劉 琦，馬景輝，朱 棟，柴建源

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

傳統(tǒng)的冷凝除濕方式使用范圍大、除濕效果好，但冷凝除濕需要低于空氣露點(diǎn)溫度下運(yùn)行，且不能進(jìn)行深度除濕，冷凝水也會(huì)滋生霉菌生長(zhǎng)污染室內(nèi)環(huán)境[1- 3]。冷卻后溫度較低的空氣通常還需要進(jìn)行再熱處理后才送入室內(nèi)，該過(guò)程降低了系統(tǒng)效率，增加了能耗和相關(guān)成本，且在該過(guò)程中溫濕度不能進(jìn)行獨(dú)立控制，能源利用效率較低[4]。膜法除濕與傳統(tǒng)冷凝除濕方式相比，具有除濕過(guò)程連續(xù)、無(wú)腐蝕問(wèn)題、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5- 6]。

真空膜除濕(Vacuum membrane dehumidification，VMD)作為膜法除濕的一種形式，在除濕器的2個(gè)腔室中間放置選擇性滲透膜，一側(cè)腔室通入連續(xù)的濕空氣，另一側(cè)腔室連接真空泵，利用真空泵產(chǎn)生的跨膜壓力作為除濕過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力[7]。除濕過(guò)程中，膜將水蒸氣選擇性除去，溫度基本不變，所以VMD不需要進(jìn)行過(guò)冷和再熱，也不需要為除濕劑的再生輸入能量。David等[8]首先提出將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)結(jié)合，該方法只需要卡諾蒸氣壓縮系統(tǒng)所需能量的26%～56%。Paul等人[9]對(duì)原有膜除濕系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原有系統(tǒng)內(nèi)增加膨脹閥，為系統(tǒng)建立了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，使得改進(jìn)后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)除濕效率大于200%。Bui等[10]對(duì)VMD系統(tǒng)及其性能效率進(jìn)行了研究，VMD系統(tǒng)COP比常規(guī)冷凝除濕高。

近年來(lái)，關(guān)于VMD的性能測(cè)試多以實(shí)驗(yàn)為主，但是實(shí)驗(yàn)代價(jià)較高，周期較長(zhǎng)且實(shí)驗(yàn)無(wú)法可視化VMD除濕過(guò)程中的濃度分布[11]。而數(shù)值模擬已逐漸成為了平板膜性能測(cè)試的一種高精度、低成本的分析手段[12- 14]。所以目前許多學(xué)者以膜分離組件運(yùn)行條件優(yōu)化為目的，通過(guò)對(duì)膜過(guò)濾組件的內(nèi)部流態(tài)特征和分布流場(chǎng)的數(shù)值模擬，獲得各個(gè)流動(dòng)參數(shù)對(duì)組件性能的影響。楊明智等[15]通過(guò)建立螺旋卷式膜組件隔網(wǎng)流道內(nèi)CO2和N2混合氣的三維流動(dòng)模型，比較了3種不同隔網(wǎng)編制方式的二氧化碳分離效果和壓降分布。胡碧涵等[16]對(duì)三維中空纖維滲透汽化膜進(jìn)行模擬，提出可以通過(guò)對(duì)膜截面形狀的微小改變提升分離效果。李博揚(yáng)等[17]搭建分離CO2的單級(jí)膜模型對(duì)影響分離性能的因素進(jìn)行研究分析，總結(jié)膜組件在分離過(guò)程的規(guī)律。通過(guò)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)中空纖維膜除濕進(jìn)行數(shù)值模擬，Liu等[18]探究分析了濕度和風(fēng)速對(duì)中空纖維膜除濕性能的影響，結(jié)果表明入口速度對(duì)膜除濕性能起到了關(guān)鍵作用。然而對(duì)以平板膜為單元組件的VMD內(nèi)除濕發(fā)展特征及其除濕性能的影響因素研究案例尚不多見。

因此，本文建立采用真空平板膜除濕單元組件三維模型，通過(guò)改變?nèi)肟谒惋L(fēng)速度、濕度以及出口壓力等參數(shù)，探究各參數(shù)對(duì)單元組件除濕發(fā)展特征影響并探討組件在除濕過(guò)程中的影響因素及除濕能力。為真空平板膜除濕單元組件的尺寸和工況設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 模型建立

