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透湿膜加湿器的性能研究 [2007-1-17]来源:正岛电器技术应用开发部

      提要  对透湿膜加湿器的加湿原理及其加湿热力性能进行了理论研究,得出了其加湿热力性能曲线。在国内现有技术条件下,研制了透湿膜加湿元件,并对其进行了性能测试,得出了透湿膜加湿元件的加湿量随空气温度、给水温度及风速变化的关系曲线和计算公式。

关键词  透湿膜加湿器,研究,测试

Abstract   Studies theoretically the mechanism and performance of the humidifier with a porous plastic film as a key element, works out its characteristic curves, describes the humidifier element developed with domestic techniques currentlly available and relevent relationship curves of humidifying rate with air temperature, water temperature and air velocity, and presents calculation formulas obtained from measurement.

Keywords membrane humidifier, research, measurement

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1 引言

  随着空调技术的进步和人民生活水平的提高,人们越来越深刻地认识到湿度环境的重要性。许多国家都在着手研制开发各种新型的加湿器,特别是日本,非常重视加湿器的研究和开发,加湿器的市场亦非常活跃。如近几年来就推出了滴下浸透汽化式加湿器、透湿膜加湿器等,而且加湿器的型式和规格日趋完善。
  当前空调方式日趋小型化、分散化,势必要求安装在其中的加湿装置亦要小型化,例如天棚隐蔽型、吊顶型空调器,其中的加湿装置为透湿膜加湿器或超声波加湿器。
  有关加湿器的研究着重解决以下问题:①加湿器的节能;②白粉问题;③减少水垢问题。
  笔者认为透湿膜加湿器是符合上述研究方向的一种型式,因此着重研究了它的加湿原理和热力性能,并通过对所选用的透湿膜制成的加湿元件的实验研究,得出了加湿量随空气温度、给水水温及风速变化的关系曲线和计算公式。
  
2 透湿膜加湿器的加湿原理

  透湿膜加湿器的加湿原理是以膜蒸馏理论为基础的。膜蒸馏是近年来发展起来的一种新型的海水淡化和液体浓缩技术,它以温差引起的水蒸气分压力差为传质驱动力。当两种温度不同的水溶液被一种疏水性的微孔膜分隔开,就会产生一种有选择的传质现象。由于膜的疏水性,两侧的水溶液都不能通过膜孔,但是在膜两侧水蒸气压力差作用下,暖侧的水蒸气能够通过膜孔进入冷侧冷凝下来,这样在冷侧可得到纯水或在暖侧得到浓缩液。
  依据膜蒸馏原理,透湿膜加湿器是在有限的空间保持多层水片层(可增加水的蒸发表面积),该水片层由疏水性的聚四氟乙烯微孔膜(透湿膜)包围着,水片层之间有空气流过,如图1所示。当透湿膜水一侧的水蒸气分压力大于空气侧的水蒸气分压力时,水蒸气在其压差作用下,从水侧通过透湿膜膜孔进入空气侧,由于膜的疏水性,水及水中的Ca2+、Mg2+和杂质却不能通过,从而实现了对空气干净地加湿,这就是透湿膜加湿器的加湿原理。
                           
3 透湿膜加湿器性能的理论分析

  由水侧经过膜到空气侧,水蒸气压力分布(或浓度分布)如图2所示。在图2中,膜--水界面处的水蒸气分压力为水温下的饱和水蒸气分压力pw2,浓度为Cw2;而在空气一侧,膜表面附近形成一个薄层,称为压力边界层(或浓度边界层),该层内水蒸气的分压力梯度(或浓度梯度)很大,传质强列,边界层以外为空气主流,水蒸气分压力(或浓度)基本保持不变,为pw0(或Cw0)。依据质传递理论,水蒸气分子通过膜的传质过程可分为两个阶段:
     
  
  水蒸气分子先以分子扩散的方式通过膜,根据多孔介质内分子扩散的理论求得分子扩散通量的表达
      
  水蒸气分子通过膜以后,主要以对流扩散的方式与空气进行质传递,根据质传递理论得出对流扩散通量的表达
  此即为计算通过透湿膜的水蒸气分子通量(即理论加湿量)的公式。
  式中:aD--对流传质系数,m/s;
      Dp--有效分子扩散系数,m2/s;
      Rw--水蒸气的气体常数,461.4J/(kg·K);
      δ--膜厚度,m;
      T2,pW2--水温,K,及该水面下的饱和水蒸气分压力,Pa;
      T0,pW0--空气温度,K,及该温度下的水蒸气分压力,Pa。
  由公式(6)及其推导过程发现,对于一定的透湿膜和实验装置,影响透湿膜加湿性能的参数有:水温tw、空气干球温度td和空气流速v。
    
4 透湿膜加湿元件的结构及加湿性能的实验分析
  
  实验用透湿膜为含有加强层的聚四氟乙烯膜。膜袋内夹有一层塑料垫肉,形成水通路。波纹板既形成了空气通路,又能支撑膜袋中水的重量,防止膜袋因通水而膨胀。将膜袋与波纹板叠放在一起,卷成螺旋状,放入一金属外壳中就形成了透湿膜加湿元件。该元件的膜蒸发表面积为3m2,通风截面积为0.015m2,实验测得在所定标准工况下的加湿量为0.016kg/h。
  参照国内外有关标准,建立了测试透湿膜加湿元件性能实验台,得出其加湿性能曲线(如图3、4、5中实线所示),实验结果和理论计算基本吻合。
  在风量、水温及进口空气含湿量保持不变的情况下,随着空气干球温度td的升高,加湿量增大,并呈直线关系,实验回归方程为:
  条件:风量125m3/h,给水水温50℃,入口空气含湿量0.005kg/kg。
  在风量、入口空气状态保持一定的情况下,加湿量G随水温tw的升高而增大,呈二次曲线关系,回归公式为
  条件:风量125m3/h,入口空气干球温度40℃,湿球温度18.8℃。
  在给水水温、入口空气状态保持不变的情况下,加湿量G随风速v的增加而增加,但当风速增加到某一值时,加湿量将随风速的继续增大而减少,呈二次抛物线关系。
  条件:给水水温50℃,入口空气干球温度40℃,湿球温度18.8℃。
  
5 结论

  通过实验和研究,进一步认识到透湿膜加湿器是一种洁净、节能的新型加湿设备,它具有以下特点:
  加湿空气时供给空气的仅仅是水蒸气,不含Ca2+、Mg2+及其它杂质,无白粉现象,能够实现干净的加湿;
  初投资少,运行费用低,节能;
  结构简单,蒸发表面积大,加湿量明显高于一般自然蒸发式加湿器;
  对加湿量有自行调节特性,加湿后的空气不会出现过饱和现象。
  
6 参考文献

  1 人見不二夫,透濕膜加濕器につじて.冷凍,1988,63(724):88~94.
  2 天津大学等合编.化工传递过程.北京:化学工业出版社,1980.
  3 吴庸烈.膜蒸馏及其相关的过程.膜分离科学与技术,1985,5(4).   
 
 

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