供暖，通風(fēng)和空調(diào)（）行業(yè)是一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的行業(yè)，它解決了全球建筑能耗需求，占全球能源消耗的40％左右[1]。除濕技術(shù)處于冷卻效率改進(jìn)的最前沿，因?yàn)樗鼈兝盟魵獾幕瘜W(xué)選擇性而不是傳統(tǒng)的冷凝技術(shù)。太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（）最近在除濕技術(shù)方面取得了關(guān)于脫水膜的發(fā)展。這一突破涉及制造沸石膜薄膜（<2（）背襯多孔片基材（-50（）），使組合膜在溫暖，潮濕的環(huán)境中估計(jì)水蒸氣通量大于任何先前的膜組件技術(shù)[2]。和隨后合作將這些膜片層組合成單個(gè)模塊，用于各種氣流尺寸。本文討論了使用由和設(shè)計(jì)的膜組件評估新型膜式除濕機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)的測試設(shè)備的開發(fā)。

1.1除濕技術(shù)

傳統(tǒng)的除濕系統(tǒng)通過冷卻混合物足以使水蒸氣冷凝而從空氣中除去水蒸氣。以這種方式去除水蒸氣是非常耗能的，因?yàn)樗粌H需要去除熱能（稱為顯熱冷卻）來冷卻水–空氣

混合物到水蒸氣5飽和溫度，但它也需要去除化學(xué)能，稱為潛在冷卻，以冷凝水蒸氣，直到達(dá)到平衡水蒸汽飽和壓力。通常，由于化學(xué)能，潛在的冷卻負(fù)荷可以占冷卻需求的大部分

水冷凝所需的去除量超過2000^并且熱能去除

冷卻氣體混合物需要大約1[3]。

這種新型的膜式除濕機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)旨在用更有效的替代方案取代傳統(tǒng)的除濕系統(tǒng)。這是通過使用膜來選擇性地和有效地將水蒸氣與空氣分離來實(shí)現(xiàn)的，從而降低潛在負(fù)載要求。

1.2膜組件商業(yè)系統(tǒng)

新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)操作可分為兩個(gè)冷卻階段：潛冷卻階段，使用新型膜水蒸氣選擇性進(jìn)行，以及顯熱冷卻階段，使用傳統(tǒng)冷卻在膜出口實(shí)施技術(shù)。根據(jù)所提供的理論膜冷卻系統(tǒng)特性，潮濕空氣應(yīng)進(jìn)入膜組件并等溫除濕至只需要明顯冷卻以滿足目標(biāo)系統(tǒng)出口–空氣條件的程度。

新型膜式除濕機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠在世界范圍內(nèi)的除濕應(yīng)用中運(yùn)行;?然而

2

沒有確定不同氣候條件下的冷卻系統(tǒng)性能變化。為了評估與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比的性能，確定了測試的設(shè)計(jì)操作條件。

高級研究計(jì)劃局–能源（-）規(guī)定了進(jìn)料空氣入口和出口操作條件，膜冷卻系統(tǒng)將與其他冷卻技術(shù)進(jìn)行比較。冷卻系統(tǒng)入口空氣條件定義為90°和90％，冷卻系統(tǒng)目標(biāo)出口條件規(guī)定為55°和50％;?這對應(yīng)于90°和90％的膜組件入口條件和90°和15％的出口條件。最終，滿足這些目標(biāo)條件的冷卻系統(tǒng)將對通過膜組件的每空氣執(zhí)行80的冷卻。

1.3膜操作

開發(fā)的膜技術(shù)是新型膜式除濕機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)創(chuàng)新冷卻解決方案的核心。

用于新型膜式除濕器的冷卻系統(tǒng)的膜技術(shù)具有取決于周圍水蒸氣分壓的水蒸氣選擇性。這導(dǎo)致膜的水蒸氣吸附隨著水蒸氣分壓的增加而增加，隨著水蒸氣分壓的降低而降低[2]。因此，穿過膜組件的水蒸汽壓力梯度是水蒸汽通過膜傳遞的驅(qū)動(dòng)力。

