真空平板膜除湿单元组件性能模拟分析_刘琦.pdf
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1、 年第 期水利规划与设计科研与管理:.真空平板膜除湿单元组件性能模拟分析刘 琦,马景辉,朱 栋,柴建源(浙江理工大学建筑工程学院,浙江 杭州)摘要:为讨论真空平板膜除湿单元组件除湿性能的影响因素,文章利用 软件建立压力驱动水蒸气分离的错流式平板膜单元组件三维模型,探究除湿过程中单元组件内部压力和水蒸气的分布特点,模拟分析了不同入口速度、入口湿度以及渗透域出口压力等因素对除湿性能的影响。结果表明,模拟计算与文献实验结果最大误差不超过.。入口速度由.提高至.时,除湿率由.降低至.,而入口相对湿度由提高至 时,除湿率由.提高至.。同时适当降低组件高度或增加组件长度也可提升单元组件的除湿性能。而渗透域
2、出口压力低于 时,平板膜除湿单元组件的除湿性能变化不明显。研究结果可为设计及改进真空平板膜除湿单元组件提供一定参考。关键词:气体分离;平板膜;除湿单元;除湿性能中图分类号:.文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:刘 琦(年),女,硕士研究生。:.通讯作者:马景辉(年),男,副教授。:.传统的冷凝除湿方式使用范围大、除湿效果好,但冷凝除湿需要低于空气露点温度下运行,且不能进行深度除湿,冷凝水也会滋生霉菌生长污染室内环境。冷却后温度较低的空气通常还需要进行再热处理后才送入室内,该过程降低了系统效率,增加了能耗和相关成本,且在该过程中温湿度不能进行独立控制,能源利用效率较低。膜法除湿与传统冷
3、凝除湿方式相比,具有除湿过程连续、无腐蚀问题、系统简单等优点。真空膜除湿(,)作为膜法除湿的一种形式,在除湿器的 个腔室中间放置选择性渗透膜,一侧腔室通入连续的湿空气,另一侧腔室连接真空泵,利用真空泵产生的跨膜压力作为除湿过程的驱动力。除湿过程中,膜将水蒸气选择性除去,温度基本不变,所以 不需要进行过冷和再热,也不需要为除湿剂的再生输入能量。等首先提出将膜分离技术与传统空调结合,该方法只需要卡诺蒸气压缩系统所需能量的 。等人对原有膜除湿系统进行改进,在原有系统内增加膨胀阀,为系统建立了强大的驱动力,使得改进后的系统实现除湿效率大于。等对 系统及其性能效率进行了研究,系统 比常规冷凝除湿高。近年
4、来,关于 的性能测试多以实验为主,但是实验代价较高,周期较长且实验无法可视化 除湿过程中的浓度分布。而数值模拟已逐渐成为了平板膜性能测试的一种高精度、低成本的分析手段。所以目前许多学者以膜分离组件运行条件优化为目的,通过对膜过滤组件的内部流态特征和分布流场的数值模拟,获得各个流动参数对组件性能的影响。杨明智等通过建立螺旋卷式膜组件隔网流道内 和 混合气的三维流动模型,比较了 种不同隔网编制方式的二氧化碳分离效果和压降分布。胡碧涵等对三维中空纤维渗透汽化膜进行模拟,提出可以通过对膜截面形状的微小改变提升分离效果。李博扬等搭建分离的单级膜模型对影响分离性能的因素进行研究分析,总结膜组件在分离过程的
5、规律。通过对压力驱动中空纤维膜除湿进行数值模拟,等探究分析了湿度和风速对中空纤维膜除湿性能的影响,结果表明入口速度对膜除湿性能起到了关键作用。然而对以平板膜为单元组件的 内除湿发展特征及其除湿性能的影响因素研究案例尚不多见。因此,本文建立采用真空平板膜除湿单元组件科研与管理水利规划与设计 年第 期三维模型,通过改变入口送风速度、湿度以及出口压力等参数,探究各参数对单元组件除湿发展特征影响并探讨组件在除湿过程中的影响因素及除湿能力。为真空平板膜除湿单元组件的尺寸和工况设计提供参考。模型建立.模型建立如图 所示,错流式平板膜除湿器由多层平板膜单元组件构成,具有制造方便、结构简单等特点。湿空气进入管
6、道,由于膜的选择性和渗透性,湿空气中的水蒸气在压差作用下穿过膜层传输到真空侧,达到除湿效果。图 错流式平板膜除湿器示意图单元组件性能直接影响除湿器的除湿效果,为了降低计算复杂性,选取除湿器的单元组件作为计算区域。本文利用 .模拟真空平板膜除湿单元组件除湿过程,如图 所示,根据文献建立三维模型,箭头表示流动方向。计算区域分 个部分:上部进料域和下部渗透域尺寸都为 ,采用干空气和水蒸气的混合气作为湿空气。膜为涂覆聚乙烯醇及三甘醇的纳滤复合膜,其干空气和湿空气渗透率分别为 ()和.()。湿空气从进料域右侧沿 轴流进模型从左侧流出,水蒸气和干空气分别通过膜进入渗透域并从渗透体域出口流出。模拟计算采用层
7、流和浓物质传递的多物理场耦合过程,进料域进口采用速度进口,进料域和渗透域出口设置为压力出口,同时为简化模型,作出如下假设:()将由干空气和水蒸气组成的湿空气看作理想气体;()进料域入口气流为稳定流态;()干空气与水蒸气分别独立渗透至膜内,且各自渗透率恒定;()进料域各面没有热量交换。图 模型三维图.控制方程.进料域进料域传质方程为:()()()式中,气体种类;和 代干空气和水蒸气;湿空气密度,;进料域内的气体 的质量比;气体 的扩散系数,;入口速度,;气体 的相对摩尔质量,;进料域气体的平均摩尔质量,。.膜过膜的空气渗透通量计算公式如式():()式中,空气渗透通量,();空气在膜中的渗透率,(
8、);进料域压力,;渗透域压力,;渗透域内干空气的质量比;渗透域内水蒸气的质量比。过膜的水蒸气渗透通量计算公式如式():()式中,水蒸气渗透通量,();水蒸气在膜中的渗透率,()。.渗透域渗透域传质方程为:()()式中,渗透域内的气体 的质量比;渗透 年第 期水利规划与设计科研与管理域气体的平均摩尔质量,。模拟验证.网格独立性验证网格数分别、及 对入口速度.,入口湿空气温度,相对湿度,含湿量 ,渗透域出口压力 的基础工况的计算结果如图 所示。如图 所示,网格数 以上,出口水蒸气质量分数受网格数量影响较小,故选取网格数为 进行模拟。图 网格无关化检验.模型有效性验证为验证模型的有效性,将模拟的进料
9、域出口水蒸气分压值和文献实验值进行比较。如图 所示,进料域出口水蒸气分压的模型计算与文献实验结果最大误差不超过.,满足正常误差范围,可利用该模型进行真空平板膜除湿单元组件的研究分析。图 模拟结果验证 结果与讨论.压力分布基础工况的进料域压力分布图如图()所示。由图可知,压力从进料域入口沿 轴递减,由.降低至.。可以观察到压力在 至 处压力降低了,而在 至 间压力仅降低了。然而在进料域入口的下边缘处压降最大,这是由于进料域入口处湿空气速度和压力最大,在渗透域压力作用下水蒸气大量通过渗透膜产生的压力变化。基础工况的渗透域压力分布图如图()所示,由图可知,渗透域的压力主要沿 轴变化。渗透域压力在 、
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