CN112032865B - 基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器及方法。本发明的液体调湿器包括用于降膜装置施加电场的电场强化装置，所述电场强化装置包括分别与电源两端相连的形成非匀强电场的第一电极以及第二电极，所述第一电极以及第二电极之间形成可以放置降膜装置的电场。本发明利用非均匀高压静电场对极性分子水分子的影响特性，加速了溶液中水分子向空气中的迁移过程，并通过湿润材料的布置使溶液均匀分布。该装置所需电源功率极小，能耗较低，提高了系统的效率。

Description

基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器及方法

技术领域

本发明涉及一种湿度调节装置，特别涉及一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器及方法。

背景技术

自20世纪50年代液体除湿空调系统的构想提出以来，随着工业技术和科技水平的发展，溶液除湿系统得以被广泛研究和应用，其中盐溶液除湿系统尤为显著，目前主要涉及的应用范围有住宅、纺织、冷库抑霜、压缩空气干燥等方面。溶液除湿系统由除湿器和再生器组成。在除湿器中，水蒸气分压力较低的除湿溶液与需除湿的空气接触，水蒸气分压差驱动空气中的水分向溶液中转移，达到降低空气含湿量的目的；在再生器中，高温的除湿溶液具有较高的分压力，因此水分子迁移方向与前者相反，达到提升溶液浓度的目的。该技术能够在低品位热能的驱动下实现空气除湿，同时也能实现空气温、湿度的解耦处理，具有高效利用余热能源的特质和可观的应用前景。

溶液除湿系统的传热传质过程对整个系统的性能有着重要影响，如何强化除湿和再生的传热传质这一重要过程是近年来研究的热点问题之一，尤其是外部物理场对气液传质的研究，如磁场、电磁场、超声场及超重力场等，其中高压电场可以通过极化效应对物系产生影响，且施加方便、易于控制和调节，已经成为近年来化工过程强化领域研究和开发的热点。目前电场强化这一手段已被应用于物料干燥、气体吸收等方面，但用于溶液除湿领域的研究较少。

在传统的降膜再生器中，需要通过加热溶液来达到再生的效果，且湿润材料内部存在大量的毛细管，使其含水量大大提高，水分很难从材料内部到表面，再生温度通常在50-60℃之间，存在的一个不足是若利用电加热则再生能耗较大，因此很多系统利用低品位热源和废热进行再生。但是当低品位热源温度较低时，再生速率也会降低，再生量和除湿量无法平衡匹配，甚至严重影响到系统的稳定高效运作，所以需要额外的能耗来进行辅助，电场强化特性的应用从而可以减少能耗。另一方面，再生温度是影响再生性能的重要参数，再生温度越高，再生性能则越好，但过高的再生温度将会导致装置的材料发生形变，尺寸、机械强度也会受到影响从而影响产品质量，若应用电场强化的原理，可以一定程度上降低再生温度。此外，降膜装置内的空气流道很少出现扰动，空气的流态有较大的优化空间。

发明内容

发明目的：为了改善溶液再生/除湿过程中气液传质过程不充分的缺点，减少传质间阻力，并在有限设备的条件下改善空气的流动性，以增大溶液和空气间交换的效率，同时减少能耗，本发明提供了一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器。本发明还提供了用该液体调湿器进行溶液调湿的方法。

技术方案：本发明所述的一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，包括用于降膜装置施加电场的电场强化装置，所述电场强化装置包括分别与电源两端相连的形成非匀强电场的第一电极以及第二电极，所述第一电极以及第二电极之间形成可以放置降膜装置的电场。

