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透湿膜加湿器的性能研究

作者:CEO 时间:2023-01-25 点击:0

信息摘要: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AbstractStudiestheoreticallythemechanisma

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).

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