如圖1所示，錯(cuò)流式平板膜除濕器由多層平板膜單元組件構(gòu)成，具有制造方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[19]。濕空氣進(jìn)入管道，由于膜的選擇性和滲透性，濕空氣中的水蒸氣在壓差作用下穿過(guò)膜層傳輸?shù)秸婵諅?cè)，達(dá)到除濕效果。

圖1 錯(cuò)流式平板膜除濕器示意圖[19]

單元組件性能直接影響除濕器的除濕效果，為了降低計(jì)算復(fù)雜性，選取除濕器的單元組件作為計(jì)算區(qū)域。本文利用COMSOL Multiphysics 6.0模擬真空平板膜除濕單元組件除濕過(guò)程，如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)[10]建立三維模型，箭頭表示流動(dòng)方向。計(jì)算區(qū)域分2個(gè)部分：上部進(jìn)料域和下部滲透域尺寸都為22cm×22cm×1cm，采用干空氣和水蒸氣的混合氣作為濕空氣。膜為涂覆聚乙烯醇及三甘醇的納濾復(fù)合膜，其干空氣和濕空氣滲透率分別為1×10-9mol/(m2·s·Pa)和2.6×10-6mol/(m2·s·Pa)[10]。濕空氣從進(jìn)料域右側(cè)沿x軸流進(jìn)模型從左側(cè)流出，水蒸氣和干空氣分別通過(guò)膜進(jìn)入滲透域并從滲透體域出口流出。模擬計(jì)算采用層流和濃物質(zhì)傳遞的多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，進(jìn)料域進(jìn)口采用速度進(jìn)口，進(jìn)料域和滲透域出口設(shè)置為壓力出口，同時(shí)為簡(jiǎn)化模型，作出如下假設(shè)：

(1)將由干空氣和水蒸氣組成的濕空氣看作理想氣體；

(2)進(jìn)料域入口氣流為穩(wěn)定流態(tài)；

(3)干空氣與水蒸氣分別獨(dú)立滲透至膜內(nèi)，且各自滲透率恒定；

(4)進(jìn)料域各面沒(méi)有熱量交換。

圖2 模型三維圖

1.2 控制方程

1.2.1進(jìn)料域

進(jìn)料域傳質(zhì)方程為：

(1)

(2)

1.2.2膜

過(guò)膜的空氣滲透通量計(jì)算公式如式(3)：

(3)

過(guò)膜的水蒸氣滲透通量計(jì)算公式如式(4)：

(4)

式中，Jw—水蒸氣滲透通量，kg/(m2·s)；Kw—水蒸氣在膜中的滲透率，mol/(m2·s·Pa)。

1.2.3滲透域

滲透域傳質(zhì)方程為：

(5)

(6)

2 模擬驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格數(shù)分別13770、28730、106250、185130、442170及718250對(duì)入口速度0.2m/s，入口濕空氣溫度31℃，相對(duì)濕度60%，含濕量17g/kg，滲透域出口壓力1200Pa的基礎(chǔ)工況的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)185130以上，出口水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)受網(wǎng)格數(shù)量影響較小，故選取網(wǎng)格數(shù)為185130進(jìn)行模擬。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)化檢驗(yàn)

2.2 模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的有效性，將模擬的進(jìn)料域出口水蒸氣分壓值和文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。如圖4所示，進(jìn)料域出口水蒸氣分壓的模型計(jì)算與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差不超過(guò)7.5%，滿足正常誤差范圍，可利用該模型進(jìn)行真空平板膜除濕單元組件的研究分析。

圖4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力分布

基礎(chǔ)工況的進(jìn)料域壓力分布圖如圖5(a)所示。由圖可知，壓力從進(jìn)料域入口沿x軸遞減，由101334.2Pa降低至101324.9Pa?？梢杂^察到壓力在x=0cm至x=10cm處壓力降低了7Pa，而在x=10cm至x=22cm間壓力僅降低了4Pa。然而在進(jìn)料域入口的下邊緣處壓降最大，這是由于進(jìn)料域入口處濕空氣速度和壓力最大，在滲透域壓力作用下水蒸氣大量通過(guò)滲透膜產(chǎn)生的壓力變化。

基礎(chǔ)工況的滲透域壓力分布圖如圖5(b)所示，由圖可知，滲透域的壓力主要沿y軸變化。滲透域壓力在x=0cm、y=0cm處達(dá)到最大，與出口處壓差僅為1.32Pa。這是由于滲透域中富集水蒸氣以及中真空環(huán)境使得壓力變化不明顯。

