李錦航， 張光玉

（浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

濕度是空氣調(diào)節(jié)中的重要參數(shù)，不適宜的室內(nèi)濕度不但會影響室內(nèi)人員舒適性，還會影響工業(yè)生產(chǎn)的安全和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，控濕對提升人們的生活質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)安全與品質(zhì)都有著重要的意義。

在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，相比加濕過程而言，除濕較為復(fù)雜。目前常用的除濕技術(shù)主要包括冷卻法除濕、固體吸附劑除濕、液體吸收劑除濕、膜法除濕等［1］。其中，液體吸收劑除濕因擁有除濕效率高，可利用如太陽能等低品位熱源再生，且再生后的濃溶液可用于蓄能等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。但是常規(guī)的液體除濕過程中，空氣與溶液直接接觸，溶液液滴很容易隨空氣進(jìn)入室內(nèi)，產(chǎn)生各種不良影響，因而受到限制。為了解決溶液除濕產(chǎn)生的飛沫問題，研究人員提出了采用防水透氣膜將溶液與空氣隔離的方案［2，3］。薄膜為多孔介質(zhì)，空氣中的水蒸氣可以通過膜孔道進(jìn)入到膜內(nèi)被溶液吸收，而溶液由于薄膜疏水性并不能透過膜孔。

文中首先介紹了現(xiàn)有研究中膜式液體除濕系統(tǒng)常用的溶液，將其分成單一溶液和混合溶液兩大類；其次詳細(xì)介紹除濕膜組件的研究進(jìn)展，將膜組件從結(jié)構(gòu)上分為平板式和中空纖維膜式，主要從理論建模和試驗(yàn)研究兩方面介紹了室外配置與室內(nèi)配置兩種情況；最后對膜式液體除濕組件未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 除濕溶液

除濕溶液是決定膜式液體除濕組件除濕性能的關(guān)鍵。一種理想的除濕溶液應(yīng)該具有以下特性：吸濕能力強(qiáng)、再生溫度低、低粘度、高傳熱、無揮發(fā)性、無腐蝕性、無臭、無毒、不易燃，并且價格低廉［4］。然而，目前為止暫未發(fā)現(xiàn)一種除濕溶液能滿足以上全部要求。在現(xiàn)有研究中，除濕系統(tǒng)所用的除濕溶液主要可分為單一溶液和混合溶液兩大類。

1.1 單一溶液

單一溶液主要為有機(jī)溶液和無機(jī)溶液兩類。其中有機(jī)溶液使用最多的是三甘醇。Lof［5］最早提出用三甘醇作為除濕劑，但是三甘醇粘度高，會由于液體的滯留導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，且三甘醇等有機(jī)物易揮發(fā)，會進(jìn)入房間對人健康產(chǎn)生危害，因此其應(yīng)用存在限制，目前基本被具有吸濕性的無機(jī)鹽溶液所替代。

無機(jī)鹽溶液不但吸濕性高、成本較低，而且具有殺菌消毒的效果，故成為液體除濕劑的首選。在除濕系統(tǒng)中常用的無機(jī)鹽溶液主要為LiBr、LiCl、CaCl2。Lazzarin等［6］研究了 LiBr溶液和CaCl2溶液隨溶液進(jìn)口溫度、溶液濃度及溶液流量變化下的性能，研究發(fā)現(xiàn)在條件參數(shù)相同的情況下LiBr溶液與濕空氣的傳質(zhì)性能遠(yuǎn)高于CaCl2溶液。劉曉華等［7］等以相同溶液溫度與相同表面蒸汽壓為基準(zhǔn)分析比較了LiBr溶液和LiCl溶液與濕空氣之間的傳質(zhì)性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同條件下，兩者體積流量大致相同，傳質(zhì)性能相差不大，但LiCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于LiBr溶液。比較上述3種除濕鹽溶液可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，LiCl溶液除濕性能最強(qiáng)，LiBr溶液次之，CaCl2溶液最弱。

