透濕膜加濕器的性能研究

　　提要對(duì)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。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下，研制了透濕膜加濕元件，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)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)系曲線和計(jì)算公式。

　　關(guān)鍵詞透濕膜加濕器，研究，測(cè)試

　　AbstractStudiestheoreticallythemechanismandperformanceofthehumidifierwithaporousplasticfilmasakeyelement,worksoutitscharacteristiccurves,describesthehumidifierelementdevelopedwithdomestictechniquescurrentllyavailableandreleventrelationshipcurvesofhumidifyingratewithairtemperature,watertemperatureandairvelocity,andpresentscalculationformulasobtainedfrommeasurement.

　　Keywordsmembranehumidifier,research,measurement

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　　1引言

　　隨著空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到濕度環(huán)境的重要性。許多A都在著手研制開(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)亦非常活躍。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(guī)格日趨完善。

　　當(dāng)前空調(diào)方式日趨小型化、分散化，勢(shì)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(diào)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)加濕器的研究著重解決以下問(wèn)題：①加濕器的節(jié)能；②白粉問(wèn)題；③減少水垢問(wèn)題。

　　筆者認(rèn)為透濕膜加濕器是符合上述研究方向的一種型式，因此著重研究了它的加濕原理和熱力性能，并通過(guò)對(duì)所選用的透濕膜制成的加濕元件的實(shí)驗(yàn)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)系曲線和計(jì)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(chǔ)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(qū)動(dòng)力。當(dāng)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(xiàn)象。由于膜的疏水性，兩側(cè)的水溶液都不能通過(guò)膜孔，但是在膜兩側(cè)水蒸氣壓力差作用下，暖側(cè)的水蒸氣能夠通過(guò)膜孔進(jìn)入冷側(cè)冷凝下來(lái)，這樣在冷側(cè)可得到純水或在暖側(cè)得到濃縮液。

　　依據(jù)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，水片層之間有空氣流過(guò)，如圖1所示。當(dāng)透濕膜水一側(cè)的水蒸氣分壓力大于空氣側(cè)的水蒸氣分壓力時(shí)，水蒸氣在其壓差作用下，從水側(cè)通過(guò)透濕膜膜孔進(jìn)入空氣側(cè)，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(xiàn)了對(duì)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(cè)經(jīng)過(guò)膜到空氣側(cè)，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(cè)，膜表面附近形成一個(gè)薄層，稱為壓力邊界層（或濃度邊界層），該層內(nèi)水蒸氣的分壓力梯度（或濃度梯度）很大，傳質(zhì)強(qiáng)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(jù)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(kuò)散的方式通過(guò)膜，根據(jù)多孔介質(zhì)內(nèi)分子擴(kuò)散的理論求得分子擴(kuò)散通量的表達(dá)

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

　　此即為計(jì)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(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；

　　Dp--有效分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;

　　Rw--水蒸氣的氣體常數(shù)，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(dǎo)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定的透濕膜和實(shí)驗(yàn)裝置，影響透濕膜加濕性能的參數(shù)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(jié)構(gòu)及加濕性能的實(shí)驗(yàn)分析

　　實(shí)驗(yàn)用透濕膜為含有加強(qiáng)層的聚四氟乙烯膜。膜袋內(nèi)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(yàn)測(cè)得在所定標(biāo)準(zhǔn)工況下的加濕量為0.016kg/h。

　　參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了測(cè)試透濕膜加濕元件性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，得出其加濕性能曲線（如圖3、4、5中實(shí)線所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)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，隨著空氣干球溫度td的升高，加濕量增大，并呈直線關(guān)系，實(shí)驗(yàn)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(dāng)風(fēng)速增加到某一值時(shí)，加濕量將隨風(fēng)速的繼續(xù)增大而減少，呈二次拋物線關(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(jié)論

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)和研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到透濕膜加濕器是一種潔凈、節(jié)能的新型加濕設(shè)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(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)干凈的加濕；

　　初投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能；

　　結(jié)構(gòu)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(duì)加濕量有自行調(diào)節(jié)特性，加濕后的空氣不會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象。

　　6參考文獻(xiàn)

　　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).