CN104190262A

CN104190262A - 用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器、空气除湿系统和空气增湿系统

Info

Publication number: CN104190262A
Application number: CN201410463422.2A
Authority: CN
Inventors: 黄斯珉
Original assignee: Dongguan University of Technology
Current assignee: Dongguan University of Technology
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2014-12-10

Abstract

本发明提供了一种中空纤维膜接触器以及采用该膜接触器的增湿/除湿系统，与现有技术相比，本发明的膜接触器的膜纤维管的横截面为椭圆形，同时壳体中流动的第一流体的流向平行于所述椭圆形的短轴，通过数学计算以及数据模拟后发现，采用该种设计能够使得膜接触器中空气横掠膜纤维管时的努塞尔数值大幅增加，虽然平均阻力系数也有一定程度的增加，但是综合传热因子有较大的提高，能够使得在相同的膜接触面积的条件下大幅的提高膜接触器的换热能力，在增湿/除湿系统中即能够在等面积膜的条件下大幅的提高水蒸气的传递效率，从而提高了除湿/增湿系统的效率。

Description

用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器、空气除湿系统和空气增湿系统

技术领域

本发明涉及空气湿度控制技术领域，特别涉及用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器、以及采用该空纤维膜接触器的空气除湿系统和空气增湿系统。

背景技术

空气湿度对人们日常的方方面面都有极其重要的影响。空气湿度太高或是太低都不利于生产生活的开展和运行。在潮湿的空气中，食品容易变质，书籍等纸制品也极易受到影响而变形；霉菌会滋生在一些建筑物表面上，若长期积累的话对室内空气品质是有相当大影响的，并且会对室内人员的健康产生危害。同时干燥的环境下，极易产生静电，这对工业生产和一些电脑设备等电子产品安全运行中是非常不利的；木质家具在这种环境下也容易失水而变形。由此可见，拥有一个空气湿度适宜的环境对人们的生活和企业生产来说，其意义是不言而喻的，因此，提供能够有效控制空气湿度的设备是尤为必要。

近年来，随着膜接触器技术的发展，基于膜接触器的空气湿度控制技术得到较快的发展，膜接触器技术的原理是令气液两种流体分别在膜两侧流动，在蒸汽压差的作用下，驱动水蒸气的跨膜运动而实现对空气湿度的控制。由于膜在此过程中充当了筛分的作用，它只允许某一物质从膜的一侧透过到另一侧，而拒绝了其它物质的通过；另一方面，气液流体分别在膜的两侧流动，只通过间接的方式进行水蒸气的热质交换，避免了液滴漂移现象，从而提高了空气的品质。

然而，目前利用膜接触器技术进行除湿/增湿面临的一个重要问题就是膜接触器的处理能力比较低，导致在整体的除湿/增湿系统效率较低。在一些空间比较大、空气处理量大的场合难以胜任。例如公告号为CN101975421A中国发明专利申请公开说明书提到了一种热泵和液体除湿装置相结合的联合系统，它采用四边形板翅式膜组件作为除湿的主要部件，在平板膜流道内增加翅片，虽然可起到一定的支撑作用，但往往会引起不必要的压损。为此，业界提出采用中空纤维膜接触器来以降低流道阻力，如公告号为CN203123788U中国发明专利申请公开说明书公开了一种采用中空纤维丝膜对空气除湿的装置，可实现温度较高的冷源对空气的处理，提高了制冷机的效率。但是其效率仍然较低，必须加以改进才能提高效率。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能够在膜面积一定的条件下大幅提高水蒸气的传递效率，从而提高了除湿/增湿系统的效率的中空纤维膜接触器和对应的除湿系统和增湿系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，包括壳体和设置于壳体内的膜纤维管，所述壳体内流动有第一流体，所述膜纤维管内流动有第二流体，所述膜纤维管横截面为椭圆形，所述第一流体的流向平行于所述椭圆形的短轴。

优选的，所述壳体内设置有至少两列膜纤维管列，每列膜纤维列至少包括两个膜纤维管，每一列膜纤维管中相邻纤维管之间距离相等，相邻的两列膜纤维管在与列方向垂直的方向上错开设置。

另一优选的，所述壳体内设置的膜纤维管呈矩阵分布。

优选的，所述椭圆形的半轴比大于/等于0.5且小于1，所述半轴比是指椭圆形的短轴长与长轴长的比值。

更加优选的，所述椭圆形的半轴比等于0.5。

提供一种空气除湿系统，包括第一引风机、第一膜接触器、加热器、第二引风机，第二膜接触器、冷却器、储液罐和溶液泵，所述溶液泵将储液罐中的除湿溶液泵浦至第一膜接触器，使得除湿溶液移出流经第一膜接触器、加热器、第二膜接触器和冷却器后回流至储液罐中；所述第一引风机使待除湿的空气流经第一膜接触器以进行除湿，所述第二引风机使外界空气流经第二膜接触器以除去除湿溶液中的水蒸气，所述第一膜接触器和第二膜接触器均是上述中任意一种中空纤维膜接触器。