本发明的液体调湿器还包括外壳以及降膜装置，所述外壳与降膜装置同轴设置，所述降膜装置与外壳内壁之间形成用于介质流通的流道。

本发明所述的液体调湿器为封闭结构，除溶液进、出口、介质的进、出口以及部分电线接口外，与外界区域不连通，该装置通过对降膜装置施加非匀强电场促进液体分子移动。

所述第一电极为贴合于所述外壳内壁的金属薄板，所述第二电极为位于所述降膜装置腔体内的金属丝。

所述金属薄板内壁设置有金属芒刺。

所述降膜装置包括与所述外壳同轴设置的降膜板、设置于所述降膜板外壁的润湿层、设置于所述降膜板上方的溢流槽以及设置于所述溢流槽顶端边缘的溢流口。

本发明的润湿层由润湿材料组成，除湿/再生溶液通过湿润材料的浸润作用建立热湿交换面，实现传质表面的布液，湿润材料多为具有较大孔隙率与表面粗糙度的材质，如棉纤维材料、聚乙烯纤维材料等。以再生器为例，湿润材料和金属芒刺的存在会在一定程度上增强空气扰动，从而有利于气液传质，因此可以保证在液体调湿器温度较低时依然有较好地调湿效果，或在一定程度上降低所需调湿温度。

所述降膜装置通过设置于降膜板顶端的支撑机构与外壳的顶板固定；所述降膜装置底端设置有用于密封所述降膜板的降膜底板；和/或所述第二电极连接溢流槽底部和降膜底板。

本发明所述液体调湿器为除湿器，所述除湿器包括外壳，位于外壳内的与所述外壳同轴设置的降膜装置以及电场强化装置，所述降膜装置与外壳内壁之间形成用于介质流通的流道；所述电场强化装置包括贴合于所述外壳内壁的第一电极以及位于所述降膜装置的腔体内的第二电极。

本发明所述液体调湿器为再生器，所述再生器包括外壳，位于外壳内的与所述外壳同轴设置的降膜装置以及电场强化装置，所述降膜装置与外壳内壁之间形成用于介质流通的流道；所述电场强化装置包括贴合于所述外壳内壁的第一电极以及位于所述降膜装置的腔体内的第二电极；所述第一电极内壁设置有金属芒刺。

同样地，再生器的第一电极为贴合于所述外壳内壁的金属薄板，所述第二电极为位于所述降膜装置腔体内的金属丝。

以再生器为例，作为正电极的金属薄板贴附于再生器的外壳的内壁，作为接地电极的金属电极位于再生器中心位置，静电场的耗功极小，能耗可以忽略。电场的加入能够加速水分子从溶液向空气迁移的速度，从而强化溶液的再生效果，空气和溶液在很薄的流道内逆向传热传质，同时通过带有金属芒刺的金属薄板的结构作为正极，同时也增加了对空气的扰动，使溶液和空气间的气液传质更加充分。

所述外壳上设置有用于换热介质通入的第一进口、用于换热介质送出的第一出口、用于溶液进入的第二进口以及用于溶液送出的第二出口；所述第一进口以及第二出口位于所述外壳下方，所述第一出口以及第二进口设置于所述外壳上方。

本发明所述的溶液调湿方法，包括以下步骤：

(a)通过电场强化装置接入高压电源，将电压缓慢提升到所需电压，当电压稳定后，开启风机，随后开启溶液泵泵入除湿溶液；

(b)空气由第一进口流入装置内部，后进入外壳和降膜板之间的流道，待处理溶液由第二进口进入装置，后流入溢流槽，通过溢流口流出，湿润贴于降膜板外壁的湿润材料，溶液和空气相互传热传质；

(c)随后空气由第一出口流出，处理后的浓溶液流入第二出口，完成溶液处理。

本发明装置利用高压非均强的静电场对极性分子水分子的影响特性，加速了溶液中水分子向空气中的迁移过程，并通过湿润材料的布置使溶液均匀分布。该装置所需电源功率极小，能耗较低，提高了发生器的效率。

