真空平板膜除湿单元组件性能模拟分析_刘琦.pdf

年第 期水利规划与设计科研与管理：.真空平板膜除湿单元组件性能模拟分析刘 琦，马景辉，朱 栋，柴建源（浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州）摘要：为讨论真空平板膜除湿单元组件除湿性能的影响因素，文章利用 软件建立压力驱动水蒸气分离的错流式平板膜单元组件三维模型，探究除湿过程中单元组件内部压力和水蒸气的分布特点，模拟分析了不同入口速度、入口湿度以及渗透域出口压力等因素对除湿性能的影响。结果表明，模拟计算与文献实验结果最大误差不超过.。入口速度由.提高至.时，除湿率由.降低至.，而入口相对湿度由提高至 时，除湿率由.提高至.。同时适当降低组件高度或增加组件长度也可提升单元组件的除湿性能。而渗透域出口压力低于 时，平板膜除湿单元组件的除湿性能变化不明显。研究结果可为设计及改进真空平板膜除湿单元组件提供一定参考。关键词：气体分离；平板膜；除湿单元；除湿性能中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：刘 琦（年），女，硕士研究生。：.通讯作者：马景辉（年），男，副教授。：.传统的冷凝除湿方式使用范围大、除湿效果好，但冷凝除湿需要低于空气露点温度下运行，且不能进行深度除湿，冷凝水也会滋生霉菌生长污染室内环境。冷却后温度较低的空气通常还需要进行再热处理后才送入室内，该过程降低了系统效率，增加了能耗和相关成本，且在该过程中温湿度不能进行独立控制，能源利用效率较低。膜法除湿与传统冷凝除湿方式相比，具有除湿过程连续、无腐蚀问题、系统简单等优点。真空膜除湿（，）作为膜法除湿的一种形式，在除湿器的 个腔室中间放置选择性渗透膜，一侧腔室通入连续的湿空气，另一侧腔室连接真空泵，利用真空泵产生的跨膜压力作为除湿过程的驱动力。除湿过程中，膜将水蒸气选择性除去，温度基本不变，所以 不需要进行过冷和再热，也不需要为除湿剂的再生输入能量。等首先提出将膜分离技术与传统空调结合，该方法只需要卡诺蒸气压缩系统所需能量的 。等人对原有膜除湿系统进行改进，在原有系统内增加膨胀阀，为系统建立了强大的驱动力，使得改进后的系统实现除湿效率大于。等对 系统及其性能效率进行了研究，系统 比常规冷凝除湿高。近年来，关于 的性能测试多以实验为主，但是实验代价较高，周期较长且实验无法可视化 除湿过程中的浓度分布。而数值模拟已逐渐成为了平板膜性能测试的一种高精度、低成本的分析手段。所以目前许多学者以膜分离组件运行条件优化为目的，通过对膜过滤组件的内部流态特征和分布流场的数值模拟，获得各个流动参数对组件性能的影响。杨明智等通过建立螺旋卷式膜组件隔网流道内 和 混合气的三维流动模型，比较了 种不同隔网编制方式的二氧化碳分离效果和压降分布。胡碧涵等对三维中空纤维渗透汽化膜进行模拟，提出可以通过对膜截面形状的微小改变提升分离效果。李博扬等搭建分离的单级膜模型对影响分离性能的因素进行研究分析，总结膜组件在分离过程的规律。通过对压力驱动中空纤维膜除湿进行数值模拟，等探究分析了湿度和风速对中空纤维膜除湿性能的影响，结果表明入口速度对膜除湿性能起到了关键作用。然而对以平板膜为单元组件的 内除湿发展特征及其除湿性能的影响因素研究案例尚不多见。因此，本文建立采用真空平板膜除湿单元组件科研与管理水利规划与设计 年第 期三维模型，通过改变入口送风速度、湿度以及出口压力等参数，探究各参数对单元组件除湿发展特征影响并探讨组件在除湿过程中的影响因素及除湿能力。