膜式热湿调控原理与技术进展VIP免费

2015年第60卷第18期：1678~1689www.scichina.comcsb.scichina.com引用格式:张宁,张立志.膜式热湿调控原理与技术进展.科学通报,2015,60:1678–1689ZhangN,ZhangLZ.Membrane-basedheatandmoisturecontrol:Progressontheoryandtechnology(inChinese).ChinSciBull,2015,60:1678–1689,doi:10.1360/N972014-01329《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS专题:可持续建筑环境评述膜式热湿调控原理与技术进展张宁,张立志*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*联系人,E-mail:lzzhang@scut.edu.cn2015-02-24收稿,2015-03-24接受,2015-04-17网络版发表国家杰出青年科学基金(51425601)资助摘要基于膜的热湿传递过程作为一种新型的温度、湿度处理技术,在建筑环境节能高效控制领域取得了积极进展.膜技术具有高效紧凑的特点,并且它可以选择性地只允许水蒸气通过膜表面,从而避免了液体除湿过程中溶液小液滴对新风的污染.近年来,该技术从热湿传递原理到实际应用都取得了新进展.本文介绍了目前应用的选择性透湿膜材料,分析了平板膜全热交换器、板翅式膜全热交换器、交叉三角形波纹板全热交换器和中空纤维膜组件等膜设备的传热传质过程.它们的传热传质分析,同时考虑了膜两侧热湿耦合的自然边界条件、流体在组件内流动的不均匀性、管束随机分布等实际运行因素对传热传质的影响.这些研究工作对膜组件的设计和膜系统的优化提供了理论基础.此外,还介绍了各种新型膜式除湿系统,当它们与热泵或太阳能等系统联合应用时,可以扩大系统的热湿负荷适应范围,增加系统的能量利用效率.今后,随着新型膜材料、内冷型膜组件、多级除湿系统以及瞬态动态参数模拟技术的出现,膜式热湿传递技术将会在实际工程中发挥更大作用.关键词膜式热湿调控膜材料膜组件除湿系统传热传质人们一生有80%左右的时间在室内度过,随着人们生活水平的提高,室内空气品质得到了越来越广泛的重视[1~3].空调作为热湿环境调控的主要设备,已经成为人们的生活必需品.据统计,目前我国空调能耗已经占到能源总消耗量的15%左右[4].特别是在我国南方高温高湿气候地区,除湿的能耗占20%~40%[5].建筑环境热湿节能高效调控措施正受到重视,其中新型的空气除湿技术是关键.独立除湿技术代表了空调发展趋势.目前的空气除湿技术主要包括冷却盘管除湿、盐溶液除湿、固体吸附床除湿、转轮除湿和电化学除湿等[5,6].在这些除湿方式中,液体除湿适合用作独立除湿技术.它没有冷凝液滴,避免了细菌滋生对室内环境的破坏.同时可以利用太阳能等低品位能进行溶液再生,能源综合利用效率高.除湿溶液还可以作为一种能量储存介质适应不同条件下湿负荷的要求,达到为电能削峰填谷的作用[5,6].因此液体除湿是一种节能环保的新型独立除湿技术.在传统的填料塔内进行的盐溶液除湿过程,溶液与湿空气直接接触,气流不可避免夹带盐溶液中的小液滴,从而会污染室内空气品质.为了克服这种缺陷,人们提出利用膜式组件来代替填料塔实现液体空气除湿[7].它可以选择性地只允许水蒸气透过而对溶液有拦截作用.因此可以有效防止气液夹带现象.另一方面,组件具有较高的填装密度,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.膜法空气除湿作为一种新技术,近年来,很多学者在新型膜材料的制备、膜组件的结构、热湿调控原理和新型除湿系统的建立等方面做了大量的研究工作并获得了许多进展.本文将对上述工作进行介绍和总结,并指出该技术未来的发展方向.1679评述1新型的膜材料膜材料作为水蒸气选择性渗透的核心部分,在膜式传热传质过程中起重要作用.它们通常采用聚合物材料[8,9],主要有全氟磺酸、再生纤维素、三乙酸纤维素、磺化聚酯纤维、聚苯醚、聚醚聚氨酯、硅氧烷酰胺共聚物、聚磺苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚砜和玻璃纸.它们一般为均匀致密膜,主要利用水蒸气在膜中的传递速率和溶解度的不同进行分离.其主要受扩散率的影响,但是它们的水蒸气扩散系数都非常小,约1012~1013m2/s,因此限制了它们的应用.后来,Zhang等人提出亲水/憎水复合膜[9,10]、复合支撑液膜[11~14]和指状高孔隙膜等新型膜[15]来改进水蒸气扩散系数.其中亲水/憎水复合膜弥补了传统均质膜水蒸气传递效果...