中空纖維膜液體除濕過程中熱質(zhì)傳遞特性的實驗研究

殷少有張 寧

（1順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東高校熱泵工程技術(shù)開發(fā)中心 佛山 528333；2華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣州 510640）

中空纖維膜液體除濕過程中熱質(zhì)傳遞特性的實驗研究

殷少有1張 寧2

（1順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東高校熱泵工程技術(shù)開發(fā)中心 佛山 528333；2華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣州 510640）

利用基于中空纖維膜的液體除濕技術(shù)去除空氣中的水蒸氣，可以防止除濕溶液與濕空氣的直接接觸，有效避免傳統(tǒng)除濕方式造成的空氣夾液飛沫污染問題。本文搭建了除濕膜組件的性能測試實驗臺，研究了不同的空氣流量、溫度、壓力和溶液流量對除濕組件的熱質(zhì)傳遞特性的影響。結(jié)果表明：除濕膜組件具有20%～60%的除濕效率，與傳統(tǒng)的直接接觸式填料塔的除濕效率接近。在高溫或高濕的空氣運行工況下，膜組件的除濕量高達800 g／h。此外，膜式除濕技術(shù)還具有較強的空氣制冷能力，最大制冷量接近700 W。因此利用中空纖維膜液體除濕技術(shù)對空氣除濕特別適合我國南方濕熱地區(qū)的夏季氣候條件。

熱質(zhì)傳遞；實驗研究；除濕；液體除濕劑

閉式的空調(diào)系統(tǒng)會影響人體舒適感并容易引發(fā)流行性疾病，迫使人們越來越重視新風(fēng)質(zhì)量。因此如何控制新風(fēng)的濕度成為關(guān)鍵問題。冷卻除濕的方法因為必須把新風(fēng)溫度降到露點以下，消耗了大量的能源，而且使表冷器產(chǎn)生冷凝水容易滋生細菌從而影響室內(nèi)空氣環(huán)境，現(xiàn)在更為節(jié)能和環(huán)保的液體除濕方法得到迅速的發(fā)展。張海江等［1］利用Celdek規(guī)整填料搭建了叉流除濕器，選用LiCl-H2O溶液作為除濕劑，實驗研究了空氣、溶液進口參數(shù)對傳質(zhì)性能的影響，并建立了實驗關(guān)聯(lián)式。張寧等［2］采用PVC螺紋斜波紋板規(guī)整填料作為氣液接觸介質(zhì)，氯化鋰溶液與濕空氣逆流流動，實驗分析了溶液入口溫度和濃度對空氣出口溫度和含濕量的影響。胡中平等［3］通過改變系統(tǒng)中除濕器入口空氣及溶液的參數(shù)，得出空氣出口溫度、濕度隨之變化的狀況。在除濕器傳質(zhì)過程數(shù)學(xué)模型方面，H.M.Factor等［4］和A.Ali等［5］建立了用于逆流填料塔除濕器模型，劉曉華等［6］和Y.J.Dai等［7］建立了用于叉流除濕器的模型。

傳統(tǒng)的液體除濕均采用填料塔作為氣液接觸介質(zhì)以增大傳熱傳質(zhì)面積［1－7］，由于除濕溶液與濕空氣直接接觸，無法避免氣流對除濕溶液小液滴的夾帶。這些具有極高腐蝕性的小液滴隨新風(fēng)進入室內(nèi)，會污染室內(nèi)空氣環(huán)境［8－14］。本文采用親水／憎水中空纖維復(fù)合膜作為氣液傳質(zhì)媒介，由于復(fù)合膜具有良好的選擇性，只允許水蒸氣透過而對溶液有攔截作用，因此避免了除濕溶液與空氣直接接觸，有效防止了氣液夾帶現(xiàn)象。而中空纖維膜具有較高的比表面積，除濕組件填充密度高達1500 m2／m3，可以大大縮小除濕器的體積，確保較大的氣液傳質(zhì)有效面積，殼層空氣流動阻力也降低。

1 實驗系統(tǒng)的建立

1.1 膜材料與芯體制作

實驗采用實驗室自主開發(fā)的中空纖維復(fù)合膜［15－16］，該膜由 PVA／PVDF（聚乙烯醇／聚偏氟乙烯）膜制成的親水／憎水雙極性微孔膜，如圖1所示。膜內(nèi)側(cè)為便于水蒸氣滲透的多孔支撐層，膜外側(cè)為極薄的選擇層，其只允許空氣中的水蒸氣透過，而不允許空氣中的其他組分和溶液透過。

圖1 親水／憎水復(fù)合膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composite hydrophobic?hydrophilic membrane structure

圖2 中空纖維膜除濕組件示意圖Fig.2 Schematic of the hollow fiber membrane module

膜外徑1.6 mm，膜內(nèi)徑1.2 mm，有效長度為380 mm。中空纖維膜組件由7 120根中空纖維膜以三角形排列，用環(huán)氧樹脂封端封于200 mm×150 mm的矩形透明有機玻璃板框內(nèi)制備而成。芯體填充率為30%，芯體總體尺寸為380 mm×200 mm×150 mm。圖2所示為中空纖維膜除濕組件結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 實驗裝置與操作