为真空平板膜除湿单元组件的尺寸和工况设计提供参考。模型建立.模型建立如图 所示，错流式平板膜除湿器由多层平板膜单元组件构成，具有制造方便、结构简单等特点。湿空气进入管道，由于膜的选择性和渗透性，湿空气中的水蒸气在压差作用下穿过膜层传输到真空侧，达到除湿效果。图 错流式平板膜除湿器示意图单元组件性能直接影响除湿器的除湿效果，为了降低计算复杂性，选取除湿器的单元组件作为计算区域。本文利用 .模拟真空平板膜除湿单元组件除湿过程，如图 所示，根据文献建立三维模型，箭头表示流动方向。计算区域分 个部分：上部进料域和下部渗透域尺寸都为 ，采用干空气和水蒸气的混合气作为湿空气。膜为涂覆聚乙烯醇及三甘醇的纳滤复合膜，其干空气和湿空气渗透率分别为 （）和.（）。湿空气从进料域右侧沿 轴流进模型从左侧流出，水蒸气和干空气分别通过膜进入渗透域并从渗透体域出口流出。模拟计算采用层流和浓物质传递的多物理场耦合过程，进料域进口采用速度进口，进料域和渗透域出口设置为压力出口，同时为简化模型，作出如下假设：（）将由干空气和水蒸气组成的湿空气看作理想气体；（）进料域入口气流为稳定流态；（）干空气与水蒸气分别独立渗透至膜内，且各自渗透率恒定；（）进料域各面没有热量交换。图 模型三维图.控制方程.进料域进料域传质方程为：()（）（）式中，气体种类；和 代干空气和水蒸气；湿空气密度，；进料域内的气体 的质量比；气体 的扩散系数，；入口速度，；气体 的相对摩尔质量，；进料域气体的平均摩尔质量，。.膜过膜的空气渗透通量计算公式如式（）：（）式中，空气渗透通量，（）；空气在膜中的渗透率，（）；进料域压力，；渗透域压力，；渗透域内干空气的质量比；渗透域内水蒸气的质量比。过膜的水蒸气渗透通量计算公式如式（）：（）式中，水蒸气渗透通量，（）；水蒸气在膜中的渗透率，（）。.渗透域渗透域传质方程为：（）（）式中，渗透域内的气体 的质量比；渗透 年第 期水利规划与设计科研与管理域气体的平均摩尔质量，。模拟验证.网格独立性验证网格数分别、及 对入口速度.，入口湿空气温度，相对湿度，含湿量 ，渗透域出口压力 的基础工况的计算结果如图 所示。如图 所示，网格数 以上，出口水蒸气质量分数受网格数量影响较小，故选取网格数为 进行模拟。图 网格无关化检验.模型有效性验证为验证模型的有效性，将模拟的进料域出口水蒸气分压值和文献实验值进行比较。如图 所示，进料域出口水蒸气分压的模型计算与文献实验结果最大误差不超过.，满足正常误差范围，可利用该模型进行真空平板膜除湿单元组件的研究分析。图 模拟结果验证 结果与讨论.压力分布基础工况的进料域压力分布图如图（）所示。由图可知，压力从进料域入口沿 轴递减，由.降低至.。可以观察到压力在 至 处压力降低了，而在 至 间压力仅降低了。然而在进料域入口的下边缘处压降最大，这是由于进料域入口处湿空气速度和压力最大，在渗透域压力作用下水蒸气大量通过渗透膜产生的压力变化。基础工况的渗透域压力分布图如图（）所示，由图可知，渗透域的压力主要沿 轴变化。渗透域压力在 、处达到最大，与出口处压差仅为.。这是由于渗透域中富集水蒸气以及中真空环境使得压力变化不明显。图 （）进料域与（）渗透域压力分布图.水蒸气分布基础工况下，在 的 平面水蒸气质量分数切面分布图如图 所示。由图可知，进料域中的水蒸气含量沿 轴和 轴明显变化。进料域入口处水蒸气质量分数最大为.，沿 轴逐渐减少至出口处的.