高分子膜在空调中的应用研究进展

门玉葵

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004)

高分子膜在空调中的应用研究进展

门玉葵

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004)

空气除湿在日常生活和工业生产中都具有极其重要的意义。空气除湿有很多种方法，包括制冷除湿、冷却除湿、液体吸收除湿，膜法除湿等多种方法。在这些除湿方法中膜除湿技术因具有除湿过程连续、不耗能、除湿效率高，节能环保等优点，而受到了广泛关注。本文介绍了用于除湿的高分子膜材料，以及膜在除湿中的应用，分别介绍了它们的工作原理、优缺点等，并且指出了它们未来的发展方向。

空气除湿；膜法除湿；高分子膜

0 引 言

空气湿度对人体的健康有着重要影响，因此需要采取有效的措施来保证空气的湿度符合要求。适宜人体健康的空气相对湿度在40%～60%之间[1]。空气湿度过高或过低，不但造成大量生物污染物如真菌、细菌等滋生，还会影响化学污染物的释放，这些污染物主要是通过呼吸系统进入人体，进而影响人们的健康；此外，高湿的气候环境还会严重影响日常生产安全和产品质量。总之，不论对人们的生活质量，还是对工业生产来说，空气除湿都具有极其重要的意义。

空气除湿有很多种方法，包括制冷除湿、冷却除湿、液体吸收除湿、固体吸附除湿、电化学除湿、转轮法除湿，膜法除湿等多种方法[2]。在这些除湿方法中膜除湿技术因具有除湿过程连续、无腐蚀问题、无需阀门切换、无运动部件不耗能、除湿效率高、高效的显热、潜热效率、节能环保等优点，而受到了广泛关注。此外，膜式全热换热器相对于传统的转轮式全热换热器、板式全热换热器而言，主要的优点在于提高了显热效率和潜热效率，理论上效率可分别达到79%、62%。应用膜式全热换热器的制冷系统解决了在高温高湿度工况下系统性能下降的问题；另外膜式全热换热器优点在于对空气除湿，除去空气中部分病毒、细菌，有效的提高了室内空气品质，节省了能源[3]。

膜用于除湿的原理是在膜的两端产生一个浓度差，水蒸气就会透过膜，水蒸气与空气中其他成分在浓度差作用下也会选择性透过膜以实现除湿。这种浓度差既可以由膜两端压力差造成，又可由膜两端温度差造成[4]。因为浓度差是由温度和压力共同作用的结果。目前对膜空气除湿基本都是以膜两边的水蒸气分压差作为驱动势，因此为了强化传湿，应尽量增大膜两侧的压力差。具体在系统方案上，常依靠压缩处理空气来造成传质势差，或依靠降低渗透侧压力来传递水蒸气，或吹扫气法及膜/除湿剂混合系统。

1 膜除湿材料的研究进展

1.1 分子复合筛膜

无机膜是以无机材料为分离介质制成的具有分离功能的渗透膜，如陶瓷膜、金属膜、分子复合筛膜和玻璃膜，它具有耐化学腐蚀、耐高温、良好的机械强度等优点，但由于陶瓷膜、金属膜、玻璃膜的渗透系数低等缺点，不考虑作为除湿膜材料，目前分子复合筛膜是今年来膜除湿材料的研究的热点[6-7]。

分子复合筛膜是指表观孔径小于1 nm的膜。分子筛膜作为复合膜的控制层来使用，由于具有均匀的孔径，其孔径大小与分子尺寸相近，气体因分子大小不同而被分离，这种由分子筛分机制控制的选择性是微孔膜中最高的。它具有与分子大小相当、且均匀一致的孔径，可进行离子交换，具有高温稳定性、优良的选择催化性能、已被改性以及有多种不同的结构可供选择等优点，是理想的膜分离和膜催化材料。沸石膜作为一种新型无机膜，不仅具有一般无机膜的所有特性，而且还具有沸石分子筛固有的独特孔道结构和结构种类多样性及其性质的可调变性[8]。

这些无机膜则都需要对其进行改性才能以更优良的性能应用于除湿。

1.2 醋酸纤维素膜

用高分子复合成的复合膜、均质膜、非对称膜都曾被应用于空气除湿。现在用于除湿的有机高分子膜多是复合膜，是非对称膜的一种，因非对称膜具有物质分离作用最基本的两种特性，即高传质速率和良好的机械强度，现在仍有许多人对其进行制备与研究[9]。

醋酸纤维膜通过特殊工艺制成非对称膜，Pan 等[10]研究了非对称三醋酸纤维素中空纤维的除湿性能。在35 ℃, 渗透侧压力2.3 kPa条件下, 水的透过率为7.2×10-10g/cm2s Pa，纤维内径70 mm, 外径225 mm, 纤维的外表面是较厚的选择性活性层。实验采用的除湿器单元类似于管壳式换热器, 每个单元由32根14 cm长的纤维组成。经过对膜透水结果的分析可知, 膜的有效活性层厚度是1.1 mm。