提供一种空气增湿系统，包括引风机、膜接触器、储液罐、溶液泵和加热器，所述溶液泵将储液罐中的蒸馏水泵浦至所述的加热器中，以使所述蒸馏水经过加热器和膜接触器后回流至储液罐，其特征在于：所述膜接触器是上述任意一种中空纤维膜接触器。

本发明的有益效果：本发明提供了一种中空纤维膜接触器以及采用该膜接触器的增湿/除湿系统，与现有技术相比，本发明的膜接触器的膜纤维管是横截面为椭圆形，同时壳体中流动的第一流体的流向平行于所述椭圆形的短轴，通过数学计算以及数据模拟后发现，采用该种设计能够使得膜接触器中空气横掠膜纤维管时的努塞尔数值大幅增加，虽然平均阻力系数也有一定程度的增加，但是综合传热因子有较大的提高，能够使得在相同的膜接触面积的条件下大幅的提高膜接触器的换热能力，在增湿/除湿系统中即能够在等面积膜的条件下大幅的提高水蒸气的传递效率，从而提高了除湿/增湿系统的效率。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的实施例1的除湿系统结构图的结构示意图。

图2为本发明的实施例1的中空纤维膜接触器的结构示意图。

图3为本发明的实施例1的中空纤维膜接触器在的膜纤维管的3种排列方式，其中：（a）是交错排列条件下的截面结构示意图，（b）是矩阵排列条件下的截面结构示意图，（c）随机排列条件下的截面结构示意图。

图4为本发明的平均阻力系数和努塞尔数值随椭圆形的半轴比的变化而变化的示意图。

图5为本发明的j/(f _m ) ^(1/3)因子随椭圆形的半轴比的变化而变化的示意图。

图6为本发明的实施例2的增湿系统结构图的结构示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

一种除湿系统，如图1和图2所示，包括：第一引风机1、第一膜接触器2、加热器3、第二引风机4，第二膜接触器5、冷却器6、储液罐7和溶液泵8，所述溶液泵8将储液罐7中的除湿溶液泵8浦至第一膜接触器2，使得除湿溶液移出流经第一膜接触器2、加热器3、第二膜接触器5和冷却器6后回流至储液罐7中；所述第一引风机1使待除湿的空气流经第一膜接触器2以进行除湿，所述第二引风机4使外界空气流经第二膜接触器5以除去除湿溶液中的水蒸气，第一膜接触器2和第二膜接触器5均包括壳体21和设置于壳体21内的膜纤维管22，所述膜纤维管22是横截面为椭圆形。

在对空气进行除湿时，空气由第一引风机1送入到第一膜接触器2中；储液罐7中的除湿溶液则由溶液泵8驱动送进第一膜接触器2中。空气在第一膜接触器2的壳侧流动，并沿着（平行于）椭圆短轴方向流过管束；除湿溶液则在膜纤维管22内流动。气液两者在蒸汽压差的作用下，透过膜进行间接的水蒸气热质交换，空气中的水蒸气被溶液吸收，达到对空气的除湿；而此时吸湿后的除湿溶液变成稀溶液。故为了使得除湿溶液可以循环再利用，需要对其进行再生。再生之前使用加热器3对其进行升温处理，提高其表面蒸汽压。除湿溶液通过第二膜接触器5进液口进入到第二膜接触器5后，经引风机15送入的空气进行水蒸气的交换，以去除除湿溶液在第一膜接触器2内吸收到的水蒸气，提高除湿溶液的浓度，除去水汽后的除湿溶液经第二膜接触器5出液口传送至冷却器6进行降温处理后，进入储液罐7保存，完成整个回路循环。

如图2所示，第一膜接触器2和第二膜接触器5均采用膜纤维管22的横截面为椭圆形的膜接触器，膜接触器中的膜纤维管22的排列方式可以是如图3（a）的交错排列，即每一列膜纤维管22中相邻纤维管之间距离相等，相邻的两列膜纤维管22列的膜纤维管22沿横向方向错开设置，也可以是如图3（b）所示的矩阵式，甚至可以是如图3（c）所示的随机排布，不过一哪种方式排布，其均能取得由于以往的效果。通过计算与模拟，三种排布方式的效果各有不同，本领域技术人员可根据实际需要灵活选择。

