增大而增大,這主要是由于進口空氣流速增大所致。膜組件除濕效率隨進口空氣流速增大而減小。這主要是由于進口空氣流速增大加強了氣液間傳熱,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口空氣流速增大而減小。因此,降低進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口空氣流速的變化

② 進口空氣溫度

進行進口空氣溫度影響實驗時,進口空氣溫度變化范圍為26～34 ℃,變化步長為2 ℃。盡量保持以下參數穩定:進口空氣流速1 m/s,進口空氣含濕量15 g/kg,進口溶液流速0.1 m/s,進口溶液溫度25 ℃,進口溶液質量分數30%。

出口空氣含濕量隨進口空氣溫度的變化見圖5。由圖5可知,出口空氣含濕量隨進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口空氣溫度的變化見圖6。由圖6可知,膜組件除濕量、除濕效率均隨進口空氣溫度升高而減小,但減小幅度有限。與進口空氣流速相比,進口空氣溫度對膜組件除濕量、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口空氣溫度的變化

③ 進口空氣含濕量

進行進口空氣含濕量影響實驗時,進口空氣含濕量變化范圍為15～19 g/kg,變化步長為1 g/kg。盡量保持以下參數穩定:進口空氣溫度30 ℃,進口空氣流速1 m/s,進口溶液流速0.1 m/s,進口溶液溫度25 ℃,進口溶液質量分數30%。

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

圖7 出口空氣含濕量隨進口空氣含濕量的變化

圖8 膜組件除濕量、除濕效率隨進口空氣含濕量的變化

3.2 進口溶液參數影響

① 進口溶液流速

進行進口溶液流速影響實驗時,進口溶液流速分別取0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 m/s。盡量保持以下參數穩定:進口空氣流速1 m/s,進口空氣溫度30 ℃,進口空氣含濕量15 g/kg,進口溶液溫度25 ℃,進口溶液質量分數30%。

出口空氣含濕量隨進口溶液流速的變化見圖9。由圖9可知,出口空氣含濕量隨進口溶液流速增大而減小。主要原因為進口溶液流速增大,除濕溶液質量分數變化減小,有利于維持溶液吸濕能力穩定。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進口溶液流速的變化見圖10。由圖10可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進口溶液流速增大而增大。主要原因為進口溶液流速增大,除濕溶液質量分數變化減小,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口溶液流速的變化

② 進口溶液溫度

進行進口溶液溫度影響實驗時,進口溶液溫度變化范圍為25～29 ℃,變化步長為1 ℃。盡量保持以下參數穩定:進口空氣流速1 m/s,進口空氣溫度30 ℃,進口空氣含濕量15 g/kg,進口溶液流速0.1 m/s,進口溶液質量分數30%。

出口空氣含濕量隨進口溶液溫度的變化見圖11。由圖11可知,出口空氣含濕量隨進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口溶液溫度的變化見圖12。由圖12可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進口溶液溫度升高而減小,但減小幅度有限。與進口溶液流速相比,進口溶液溫度對膜組件除濕量、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口溶液溫度的變化

③ 進口溶液質量分數

進行進口溶液質量分數影響實驗時,進口溶液質量分數變化范圍為30%～38%,變化步長為2%。盡量保持以下參數穩定:進口空氣流速1 m/s,進口空氣溫度30 ℃,進口空氣含濕量15 g/kg,進口溶液流速0.1 m/s,進口溶液溫度25 ℃。

出口空氣含濕量隨進口溶液質量分數的變化見圖13。由圖13可知,出口空氣含濕量隨進口溶液質量分數增大而減小,但減小幅度有限。膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進口溶液質量分數的變化見圖14。由圖14可知,膜組件除濕量、膜組件除濕效率均隨進口溶液質量分數增大而增大,但增大幅度有限。與進口溶液流速相比,進口溶液質量分數對膜組件除濕量、膜組件除濕效率的影響較小。

圖13 出口空氣含濕量隨進口溶液質量分數的變化

圖14 膜組件除濕量、膜組件除濕效率隨進口溶液質量分數的變化

4 結論

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

② 增大進口除濕溶液流速可提高膜組件除濕性能。與進口除濕溶液流速相比,進口除濕溶液溫度、進口除濕溶液質量分數對膜組件除濕性能影響較小。