膜式液体除湿技术膜组件结构研究

罗城鑫　谷菁

摘  要：膜式液体除湿技术可以充分利用太阳能、地热能等可再生能源或工业低品位余热驱动除湿溶液再生，代替传统冷冻除湿过程的电力消耗，平衡电网用电负荷，实现电力资源的优化配置。但膜式液体除湿技术的膜组件结构还存在成本高，稳定性差等问题，这制约了技术的规模化推广和应用。文章介绍了膜式液体除湿技术及两种膜组件的结构特点，提出了膜组件结构设计的发展方向。

关键词：膜式;液体除湿;膜组件;结构

中图分类号：TU834.9       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）31-0151-02

Abstract： Membrane-based liquid desiccant air dehumidification technology can make full use of solar energy， geothermal energy and other renewable energy or industrial low-grade waste heat to drive the regeneration process， replace the power consumption in the traditional refrigerated dehumidification， balance the power load of the grid， and realize the optimal allocation of power resources. However， the membrane module structure of membrane-based liquid desiccant air dehumidification technology still has some problems， such as high cost and poor stability， which restricts the large-scale promotion and application of the technology. This paper introduces the technology of membrane-based liquid desiccant air dehumidification and the structural characteristics of two membrane modules.

Keywords： membrane-based; dehumidification; membrane module; structure

1 概述

空气的湿度和温度，对于保持室内舒适性和空气质量都非常重要。据报道，如果空气湿度能控制在50-60%，即使温度维持在28℃，人体仍然会感到舒适[1]。在传统的空调除湿系统中，室外空气被冷却到其露点温度以下使空气中的水蒸气冷凝，从而达到除湿的目的。由于冷却后的空气温度太低，把它送到室内仍然需要加热到合适的温度，这个冷却和加热是高能耗过程。据统计，我国南方炎热潮湿地区，用于空气除湿的能耗占空調能耗的20-40%[2]，与此同时，空气冷凝的冷却盘管由于长时间处于潮湿的环境中，给细菌的滋生创造了良好的条件，从而使室内空气质量恶化。

为了降低传统除湿过程的能源消耗，研究者们对新型的空气除湿方法做了很多的研究，主要包括膜法除湿、固体除湿和液体除湿技术等技术。单一除湿技术的膜稳定性差，固体除湿剂压降损失高，液体除湿剂气流携带等问题都严重制约了技术的应用和发展，组合除湿由于具有集成优势成为除湿技术的重点研究课题。

2 膜式液体除湿技术概述

液体除湿技术本身虽然不新，但将多孔膜用于液体除湿系统是个相对较新的研究方向。膜式液体除湿技术是膜法除湿和液体除湿的有机集成，其核心除湿组件基本原理如图1所示：当空气横掠膜组件时，由于多孔膜的选择透过性，空气中的水蒸气可以通过多孔膜而阻止其他气体或膜另一侧的除湿溶液透过它;液体除湿剂与空气呈逆流或错流方向布置，利用液体除湿剂的强吸水性，随着溶液的流动，空气侧的水蒸气不断通过多孔膜并被除湿溶液带走。然后利用太阳能或者低品位余热对除湿溶液进行加热再生，浓缩后的除湿剂继续送到除湿组件实现对空气的连续除湿。

液体除湿技术可以利用工业低品位余热驱动除湿溶液再生，降低除湿系统的运行成本。从分布式能源“温度对口、梯级利用”的科学用能思想[3]来看，它可以提高分布式能源系统的综合能源利用率。除此之外，液体除湿剂还有除菌的优点，在空气除湿领域已经得到了广泛的应用和发展。空气与液体除湿剂直接接触液体除湿技术的主要问题是除湿溶液的气流携带，由于液体除湿剂具有腐蚀性，这种携带不仅会腐蚀空调系统管网，室内设备设施，还会恶化空气质量并影响人体健康。基于膜式的液体除湿技术是间接接触的方法，在空气与液体除湿剂之间使用多孔膜实现传热传质过程，解决了直接接触液体除湿技术的气流携带问题。