本实施例采用膜纤维管22截面为椭圆形的膜接触器能够使得在相同的膜接触面积的条件下大幅的提高膜接触器的换热能力，在增湿/除湿系统中即能够在等面积膜的条件下大幅的提高水蒸气的传递效率，从而提高了除湿系统的效率。众所周知，膜接触器的管程和壳程的总传质系数取决于管程、膜和壳程。其中，由于膜材料和结构不改变，变化的是将圆形横截面的中空纤维管束压制成椭圆型中空纤维膜管束。管程从原来的圆形横截面变成了椭圆形，相比圆形来说，努塞尔数增加了，壳程的传热传质效率得到强化。

空气横掠椭圆型中空纤维膜管束，采用重整化群湍流模型（RNG Turbulence model）建立相应的流体流动与传热模型。

连续性方程：

(1)

其中，U为时间平均速度 (m/s)。

动量方程：

(2)

其中，ρ为密度(kg/m³)；P为时间平均压力 (Pa)。

湍动能方程：

(3)

湍流耗散率方程：

(4)

能量方程：

(5)

其中， c _p为定比压热容 (kJkg^-1K^-1)；T 为时间平均温度 (K)。

在方程(2)-(5)中，等效粘度计算公式为：

(6)

其中，μ为分子动力粘度 (Pa∙s)。

在方程(3)和(4)中，湍流剪应力计算公式为：

(7)

其中，上标“′”表示波动值；u为速度 (m/s)。

方程(4)中的修正值计算公式为：

(8)

其中，

(9)

以上方程中的有关常数分别为：

C _μ=0.085, C _ε ₁=1.42, _C _ε ₂=1.68, η ₀=4.38, β=0.012

平均应变系数计算公式为：

(10)

其中，

(11)

重整化群湍流模型（RNG Turbulence model）可以精确的描述湍流传递随流动雷诺数的变化规律。其中，公式(3)-(5)中的系数，α_T, α_k, α_ε可以从以下公式中获得：

(12)

其中，计算α_T, α_k, α_ε时，α₀ 分别为1/Pr, 1.0, and 1.0。

流动雷诺数定义为：

(13)

其中，下标“in”代表横掠管束的入口；变量m为质量流量(kg/s)；A _in为入口横截面积(m2)；dh 为流道的当量直径(=2a) (m)。b和a分别为椭圆横截面x 和 y轴方向的半轴。在计算过程中，椭圆的周长固定（即膜纤维管22表面积固定）。其中，与椭圆周长相同的等效圆直径计算公式为

(14)

其中，h定义为

(15)

空气横掠管束的平均阻力系数计算公式为：

(16)

其中，下标“m”代表总平均值；Dp为管束入口和出口的压差(Pa)；u _m为平均速度 (m/s).

空气横掠管束的平均努塞尔数计算公式为：

(17)

其中，l为导热系数 (Wm^-1K^-1); hm为平均传热系数(kWm^-2K^-1)，计算公式为：

(18)

其中，下标“out”和“mem”分别代表管束入口和膜外表面； c _p为定比压热容(kJkg^-1K^-1)；T _in 和T _out分别代表入口和出口温度 (K)；A _mem膜外表面面积(m2)；ΔT _log 为膜外表面和空气流体之间的对数平均温差，计算公式为：

(19)

其中，“w”代表膜外表面轴向平均值。

Colburn j因子计算公式为：

(20)

其中，普朗特数为：

(21)

入口速度和温度边界条件：

u_x =V _i=const, u_y =0, T=T _i=const (22)

其中，下标“x”和“y”分别为x轴和y轴方向；空气流入口温度(Ti)设定为300K；普朗特数(Pr)为0.71。

上下对称边界条件：

, u_y=0, (23)

膜纤维管22外表面速度和温度边界条件：

u_x =0, u_y =0, T=T _w=const (24)

其中，膜外表面壁温(T _w)设置恒定的330K；出口边界条件在FLUENT中设置为 “pressure-outlet”边界条件；入口湍动能(k _i)和耗散率(ε _i)分别设置为1.0m²/s²和2.0m²/s³。

对于控制方程(1)-(5)的求解，采用商业计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行求解。采用有限溶剂法离散控制方程及其边界条件，并且使用SIMPLE速度-压力耦合算法来求解动量方程。控制方程中的对流项采用三阶QUICK格式离散。膜纤维管22外表面采用增强壁面法提高计算精度。由于控制方程的非线性，采用松弛因子迭代的方式进行求解，速度和压力松弛因子分别为0.4和0.6。收敛的评判标准为：动量方程的残差小于10^-5，能量方程的残差小于10^-8。