實驗過程中采用LiCl作為除濕溶液，實驗裝置如圖3所示。除濕溶液通過換熱器控制溫度，然后進入中空纖維膜除濕組件，吸收透過膜傳遞的空氣中的水蒸氣，最后流進儲液槽。濕熱的新風(fēng)在風(fēng)機驅(qū)動下橫掠過纖維膜外表面，在膜內(nèi)外水蒸氣分壓差的推動下，部分水蒸氣透過膜孔傳遞到膜內(nèi)被溶液吸收，除濕后的空氣排到室內(nèi)。

圖3 除濕實驗裝置圖Fig.3 Schematic of the hollow fiber membrane module dehumidification test rig

2 實驗結(jié)果與討論

衡量中空纖維膜液體除濕器除濕性能的指標包括：除濕量w，g／h；除濕效率η；總傳質(zhì)系數(shù)ktot，m／s；制冷量Qc，W。

1）除濕量式中：V為流量，m3／h；ρ為密度，kg／m3；ω為濕度，g／kg；下標a、i、o分別為空氣、進口、出口。

2）除濕效率

式中：下標e為與溶液進口相平衡的狀態(tài)。

3）總傳質(zhì)系數(shù)

式中：Atot為總傳質(zhì)面積，m2；Δωm為對數(shù)平均濕差，kg。

4）制冷量

式中：h為空氣的比焓，kJ／kg。

空氣和溶液的進口參數(shù)如表1所示。

表1 空氣和溶液進口工況Fig.1 The inlet conditions of air and solution

2.1 變進口新風(fēng)流量對除濕器性能的影響

改變進口新風(fēng)的流量，表1中其他進口參數(shù)保持不變，研究不同的新風(fēng)流量對除濕器性能的影響。

圖4 新風(fēng)流量對除濕量和除濕效率的影響Fig.4 Effect of air flow rates on dehumidification rates and dehumidification efficiency

圖5 新風(fēng)流量對制冷量和總傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.5 Effect of air flow rates on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

如圖4和圖5所示，隨著新風(fēng)流量的增大，除濕器的除濕量、制冷量和總傳質(zhì)系數(shù)均增加，而除濕效率減小。這是因為殼層濕空氣流量增加，提高了橫掠過膜外表面的速度，使流場擾動加劇，膜外表面的空氣層流底層變薄，減少了殼層的傳熱傳質(zhì)阻力。中空纖維膜除濕器的傳質(zhì)阻力可以分為三部分：殼層空氣側(cè)阻力、膜體本身傳遞水蒸氣的阻力以及管內(nèi)溶液側(cè)阻力。新風(fēng)流量增大，使殼層空氣側(cè)層流底層變薄，阻力變小。因而除濕器總的傳質(zhì)阻力變小，總傳質(zhì)系數(shù)增加。但是隨著新風(fēng)流量的增加，氣流流速加大，又造成空氣與膜內(nèi)溶液的傳熱傳質(zhì)時間減小，除濕溶液于濕空氣的傳熱傳質(zhì)不能充分進行，導(dǎo)致出口空氣的含濕量上升，除濕效率降低。

2.2 變新風(fēng)進口溫度對除濕器性能的影響

當改變進口新風(fēng)溫度，其他進口參數(shù)保持不變時，除濕組件性能指標的變化情況如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，隨著新風(fēng)溫度的增加，除濕器的除濕量、總傳質(zhì)系數(shù)和制冷量均增加，而除濕效率則下降。主要原因為：新風(fēng)溫度上升增加了新風(fēng)的含濕量，使膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差增大，擴大了水蒸氣傳質(zhì)推動力，造成除濕量增加。同時新風(fēng)溫度的增加使水蒸氣在層流底層的擴散速率增大，總傳質(zhì)系數(shù)也隨之增加。新風(fēng)溫度增加一方面造成空氣與溶液的潛熱交換量變大；另一方面膜兩側(cè)的傳熱溫差也變大。當有效膜面積不變時，顯熱交換量增加，因此新風(fēng)制冷量上升。由于水蒸氣大量傳遞到溶液中冷凝要釋放大量的潛熱，除濕溶液的溫升很快，導(dǎo)致除濕能力迅速下降，除濕效率降低。

圖6 新風(fēng)溫度對除濕量和除濕效率的影響Fig.6 Effect of air temperature on dehumidification rates and dehumidification efficiency

圖7 新風(fēng)溫度對制冷量和總傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.7 Effect of air temperature on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