1.3.1膜操作由于水蒸氣通過模塊向減少的方向傳遞

水蒸汽濃度，每個(gè)膜組件分為兩個(gè)部分：高水汽濃度側(cè)，稱為進(jìn)料空氣側(cè);?中低水蒸汽濃度側(cè)，稱為滲透側(cè)。當(dāng)膜組件在除濕系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，室外空氣通過膜組件的進(jìn)料側(cè)進(jìn)行除濕，而滲透側(cè)的水蒸氣用一系列真空泵抽空;?但是，如果水蒸氣分壓在滲透側(cè)低于進(jìn)料側(cè)，則水蒸氣僅從進(jìn)料側(cè)除去。下面的圖1提供了膜組件壓力和流量組件的簡化圖示。

進(jìn)氣口

送風(fēng)口

圖1：簡化的膜模塊圖示

在進(jìn)料空氣入口的水蒸汽的分壓，進(jìn)料空氣出口，和滲透側(cè)被標(biāo)記在圖1中為，?出來，如?,,?分別。數(shù)量

4水蒸汽從進(jìn)料空氣去除側(cè)的被稱為依賴上滲透，裨?，?出來，和進(jìn)料空氣流量，雖然其他依賴分別在這個(gè)項(xiàng)目中研究了為好。

重要的是要強(qiáng)調(diào)膜除濕過程受到滲透側(cè)可以抽空的速率的限制;?另外，膜除濕過程的能量消耗是通過抽空滲透物側(cè)的方法確定的。新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括有效地排空滲透物側(cè)和回收水的方法。

1.3.2膜滲透用于描述物質(zhì)通過膜組件的分子流速的術(shù)語是滲透，通常以/量化。盡管和提供的膜組件設(shè)計(jì)為僅允許水蒸氣進(jìn)入滲透側(cè)，但預(yù)計(jì)一些空氣也會通過滲透側(cè)。這種空氣滲透的量化對于表征膜組件選擇性以及評估空氣可能對整個(gè)系統(tǒng)效率的影響是有意義的。

1.3.3水蒸汽滲透率評估和比較膜組件性能的有效指標(biāo)是膜組件的水蒸汽滲透性。水蒸氣滲透性是通過膜的水蒸氣流動(dòng)阻力的倒數(shù)

五模塊，類似于傳熱中的導(dǎo)電性。用于計(jì)算水蒸汽滲透率的等式如下所示。

⑴透過量水蒸氣–

其中?水蒸氣是通過膜的水蒸汽透過度，阿膜是膜面積，并且被取為透過水蒸汽壓力和進(jìn)料側(cè)的水蒸汽壓力之間的差。由于水蒸氣壓沿進(jìn)料側(cè)變化，因此通過使用如下所示的對數(shù)平均壓差方程計(jì)算上述。

（2?）

其中?和?0分別是進(jìn)料側(cè)入口和出口處隔膜的水蒸汽壓差。使用對數(shù)平均壓力差的目的，其與用于熱交換器的對數(shù)平均溫度差類似，是為了解釋跨膜組件發(fā)生的壓差的減小[4]。

1.3.4分離因子

分離因子（）是用于比較通過各種膜組件的空氣滲透相對于進(jìn)料和滲透物側(cè)面條件的度量。通過取滲透物側(cè)水蒸氣與空氣的摩爾比并將其除以進(jìn)料側(cè)水蒸氣與空氣的摩爾比來計(jì)算分離因子，如下所示[4]。

6

，/?，

?，/?，

滲透物和進(jìn)料側(cè)的水蒸氣摩爾質(zhì)量用?表示;和?表示?分別;?而滲透物和進(jìn)料側(cè)的空氣摩爾質(zhì)量由?和?表示。分別。膜組件的原始產(chǎn)品表現(xiàn)出數(shù)百種分離因子;?然而，在未來的設(shè)計(jì)改進(jìn)之后，預(yù)計(jì)它們將具有數(shù)千個(gè)分離因子。

1.4測試設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)

