透湿膜加湿器的性能研究

透湿膜加湿器的性能研究

　　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

　　AbstractStudiestheoreticallythemechanismandperformanceofthehumidifierwithaporousplasticfilmasakeyelement,worksoutitscharacteristiccurves,describesthehumidifierelementdevelopedwithdomestictechniquescurrentllyavailableandreleventrelationshipcurvesofhumidifyingratewithairtemperature,watertemperatureandairvelocity,andpresentscalculationformulasobtainedfrommeasurement.

　　Keywordsmembranehumidifier,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A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).