本发明的一个可选实施例中，换热介质为空气；除湿/再生溶液为具有吸湿性的盐溶液、有机溶液或多种溶液组成的混合溶液，如LiCl溶液、LiBr溶液等。

有益效果：(1)本发明通过电场强化装置，采用对降膜装置外加高压静电场的形式，其功率消耗极小，约为30w左右，可以消耗极小的能量以提高液体调湿器的效率，得到更好的液体调湿效果。(2)本发明采用的V形溢流槽能够更好地控制流量平稳，采用的湿润材料可以使布液更加均匀，同时湿润材料的毛细作用吸收溶液并维持浸润状态，以致溶液在湿润材料表面的速度为接近0，一定程度上减轻了空气带液问题，湿润材料的多孔性也增加了气液接触面积。(3)本发明形成的非均强高压静电场安全性很高，运行稳定、电压响应快，可以使液体调湿过程的稳定性不受外加电场的影响。

附图说明

图1为本发明实施例2的液体调湿器结构示意图；

图2为本发明实施例2的液体调湿器的外壳示意图；

图3为本发明实施例2的液体调湿器的内部降膜装置的示意图；

图4为本发明实施例2的液体调湿器的内部电场强化装置的示意图；

图5为本发明实施例3的再生器的内部电场强化装置原理图。

具体实施方式

实施例1：本发明提供了一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，该液体调湿器具有电场强化装置300，如图4所示，电场强化装置300包括分别与电源两端相连的形成非匀强电场的第一电极301以及第二电极302，第一电极301以及第二电极302之间形成可以放置降膜装置的电场，形成非匀强电场的第一电极301可以为金属薄板，第二电极302为金属丝，具体应用形式可以为金属薄板为圆筒形，金属丝放置于圆筒形金属薄板围成的空腔的中心轴线，在金属薄板与金属丝之间形成了非均强电场，当然非均强的电场也可以采用可以实现本发明目的其他电极结构形成，用于强化水分子的迁移效果。具有电场强化装置300的液体调湿器的工作原理为：通过极化作用的效果使水分子的迁移效果更加明显，强化作用可以归因于一下两个方面，一方面是高压静电场对蒸馏水得蒸发和含水物料得脱水有促进作用，这是利用“浅川效应”的原理，即在施加电压后水的蒸发速率会加快，而且电场消耗的能量很小，这也可称为电场能传质，通过非匀强电场的作用，利用水分子的极性，使湿空气中不规则运动的水分子作定向移动；另一方面是空气将会在高压电场中起晕，电离出电子和正离子，正离子因电场力作用向集电方向移动，正离子在移动过程中碰撞中性粒子共同向集电极方向运动，进而产生正离子风，离子风的加入可以通过扰动进一步优化空气和溶液的接触程度。

实施例2：液体调湿器的一种可选结构如图1至4所示，液体调湿器采用圆筒式设计，包括外壳100、降膜装置200和电场强化装置300，液体调湿器为封闭结构，除了待处理溶液的进、出口与空气进、出口之外，以及部分电线接口外，与外界区域不连通。

液体调湿器的外壳100采用绝缘材料，上面设有用于空气进入的第一进口101、用于空气送出的第一出口102、用于溶液进入的第二进口103以及用于溶液送出的第二出口104，第二进口103和第一出口102位于外壳100的上端，第二出口104和第一进口101位于外壳100下端，溶液进出口的接管段为绝缘材料，可以采用有机玻璃。在本实施例中，外壳100下端设置的第二出口呈漏斗状，用于处理后溶液的流出。

降膜装置200包括位于外壳100内的降膜板201，降膜板201的形状与外壳100的形状相匹配，均为筒形，即降膜板201与外壳100同轴设置，降膜板201与外壳100的内壁(侧壁)之间形成流道400，流道400的厚度范围可控制在1-2cm，在本实施例中该流道400的厚度大概为1cm厚，降膜板201采用质量较轻且绝缘的材料，如塑料；降膜板201外周覆有湿润层202以使除湿溶液分布均匀，(流道的厚度是指外壳100内壁和降膜板201或者润湿层202外壁之间的距离，本实施例中为外壳100内壁和湿润层202外壁之间的距离)，降膜板201上方设置有溢流槽203，溢流槽203的顶端边缘设置有沿着溢流槽203周向分布的溢流口204。