空气横掠椭圆中空纤维膜管束在不同椭圆半轴比(b/a)下的平均阻力系数(f _m)和努塞尔数值(Nu _m)如图4所示。由图可知，当椭圆半轴比(b/a)大于1时，平均阻力系数(f _m)和努塞尔数值(Nu _m)几乎不随半轴比(b/a)的变化而变化，这意味着空气沿着椭圆长半轴方向流动，流动阻力和传热效果几乎不变。当半轴比(b/a)小于1并且大于等于0.5时，相比半轴比等于1（此时为圆形中空纤维膜管束），阻力系数平均阻力系数(f _m)和努塞尔数值(Nu _m)分别增加54.05-62.84%和44.73-69.01%。另外，管束的排列方式也在较大程度上影响了流动和传热过程。平均阻力系数(f _m)由大到小排布：随机排列（Random）、交错排列（Staggered）、矩阵排列（In-line）；努塞尔数值(Nu _m)：交错排列、矩阵排列、随机排列。

如前所述，空气横掠椭圆中空纤维膜管束(b/a<1)相比圆形中空纤维膜管束(b/a=1)，流动阻力和传热能力均增加。为了评价椭圆中空纤维膜管束的综合换热能力，采用j/(f _m)^(1/3)因子作为评价标准。空气横掠椭圆中空纤维膜管束在不同椭圆半轴比下(b/a)的j/(f _m)^(1/3)因子如图5所示。由图中数据可知，不管是三角形、四边形还是随机排布管束，随着半轴比(b/a<1)的减小，j/(f _m)^(1/3)因子均增加，并且四边形和三角形排布的增加幅度比随机排布要大。因此，空气沿着短半轴方向横掠椭圆中空纤维膜管束，综合传热能力得到提升。另外，根据传热传质类比，传质也会得到相应的强化。

实施例二

一种增湿系统，如图6所示，包括引风机11、膜接触器12、储液罐13、溶液泵14和加热器15，所述溶液泵14将储液罐13中的蒸馏水泵浦至所述的加热器15中，以使所述蒸馏水经过加热器15和膜接触器12后回流至储液罐13，在对空气进行增湿时，空气由引风机11送入到膜接触器12中；储液罐13中的蒸馏水则由溶液泵14驱动送进膜接触器12中。空气在膜接触器12的壳侧流动，并沿着（平行于）椭圆短轴方向流过管束；被加热器15加热过的蒸馏水则在膜纤维管内流动。气液两者在蒸汽压差的作用下，透过膜进行间接的水蒸气热质交换，蒸馏水部分水分子被传递至空气中，达到对空气的增湿作用。本实施例中，膜接触器12的具体的结构与实施例一的第一膜接触器2和第二膜接触器5相同。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，包括壳体和设置于壳体内的膜纤维管，所述壳体内流动有第一流体，所述膜纤维管内流动有第二流体，其特征在于：所述膜纤维管横截面为椭圆形，所述第一流体的流向平行于所述椭圆形的短轴。

2.如权利要求1所述的一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，其特征在于：所述壳体内设置有至少两列膜纤维管列，每列膜纤维列至少包括两个膜纤维管，每一列膜纤维管中相邻纤维管之间距离相等，相邻的两列膜纤维管在与列方向垂直的方向上错开设置。

3.如权利要求1所述的一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，其特征在于：所述壳体内设置的膜纤维管呈矩阵分布。

4.如权利要求1所述的一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，其特征在于：所述椭圆形的半轴比大于/等于0.5且小于1，所述半轴比是指椭圆形的短轴长与长轴长的比值。

5.如权利要求4所述的一种用于空气湿度控制的中空纤维膜接触器，其特征在于：所述椭圆形的半轴比等于0.5。

6.一种空气除湿系统，包括第一引风机、第一膜接触器、加热器、第二引风机，第二膜接触器、冷却器、储液罐和溶液泵，所述溶液泵将储液罐中的除湿溶液泵浦至第一膜接触器，使得除湿溶液移出流经第一膜接触器、加热器、第二膜接触器和冷却器后回流至储液罐中；所述第一引风机使待除湿的空气流经第一膜接触器以进行除湿，所述第二引风机使外界空气流经第二膜接触器以除去除湿溶液中的水蒸气，其特征在于：所述第一膜接触器和第二膜接触器均是权利要求1-5中任意一种中空纤维膜接触器。

7.一种空气增湿系统，包括引风机、膜接触器、储液罐、溶液泵和加热器，所述溶液泵将储液罐中的蒸馏水泵浦至所述的加热器中，以使所述蒸馏水经过加热器和膜接触器后回流至储液罐，其特征在于：所述膜接触器是权利要求1-5中任意一种中空纤维膜接触器。