逆流式中空纤维膜组件特性实验研究

牛润萍, 崔纯旗, 庚立志

(北京建筑大学, 北京 102600)

1 概述

人类的身体健康与室内温湿度有着很密切关系,相对湿度过高和过低均会使人体产生不适。当环境相对湿度过低时,易导致体内水分挥发速率增加,可能引发呼吸不畅、干渴、咽喉疼痛等不适症状。当环境相对湿度过高时,会抑制体内的散热,诱发多种疾病。此外,高湿度环境也为微生物和细菌提供了生长繁殖的温床,对人体健康构成潜在威胁[1]。因此,对建筑室内合理的湿度调节具有重要意义。

中空纤维膜是在除湿领域中除湿膜材料最常制作成的样式,常被构建成相应样式的膜组件。在膜组件内部,膜的一侧流过液体干燥剂,另一侧流过高湿空气。高湿空气中的水蒸气在膜两侧水蒸气分压力差的作用下穿越膜,传输到液体干燥剂一侧。一般情况下,中空纤维膜组件通常由若干根平行排列的纤维膜构成,用于构建类似于管壳式换热器的模块[2]。中空纤维膜具有突出的优势,外形纤维状,有自支撑作用,膜通量高,拥有可观的有效膜面积。液体干燥剂与高湿空气在中空纤维膜两侧进行逆向流动,通过膜完成热量和水蒸气的传递。

张宁[3]、钟文朝[4]通过实验与数学模型,对中空纤维膜液体除湿系统热质传递特性以及热力学性能进行了研究。Huang等人[5-6]对椭圆截面中空纤维膜管束中的热湿耦合传热过程进行了实验研究分析,研究了管束结构参数对传质过程的影响。Bergero等人[7]对中空纤维膜除湿系统进行了模拟和实验研究,结果显示中空纤维膜除湿系统具有较好的节能效果。殷少有等人[8]搭建实验平台,研究了空气温度、压力等因素对热质传递的影响,结果表明,中空纤维膜液体除湿技术适用于夏季湿热地区。Zhao等人[9]提出了一种组合式中空纤维膜除湿和集湿系统,该系统不仅能产生新鲜的冷空气而且能产生清洁的水。

由上述分析可知,中空纤维膜组件(简称膜组件)在湿度控制领域得到了广泛应用。本文利用聚丙烯(PP)中空纤维膜组装成逆流式膜组件,采用实验方法,对加湿工况、除湿工况膜组件特性影响因素进行研究。

2 实验内容

2.1 膜组件

采用聚丙烯(PP)中空纤维膜组装成逆流式膜组件,外形见图1。膜丝之间使用ABS塑料进行连接,管壁为UPVC材料。当膜组件按图1摆放时,溶液左进、右出,空气下进、上出。溶液在中空纤维膜内流动,空气在中空纤维膜外流动,进行热质交换。

图1 逆流式膜组件外形

2.2 实验流程及工况

膜组件实验流程见图2。膜组件进口空气温湿度由空调装置进行调节。一定温度及相对湿度的空气由空气压缩机增压后经过控制阀调节流量后进入膜组件。溶液泵将恒温水箱中的溶液输送到膜组件中,通过控制溶液泵转速调节溶液流量。加湿实验时溶液为蒸馏水,除湿实验时溶液为质量分数为36%的氯化锂溶液。

图2 膜组件实验流程

使用热线风速仪测量进口空气流速,使用温湿度测试仪测量进出口空气的温度、相对湿度。溶液流量由转子流量计测得,进口溶液温度由恒温水箱控制。每组实验做5次,实验结果取5次实验数据的平均值。

加湿实验:进口空气温度为298 K、进口溶液温度为290 K、进口空气含湿量为4.9 g/kg。变空气质量流量工况,溶液质量流量保持7.0 kg/h。变溶液质量流量工况,空气质量流量保持2.96 kg/h。加湿实验变空气质量流量工况、变溶液质量流量工况见表1、2。

表1 加湿实验变空气质量流量工况

表2 加湿实验变溶液质量流量工况

除湿实验:进口空气温度为308 K、进口溶液温度为298 K、进口空气含湿量为21 g/kg。变空气质量流量工况,溶液质量流量保持28.0 kg/h。变溶液质量流量工况,空气质量流量保持16.0 kg/h。除湿实验变空气质量流量工况、变溶液质量流量工况见表3、4。