除濕溶液的選擇除了需要考慮本身的除濕性能之外，還需要考慮其腐蝕性的強(qiáng)弱。LiBr、LiCl、CaCl2皆屬于非氧化性鹵素鹽，對碳鋼和銅材料的管道均有一定的腐蝕性。而且，碳鋼和銅的腐蝕速度與溶液的pH有著直接的關(guān)系。如圖1所示，金屬在酸性的環(huán)境下腐蝕速度較快，當(dāng)pH＜4時，腐蝕速度急劇升高。且提高溶液溫度也會加快腐蝕的速度。在相同摩爾濃度下，3種無機(jī)鹽溶液pH值由小到大順序?yàn)椋篖iBr＞LiCl＞CaCl2［8］。其中 CaCl2溶液為酸性鹽，對金屬腐蝕性最大。LiBr與LiCl溶液腐蝕性相差不大，但LiBr溶液再生溫度高于LiCl，因此LiCl溶液對金屬腐蝕性最小。由于鹵素鹽對金屬具有腐蝕性，對管道設(shè)備提出了新的要求。目前最常用的方法是采用塑料材料來進(jìn)行運(yùn)輸，如聚丙烯、聚氯乙烯等，并且其成本也比較低；或者對金屬表面采取防腐處理，但其對工藝要求較高，且會增加成本。

圖1 碳鋼的腐蝕速度與溶液pH的關(guān)系

從以上分析可知，LiCl作為除濕溶液最為合適，但從經(jīng)濟(jì)性方面來說，其價格最為昂貴，使用成本高。LiBr以其高濃度擁有與LiCl溶液相近的傳質(zhì)能力，但再生溫度較LiCl溶液更高，且價格同樣高昂。CaCl2溶液除濕能力相對較弱，且粘度較大，會增大系統(tǒng)能耗，容易在管道內(nèi)殘留，但因其價格低廉也被廣泛應(yīng)用。因此上述3種除濕鹽溶液沒有哪一種具有絕對的優(yōu)勢，需根據(jù)除濕系統(tǒng)具體情況來綜合考慮。

1.2 混合溶液

由于單一除濕溶液皆存在各自的缺點(diǎn)，不少學(xué)者對混合除濕溶液的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值的研究，這些研究表明，混合除濕溶液可以獲得更低的能耗，更好的除濕效率以及更低的材料成本。

沈子婧等［11］對不同配比LiCl和CaCl2混合鹽溶液在不同溫度下的黏度及表面張力進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，在LiCl與CaCl2質(zhì)量比1：1情況下，混合溶液的黏度與表面張力皆最低。蔣小強(qiáng)等［12］搭建了除濕系統(tǒng)試驗(yàn)臺，以除濕能力和綜合費(fèi)用為指標(biāo)，探究不同配比下LiBr和CaCl2混合溶液性能情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LiBr和CaCl2比例為3：1時，除濕系統(tǒng)性價比最高。然而，對混合溶液物性測量及除濕特性研究仍然較少，缺乏全面精確的擬合公式。Zhao等［13］提出了一種基于NRTL（非隨機(jī)雙液體）方程的混合除濕溶液蒸汽壓預(yù)測方法，具有較高的精度，誤差在5%以內(nèi)。其余物性參數(shù)，如比熱容、密度等，目前通常采用簡單混合法進(jìn)行估算，理論計(jì)算值實(shí)際測量值誤差在15%以內(nèi)，但已能滿足絕大多數(shù)工程應(yīng)用的需求。

2 膜式液體除濕組件

目前，膜式液體除濕組件主要應(yīng)用于兩種不同的配置。第一種將組件配置于室外，作為新風(fēng)獨(dú)立除濕組件，在新風(fēng)送入室內(nèi)之前對其進(jìn)行除濕；第二種配置方式是將膜式液體除濕組件放置在室內(nèi)空間中，直接從室內(nèi)空氣中吸收水蒸汽。兩種配置都具有良好的性能。

