透濕膜加濕器的性能研究

透濕膜加濕器的性能研究

　　提要對透濕膜加濕器的加濕原理及其加濕熱力性能進(jìn)行了理論研究，得出了其加濕熱力性能曲線(xiàn)。在國內現有技術(shù)條件下，研制了透濕膜加濕元件，并對其進(jìn)行了性能測試，得出了透濕膜加濕元件的加濕量隨空氣溫度、給水溫度及風(fēng)速變化的關(guān)系曲線(xiàn)和計算公式。

　　關(guān)鍵詞透濕膜加濕器，研究，測試

　　AbstractStudiestheoreticallythemechanismandperformanceofthehumidifierwithaporousplasticfilmasakeyelement,worksoutitscharacteristiccurves,describesthehumidifierelementdevelopedwithdomestictechniquescurrentllyavailableandreleventrelationshipcurvesofhumidifyingratewithairtemperature,watertemperatureandairvelocity,andpresentscalculationformulasobtainedfrommeasurement.

　　Keywordsmembranehumidifier,research,measurement

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　　1引言

　　隨著(zhù)空調技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們越來(lái)越深刻地認識到濕度環(huán)境的重要性。許多A都在著(zhù)手研制開(kāi)發(fā)各種新型的加濕器，特別是日本，非常重視加濕器的研究和開(kāi)發(fā)，加濕器的市場(chǎng)亦非?；钴S。如近幾年來(lái)就推出了滴下浸透汽化式加濕器、透濕膜加濕器等，而且加濕器的型式和規格日趨完善。

　　當前空調方式日趨小型化、分散化，勢必要求安裝在其中的加濕裝置亦要小型化，例如天棚隱蔽型、吊頂型空調器，其中的加濕裝置為透濕膜加濕器或超聲波加濕器。

　　有關(guān)加濕器的研究著(zhù)重解決以下問(wèn)題：①加濕器的節能；②白粉問(wèn)題；③減少水垢問(wèn)題。

　　筆者認為透濕膜加濕器是符合上述研究方向的一種型式，因此著(zhù)重研究了它的加濕原理和熱力性能，并通過(guò)對所選用的透濕膜制成的加濕元件的實(shí)驗研究，得出了加濕量隨空氣溫度、給水水溫及風(fēng)速變化的關(guān)系曲線(xiàn)和計算公式。

　　2透濕膜加濕器的加濕原理

　　透濕膜加濕器的加濕原理是以膜蒸餾理論為基礎的。膜蒸餾是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的海水淡化和液體濃縮技術(shù)，它以溫差引起的水蒸氣分壓力差為傳質(zhì)驅動(dòng)力。當兩種溫度不同的水溶液被一種疏水性的微孔膜分隔開(kāi)，就會(huì )產(chǎn)生一種有選擇的傳質(zhì)現象。由于膜的疏水性，兩側的水溶液都不能通過(guò)膜孔，但是在膜兩側水蒸氣壓力差作用下，暖側的水蒸氣能夠通過(guò)膜孔進(jìn)入冷側冷凝下來(lái)，這樣在冷側可得到純水或在暖側得到濃縮液。

　　依據膜蒸餾原理，透濕膜加濕器是在有限的空間保持多層水片層（可增加水的蒸發(fā)表面積），該水片層由疏水性的聚四氟乙烯微孔膜（透濕膜）包圍著(zhù)，水片層之間有空氣流過(guò)，如圖1所示。當透濕膜水一側的水蒸氣分壓力大于空氣側的水蒸氣分壓力時(shí)，水蒸氣在其壓差作用下，從水側通過(guò)透濕膜膜孔進(jìn)入空氣側，由于膜的疏水性，水及水中的Ca2+、Mg2+和雜質(zhì)卻不能通過(guò)，從而實(shí)現了對空氣干凈地加濕，這就是透濕膜加濕器的加濕原理。

　　3透濕膜加濕器性能的理論分析

　　由水側經(jīng)過(guò)膜到空氣側，水蒸氣壓力分布（或濃度分布）如圖2所示。在圖2中，膜--水界面處的水蒸氣分壓力為水溫下的飽和水蒸氣分壓力pw2，濃度為Cw2；而在空氣一側，膜表面附近形成一個(gè)薄層，稱(chēng)為壓力邊界層（或濃度邊界層），該層內水蒸氣的分壓力梯度（或濃度梯度）很大，傳質(zhì)強列，邊界層以外為空氣主流，水蒸氣分壓力（或濃度）基本保持不變，為pw0（或Cw0）。依據質(zhì)傳遞理論，水蒸氣分子通過(guò)膜的傳質(zhì)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：

