中空纤维膜液体除湿过程中热质传递特性的实验研究

殷少有张 宁

（1顺德职业技术学院广东高校热泵工程技术开发中心 佛山 528333；2华南理工大学化学与化工学院 广州 510640）

中空纤维膜液体除湿过程中热质传递特性的实验研究

殷少有1张 宁2

（1顺德职业技术学院广东高校热泵工程技术开发中心 佛山 528333；2华南理工大学化学与化工学院 广州 510640）

利用基于中空纤维膜的液体除湿技术去除空气中的水蒸气，可以防止除湿溶液与湿空气的直接接触，有效避免传统除湿方式造成的空气夹液飞沫污染问题。本文搭建了除湿膜组件的性能测试实验台，研究了不同的空气流量、温度、压力和溶液流量对除湿组件的热质传递特性的影响。结果表明：除湿膜组件具有20%～60%的除湿效率，与传统的直接接触式填料塔的除湿效率接近。在高温或高湿的空气运行工况下，膜组件的除湿量高达800 g／h。此外，膜式除湿技术还具有较强的空气制冷能力，最大制冷量接近700 W。因此利用中空纤维膜液体除湿技术对空气除湿特别适合我国南方湿热地区的夏季气候条件。

热质传递；实验研究；除湿；液体除湿剂

闭式的空调系统会影响人体舒适感并容易引发流行性疾病，迫使人们越来越重视新风质量。因此如何控制新风的湿度成为关键问题。冷却除湿的方法因为必须把新风温度降到露点以下，消耗了大量的能源，而且使表冷器产生冷凝水容易滋生细菌从而影响室内空气环境，现在更为节能和环保的液体除湿方法得到迅速的发展。张海江等［1］利用Celdek规整填料搭建了叉流除湿器，选用LiCl-H2O溶液作为除湿剂，实验研究了空气、溶液进口参数对传质性能的影响，并建立了实验关联式。张宁等［2］采用PVC螺纹斜波纹板规整填料作为气液接触介质，氯化锂溶液与湿空气逆流流动，实验分析了溶液入口温度和浓度对空气出口温度和含湿量的影响。胡中平等［3］通过改变系统中除湿器入口空气及溶液的参数，得出空气出口温度、湿度随之变化的状况。在除湿器传质过程数学模型方面，H.M.Factor等［4］和A.Ali等［5］建立了用于逆流填料塔除湿器模型，刘晓华等［6］和Y.J.Dai等［7］建立了用于叉流除湿器的模型。

传统的液体除湿均采用填料塔作为气液接触介质以增大传热传质面积［1－7］，由于除湿溶液与湿空气直接接触，无法避免气流对除湿溶液小液滴的夹带。这些具有极高腐蚀性的小液滴随新风进入室内，会污染室内空气环境［8－14］。本文采用亲水／憎水中空纤维复合膜作为气液传质媒介，由于复合膜具有良好的选择性，只允许水蒸气透过而对溶液有拦截作用，因此避免了除湿溶液与空气直接接触，有效防止了气液夹带现象。而中空纤维膜具有较高的比表面积，除湿组件填充密度高达1500 m2／m3，可以大大缩小除湿器的体积，确保较大的气液传质有效面积，壳层空气流动阻力也降低。

1 实验系统的建立

1.1 膜材料与芯体制作

实验采用实验室自主开发的中空纤维复合膜［15－16］，该膜由 PVA／PVDF（聚乙烯醇／聚偏氟乙烯）膜制成的亲水／憎水双极性微孔膜，如图1所示。膜内侧为便于水蒸气渗透的多孔支撑层，膜外侧为极薄的选择层，其只允许空气中的水蒸气透过，而不允许空气中的其他组分和溶液透过。

图1 亲水／憎水复合膜结构示意图Fig.1 Composite hydrophobic⁃hydrophilic membrane structure

图2 中空纤维膜除湿组件示意图Fig.2 Schematic of the hollow fiber membrane module

膜外径1.6 mm，膜内径1.2 mm，有效长度为380 mm。中空纤维膜组件由7 120根中空纤维膜以三角形排列，用环氧树脂封端封于200 mm×150 mm的矩形透明有机玻璃板框内制备而成。芯体填充率为30%，芯体总体尺寸为380 mm×200 mm×150 mm。图2所示为中空纤维膜除湿组件结构示意图。

1.2 实验装置与操作

实验过程中采用LiCl作为除湿溶液，实验装置如图3所示。除湿溶液通过换热器控制温度，然后进入中空纤维膜除湿组件，吸收透过膜传递的空气中的水蒸气，最后流进储液槽。湿热的新风在风机驱动下横掠过纤维膜外表面，在膜内外水蒸气分压差的推动下，部分水蒸气透过膜孔传递到膜内被溶液吸收，除湿后的空气排到室内。

图3 除湿实验装置图Fig.3 Schematic of the hollow fiber membrane module dehumidification test rig

2 实验结果与讨论

衡量中空纤维膜液体除湿器除湿性能的指标包括：除湿量w，g／h；除湿效率η；总传质系数ktot，m／s；制冷量Qc，W。

1）除湿量式中：V为流量，m3／h；ρ为密度，kg／m3；ω为湿度，g／kg；下标a、i、o分别为空气、进口、出口。

2）除湿效率

式中：下标e为与溶液进口相平衡的状态。

3）总传质系数

式中：Atot为总传质面积，m2；Δωm为对数平均湿差，kg。

4）制冷量

式中：h为空气的比焓，kJ／kg。

空气和溶液的进口参数如表1所示。

表1 空气和溶液进口工况Fig.1 The inlet conditions of air and solution

2.1 变进口新风流量对除湿器性能的影响

改变进口新风的流量，表1中其他进口参数保持不变，研究不同的新风流量对除湿器性能的影响。

图4 新风流量对除湿量和除湿效率的影响Fig.4 Effect of air flow rates on dehumidification rates and dehumidification efficiency