2.1 室外配置

2.1.1 平板式膜組件

在室外配置的情況中，除濕組件可做成平板式或中空纖維式。平板式膜組件是最早的膜組件類型，圖2是典型的叉流平板膜組件［14］，由多層平行的平板式半透膜堆疊而成，膜與膜之間構(gòu)成矩形通道，空氣和除濕溶液彼此在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)以叉流的方式交替流過，叉流的流動型態(tài)更容易實(shí)現(xiàn)空氣與溶液的分離與密封?？諝馀c溶液通過半透膜實(shí)現(xiàn)的熱質(zhì)交換，以達(dá)到除濕降溫的目的。

圖2 典型叉流平板膜組件

現(xiàn)有的平板式膜液體除濕的研究工作主要從理論建模和試驗(yàn)測試兩方面展開。理論建模能夠讓研究者抓住問題的本質(zhì)，更深刻的理解物理機(jī)理，節(jié)省相關(guān)試驗(yàn)操作的時間和經(jīng)濟(jì)成本。試驗(yàn)測試現(xiàn)象直觀、數(shù)據(jù)可靠。兩者相輔相成。Isttti等［15］建立了蒸氣通過疏水膜質(zhì)量通量理論模型，結(jié)果表明蒸氣通量取決于溶液濃度、空氣水蒸氣分壓、液側(cè)/氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)、膜特性、液側(cè)溫度和跨膜的溫度梯度。該模型與試驗(yàn)相對吻合良好，誤差在12%以內(nèi)。Lin等［16］以叉流平板膜式液體除濕組件為例，以LiCl溶液作為除濕溶液，通過試驗(yàn)研究空氣與溶液在不同進(jìn)口溫度、濕度、速度下的除濕效果。還分別建立了空氣側(cè)、溶液側(cè)和膜側(cè)的連續(xù)性、動量、能量和物質(zhì)平衡方程，將量綱模型轉(zhuǎn)化為無量綱形式，采用有限元法對每個單元的偏微分控制方程進(jìn)行離散，同時求解目標(biāo)變量的控制方程，模型模擬值與試驗(yàn)值最大誤差可控制在4%以內(nèi)。但是，他們只考慮了空氣與溶液通道高度相同且縱橫比b/a=1的單一情況，并未考慮流體流動的入口效應(yīng)，這會低估膜組件的傳熱傳質(zhì)性能。Huang等［17］同樣采用叉流平板膜，假設(shè)空氣與溶液流動是水力充分發(fā)展，考慮了熱質(zhì)邊界層入口效應(yīng)，建立熱質(zhì)傳遞方程，研究了縱橫比由1至無窮大下空氣與溶液的努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。模型與試驗(yàn)誤差最大為6%，吻合良好。

2.2 神經(jīng)生化代謝的改變 周艷平等［8］研究表明，糖尿病大鼠存在工作記憶障礙，其主要特點(diǎn)是記憶處理速度減慢。體內(nèi)神經(jīng)示蹤結(jié)果表明糖尿病大鼠的海馬、感覺皮層和內(nèi)嗅皮層均存在明顯的軸突和樹突病變，其特征為軸突腫脹、膨大和樹突病變。相關(guān)分析表明，空腹血糖水平以及認(rèn)知功能的高低與軸突和樹枝狀病變均呈正相關(guān)。