在本实施例中，溢流槽203为沿着降膜板201边缘向上延伸形成，即为设置于降膜板201边缘的围板，形成一个用于容纳溶液的溶液槽，在溢流槽203的顶端边缘设置的溢流口204为V形开口，相应地，第二进口103开口于溢流槽203的上方，溶液通过第二进口103送入溢流槽203，并通过溢流槽203溢出浸润组成湿润层202的润湿材料。除湿溶液经由开有V形溢流口204的溢流槽203流入，再生后由漏斗状的第二出口104流出，实现流量平稳和减少滞留。

本实施例中所述的调湿溶液为具有吸湿性的盐溶液、有机溶液或多种溶液组成的混合溶液，如LiCl溶液、LiBr溶液等，调湿溶液通过湿润材料的浸润作用建立热湿交换面，实现传质表面的布液，湿润层采用的润湿材料多为具有较大孔隙率与表面粗糙度的材质，如棉纤维材料、聚乙烯纤维材料等。

降膜装置200通过支撑机构205与外壳100连接，本实施例中，支撑机构205为设置于降膜装置200上方的若干根支撑条，支撑条分别连接外壳100的顶板以及溢流槽203底板，支撑条采用机械强度较大且绝缘的材料，如有机玻璃，数量不小于4根，降膜板201的底端通过降膜底板206密封，降膜装置200除必要的电线留孔外为封闭状态，电线孔也需要在设备安装好之后封闭完全，降膜装置200都采用绝缘材料。

电场强化装置300包括作为第一电极的金属薄板以及作为第二电极302的金属丝，金属薄板301贴附在液体调湿器的外壳1的内壁面，金属丝置于降膜板201的空腔内部，同时连接溢流槽203底部和降膜底板206，金属薄板作为正电极与金属丝共同形成非匀强电场来加速水分子的迁移，本实施例中的金属薄板表面光滑，电源由外接的独立的高压电源来输入，场强大小由电源的调节电压决定，电压范围可选择在10kV-30kV之间，本发明的高压电源有自动保护装置，使得形成的静电场安全性很高，运行稳定、电压响应快，可以使再生过程的稳定性不受外加电场的影响。金属薄板301和金属电极302的电线分别由外壳100上部和降膜底板206打孔接入，所有电线缠有高压绝缘胶带。

本发明的液体调湿器的空气的进、出口分别位于液体调湿器的下端和上端，空气在风机的作用下自下而上流入，由外壳100内壁和降膜板201形成的狭小流道(约1cm厚)内与调湿溶液进行逆流传热传质。

本发明中所述的液体调湿器包括了两类产品，分别为除湿器和再生器，除湿器的结构与实施例2中描述的液体除湿器的结构相同，原理相同，处于流道400内溶液分子在金属薄板与金属丝之间形成的非匀强电场中加速移动，即在除湿器中形成非匀强电场，此时电场较大的位置在空腔内的金属丝处，即溶液侧，水分子向溶液侧迁移。

实施例3：由于再生器和除湿器结构相似，原理相同，但是水分子移动方向相反，故在实施例2结构的基础上，需要改变非匀强电场的强弱方向，水分子从金属丝侧(位于润湿层的溶液中的分子)向着金属薄板的方向(迁移至流道内的换热介质中)加速迁移，实现溶液再生。