該項(xiàng)目的目的是設(shè)計(jì)一種測試設(shè)備，用于評估新型膜式除濕機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵性能變量，然后可用于表征冷卻系統(tǒng)在各種操作條件下的性能。這需要開發(fā)一種調(diào)節(jié)空氣的方法，以模擬冷卻系統(tǒng)可能經(jīng)歷的操作條件，并構(gòu)建膜除濕和顯熱冷卻所需的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)組件，但提供的膜組件除外。由于沒有為這種膜技術(shù)開發(fā)出先前的新型膜式除濕器空氣冷卻系統(tǒng)裝置，

開發(fā)該測試裝置以評估兩種不同膜組件尺寸和操作范圍的膜冷卻系統(tǒng);?這些膜組件的詳細(xì)信息和操作范圍如表1所示。

表1：

和模塊詳細(xì)信息

數(shù)

有效

膜

區(qū)域

設(shè)計(jì)

流

率

＃1

0.024米2

分

＃2

0.2592米2

?3

10

分

表1中所示的每個(gè)膜組件的設(shè)計(jì)流速由基于組裝的膜組件特征確定。雖然這些流量和膜組件區(qū)域不是用于商業(yè)冷卻系統(tǒng)的尺寸，但是它們的尺寸可以按比例放大以用于商業(yè)應(yīng)用;?因此，這些模塊尺寸可用于評估冷卻系統(tǒng)技術(shù)，以便將來開發(fā)成更大的系統(tǒng)。

開發(fā)用于評估膜冷卻系統(tǒng)的測試裝置需要兩個(gè)根本不同的操作系統(tǒng)：進(jìn)料空氣系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)模擬進(jìn)氣空氣條件并執(zhí)行進(jìn)料空氣除濕和冷卻;?和真空系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)抽空膜組件的滲透側(cè)以使進(jìn)料空氣成為可能除濕。在隨后的章節(jié)中將討論測試設(shè)備的這些組件的開發(fā)和初步測試結(jié)果。

2。文獻(xiàn)綜述

為了研究其他膜真空除濕系統(tǒng)以及水在真空系統(tǒng)中的一般相互作用，進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。該文獻(xiàn)用于提高對給定系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能面臨的挑戰(zhàn)的認(rèn)識以及成功的系統(tǒng)實(shí)施。

2.1以前的膜真空除濕技術(shù)盡管存在許多膜除濕系統(tǒng)，但很少有系統(tǒng)在真空下與水蒸氣排出側(cè)一起運(yùn)行;?在評估其他膜除濕系統(tǒng)時(shí)，這種真空操作的區(qū)別很重要，因?yàn)榭諝鉂B透和流量分布等因素可能分別受到大的空氣分壓差和真空流動(dòng)狀態(tài)的顯著影響。兩個(gè)先前的真空除濕系統(tǒng)基于它們在操作條件下與考慮用于測試設(shè)施開發(fā)的新型膜除濕使能冷卻系統(tǒng)的相似性進(jìn)行評估。

2.1.1?液膜除濕系統(tǒng)先前開發(fā)了一種用于評估液膜除濕技術(shù)的實(shí)驗(yàn)測試裝置;?圖2顯示了該裝置的示意圖[5]。

10

實(shí)驗(yàn)裝置。：空氣簡單;?：流量控制器：：水支架;?：四向--;?：膜細(xì)胞;?：壓力計(jì);?：-;?：露點(diǎn)儀;?我：氣泡流量計(jì)。

圖2：液膜除濕系統(tǒng)圖[5]

圖2所示的液膜除濕系統(tǒng)能夠?yàn)槟す潭ㄑb置的進(jìn)料側(cè)提供可控的空氣流速和濕度比，膜固定裝置在滲透側(cè)被抽空，以提供進(jìn)料–空氣除濕所需的水蒸氣分壓。[5]這種進(jìn)行除濕的液膜技術(shù)是通過在具有83％孔隙率的親水性膜基材上涂布吸濕性液體而開發(fā)的。描述這種膜結(jié)構(gòu)的圖示于下面的圖3[5]，

