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。在國內現有技術條件下，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、給水溫度及風速變化的關系曲線和計算公式。

　　關鍵詞透濕膜加濕器，研究，測試

　　AbstractStudiestheoreticallythemechanismandperformanceofthehumidifierwithaporousplasticfilmasakeyelement,worksoutitscharacteristiccurves,describesthehumidifierelementdevelopedwithdomestictechniquescurrentllyavailableandreleventrelationshipcurvesofhumidifyingratewithairtemperature,watertemperatureandairvelocity,andpresentscalculationformulasobtainedfrommeasurement.

　　Keywordsmembranehumidifier,research,measurement

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　　1引言

　　隨著空調技術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境的重要性。許多A都在著手研制開發各種新型的加濕器，特別是日本，非常重視加濕器的研究和開發，加濕器的市場亦非常活躍。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格日趨完善。

　　當前空調方式日趨小型化、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、吊頂型空調器，其中的加濕裝置為透濕膜加濕器或超聲波加濕器。

　　有關加濕器的研究著重解決以下問題：①加濕器的節能；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、給水水溫及風速變化的關系曲線和計算公式。

　　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的。膜蒸餾是近年來發展起來的一種新型的海水淡化和液體濃縮技術，它以溫差引起的水蒸氣分壓力差為傳質驅動力。當兩種溫度不同的水溶液被一種疏水性的微孔膜分隔開，就會產生一種有選擇的傳質現象。由于膜的疏水性，兩側的水溶液都不能通過膜孔，但是在膜兩側水蒸氣壓力差作用下，暖側的水蒸氣能夠通過膜孔進入冷側冷凝下來，這樣在冷側可得到純水或在暖側得到濃縮液。

　　依據膜蒸餾原理，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。當透濕膜水一側的水蒸氣分壓力大于空氣側的水蒸氣分壓力時，水蒸氣在其壓差作用下，從水側通過透濕膜膜孔進入空氣側，由于膜的疏水性，水及水中的Ca2+、Mg2+和雜質卻不能通過，從而實現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

　　由水側經過膜到空氣側，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，膜表面附近形成一個薄層，稱為壓力邊界層（或濃度邊界層），該層內水蒸氣的分壓力梯度（或濃度梯度）很大，傳質強列，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Cw0）。依據質傳遞理論，水蒸氣分子通過膜的傳質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，根據多孔介質內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傳遞，根據質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--對流傳質系數，m/s；

　　Dp--有效分子擴散系數，m2/s;

　　Rw--水蒸氣的氣體常數，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）及其推導過程發現，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構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。該元件的膜蒸發表面積為3m2，通風截面積為0.015m2，實驗測得在所定標準工況下的加濕量為0.016kg/h。

　　參照國內外有關標準，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），實驗結果和理論計算基本吻合。

　　在風量、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，并呈直線關系，實驗回歸方程為：

　　條件：風量125m3/h，給水水溫50℃，入口空氣含濕量0.005kg/kg。

　　在風量、入口空氣狀態保持一定的情況下，加濕量G隨水溫tw的升高而增大，呈二次曲線關系，回歸公式為

　　條件：風量125m3/h，入口空氣干球溫度40℃，濕球溫度18.8℃。

　　在給水水溫、入口空氣狀態保持不變的情況下，加濕量G隨風速v的增加而增加，但當風速增加到某一值時，加濕量將隨風速的繼續增大而減少，呈二次拋物線關系。

　　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、節能的新型加濕設備，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Ca2+、Mg2+及其它雜質，無白粉現象，能夠實現干凈的加濕；

　　初投資少，運行費用低，節能；

　　結構簡單，蒸發表面積大，加濕量明顯高于一般自然蒸發式加濕器；

　　對加濕量有自行調節特性，加濕后的空氣不會出現過飽和現象。

　　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天津大學等合編.化工傳遞過程.北京：化學工業出版社，1980.

　　3吳庸烈.膜蒸餾及其相關的過程.膜分離科學與技術，1985,5(4).