圖5 (a)進(jìn)料域與(b)滲透域壓力分布圖

3.2 水蒸氣分布

基礎(chǔ)工況下，在y=11cm的x-z平面水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)切面分布圖如圖6所示。由圖可知，進(jìn)料域中的水蒸氣含量沿x軸和z軸明顯變化。進(jìn)料域入口處水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為0.017，沿x軸逐漸減少至出口處的0.0117，同時(shí)隨著除濕發(fā)展，在z軸上有明顯的分層，膜表面附近的水蒸氣聚集量逐漸減少，z方向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)在膜表面附近達(dá)到了最小值0.007。

圖6 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)切面分布圖

滲透域中的水蒸氣含量主要沿x軸發(fā)生變化，滲透域在x=0cm處的水蒸氣含量最大，為0.975，在x=22cm處水蒸氣含量達(dá)到最小值0.916。結(jié)合圖4可知，在進(jìn)料域入口處，由于跨膜壓力和速度都處于較高水平時(shí)，滲透域的水蒸氣含量達(dá)到最大水平。

3.3 入口速度對(duì)膜組件除濕性能的影響

3.3.1進(jìn)料域入口速度與水蒸氣分布關(guān)系

通過(guò)改變基礎(chǔ)工況進(jìn)料域入口速度，模擬得到不同速度下y=11cm的xz處的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)切面分布圖如圖7所示。由圖可知，濃度分層厚度隨著入口速度的提高而明顯變小，且進(jìn)料域近出口側(cè)上方的水蒸氣濃度接近于入口處濃度，這一現(xiàn)象說(shuō)明了入口速度直接影響進(jìn)料域上方水蒸氣聚集程度。不同入口速度下的滲透域的水蒸氣分布規(guī)律大體一致，水蒸氣分層高度隨進(jìn)口速度的增加而降低，而入口速度越大滲透域入口處的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值由0.2m/s時(shí)的0.975提高至1.0m/s時(shí)的0.984，這表明滲透域的水蒸氣富集程度與入口速度有關(guān)，且入口速度越大滲透域水蒸氣富集越多。隨著入口速度的增大，濕空氣在進(jìn)料域停留時(shí)間縮短，與膜接觸時(shí)間變短，組件除濕性能下降。

圖7 入口速度分別為(a)0.4m/s、(b)0.6m/s、(c)0.8m/s及(d)1.0m/s的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)切面分布圖

3.3.2進(jìn)料域入口速度與除濕率關(guān)系

三是檢測(cè)+互動(dòng)：推動(dòng)社會(huì)共治。一要推進(jìn)社會(huì)治理創(chuàng)新，逐步形成資源同享、檢測(cè)互動(dòng)的工作新局面和監(jiān)管大服務(wù)的檢測(cè)新格局。二要加強(qiáng)統(tǒng)一部署，搭建檢測(cè)互動(dòng)共建平臺(tái)，強(qiáng)化轄區(qū)居民參與意識(shí)和食品安全共治意識(shí)。

為了研究進(jìn)料域入口速度對(duì)膜組件除濕性能的影響，本文以除濕率作為評(píng)價(jià)組件的除濕性能標(biāo)準(zhǔn)[10]，計(jì)算公式如式(7)：

(7)

如圖8所示，入口速度對(duì)除濕率影響較大，除濕率與入口速度呈指數(shù)相關(guān)，所得擬合曲線R2均在0.9以上。除濕率和濕空氣含濕量減少量隨著入口速度的提高而降低，隨著入口速度由0.2m/s增大至1.0m/s，除濕率由30.7%降低至15.6%，濕空氣含濕量減少量由5.3g/kg減少至2.7g/kg?？梢娊档腿肟谒俣扔欣跐窨諝馀c膜充分接觸，提高除濕性能。

圖8 除濕率與濕空氣含濕量減少量隨入口速度變化圖

3.4 入口濕度對(duì)膜組件除濕性能的影響

通過(guò)改變?nèi)肟谙鄬?duì)濕度探究入口濕度對(duì)膜單元組件除濕性能的影響。入口速度0.2m/s，入口濕空氣溫度31℃時(shí)，組件除濕率與入口相對(duì)濕度50%(含濕量為15g/kg)、60%(含濕量為17g/kg)、70%(含濕量為20g/kg)、80%(含濕量為23g/kg)以及90%(含濕量為25g/kg)的關(guān)系如圖9所示。由圖可知，組件除濕率與入口相對(duì)濕度線性相關(guān)，R2大于0.9。濕空氣含濕量減少量和除濕率隨著入口相對(duì)濕度的增大而增加。隨著入口相對(duì)濕度由50%增加至90%，濕空氣出口含濕量減少量由4.3g/kg增加至9.5g/kg，除濕率由28.4%增大至37.1%，可見膜組件在高濕環(huán)境下除濕效果顯著。入口相對(duì)濕度的增加，增大了進(jìn)料域內(nèi)的水蒸氣分壓力，從而增大了跨膜壓差促進(jìn)水蒸氣分離。所以提高入口相對(duì)濕度有利于除濕性能的提升。