　　水蒸氣分子先以分子擴散的方式通過(guò)膜，根據多孔介質(zhì)內分子擴散的理論求得分子擴散通量的表達

　　水蒸氣分子通過(guò)膜以后，主要以對流擴散的方式與空氣進(jìn)行質(zhì)傳遞，根據質(zhì)傳遞理論得出對流擴散通量的表達

　　此即為計算通過(guò)透濕膜的水蒸氣分子通量（即理論加濕量）的公式。

　　式中：aD--對流傳質(zhì)系數，m/s；

　　Dp--有效分子擴散系數，m2/s;

　　Rw--水蒸氣的氣體常數，461.4J/(kg·K)；

　　δ--膜厚度，m；

　　T2，pW2--水溫，K，及該水面下的飽和水蒸氣分壓力，Pa；

　　T0，pW0--空氣溫度，K，及該溫度下的水蒸氣分壓力，Pa。

　　由公式（6）及其推導過(guò)程發(fā)現，對于一定的透濕膜和實(shí)驗裝置，影響透濕膜加濕性能的參數有：水溫tw、空氣干球溫度td和空氣流速v。

　　4透濕膜加濕元件的結構及加濕性能的實(shí)驗分析

　　實(shí)驗用透濕膜為含有加強層的聚四氟乙烯膜。膜袋內夾有一層塑料墊肉，形成水通路。波紋板既形成了空氣通路，又能支撐膜袋中水的重量，防止膜袋因通水而膨脹。將膜袋與波紋板疊放在一起，卷成螺旋狀，放入一金屬外殼中就形成了透濕膜加濕元件。該元件的膜蒸發(fā)表面積為3m2，通風(fēng)截面積為0.015m2，實(shí)驗測得在所定標準工況下的加濕量為0.016kg/h。

　　參照國內外有關(guān)標準，建立了測試透濕膜加濕元件性能實(shí)驗臺，得出其加濕性能曲線(xiàn)（如圖3、4、5中實(shí)線(xiàn)所示），實(shí)驗結果和理論計算基本吻合。

　　在風(fēng)量、水溫及進(jìn)口空氣含濕量保持不變的情況下，隨著(zhù)空氣干球溫度td的升高，加濕量增大，并呈直線(xiàn)關(guān)系，實(shí)驗回歸方程為：

　　條件：風(fēng)量125m3/h，給水水溫50℃，入口空氣含濕量0.005kg/kg。

　　在風(fēng)量、入口空氣狀態(tài)保持一定的情況下，加濕量G隨水溫tw的升高而增大，呈二次曲線(xiàn)關(guān)系，回歸公式為

　　條件：風(fēng)量125m3/h，入口空氣干球溫度40℃，濕球溫度18.8℃。

　　在給水水溫、入口空氣狀態(tài)保持不變的情況下，加濕量G隨風(fēng)速v的增加而增加，但當風(fēng)速增加到某一值時(shí)，加濕量將隨風(fēng)速的繼續增大而減少，呈二次拋物線(xiàn)關(guān)系。

　　條件：給水水溫50℃，入口空氣干球溫度40℃，濕球溫度18.8℃。

　　5結論

　　通過(guò)實(shí)驗和研究，進(jìn)一步認識到透濕膜加濕器是一種潔凈、節能的新型加濕設備，它具有以下特點(diǎn)：

　　加濕空氣時(shí)供給空氣的僅僅是水蒸氣，不含Ca2+、Mg2+及其它雜質(zhì)，無(wú)白粉現象，能夠實(shí)現干凈的加濕；

　　初投資少，運行費用低，節能；

　　結構簡(jiǎn)單，蒸發(fā)表面積大，加濕量明顯高于一般自然蒸發(fā)式加濕器；

　　對加濕量有自行調節特性，加濕后的空氣不會(huì )出現過(guò)飽和現象。

　　6參考文獻

　　1人見(jiàn)不二夫，透濕膜加濕器につじて.冷凍,1988,63(724):88～94.

　　2天津大學(xué)等合編.化工傳遞過(guò)程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1980.

　　3吳庸烈.膜蒸餾及其相關(guān)的過(guò)程.膜分離科學(xué)與技術(shù)，1985,5(4).