2012中国工程热物理学会年会传热传质会议论文.基于热量、质量积耗散的中空纤维膜组件除湿性能的热力学分析.doc

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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号：123215
基于热量、质量积耗散的中空纤维膜组件除湿性能的热力学分析
张宁1，张立志1,2，裴丽霞1
(1. 华南理工大学化学与化工学院传热与节能教育部重点实验室，广州，510640)
(2.华南理工大学亚热带建筑科学重点实验室，广州，510640)
(Tel：[phone]，Email: lzzhang@)
摘 要：建立了叉流中空纤维膜液体除湿的二维传热、传质数学模型，引入研究传热传质过程热量积的热阻因子与质量积的湿阻因子用来衡量溶液除湿过程中热量与水分传递的不可逆性。通过分析与传热耦合的湿空气水分传递过程，得到了热湿传递过程的中传热、传湿的阻力表达式，比较了除湿过程中不同空气-溶液流量比与空气-溶液进口状态的阻力因子。空气-溶液流量比为1:1时，阻力因子较小。由于叉流除湿器偏离平衡逆流传热传质形式，最小热阻因子不在溶液进口状态等浓度线上，而是在偏离等浓度线使得空气与溶液的温差更大的点，最小湿阻因子在偏离等浓度线使得空气与溶液的水蒸气分压差更大的点。实际运行时，尽可能使除湿过程线接近上述条件，以减少热湿传递过程的不可逆性。
关键词：中空纤维膜组件；热湿传递；热量积耗散；质量积耗散；阻力因子
0 前言
热湿独立控制的空气调节方式可以利用吸湿性溶液或固体，调节空气的湿度再分别用制冷装置调节空气的温度[1]。相比较传统的冷却除湿方法，液体除湿不需要把新风温度降到露点以下，同时避免表冷器产生的冷凝水滋生细菌影响室内空气环境，更为节能和环保，因此得到迅速的发展。溶液除湿是热量传递和水分传递相互耦合的过程，项辉等[2]对其进行了深入细致的研究。Factor等[3]以微元控制体模型为基础, 建立了逆流填料塔中吸湿溶液与空气热质交换过程的控制微分方程。刘晓华等[4]和Dai等[5]人建立了适用于叉流除湿器的模型，Saman[6]和Liu[7]研究了温度、湿度、浓度等物理量对除湿性能的影响。李震[8]以减少溶液除湿过程的熵产为优化目标，分析了溶液与空气的最佳流量比。Guo等[9]提出了热量积的概念来描述物体向外界传递热量的能力, 引入了热量积耗散的概念来衡量在传热过程中该物体传热能力的损失。指出熵产是热功转换传热过程不可逆性的量度，与热功转换无关的传热过程不可逆性的量度为热量积耗散。江亿等[10]将热量积引入空气与水热湿转换过程中，定义了湿空气的质量积，指出在满足参数匹配的情况下，为达到质量积损失最小，应使湿空气尽量接近饱和线与水进行热湿交换。陈林等[11]导出了衡量溶液除湿过程中水分传递不可逆性的湿阻的表达式, 并利用湿阻的概念对溶液除湿系统的除湿性能进行分析和优化。刘晓华等[12]利用热量积和质量积耗散对逆流除湿塔进行热湿传递分析，得出在溶液进口状态等浓度线上进行的热湿传递过程不匹配系数最小，而溶液进口状态等焓线上发生的过程不匹配系数较大。
传统的液体除湿[1-8]均采用填料塔作为气液接触介质以增大传热传质面积，由于除湿溶液与湿空气直接接触，无法避免气流对除湿溶液小液滴的夹带。这些具有极高腐蚀性的小液滴随新风进入室内，会污染室内空气环境。由于亲水/憎水中空纤维复合膜具有良好的选择性，只允许水蒸气透过而对溶液有拦截作用，因此避免了除湿溶液与空气直接接触，有效防止了气液夹带现象。另外，中空纤维膜具有较高的比表面积，除湿组件填充密度可以高达1500 m2/m3，可以大大缩小除湿器的体积，确保较大的气液传质有效面积，壳层空气流动阻力也得到降低。本文通过对中空纤维膜叉流除湿器传热传湿阻力的分析，比较不同传递过程中的热阻、湿阻因子，并以此分析不同状态的吸湿溶液与空气热湿传递过程性能的差异,为其流程设计与优化分析提供参考。
1除湿组件的热量、质量积分析
1.1除湿组件的传热传质数学模型
如图1所示的中空纤维膜除湿组件，氯化锂溶液从管内由下向上流动，被处理空气由左向右外掠管束。空气流和溶液流的流动雷诺数均低于300，因此，可以认为空气流和溶液流均为层流流动[13]。其他的假设如下：
(1) 传热传质过程是稳态；
(2) 空气流动和传热传质为二维问题，组件长度方向上的流动和扩散忽略不计；
(3) 空气和溶液流体为牛顿流体，并且具有恒定的热物理性质