，同时随着除湿发展，在 轴上有明显的分层，膜表面附近的水蒸气聚集量逐渐减少，方向上质量分数在膜表面附近达到了最小值.。渗透域中的水蒸气含量主要沿 轴发生变化，渗透域在 处的水蒸气含量最大，为.，在 处水蒸气含量达到最小值.。结合科研与管理水利规划与设计 年第 期图 水蒸气质量分数切面分布图图 可知，在进料域入口处，由于跨膜压力和速度都处于较高水平时，渗透域的水蒸气含量达到最大水平。.入口速度对膜组件除湿性能的影响.进料域入口速度与水蒸气分布关系通过改变基础工况进料域入口速度，模拟得到不同速度下 的 处的水蒸气质量分数切面分布图如图 所示。由图可知，浓度分层厚度随着入口速度的提高而明显变小，且进料域近出口侧上方的水蒸气浓度接近于入口处浓度，这一现象说明了入口速度直接影响进料域上方水蒸气聚集程度。不同入口速度下的渗透域的水蒸气分布规律大体一致，水蒸气分层高度随进口速度的增加而降图 入口速度分别为（）.、（）.、（）.及（）.的水蒸气质量分数切面分布图低，而入口速度越大渗透域入口处的水蒸气质量分数越大，水蒸气质量分数最大值由.时的.提高至.时的.，这表明渗透域的水蒸气富集程度与入口速度有关，且入口速度越大渗透域水蒸气富集越多。随着入口速度的增大，湿空气在进料域停留时间缩短，与膜接触时间变短，组件除湿性能下降。.进料域入口速度与除湿率关系为了研究进料域入口速度对膜组件除湿性能的影响，本文以除湿率作为评价组件的除湿性能标准，计算公式如式（）：除湿率，（）式中，进料域入口水蒸气压力，；，进料域出口水蒸气压力，。如图 所示，入口速度对除湿率影响较大，除湿率与入口速度呈指数相关，所得拟合曲线 均在.以上。除湿率和湿空气含湿量减少量随着入口速度的提高而降低，随着入口速度由.增大至.，除湿率由.降低至.，湿空气含湿量减少量由.减少至.。可见降低入口速度有利于湿空气与膜充分接触，提高除湿性能。图 除湿率与湿空气含湿量减少量随入口速度变化图.入口湿度对膜组件除湿性能的影响通过改变入口相对湿度探究入口湿度对膜单元组件除湿性能的影响。入口速度.，入口湿空气温度 时，组件除湿率与入口相对湿度（含湿量为 ）、（含湿量为 ）、（含湿量为 ）、（含湿量为 ）以及 （含湿量为 ）的关系如图 所示。由图可知，组件除湿率与入口相对湿度线性相关，年第 期水利规划与设计科研与管理大于.。湿空气含湿量减少量和除湿率随着入口相对湿度的增大而增加。随着入口相对湿度由 增加至 ，湿空气出口含湿量减少量由.增加至.，除湿率由.增大至.，可见膜组件在高湿环境下除湿效果显著。入口相对湿度的增加，增大了进料域内的水蒸气分压力，从而增大了跨膜压差促进水蒸气分离。所以提高入口相对湿度有利于除湿性能的提升。图 除湿率与湿空气含湿量减少量随入口相对湿度变化图.渗透域出口压力对膜组件除湿性能的影响通过改变基础工况的渗透域出口压力分别模拟得 到 渗 透 域 出 口 压 力 为、的组件除湿率和湿空气含湿量减少量，如图 所示。随着渗透域出口压力的降低，除湿率和湿空气含湿量减少量分别仅提高了.和.。渗透域出口压力低于 时，渗透域出口压力对膜组件除湿性能的影响不明显。图 除湿率与湿空气含湿量减少量随渗透域出口压力变化图.组件高度对单元组件除湿性能的影响为探究单元组件高度对除湿性能的影响，分别对基础工况下组件高度分别为 和 的模型进行计算。结果如图 所示，高度为 的组件随着除湿发展，水蒸气分布逐渐均匀。高度为 的组件在 .至 .处水蒸气含量接近入口水蒸气含量，除湿发展不完全。