王安来等[12]研究了用中空纤维膜除湿的传质过程。实验中使用的中空纤维膜单元参数如下:每个单元类似于一个管壳式换热器,外壳由尼龙做成,外径1.0 cm或2.5 cm,分别内含30根和400根纤维, 每根纤维长94 cm,外径600 mm,纤维由充满微孔的聚砜做支撑层, 内壁覆盖一层界面交联的硅氧烷酰胺作选择性活性层。这种膜的水蒸气与空气的选择性可以高达4 000∶1，水在单位膜厚的透过度也很高,达5 cm/s,所以,传质过程不仅与膜本身的阻力有关,而且与膜两侧的边界层也有很大的关系。通过实验模型的对比, 他们的分析认为:对于分离空气和水的膜过程, 空气穿过膜的传质阻力主要由膜本身的扩散阻力组成; 而水蒸气穿过膜的传质阻力主要由膜两侧的传质边界层的扩散阻力构成，所以可以认为膜本身对水的透过度有无穷大。另外,水蒸气与空气的选择性并非越大越好,合理选择选择性, 可以增加除湿量；减小膜面积，引入吹扫气,或使部分空气渗透流过膜,可减小渗透侧的膜厚度,降低水蒸气传质阻力,增加水蒸气的透过。实验表明,多孔聚砜中空纤维在操作压力0.7 MPa时, 除湿率85%, 干燥气露点可达-20 ℃以下。

2 膜在换热器中的的应用

2.1 膜式全热换热器

全热换热器的作用是从厂房、工作区等地的排放空气中对焓进行回收，对取用的外界空气进行预热增湿、或者预冷减湿。热交换过程除了传递显热外，还能同样有效地传递潜热。用膜作为全热换热器的芯体材料，相比传统材料，膜材料的使用能大幅度增加全热效率，优化换热性能。膜式全热换热器用以回收排风中的余热，降低新风能耗。

膜式全热换热器原理图如图1所示，全热换热器工作时，室内排风和新风分别交叉流经换热器芯体，由于膜两侧气流存在着温差和蒸汽分压差,由于新风和排风两股气流通过膜时其中各种化学物质在膜中的传递速度和溶解度不同，主要是扩散率的影响,而产生分离作用，呈现传热传质现象，引起全热交换过程，使空调房间的焓得到回收。夏季运行时，新风从空调排风获得冷量，使温度降低，同时被空调风干燥，这样新风的部分显热和潜热就会被带走，使新风含湿量降低；冬季运行时，新风从空调室排风获得热量，温度升高，可以把排风中的这部分热和湿回收回来，同时被空调室排风加湿。这样，通过换热芯体的全热换热过程，让新风从空调排风中回收能量[12-13]。

图1 膜式全热换热器原理示意图

2.2 膜式液体除湿器

膜式液体除湿采用液体除湿与膜法除湿相结合的方法，既保留了液体除湿可利用低品位能源、除湿效率高、无液态水等优点，又可以避免液体除湿带来的液滴夹带等缺点。膜式液体除湿的除湿器与再生器采用膜组件，可以将除湿溶液与空气隔离开来，避免除湿溶液与空气直接接触，膜组件所用的膜材料一般为高选择性透湿膜，对水蒸气有很高的透过性，而对除湿溶液和其他气体具有隔离作用。膜式液体除湿系统所用的除湿器或再生器主要有平行板式膜组件和中空纤维膜组件。

2.2.1 平板液体除湿器

Huang等人对平行板式膜接触器热质传递及入口发展段的影响建模作出了分析。分析结果表明入口发展段对热质传递有很大的影响。平行板式膜接触器中盐溶液和气流被膜分离，膜完全防止了液滴进入到空气，避免液体除湿带来的液滴夹带等缺点，还可以选择性的使热量和水蒸气穿过膜。平板式膜接触器，其结构如图2所示是最具代表性的液体除湿剂空气除湿接触器。它是最简单且最方便组合的结构[14-15]。

图2 平行板式液体除湿器

2.2.2 中空纤维膜液体除湿器

中空纤维液体除湿膜是将液体除湿、膜法除湿与冷却除湿结合起来，充分利用三种除湿的优点，避免了各自的缺点。钟文朝等[16]对中空纤维膜液体除湿组件进行了研究和热力学分析，设计并制作了中空纤维膜除湿组件/再生组件，改变膜两侧流体的入口工况，研究中空纤维膜特体除湿制冷过程的传热传质规律，并对对两个典型的“干工况”“湿工况”的除湿性能进行了分析及改性，在“湿工况”采用2%聚乙烯醇(PVA)溶液对中空纤维膜进行外表面涂抹改性，提高了除湿性能。