图1 中空纤维膜组件示意图
空气与溶液无量纲的传热、传质方程见式（1-4）
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：

边界条件：
(5)
(6)
1.2质量积耗散的名义湿阻表示
衡量传热过程中物体传热能力损失的显热热量积损失和传质能力损失的质量积损失为[10]
(7)
(8)
表示传热与传质不可逆性的等效热阻、等效湿阻为[11]
(9)
(10)
等效热阻与热阻的比值为无因次的热阻因子见式(11)，等效湿阻与湿阻的比值为无因次的湿阻因子见式(12)
(11)
(12)
热阻因子fq湿阻因子fm总是大于或等于1，当除湿器两侧流体的温差在整个传热面上是常数时，fq等于1[14]，两侧流体的水蒸气分压力差在整个传热面上是常数时，fm等于1，只有平衡逆流装置能够实现。因此热阻因子和湿阻因子可以表征传热与传质不可逆性，数值越大说明越偏离平衡逆流，传热与传质不可逆损失也越大。
2 空气与溶液流量比的影响
以一个中空纤维复合膜为亲水/憎水双极性微孔膜为计算实例，膜外径1.5 mm，膜内径1.1 mm，有效长度380 mm。中空纤维膜组件由4814根中空纤维膜以三角形排列，用环氧

图2空气与溶液流量比对湿阻因子的影响 图3空气与溶液流量比对除湿量的影响

图4空气与溶液流量比对热阻因子的影响 图5空气与溶液流量比对传热量的影响
树脂封端封于200×140 mm的矩形透明有机玻璃板框内制备而成。
当空气的进口温度为30℃，相对湿度80%，溶液温度为20℃，浓度29%。在空气质量流量为0.02、0.04、0.05、0.06、0.08kg/s时，对应不同的空气与溶液质量流量比，计算了湿阻因子、除湿量、热阻因子、传热量。从图3、图5可以看出在相同的空气与溶液流量比下，空气的质量流量越大，除湿量和传热量越大。在相同的空气质量流量下，空气与溶液流量比越小，即溶液流量越大，空气的除湿量和传热量越大。在流量比大于1:1时，除湿量和传热量的变化比较明显，小于1:1时，除湿量和传热量的变化平缓。
从图2、图4可以看出，湿阻因子、热阻因子的变化趋势与除湿量、传热量相反。空气的质量流量越大，空气与溶液流量比越小，湿阻因子、热阻因子越小。在相同的空气与溶液流量比下，空气质量流量为0.02kg/s时，湿阻因子、热阻因子的增长比较明显。空气质量流量为0.04、0.05、0.06、0.08kg/s时的湿阻因子、热阻因子差别不明显。在相同的空气质量流量下，空气与溶液流量比大于1:1时，流量比对湿阻因子、热阻因子的影响比较明显，过大的流量比造成较大的湿阻因子、热阻因子，不利于中空纤维膜的传热传质，特别是当空气质量为0.02kg/s，空气与溶液流量比为1:0.4，湿阻因子为1.39，热阻因子为100.96，分别为流量比为1:1时的1.27倍和20.03倍。空气与溶液流量比小于1:1时，增大溶液流量的流量虽然可以增加除湿量和传热量，但是湿阻因子和热阻因子基本不变。
通过湿阻因子和热阻因子分析，在空气流量为0.05kg/s，空气与溶液流量比为1:1时的流量参数比较合适。
3 空气进口状态点的影响