再生器结构中采用的电场强化装置300如图5所示，用于给降膜装置施加电场，电场强化装置300的金属薄板内壁上设置有金属芒刺303，通过增加的金属芒刺形成不均匀电场，如在具体应用中，金属芒刺303在金属薄板上均匀布置，布置密度不小于10个/m²，金属芒刺303强化了金属薄板以及金属丝之间形成的非匀强电场，增加了水分子迁移率，提高溶液再生效果，同时金属芒刺增加了流道400内的空气扰动效果，进一步提高溶液再生效果。本发明再生器的使用方法为：

使用时，首先开启高压电源，将电压缓慢提升到所需电压(10kV-30kV)，当电压稳定后，开启风机，随后开启溶液泵泵入再生溶液。空气由第一进口101流入装置内部，后进入外壳100和降膜板201组成的空腔内(狭窄流道)，待再生溶液(作为待处理溶液)由第二进口103进入装置，后流入溢流槽203，通过溢流口204流出，湿润贴于降膜板201外壁的湿润材料，溶液和空气相互传热传质，温度较高的稀溶液脱出水分并被空气冷却，随后空气由第一出口102流出，再生后的浓溶液流入漏斗状的第二出口104，至此完成一个再生过程。空气流道内存在静电场，电场能的作用和离子风的影响加速了水分子向空气中的迁移过程，湿润材料的存在也减小了带液问题。当再生过程结束时，先关掉溶液泵，其次关掉风机，最后先将高压电源调节为0kV，最后关闭电源。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围，即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，其特征在于，包括外壳（100）、降膜装置（200）以及用于降膜装置施加电场的电场强化装置（300）；所述外壳（100）上设置有用于换热介质通入的第一进口（101）、用于换热介质送出的第一出口（102）、用于溶液进入的第二进口（103）以及用于溶液送出的第二出口（104）；所述外壳（100）与降膜装置（200）同轴设置，所述降膜装置（200）包括与所述外壳（100）同轴设置的降膜板（201）、设置于所述降膜板（201）外壁的润湿层（202）、设置于所述降膜板（201）上方的溢流槽（203）以及设置于所述溢流槽（203）顶端边缘的溢流口（204），所述降膜装置（200）底端设置有用于密封所述降膜板（201）的降膜底板（206）；所述降膜装置（200）与外壳（100）内壁之间形成用于介质流通的流道（400）；所述电场强化装置（300）包括分别与电源两端相连的形成非匀强电场的第一电极（301）以及第二电极（302），所述第一电极（301）为贴合于所述外壳（100）内壁的金属薄板，所述第二电极为位于所述降膜装置（200）腔体内的金属丝，所述第一电极（301）以及第二电极（302）之间形成可以放置降膜装置（200）的电场；所述第二电极（302）连接溢流槽（203）底部和降膜底板（206）。

2.根据权利要求1所述的基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，其特征在于，所述金属薄板内壁设置有金属芒刺（303）。

3.根据权利要求1所述的基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，其特征在于，所述降膜装置（200）通过设置于降膜板（201）顶端的支撑机构（205）与外壳（100）的顶板固定。

4.根据权利要求1所述的基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，其特征在于，所述第一进口（101）以及第二出口（104）位于所述外壳（100）下方，所述第一出口（102）以及第二进口（103）设置于所述外壳（100）上方。

5.根据权利要求1所述的基于高压静电场极化效应的降膜式液体调湿器，所述外壳（100）下端设置的第二出口（104）呈漏斗状。

6.一种如权利要求1所述的降膜式液体调湿器进行溶液调湿的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）通过电场强化装置（300）接入高压电源，将电压缓慢提升到所需电压，当电压稳定后，开启风机，随后开启溶液泵泵入待处理溶液；

（b）空气由第一进口（101）流入装置内部，后进入外壳（100）和降膜板（201）之间的流道（400），待处理溶液由第二进口（103）进入装置，后流入溢流槽（203），通过溢流口（204）流出，湿润贴于降膜板（201）外壁的湿润材料，溶液和空气相互传热传质；

（c）随后空气由第一出口（102）流出，处理后的溶液流入第二出口（104），完成溶液处理。

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