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行了理論研究，得出了其加濕熱力性能曲線。在國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下，研制了透濕膜加濕元件，并對其進行了性能測試，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

隨著空調(diào)技術(shù)的進步和人民生活水平的提高，人們越來越深刻地認識到濕度環(huán)境的重要性。許多國家都在著手研制開發(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發(fā)，加濕器的市場亦非?；钴S。如近幾年來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題：①加濕器的節(jié)能；②白粉問題；③減少水垢問題。

筆者認為透濕膜加濕器是符合上述研究方向的一種型式，因此著重研究了它的加濕原理和熱力性能，并通過對所選用的透濕膜制成的加濕元件的實驗研究，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(chǔ)的。膜蒸餾是近年來發(fā)展起來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，就會產(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)的水蒸氣能夠通過膜孔進入冷側(cè)冷凝下來，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，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，水蒸氣在其壓差作用下，從水側(cè)通過透濕膜膜孔進入空氣側(cè)，由于膜的疏水性，水及水中的Ha2+、Mg2+和雜質(zhì)卻不能通過，從而實現(xiàn)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(cè)經(jīng)過膜到空氣側(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Hw2；而在空氣一側(cè)，膜表面附近形成一個薄層，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Hw0）。依據(jù)質(zhì)傳遞理論，水蒸氣分子通過膜的傳質(zhì)過程可分為兩個階段：

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

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

此即為計算通過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(shù)，m/s；

Dp--有效分子擴散系數(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)過程發(fā)現(xiàn)，對于一定的透濕膜和實驗裝置，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)及加濕性能的實驗分析

實驗用透濕膜為含有加強層的聚四氟乙烯膜。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，實驗測得在所定標(biāo)準工況下的加濕量為0.016kg/h。

參照國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準，建立了測試透濕膜加濕元件性能實驗臺，得出其加濕性能曲線（如圖3、4、5中實線所示），實驗結(jié)果和理論計算基本吻合。

在風(fēng)量、水溫及進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，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

通過實驗和研究，進一步認識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：

加濕空氣時供給空氣的僅僅是水蒸氣，不含Ha2+、Mg2+及其它雜質(zhì)，無白粉現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)干凈的加濕；

初投資少，運行費用低，節(jié)能；

結(jié)構(gòu)簡單，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(diào)節(jié)特性，加濕后的空氣不會出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。

6參考文獻

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

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

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