表3 除湿实验变空气质量流量工况

表4 除湿实验变溶液质量流量工况

2.3 性能评价指标

将加湿量、加湿效率作为膜组件加湿性能的评价指标,将除湿量、除湿效率作为膜组件除湿性能的评价指标。

加湿量M的计算式为:

M=qρ(do-di)

(1)

式中M——加湿量,g/h

q——空气流量(由测量风速与空气管内直径计算得到),m3/h

ρ——空气的密度,kg/m3,本文取1.29 kg/m3

do——出口空气含湿量,g/kg

di——进口空气含湿量,g/kg

空气含湿量d的计算式为:

(2)

式中d——空气含湿量,g/kg

psat——空气水蒸气饱和压力(查文献[10]获得),Pa

φ——空气相对湿度

p——大气压力,Pa,实验室大气压力为101 352 Pa

加湿效率η1的计算式为:

(3)

(4)

式中η1——加湿效率

de——溶液等效含湿量,g/kg

pe——溶液表面水蒸气压(查文献[11]获得),Pa

除湿量S的计算式为:

S=qρ(di-do)

(5)

式中S——除湿量,g/h

除湿效率η2的计算公为:

(6)

式中η2——除湿效率

3 实验结果与讨论

3.1 加湿实验

① 变空气质量流量工况

由实验结果可知:加湿实验工况1～5出口空气温度均低于进口空气温度,出口空气温度随进口空气质量流量增大而增大。加湿实验工况1～5出口空气含湿量均高于进口空气含湿量,出口空气含湿量随空气质量流量增大而减小。加湿实验工况1～5出口溶液温度均高于进口溶液温度,出口溶液温度随空气质量流量增大而减小。

加湿实验工况1～5加湿量、加湿效率见图3。由图3可知,加湿量随空气质量流量增大而增大,加湿效率随空气质量流量增大而降低。

图3 加湿实验工况1～5加湿量、加湿效率

② 变溶液质量流量工况

由实验结果可知:加湿实验工况6～10出口空气温度均低于进口空气温度,出口空气温度随溶液质量流量增大而降低。加湿实验工况6～10出口空气含湿量均高于进口空气含湿量,出口空气含湿量随溶液质量流量增大而增大。加湿实验工况6～10出口溶液温度均高于进口溶液温度,出口溶液温度随溶液质量流量增大而升高。

加湿实验工况6～10加湿量、加湿效率见图4。由图4可知,加湿量、加湿效率均随溶液质量流量增大而增大。

图4 加湿实验工况6～10加湿量、加湿效率

加湿工况小结:加湿量随空气质量流量增大而增大,随溶液质量流量增大而增大。加湿效率随空气质量流量增大而减小,随溶液质量流量增大而增大。

3.2 除湿实验

① 变空气质量流量工况

由实验结果可知:除湿实验工况1～5出口空气温度均低于进口空气温度,出口空气温度随空气质量流量增大而增大。除湿实验工况1～5出口空气含湿量均低于进口空气含湿量,出口空气含湿量随空气质量流量增大而增大。除湿实验工况1～5出口溶液温度均高于进口溶液温度,出口溶液温度随空气质量流量增加而降低。

除湿实验工况1～5除湿量、除湿效率见图5。由图5可知,除湿量随空气质量流量增大而增大,除湿效率随空气质量流量增大而减小。

图5 除湿实验工况1～5除湿量、除湿效率

② 变溶液质量流量工况

由实验结果可知:除湿实验工况6～10出口空气温度均低于进口空气温度,出口空气温度随溶液质量流量增大而降低。除湿实验工况6～10出口空气含湿量低于进口空气含湿量,出口空气含湿量随溶液质量流量增大而减小。除湿实验工况6～10出口溶液温度高于进口溶液温度,出口溶液温度随溶液质量流量增大而升高。

除湿实验工况6～10除湿量、除湿效率见图6。由图6可知,除湿量随溶液质量流量增大而增大,除湿效率随溶液质量流量增大而增大。

图6 除湿实验工况6～10除湿量、除湿效率

除湿工况小结:除湿量随空气质量流量增大而增大,随溶液质量流量增大而增大。除湿效率随空气质量流量增大而减小,随溶液质量流量增大而增大。

4 结论

① 加湿工况:加湿量随空气质量流量增大而增大,随溶液质量流量增大而增大。加湿效率随空气质量流量增大而减小,随溶液质量流量增大而增大。

② 除湿工况:除湿量随空气质量流量增大而增大,随溶液质量流量增大而增大。除湿效率随空气质量流量增大而减小,随溶液质量流量增大而增大。