Jeo等［18］提出其他平板膜式液體除濕組件僅在單一流動構(gòu)型下進(jìn)行測試，故建立了三維集成理論模型來預(yù)測平板膜式液體除濕組件在不同流動構(gòu)型（順流、逆流、叉流）和不同空氣與溶液通道高度下的性能特征，建立了基于動量、能量和質(zhì)量平衡的常微分方程組，采用有限體積法離散，并結(jié)合熱質(zhì)邊界條件進(jìn)行求解，模型與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，最大誤差為7%。研究發(fā)現(xiàn)逆流流動型態(tài)的傳熱傳質(zhì)效率最高，其次是叉流，順流除濕效率最低。然而，叉流的流動型態(tài)對實(shí)現(xiàn)空氣與溶液的分離與密封更為有利。黃斯珉等［19］提出了逆流和叉流組合（準(zhǔn)逆流）的流動方式，采用六邊形平板膜對空氣進(jìn)行除濕，可以同時兼顧組件除濕性能和流道密封。室外配置時平板膜不同建模方法比較見表1。

表1 室外配置時平板膜不同建模方法比較

2.1.2 中空纖維膜組件

雖然平行板式膜組件制備簡單，流通截面大，但是在除濕溶液的重力壓迫下平板式膜容易發(fā)生變形，影響組件的除濕性能和使用周期。中空纖維膜液體除濕是對平板式膜液體除濕的改進(jìn)，與平行板式膜組件相比，中空纖維膜組件具有較高的填充密度（0.144m3交換器中可以包含約6000根中空纖維膜［20］）和較大的傳熱傳質(zhì)能力。圖3（a）和圖3（b）分別展示了逆流型和叉流型兩種中空纖維膜組件［21］，其類似于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，空氣在纖維外流動，溶液在纖維內(nèi)流動。

圖3 中空纖維膜組件類型

中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)對提高膜傳熱傳質(zhì)性能有相當(dāng)大的幫助。中空纖維膜在組件內(nèi)的分布主要分為隨機(jī)分布、三角形分布和四邊形分布。由于膜絲較細(xì)，且數(shù)量眾多，膜絲在組件內(nèi)通常為隨機(jī)分布，為考慮分布不均勻?qū)鳠醾髻|(zhì)的影響，研究者提出泰森多邊形法、分形理論、周期單元法等方法模擬膜絲在組件內(nèi)的分布情況。

然而，規(guī)則填充模塊的流動和傳熱綜合能力大于隨機(jī)填充模塊，人們開始研究不同排列方式的規(guī)則填充對組件性能的影響。張寧等［22］研究中空纖維膜在三角形和四邊形排列時，不同纖維管束和填充率對濕阻、空氣側(cè)及溶液側(cè)阻力的變化。研究表明雖然四邊形排列對于流體阻力減少有幫助，但濕阻較三角形排列大，以除濕效果為主要目標(biāo)時三角形排列優(yōu)先考慮。在膜管形狀方面，有別于傳統(tǒng)的圓形膜管，Huang［23］提出了一種橢圓形的中空纖維膜管，研究發(fā)現(xiàn)較圓管而言，橢圓形管傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度有所加強(qiáng)。

在理論建模方面，Zhang［24］描述了控制熱量和水分從空氣到液體通過膜傳遞的方程，基于e-NTU方法給出了無量綱微分方程的解析解。由于需要溶液平均溫度與濃度，需要首先預(yù)測溶液出口溫度與濃度，在一定程度上增加了計(jì)算量，但溶液濃度在除濕過程中變化很小，可忽略不計(jì)，只需預(yù)測溶液出口溫度。雖然是較為簡單的一維模型，但這種基于代數(shù)關(guān)聯(lián)的解析解可以準(zhǔn)確、方便地估計(jì)組件除濕效果，模型與試驗(yàn)的誤差為12%，吻合較好。雖然e-NTU法更高效、省時，但精度相對較低。有限差分法以其高精度得到廣泛應(yīng)用。趙媛媛等［25］采用叉流中空纖維膜組件，在假設(shè)溶液與空氣流量不變的情況下，建立空氣與溶液流動熱質(zhì)傳遞微分方程，采用有限差分法進(jìn)行離散，并對離散節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，較為精準(zhǔn)預(yù)測出了空氣出口溫度與相對濕度，模型與試驗(yàn)誤差小于8%。然而，對于有限差分法而言，熱質(zhì)傳遞系數(shù)是由努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系導(dǎo)出的，這些數(shù)據(jù)是在均勻溫度（熱流）或濃度（質(zhì)量流）邊界條件下獲得的，無法準(zhǔn)確反映膜模塊的真實(shí)傳熱傳質(zhì)特性。這是因?yàn)槟け砻娴倪吔鐥l件既不是均勻溫度（熱流）也不是均勻濃度（質(zhì)量流），而是空氣和溶液流動耦合自然形成的。為解決這一問題，Zhang等采用共軛傳熱傳質(zhì)法對叉流中空纖維膜組件進(jìn)行研究，利用自由表面模型建立計(jì)算單元，將整個組件的填充率簡化為每根膜管的填充率。提出了自由單元動量、熱量和質(zhì)量的控制方程，并結(jié)合耦合傳熱邊界條件進(jìn)行了數(shù)值求解。得到并分析了自然邊界條件下的努謝爾數(shù)和舍伍德數(shù)。模型與試驗(yàn)的誤差可控制在5%以內(nèi)。室外配置時中空纖維膜不同建模方法比較見表2。

