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

Abstract　　 Studies theoretically the mechanism and performance of the humidifier with a porous plastic film as a key element, works out its characteristic curves, describes the humidifier element developed with domestic techniques currentlly available and relevent relationship curves of humidifying rate with air temperature, water temperature and air velocity, and presents calculation formulas obtained from measurement.

Keywords membrane humidifier, 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).