图6 空气与溶液进口状态在焓湿图上的表示

图7 空气进口状态点对湿阻因子的影响 图8空气进口状态点对除湿量的影响

图9空气进口状态点对热阻因子的影响 图10空气进口状态点对传热量的影响
对于图6所示不同进口状态的空气与溶液的热湿传递过程，图7、图9所示空气质量流量与溶液质量流量为0.05 kg/s湿阻因子、热阻因子的变化情况。其中图7去掉了空气与溶液进口水蒸气分压力相等导致湿阻因子非常大的3和11点，图9去掉了空气与溶液进口温度相等导致热阻因子非常大的7和15点。
从图8和图10可以看出，空气进口温度与溶液温度相同的7和15点，除湿量最大，传热量最小，向空气进口与溶液进口水蒸气分压力相等相同3和11点靠近时，除湿量逐渐减小，传热量逐渐增大，直到3和11点除湿量达到最小，传热量达到最大。从图7和图9可以看出对于叉流除湿组件，由于其偏离平衡逆流传热传质形式，所以其湿阻因子和热阻因子都大于1。而且湿阻因子和热阻因子不像平衡逆流形式在溶液的等浓度线上的1和9点同时达到最小，而是湿阻因子在空气与溶液的进口水蒸气分压力差更大些的8和16点达到最小，热阻因子在空气与溶液的进口温差更大些的2和10点达到最小。原因是因为叉流除湿组件无法像平衡逆流形式那样实现传热传质的温差和浓度差的均匀一致性，造成传热传质的损失增大，因此对于传热过程必须相对于等浓度线上的状态点增大传热温差，对于传质过程必须相对于等浓度线上的状态点增大传质的水蒸气分压力差来弥补温差和浓度差的不均匀性造成的传热传质损失，才能实现热阻因子和湿阻因子最小。由于最小湿阻因子、热阻因子与1、9点的数值差别不大，因此对于叉流除湿组件仍可以认为当空气在溶液的等浓度线上时传热传质损失最小。一般实际运行时，空气的进口状态点是不变的，可以通过调节溶液参数来实现上述条件。
4 结 论
1、本文通过中空纤维膜除湿机理的研究，建立了二维叉流传热、传质模型，用来分析空气和溶液侧的温度和含湿量分布。
2、将传热传质过程研究中热量积的热阻和热阻因子与质量积的湿阻和湿阻因子用来衡量溶液除湿过程中热量与水分传递的不可逆性，并利用热阻和湿阻因子对中空纤维膜除湿组件除湿性能进行分析和优化。
3、在相同的空气与溶液流量比下，空气的质量流量越大，除湿量和传热量越大。在相同的空气质量流量下，溶液流量越大，空气的除湿量和传热量越大。湿阻因子、热阻因子的变化趋势与除湿量、传热量相反。增大溶液流量的流量虽然可以增加除湿量和传热量，但是当空气与溶液流量比小于1:1时，湿阻因子和热阻因子基本不变，反而会加大溶液泵等的动力消耗。在空气流量为0.05kg/s，空气与溶液流量比为1:1时的流量参数比较合适。
4、根据除湿溶液与空气进口状态相对位置的不同得到不同处理过程中的热阻、湿阻因子，由于叉流除湿组件，偏离平衡逆流传热传质形式，最小的热阻、湿阻因子不像逆流除湿组件在溶液进口状态等浓度线上，而是在空气与溶液的进口温差更大些的2和10点达到热阻最小，进口水蒸气分压力差更大些的8和16点达到湿阻最小，通过增大传热温差和传质的水蒸气分压力差来弥补温差和浓度差的不均匀性造成的传热传质损失。同理最大的热阻、湿阻系数不在溶液进口状态等焓线上，而是分别在6和14、4和12。

符号说明
x0 流道宽度，m
y0 流道长度，m
T 温度，K
X 溶液浓度
A 面积，m2
h 对流换热系数，W·m-2·K-1
k 对流传质系数，m/s
R 热阻、湿阻，K/W、s/kg
J 热量积、质量积，W·K、kg/s·(kg水蒸气/kg干空气)2
q 传热量，W
m 传质量，kg/s
f 无因次热阻因子、湿阻因子
希腊字母
ω 空气相对湿度kg水蒸气/kg干空气
上标
* 无量纲
下标
a 空气
s 溶液
sen 显热的
Lat 潜热的
q 显热传热
m 质量传递
loss 耗散
tot 总的
e 等效
i 进口

参考文献
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