圖9 除濕率與濕空氣含濕量減少量隨入口相對(duì)濕度變化圖

3.5 滲透域出口壓力對(duì)膜組件除濕性能的影響

通過(guò)改變基礎(chǔ)工況的滲透域出口壓力分別模擬得到滲透域出口壓力為1600、800、400、100Pa的組件除濕率和濕空氣含濕量減少量，如圖10所示。隨著滲透域出口壓力的降低，除濕率和濕空氣含濕量減少量分別僅提高了0.4%和0.018g/kg。滲透域出口壓力低于1600Pa時(shí)，滲透域出口壓力對(duì)膜組件除濕性能的影響不明顯。

圖10 除濕率與濕空氣含濕量減少量隨滲透域出口壓力變化圖

3.6 組件高度對(duì)單元組件除濕性能的影響

為探究單元組件高度對(duì)除濕性能的影響，分別對(duì)基礎(chǔ)工況下組件高度分別為3cm和1cm的模型進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如圖11所示，高度為1cm的組件隨著除濕發(fā)展，水蒸氣分布逐漸均勻。高度為3cm的組件在z=2.5cm至z=3.0cm處水蒸氣含量接近入口水蒸氣含量，除濕發(fā)展不完全。

圖11 組件高度為(a)1cm和(b)3cm的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)切面分布圖

通過(guò)對(duì)比組件三種高度的除濕性能，進(jìn)料域出口水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由組件高度1cm時(shí)的0.00812升高至3cm時(shí)的0.01317，同時(shí)除濕率由1cm時(shí)51.5%降低至3cm時(shí)的22.2%，見表1?？梢婋S著組件高度的增加反而降低了組件的除濕性能。結(jié)合圖11可以得出，在相同工況下，增加高度會(huì)增大進(jìn)料域上方水蒸氣含量較高的濕空氣體積，使得組件除濕性能減弱。故在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，適當(dāng)降低組件高度有利于組件除濕性能。

表1 不同高度組件的除濕性能

3.7 組件長(zhǎng)度對(duì)單元組件除濕性能的影響

通過(guò)改變基礎(chǔ)工況下組件高度2cm，模擬長(zhǎng)度分別為10、15、25、30、35cm的模型，模擬結(jié)果如圖12所示，組件長(zhǎng)度與除濕率呈線性相關(guān)，且R2大于0.9。隨著長(zhǎng)度的增加，濕空氣含濕量減少量由3.751g/kg升高至6.587g/kg，除濕率由21.9%升高至38.1%。組件長(zhǎng)度增加的同時(shí)增大了膜面積也增加了濕空氣在進(jìn)料域中停留的時(shí)間，有利于除濕發(fā)展，從而增強(qiáng)單元組件除濕性能。

圖12 除濕率與濕空氣含濕量減少量隨組件長(zhǎng)度變化圖

4 結(jié)論

(1)進(jìn)料域和滲透域的壓力和水蒸氣最大值都發(fā)生在入口側(cè)。隨著除濕發(fā)展，進(jìn)料域內(nèi)水蒸氣濃度呈分層分布，由進(jìn)料域上壁面向膜面逐漸減小。

(2)入口速度的降低使得進(jìn)料域出口水蒸氣分布逐漸均勻，進(jìn)料域內(nèi)濕空氣的除濕發(fā)展逐漸完全。

(3)入口速度和入口濕度為膜除濕單元組件除濕性能的主要影響工況參數(shù)，滲透域出口壓力對(duì)組件的除濕性能影響不明顯。膜除濕單元組件除濕性能隨入口速度的降低和入口濕度的增大而增強(qiáng)。在低速高濕的條件下真空平板膜除濕單元組件有較高的除濕性能。

(4)膜除濕單元組件除濕性能隨組件高度的降低和長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)。設(shè)計(jì)真空平板膜除濕單元組件時(shí)可綜合考慮組件高度和長(zhǎng)度對(duì)除濕能力的影響。