图 组件高度为（）和（）的水蒸气质量分数切面分布图通过对比组件三种高度的除湿性能，进料域出口 水 蒸 气 质 量 分 数 由 组 件 高 度 时 的.升高至 时的.，同时除湿率由 时.降低至 时的.，见表。可见随着组件高度的增加反而降低了组件的除湿性能。结合图 可以得出，在相同工况下，增加高度会增大进料域上方水蒸气含量较高的湿空气体积，使得组件除湿性能减弱。故在实验条件允许的情况下，适当降低组件高度有利于组件除湿性能。表 不同高度组件的除湿性能高度 进料域出口水蒸气质量分数除湿率.组件长度对单元组件除湿性能的影响通过改变基础工况下组件高度，模拟长度分别为、的模型，模拟结果如图 所示，组件长度与除湿率呈线性相关，且 大于.。随着长度的增加，湿空气含湿量减少量由.升高至.，除湿率由.升高至.。组件长度增加的同时科研与管理水利规划与设计 年第 期增大了膜面积也增加了湿空气在进料域中停留的时间，有利于除湿发展，从而增强单元组件除湿性能。图 除湿率与湿空气含湿量减少量随组件长度变化图 结论本文运用 软件对真空平板膜除湿单元组件的除湿过程进行数值模拟研究，采用层流和浓物质传递的多物理场耦合过程，并验证了模型的可靠性。模拟分析了不同入口速度、湿度、出口压力以及尺寸对除湿发展和除湿性能的影响，主要结论如下：（）进料域和渗透域的压力和水蒸气最大值都发生在入口侧。随着除湿发展，进料域内水蒸气浓度呈分层分布，由进料域上壁面向膜面逐渐减小。（）入口速度的降低使得进料域出口水蒸气分布逐渐均匀，进料域内湿空气的除湿发展逐渐完全。（）入口速度和入口湿度为膜除湿单元组件除湿性能的主要影响工况参数，渗透域出口压力对组件的除湿性能影响不明显。膜除湿单元组件除湿性能随入口速度的降低和入口湿度的增大而增强。在低速高湿的条件下真空平板膜除湿单元组件有较高的除湿性能。（）膜除湿单元组件除湿性能随组件高度的降低和长度的增加而增强。设计真空平板膜除湿单元组件时可综合考虑组件高度和长度对除湿能力的影响。参考文献 崔少云，宋媛，李志勇 除湿技术研究综述与展望 机械管理开发，（）：曾瑞璇，颜承初，李梅 除湿等级划分及深度除湿技术研究进展 制冷学报，（）：曲泓硕，张伦，张小松 热泵驱动溶液除湿系统流程优化研究 工程热物理学报，（）：，：，（）：张龙龙，张琪，汤卫华 膜法低压空气除湿工艺研究 舰船科学技术，（）：焦纬洲，孟晓丽，刘有智，等 气体除湿技术的研究进展天然气化工：化学与化工，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：刘国田，白文涛，潘江丽，等 机载中空纤维膜组件壳程气体流动数值模拟 北京航空航天大学学报，（）：吴欣岳，杨炼，岳佳妮，等 基于 的超薄平板膜 流态模拟及优化分析 环境工程学报，（）：郁达伟，魏源送，郑祥，等 多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响 化工学报，（）：庄黎伟，魏永明，戴干策，等 膜过程强化和组件放大的 应用 膜科学与技术，（）：杨明智，侯蒙杰，伍泓宇，等 应用 优化螺旋卷式膜组件流道结构 膜科学与技术，（）：胡碧涵，杨栋，王洋，等 椭圆中空纤维膜渗透汽化的传质强化数值模拟 膜科学与技术，（）：李博扬，于娟，冯帆，等 电厂烟气中 膜法分离实验研究与模拟计算 动力工程学报，（）：，（）：牛润萍，庚立志，范莹莹 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