膜式液體除濕技術(shù)膜組件結(jié)構(gòu)研究

羅城鑫　谷菁

摘? 要：膜式液體除濕技術(shù)可以充分利用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉椿蚬I(yè)低品位余熱驅(qū)動(dòng)除濕溶液再生，代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷凍除濕過程的電力消耗，平衡電網(wǎng)用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。但膜式液體除濕技術(shù)的膜組件結(jié)構(gòu)還存在成本高，穩(wěn)定性差等問題，這制約了技術(shù)的規(guī)?；茝V和應(yīng)用。文章介紹了膜式液體除濕技術(shù)及兩種膜組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：膜式;液體除濕;膜組件;結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU834.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)舒適性和空氣質(zhì)量都非常重要。據(jù)報(bào)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(huì)感到舒適[1]。在傳統(tǒng)的空調(diào)除濕系統(tǒng)中，室外空氣被冷卻到其露點(diǎn)溫度以下使空氣中的水蒸氣冷凝，從而達(dá)到除濕的目的。由于冷卻后的空氣溫度太低，把它送到室內(nèi)仍然需要加熱到合適的溫度，這個(gè)冷卻和加熱是高能耗過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國南方炎熱潮濕地區(qū)，用于空氣除濕的能耗占空調(diào)能耗的20-40%[2]，與此同時(shí)，空氣冷凝的冷卻盤管由于長時(shí)間處于潮濕的環(huán)境中，給細(xì)菌的滋生創(chuàng)造了良好的條件，從而使室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化。

為了降低傳統(tǒng)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(shù)等技術(shù)。單一除濕技術(shù)的膜穩(wěn)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(yán)重制約了技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，組合除濕由于具有集成優(yōu)勢成為除濕技術(shù)的重點(diǎn)研究課題。

2 膜式液體除濕技術(shù)概述

液體除濕技術(shù)本身雖然不新，但將多孔膜用于液體除濕系統(tǒng)是個(gè)相對較新的研究方向。膜式液體除濕技術(shù)是膜法除濕和液體除濕的有機(jī)集成，其核心除濕組件基本原理如圖1所示：當(dāng)空氣橫掠膜組件時(shí)，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(cè)的除濕溶液透過它;液體除濕劑與空氣呈逆流或錯(cuò)流方向布置，利用液體除濕劑的強(qiáng)吸水性，隨著溶液的流動(dòng)，空氣側(cè)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(jìn)行加熱再生，濃縮后的除濕劑繼續(xù)送到除濕組件實(shí)現(xiàn)對空氣的連續(xù)除濕。

液體除濕技術(shù)可以利用工業(yè)低品位余熱驅(qū)動(dòng)除濕溶液再生，降低除濕系統(tǒng)的運(yùn)行成本。從分布式能源“溫度對口、梯級利用”的科學(xué)用能思想[3]來看，它可以提高分布式能源系統(tǒng)的綜合能源利用率。除此之外，液體除濕劑還有除菌的優(yōu)點(diǎn)，在空氣除濕領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。空氣與液體除濕劑直接接觸液體除濕技術(shù)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(huì)腐蝕空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)，室內(nèi)設(shè)備設(shè)施，還會(huì)惡化空氣質(zhì)量并影響人體健康。基于膜式的液體除濕技術(shù)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(shí)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)過程，解決了直接接觸液體除濕技術(shù)的氣流攜帶問題。

3 膜除濕組件結(jié)構(gòu)

膜除濕組件是膜式液體除濕技術(shù)完成傳熱傳質(zhì)過程的核心部件，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響了系統(tǒng)的除濕性能，常用的除濕組件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2所示，空氣與液體除濕劑呈錯(cuò)流形式交替通過膜組件，空氣中水蒸氣不斷透過多孔膜進(jìn)入除濕溶液。平行板式膜組件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，膜容易發(fā)生變形[4]，影響組件除濕性能和系統(tǒng)使用壽命。

3.2 中空纖維膜組件

中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)類似管殼式換熱器，如圖3所示，它由數(shù)千根中空纖維膜組成，除濕溶液走中空纖維膜內(nèi)側(cè)，空氣走中空纖維膜外側(cè)[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(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yōu)勢，所以它的應(yīng)用更為廣泛。

液體除濕劑的吸濕過程，水蒸氣由氣態(tài)變成液態(tài)釋放出汽化潛熱，使液體除濕劑溶液溫度不斷升高，相對應(yīng)的飽和蒸汽壓增大，跨過膜結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)推動(dòng)力就會(huì)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(xù)性，需要對除濕組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制液體除濕劑吸濕過程的溫升，維持選擇透過膜的傳質(zhì)推動(dòng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。由于平行板式膜組件結(jié)構(gòu)簡單，對其除濕溶液的冷卻設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)力。針對中空纖維膜組件的冷卻優(yōu)化，張衛(wèi)兵[9]設(shè)計(jì)了兩級中空纖維膜液體除濕系統(tǒng)，后一級膜組件對除濕溶液降溫后繼續(xù)送往第一級實(shí)現(xiàn)連續(xù)除濕。

4 結(jié)束語

2019年8月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布關(guān)于支持深圳建設(shè)中國特色社會(huì)主義先行示范區(qū)的意見，能源高效利用和綠色節(jié)能必將成為新時(shí)代社會(huì)主義建設(shè)和發(fā)展的主旋律。液體除濕劑的低品位余熱驅(qū)動(dòng)適應(yīng)性增強(qiáng)了膜式液體除濕技術(shù)發(fā)展的潛力，分布式能源系統(tǒng)與膜式液體除濕的系統(tǒng)集成技術(shù)將會(huì)在平衡電網(wǎng)負(fù)荷及資源優(yōu)化配置中發(fā)揮更重要的作用。

為促進(jìn)膜式液體除濕技術(shù)的規(guī)模化推廣，還需對其膜組件進(jìn)行如下研究：

（1）研發(fā)適應(yīng)于平行板式膜組件多孔膜材料，增加膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。

（2）開展與膜組件結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)方法和技術(shù)研究。

（3）研發(fā)新型膜組件內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。

（4）優(yōu)化中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)阻力損失。

（5）尋求更友好且適用于膜組件結(jié)構(gòu)液體除濕劑。

參考文獻(xiàn)：

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

[9]張衛(wèi)兵.多級中空纖維膜液體除濕系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].華南理工大學(xué)，2014.