表2 室外配置時中空纖維膜不同建模方法比較

在試驗(yàn)研究方面，Bergero等［26］利用叉流的聚丙烯中空纖維膜組件對空氣除濕進(jìn)行試驗(yàn)研究，以LiCl溶液作為除濕劑，分析了空氣流量與溶液流量對膜組件效率的影響。試驗(yàn)表明膜組件的效率會隨空氣流速增加而降低，與液體流速基本無關(guān)。殷少有等［27］采用叉流中空纖維膜組件，以LiCl溶液作為除濕劑，試驗(yàn)研究了不同空氣流量、溶液流量、溫度與壓力對除濕組件熱質(zhì)傳遞的影響。研究發(fā)現(xiàn)在高溫或高濕的情況下，中空纖維膜組件不僅除濕量高，而且具有較強(qiáng)的空氣制冷能力。

2.2 室內(nèi)配置

在室內(nèi)配置的情況中，除濕組件同樣可以做成平板式或中空纖維膜式，但與室外配置的結(jié)構(gòu)有所不同。

室內(nèi)平板式除濕膜組件通常被稱為熱濕傳遞板，其結(jié)構(gòu)類似于現(xiàn)有的輻射板，但同時包含了熱量與水分的傳遞，有效解決了輻射板表面易結(jié)露的問題。圖4為熱濕傳遞板示意圖［28］，其表面為疏水多孔膜，可以被水蒸氣滲透，但不能透過液體。薄膜使用環(huán)氧樹脂沿其周邊連接到有機(jī)玻璃的框架上。擋板將框架分成通道，其主要原因：①引導(dǎo)溶液覆蓋整個膜表面以充分吸收水蒸氣；②加強(qiáng)膜的穩(wěn)定性，防止其下垂。

圖4 熱濕傳遞板示意圖

膜液體除濕組件配置在室內(nèi)的情況研究較少，但其也擁有良好的性能。Hout等將熱濕傳遞頂板與置換通風(fēng)相結(jié)合，將空間劃分為3個區(qū)域：供冷新風(fēng)區(qū)，上循環(huán)區(qū)和與天花板相鄰的邊界層區(qū)域，建立了溶液側(cè)和空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)方程，并將邊界層模型與下兩區(qū)空間模型相結(jié)合，利用有限體積法將耦合的質(zhì)量和能量方程離散為代數(shù)方程進(jìn)行求解，預(yù)測了在不同空氣流量和溫度以及液體干燥劑的濃度、流量和入口溫度條件下，室內(nèi)熱舒適性和空氣質(zhì)量情況以及吊頂結(jié)露的情況。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，溫度和濕度測量值的相對誤差可低至4%。研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)冷輻射板，熱濕輻射板允許更低的溶液溫度通過，擁有更好的舒適性與供冷性能。