3 膜除湿组件结构

膜除湿组件是膜式液体除湿技术完成传热传质过程的核心部件，它的结构设计直接影响了系统的除湿性能，常用的除湿组件结构有平行板式膜组件和中空纤维膜组件。

3.1 平行板式膜组件

平行板式膜组件由多层平行布置的多孔膜组装而成，结构如图2所示，空气与液体除湿剂呈错流形式交替通过膜组件，空气中水蒸气不断透过多孔膜进入除湿溶液。平行板式膜组件结构简单，流通截面大，沿程阻力低。但由于膜面积较大，组件缺少固定结构，膜容易发生变形[4]，影响组件除湿性能和系统使用寿命。

3.2 中空纤维膜组件

中空纤维膜组件结构类似管壳式换热器，如图3所示，它由数千根中空纤维膜组成，除湿溶液走中空纤维膜内侧，空气走中空纤维膜外侧[6]。由于中空纤维膜组件被加工成圆形或者椭圆形截面，这个结构特点可以抵抗液体压力。与平行板式膜组件相比，中空纤维膜组件具有更好的结构稳定性和更高的表面积与体积比。中空纤维膜组件只需要在膜的两端密封，而平行板式组件在每层膜的边缘都需要密封，由于中空纤维膜具备这些优势，所以它的应用更为广泛。

液体除湿剂的吸湿过程，水蒸气由气态变成液态释放出汽化潜热，使液体除湿剂溶液温度不断升高，相对应的饱和蒸汽压增大，跨过膜结构的传质推动力就会降低，大大降低了液体除湿剂的吸湿性能。为保证空气除湿的连续性，需要对除湿组件结构进行优化设计，控制液体除湿剂吸湿过程的温升，维持选择透过膜的传质推动力。

为解决液体除湿剂吸水放热影响除湿性能的问题，研究者们也对膜组件结构进行深入研究。由于平行板式膜组件结构简单，对其除湿溶液的冷却设计就比较容易。如图4所示，Jason Woods[8]提出在液体除湿剂处增加了一层冷却层，通过冷却降低除湿溶液的饱和蒸汽压，保证水蒸气通过多孔膜的驱动力。针对中空纤维膜组件的冷却优化，张卫兵[9]设计了两级中空纤维膜液体除湿系统，后一级膜组件对除湿溶液降温后继续送往第一级实现连续除湿。

4 结束语

2019年8月，中共中央、国务院发布关于支持深圳建设中国特色社会主义先行示范区的意见，能源高效利用和绿色节能必将成为新时代社会主义建设和发展的主旋律。液体除湿剂的低品位余热驱动适应性增强了膜式液体除湿技术发展的潜力，分布式能源系统与膜式液体除湿的系统集成技术将会在平衡电网负荷及资源优化配置中发挥更重要的作用。

为促进膜式液体除湿技术的规模化推广，还需对其膜组件进行如下研究：

（1）研发适应于平行板式膜组件多孔膜材料，增加膜结构稳定性和使用寿命。

（2）开展与膜组件结构相适应的强化传热传质方法和技术研究。

（3）研发新型膜组件内部冷却系统。

（4）优化中空纤维膜组件结构，减少系统阻力损失。

（5）寻求更友好且适用于膜组件结构液体除湿剂。

参考文献：

[1]H. Watanabe et al. Design of ionic liquids as liquid desiccant for an air conditioning system[J]. Green Energy & Environment， 2019，4：139-145.

[2]梁才航.膜法全热回收制冷除湿系统的数值模拟与实验研究[D].华南理工大学，2010.

[3]吴仲华.能的梯级利用与燃气轮机总能系统[M].北京：机械工业出版社，1988.

[4]Larson M.D.，Simonson C.J.，Besant R.W.，et al. The elastic and moisture transfer properties of polyethylene and polypropylene membranes for use in liquid-to-air energy exchangers[J]. Journal of Membrane Science， 2007，302（1）：136-149.

[5]Huang， S.-M.;Zhang， L.-Z. Researches and trends in membrane-based liquid desiccant air dehumidifification[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，28：425-440.

[6]張卫兵.多级中空纤维膜液体除湿系统的实验研究与数值模拟[D].华南理工大学，2014.

[7]张宁.热泵驱动的中空纤维膜液体除湿系统的数值模拟与实验研究[D].华南理工大学，2015.

[8]J. Woods. Membrane processes for heating， ventilation， and air conditioning[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014，33：290-304.

[9]张卫兵.多级中空纤维膜液体除湿系统的实验研究与数值模拟[D].华南理工大学，2014.