2.3 變新風(fēng)進口濕度對除濕器性能的影響

由圖8和圖9可知，隨著新風(fēng)相對濕度的增加，除濕器除濕量、除濕效率、總傳質(zhì)系數(shù)和新風(fēng)制冷量均增加。這是由于在新風(fēng)溫度不變的條件下，相對濕度的增加使新風(fēng)中含濕量增加，于是膜內(nèi)外水蒸氣分壓差增大，水蒸氣透過膜的傳質(zhì)推動力增加，因此除濕量、除濕效率和總傳質(zhì)系數(shù)都增大，最大除濕量可達800 g／h。新風(fēng)溫度升高時，新風(fēng)中大量水蒸氣透過膜被除濕溶液吸收帶走，導(dǎo)致新風(fēng)進出口的焓值增加，故制冷量上升。

圖8 新風(fēng)濕度對除濕量和除濕效率的影響Fig.8 Effect of air humidity on dehumidification rates and dehumidification efficiency

圖9 新風(fēng)濕度對制冷量和總傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.9 Effect of air humidity on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

2.4 變?nèi)芤毫髁繉Τ凉衿餍阅艿挠绊?/p>

除濕系統(tǒng)的性能在不同溶液流量下的變化情況如圖10和圖11所示。從圖中可以看出，除濕器除濕量、除濕效率、總傳質(zhì)系數(shù)和新風(fēng)制冷量都隨著溶液流量的增加而增加。當溶液流量越大時，除濕過程造成溶液濃度降低和溫度升高的變化就越不明顯，這兩個因素使系統(tǒng)的除濕效率更高，除濕量更大。另一方面，隨著溶液流量的加大，管內(nèi)溶液側(cè)層流底層變薄，傳熱阻力減小，造成除濕器內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)加大，也增加了顯熱的傳遞量。除濕量增加和顯熱交換量增大使新風(fēng)獲得的冷量隨溶液流量增大而增大。

3 結(jié)論

本文利用中空纖維膜進行液體除濕，可以防止除濕溶液與濕空氣直接接觸，有效避免傳統(tǒng)除濕技術(shù)存在的氣液夾帶問題。并搭建了中空纖維膜組件的測試平臺，進行變工況除濕性能實驗，得到如下結(jié)論：

1）在不同的除濕工況下，中空纖維膜除濕組件都具有20%～60%的除濕效率，與傳統(tǒng)的直接接觸式填料塔的除濕效率接近。

2）中空纖維膜組件的除濕量隨著空氣流量、空氣溫度和濕度以及溶液流量的增加而增加，對于高溫或高濕的空氣運行工況，膜組件的除濕量高達800 g／h，因此特別適合我國南方濕熱地區(qū)的夏季氣候條件。

3）低溫的除濕溶液一方面通過熱傳遞降低空氣的溫度，另一方面在吸收空氣中水蒸氣在溶液側(cè)凝結(jié)時釋放的潛熱，因此中空纖維膜液體除濕技術(shù)在進行空氣除濕的同時還具有較高的制冷能力，最大制冷量接近700 W。

圖10 溶液流量對除濕量和除濕效率的影響Fig.10 Effect of solution flow rates on dehumidification rates and dehumidification efficiency

圖11 溶液流量對制冷量和總傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.11 Effect of solution flow rates on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

本文受中央高校基本科研業(yè)務(wù)費基金（2015ZM109）——膜式除濕系統(tǒng)的動態(tài)特性研究項目資助。（The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central U-niversities（No.2015ZM109）：dynamic behavior study of membrane-based air dehumidification system.）

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Experimental Study on Heat and Mass Transfer Characteristics of Hollow Fiber Membrane?based Liquid Desiccant Air Dehumidification

Yin Shaoyou1Zhang Ning2
（1.Heat Pump Engineering and Technology Development Center of Guangdong Universities，Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan，528333，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China）

In the hollow-fiber-membrane-based liquid desiccant air dehumidification process，water vapor can permeate through the membrane effectively，while the liquid desiccant droplets are prevented from crossover.Hence，the traditional problems of desiccant droplet crossover and indoor environmental pollution are solved.In this research，a test rig of the membrane module is built，and the performance of the system is investigated experimentally.The results show that the dehumidification efficiency is in the range of 20% －60%.This is comparable to a direct-contact packed bed dehumidifier.The largest dehumidification rate is about 800 g／h under very hot and humid weather conditions.Moreover，the cooling capacity of the dehumidification is as high as 700 W.Therefore，it performs well even under hot，and humid South China weather conditions.

heat and mass transfer；experimental study；dehumidification；liquid desiccant

TU834.9；TK124

：A

：0253－4339（2017）03－0096－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.096

張寧，男，工程師，華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，（020）87113870，E-mail：nzhang＠scut.edu.cn。研究方向：膜式空氣除濕技術(shù)的傳熱傳質(zhì)研究和膜式除濕系統(tǒng)的性能優(yōu)化研究。

國家自然科學(xué)基金（51506055，51576136）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51506055＆No.51576136）.）

2016年10月8日

About the corresponding author

Zhang Ning，male，engineer，School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology， ＋86 20-87113870，E-mail：nzhang＠scut.edu.cn.Research fields：heat and mass transfer of membrane-based air dehumidification，optimization research for membrane-based air dehumidification system.