上述熱濕輻射頂板不直接影響供冷新風(fēng)區(qū)的濕度水平，它的作用僅限于通過吸收靠近膜的水蒸氣來防止冷凝。然而，配置在室內(nèi)的膜液體除濕組件也具有良好的除濕能力。Vashistha［29］為探究熱濕傳遞板應(yīng)用在房間內(nèi)的除濕性能，利用Fluent軟件開發(fā)了一個計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，用于三維室內(nèi)流體流動、傳熱和傳質(zhì)的數(shù)值模擬。水蒸氣通過薄膜的運(yùn)輸被認(rèn)為只是通過擴(kuò)散。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型。比較了房間內(nèi)熱濕傳遞板有和沒有的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在熱濕傳遞板存在的情況下，室內(nèi)濕度由60%下降到了50%。不僅是平板式除濕膜組件，中空纖維膜式除濕組件也具有良好的性能。

Keniar等［30］研究了中空纖維膜式除濕組件在室內(nèi)除濕的應(yīng)用效果，建立了一維能量、質(zhì)量與物質(zhì)守恒方程，采用有限差分法求解了穩(wěn)態(tài)條件下室內(nèi)膜管溫度和濃度的變化，并通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了模型的可靠性，與空氣含濕量誤差不大于6.5%。將除濕組件應(yīng)用于夏季一間典型的地中海氣候辦公室豎直壁面，結(jié)果表明，安裝膜系統(tǒng)后，室內(nèi)相對濕度降低了10%，滿足了人體熱舒適要求。

膜液體除濕組件不僅具有良好的性能，其適應(yīng)性也非常廣泛。Eldeeb等［31］利用TRNSYS仿真程序?qū)釢駛鬟f板的適用性進(jìn)行了測試，選取了4個具有不同氣候條件的北美城市（分別代表冷與干燥、冷與潮濕、熱與干燥和熱與潮濕氣候）作為典型工況，并模擬了這4個典型工況下熱濕傳遞板的性能。研究結(jié)果表明，熱濕傳遞板具有良好的控制室內(nèi)空間濕度的能力，能夠?qū)⑺谐鞘械目臻g相對濕度控制或接近在30%～70%RH的要求范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

膜式液體除濕技術(shù)是解決傳統(tǒng)氣液直接接觸除濕器中氣液夾帶問題的有效方法。文中綜述了現(xiàn)有研究中常用的除濕溶液和膜組件，并作出了以下結(jié)論與展望：

（1）目前最常用的除濕溶液是LiBr、LiCl、CaCl2溶液，三者各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)除濕系統(tǒng)具體情況來綜合考慮。

（2）除濕溶液的混合可以獲得更低的系統(tǒng)能耗，更好的除濕效率以及更低的材料成本。但目前對于混合溶液的物性及除濕性能試驗(yàn)測量和理論研究都比較少，所測試的配比比例也較為單一。對現(xiàn)有除濕溶液不同混合比例進(jìn)行更精細(xì)的研究，對混合溶液進(jìn)行更加豐富、更加全面的試驗(yàn)測量，推導(dǎo)出更多精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的擬合公式，是進(jìn)一步的研究內(nèi)容。

（3）在理論建模的過程中，由于除濕組件內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程較為復(fù)雜，模型的建立都是設(shè)置假定條件，如忽略纖維管間影響、纖維管在組件內(nèi)規(guī)則排布等。假定條件過多或不合適都會影響到模型的準(zhǔn)確性。因此，需要減少假定條件數(shù)量，建立更接近真實(shí)傳熱傳質(zhì)過程的理論模型，為組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

（4）雖然目前將膜液體除濕組件配置在室內(nèi)的情況研究較少，但已有的研究已證明了這種配置方式的可行性。因此，膜液體除濕組件室內(nèi)配置的研究也將是未來的方向之一。