图5 新风流量对制冷量和总传质系数的影响Fig.5 Effect of air flow rates on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

如图4和图5所示，随着新风流量的增大，除湿器的除湿量、制冷量和总传质系数均增加，而除湿效率减小。这是因为壳层湿空气流量增加，提高了横掠过膜外表面的速度，使流场扰动加剧，膜外表面的空气层流底层变薄，减少了壳层的传热传质阻力。中空纤维膜除湿器的传质阻力可以分为三部分：壳层空气侧阻力、膜体本身传递水蒸气的阻力以及管内溶液侧阻力。新风流量增大，使壳层空气侧层流底层变薄，阻力变小。因而除湿器总的传质阻力变小，总传质系数增加。但是随着新风流量的增加，气流流速加大，又造成空气与膜内溶液的传热传质时间减小，除湿溶液于湿空气的传热传质不能充分进行，导致出口空气的含湿量上升，除湿效率降低。

2.2 变新风进口温度对除湿器性能的影响

当改变进口新风温度，其他进口参数保持不变时，除湿组件性能指标的变化情况如图6和图7所示。从图中可以看出，随着新风温度的增加，除湿器的除湿量、总传质系数和制冷量均增加，而除湿效率则下降。主要原因为：新风温度上升增加了新风的含湿量，使膜两侧的水蒸气分压差增大，扩大了水蒸气传质推动力，造成除湿量增加。同时新风温度的增加使水蒸气在层流底层的扩散速率增大，总传质系数也随之增加。新风温度增加一方面造成空气与溶液的潜热交换量变大；另一方面膜两侧的传热温差也变大。当有效膜面积不变时，显热交换量增加，因此新风制冷量上升。由于水蒸气大量传递到溶液中冷凝要释放大量的潜热，除湿溶液的温升很快，导致除湿能力迅速下降，除湿效率降低。

图6 新风温度对除湿量和除湿效率的影响Fig.6 Effect of air temperature on dehumidification rates and dehumidification efficiency

图7 新风温度对制冷量和总传质系数的影响Fig.7 Effect of air temperature on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

2.3 变新风进口湿度对除湿器性能的影响

由图8和图9可知，随着新风相对湿度的增加，除湿器除湿量、除湿效率、总传质系数和新风制冷量均增加。这是由于在新风温度不变的条件下，相对湿度的增加使新风中含湿量增加，于是膜内外水蒸气分压差增大，水蒸气透过膜的传质推动力增加，因此除湿量、除湿效率和总传质系数都增大，最大除湿量可达800 g／h。新风温度升高时，新风中大量水蒸气透过膜被除湿溶液吸收带走，导致新风进出口的焓值增加，故制冷量上升。

图8 新风湿度对除湿量和除湿效率的影响Fig.8 Effect of air humidity on dehumidification rates and dehumidification efficiency

图9 新风湿度对制冷量和总传质系数的影响Fig.9 Effect of air humidity on cooling capacity and overall mass transfer coefficient

2.4 变溶液流量对除湿器性能的影响

除湿系统的性能在不同溶液流量下的变化情况如图10和图11所示。从图中可以看出，除湿器除湿量、除湿效率、总传质系数和新风制冷量都随着溶液流量的增加而增加。当溶液流量越大时，除湿过程造成溶液浓度降低和温度升高的变化就越不明显，这两个因素使系统的除湿效率更高，除湿量更大。另一方面，随着溶液流量的加大，管内溶液侧层流底层变薄，传热阻力减小，造成除湿器内的总传质系数加大，也增加了显热的传递量。除湿量增加和显热交换量增大使新风获得的冷量随溶液流量增大而增大。

3 结论

本文利用中空纤维膜进行液体除湿，可以防止除湿溶液与湿空气直接接触，有效避免传统除湿技术存在的气液夹带问题。并搭建了中空纤维膜组件的测试平台，进行变工况除湿性能实验，得到如下结论：

1）在不同的除湿工况下，中空纤维膜除湿组件都具有20%～60%的除湿效率，与传统的直接接触式填料塔的除湿效率接近。

2）中空纤维膜组件的除湿量随着空气流量、空气温度和湿度以及溶液流量的增加而增加，对于高温或高湿的空气运行工况，膜组件的除湿量高达800 g／h，因此特别适合我国南方湿热地区的夏季气候条件。

3）低温的除湿溶液一方面通过热传递降低空气的温度，另一方面在吸收空气中水蒸气在溶液侧凝结时释放的潜热，因此中空纤维膜液体除湿技术在进行空气除湿的同时还具有较高的制冷能力，最大制冷量接近700 W。

图10 溶液流量对除湿量和除湿效率的影响Fig.10 Effect of solution flow rates on dehumidification rates and dehumidification efficiency

图11 溶液流量对制冷量和总传质系数的影响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业务费基金（2015ZM109）——膜式除湿系统的动态特性研究项目资助。（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，Foshan，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

张宁，男，工程师，华南理工大学化学与化工学院，（020）87113870，E-mail：nzhang＠scut.edu.cn。研究方向：膜式空气除湿技术的传热传质研究和膜式除湿系统的性能优化研究。

国家自然科学基金（51506055，51576136）资助项目。（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.