张卫兵等[17]提出采用多级中空纤维膜液体除湿系统将传统的液体除湿、膜法除湿与冷却除湿结合起来，利用中空纤维膜组件作为除湿系统的除湿器与再生器，避免了液体除湿带来的液沫夹带，中空纤维膜液体除湿器如图3.2.2所示；系统采用了多级除湿模块，可以对第一级除湿后的溶液进行降温，然后继续用于除湿，从而避免了溶液在除湿与再生循环之间的能量损耗；采用液体除湿与冷却除湿对空气进行逐级除湿，提高了系统的性能；系统中采用中空纤维膜组件代替金属换热器，避免了除湿溶液的腐蚀问题。中空纤维膜组件由数千根中空纤维膜组成，除湿溶液走中空纤维膜内侧，空气走中空纤维膜外侧，两者透过中空纤维膜进行热湿传递，其采用了两级的中空纤维膜组件，通过第二级中空纤维膜组件对第一级的除湿溶液进行降温，然后继续用于除湿。中空纤维膜组件作为除湿器与再生器，通过除湿溶液对空气进行除湿，同时通过室内排风对除湿溶液进行再生。

图3 中空纤维膜液体除湿器

3 结束语

在全国提倡节能减排的大环境下，由于膜的显热效率、潜热效率都很高，因此受到了专家学者、企业的广泛的青睐。目前由于膜价格昂贵，抑制了膜在换热器的实际应用。未来的膜换热器的工作和研究重点应放在对膜材料的优化工艺上，进一步提高膜的性能，降低膜的生产成本，以促进膜以及膜换热器在节能领域中的应用。

[1] 张立志. 除湿技术[M] . 北京: 化学工业出版社, 2005.

[2] ASHRAE. ASHRAE Handbook Fundamentals[M] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., 1997.

[3] 赵伟杰，张立志，裴丽霞. 新型除湿技术的研究进展[J]. 化工进展，2008，27(11)：1710-1718.

[4] 王学松.现代膜技术及其应用指南[M].北京:化学工业出版社，2005.

[5] Zhang L.Z., Niu J.L.. Effectiveness Correlations for Heat and Moisture Transfer Processes in an Enthalpy Exchanger With Membrane Cores[J]. Journal of Heat Transfer,2002,124:922-929.

[6] Murat G，Süer，N B，et al. Gas permeation characteristics of polymer-zeolite mixed matrix membranes[J]. Journal of Membrane Science，1994; 91( 1- 2) : 77-86.

[7] Marcel Mulder.膜技术基本原理[M].北京：清华大学出版社, 1999.

[8] 刘培生.多孔材料引论[M].北京:清华大学出版社，2012.

[9] Zhang L Z，Wang Y Y，Wang C L，et al. Synthesis and characterizationof a PVA/LiCl blend membrane for air dehumidification[J]. Journal of Membrane Science，2008; 308( 1-2) : 198-206.

[10] Pan C Y, et al. Permeation of water vapor through cellulose triacetate membranes in hollow fiber form[J]. J Applied Polymer Sci, 1978, 22: 2307-2323.

[11] 王安来,俞贤达. 脂肪醛与聚乙烯醇缩合膜透湿透气性的研究[J]. 膜科学与技术, 1990, 10(2): 32-36.

[12] Jingchun Min, Ming Su. Performance analysis of a membrane-based energy recovery ventilator: Effects of membrane spacing and thickness on the ventilator performance[J]. Applied Thermal Engineering 30(2010) 991-997.

[13] R. Sebai, R. Chouikh, A. Guizani. Cross-flow membrane-based enthalpy exchanger balanced. and unbalanced flow. [J] Energy Conversion and Management 87 (2014) 19-28.

[14] Si-Min Huang, Li-Zhi Zhang, Kai Tang, Li-Xia Pei.Fluid flow and heat mass transfer in membrane parallel-plates channels used for liquid desiccant air dehumidification[J].International Journal of Heat and Mass Transfer 55,2012;2571-2580.

[15] Si-Min Huang, Minlin Yang, Xiaoxi Yang. Performance analysis of a quasi-counterflow parallel-plate membrane contactor used for liquid desiccant air dehumidification[J].Applied Thermal Engineering 63,2014;323-332.

[16] 钟文朝，中空纤维膜液体除湿组件研究与热力学分析[D].广州：华南理工大学,2012.

[17] 张卫兵，多级中空纤维膜液体除湿系统的实验研究与数值模拟[D].广州：华南理工大学，2014.

Research Progress of Application of Polymer Film in Air Conditioning

MEN Yu-kui

(Guilin University of Electronic Technology, Architecture and Traffic Engineering College, Guilin 541004, Guangxi Province, China)

Air dehumidification has extremely significant on daily life and production. There are many kinds of methods for air dehumidification，including refrigeration dehumidification, cooling dehumidification, liquid absorptive dehumidification, membrane dehumidification and others. The membrane dehumidification has been widely concentrated for continuous dehumidification process, no energy consumption, high efficiency dehumidification, energy conservation and environment protection etc. In this paper, polymer membrane materials used for dehumidification and application of membrane dehumidification have been presented. Their operational principles，advantages and disadvantages are introduced. In addition, their future development directions are also introduced.

Air dehumidification; Membrane dehumidification; Polymer membrane materials

2015-03-28

2015-04-15

广西大学生创新创业训练计划立项项目(No.20131059563)

门玉葵，桂林电子科技大学建筑与交通工程学院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.013

TU831.3

B

1009-3230(2015)05-0040-06