11

吸濕性液體（，400）

微孔膜35“

支撐液膜

^燒結(jié)不銹鋼盤

保留>

形環(huán)

真空泵

圖3：膜除濕裝配圖[5]

疏水微孔膜（）

在幾種操作條件下評價(jià)圖3中所示膜的性能;?在測試期間修改的變量包括滲透壓，入口濕度比和進(jìn)料空氣流速。

進(jìn)行測試以評估膜–出口相對濕度響應(yīng)，以改變膜入的相對濕度空氣供應(yīng)。為了隔離膜對相對濕度的影響，膜的滲透壓保持在恒定的0.13，并且進(jìn)料空氣流速為

公分各厘米吝

膜保持在97至105-之間，該測試的結(jié)果是

分鐘

如圖4所示[5]。

12

【總部：％^！-（

進(jìn)氣濕度[％]

圖4：液膜的除濕結(jié)果[5]

該測試的結(jié)果表明，穿過膜夾具的水蒸氣滲透隨著水蒸氣分壓差增加而增加。

這種行為是合理的，因?yàn)闈B透速率理論上與恒定滲透率的分壓差成比例。另一種除濕試驗(yàn)是通過改變進(jìn)料空氣流速來確定恒定的入口相對濕度和滲透壓[5]。該試驗(yàn)的膜出口相對濕度結(jié)果如圖5所示。

13

％?言1￡??

圖5：進(jìn)料空氣流量對液膜除濕的影響[5]

可變流速測試的結(jié)果表明，對于進(jìn)料空氣流速的增加，膜出口濕度比增加。對這種關(guān)系的可能解釋是，隨著進(jìn)料空氣流速的增加，進(jìn)料空氣側(cè)的水蒸氣與膜相互作用的時(shí)間較短;?因此，這是預(yù)期在新型膜式除濕使能冷卻系統(tǒng)中發(fā)生的結(jié)果。下一次除濕試驗(yàn)包括評估膜出口相對濕度對各種滲透壓的影響，同時(shí)保持恒定的膜入口相對濕度和進(jìn)料空氣流速;?該測試的結(jié)果如圖6所示。

14

1

％^成為名副其實(shí)?。?/p>

?

滲透側(cè)壓[]

圖6：滲透壓對液膜除濕的影響[5]

滲透壓對出口濕度比的影響與膜入口相對濕度效應(yīng)相似;?隨著滲透側(cè)壓力的增加，穿過膜的水蒸氣分壓差減小，并且這種分壓的降低導(dǎo)致水蒸汽滲透的減少。

最后，在性能測試條件下比較空氣和水蒸氣的滲透率，以比較選擇性;?該比較的結(jié)果如圖7所示。

圖7：滲透率比較[5]

結(jié)合液膜組合物的水蒸氣滲透率數(shù)據(jù)表明膜的水蒸汽滲透率在該范圍內(nèi)

10_?5?10_?6?二：二;，這是與通過報(bào)道的沸石膜的水蒸汽透過率。此外，滲透率評估表明水蒸氣對空氣的選擇性超過2000[5]。

然后在使用膜組件的冷卻系統(tǒng)中評價(jià)液膜除濕技術(shù)，所述膜組件包含膜膜層;?膜組件的包裝方法如下圖8所示[6]。

16液體覆蓋膜（孔徑：1;孔隙率：80％）

表面

多孔板表面處理的膜

表面浸泡的液膜

港口

鋁粘合板

3毫米

膜組件

圖8：液膜模塊圖[6]

防彈大小：75微米;?孔隙率：35-40％）（孔徑：0.1μ;孔隙率：70％）

[]-72壓力傳感器

隔膜真空泵13.4（70）

針閥

膜組件

冷氣機(jī)

0

回收水

流量計(jì)=^–

然后在冷卻系統(tǒng)測試裝置中評估膜組件組件，該裝置包括吹掃空氣入口裝置和在真空泵出口處的獨(dú)特水回收方法;?膜組件測試裝置的示意圖如圖9所示。

圖9：液膜模塊測試裝置[6]

17

在圖9所示的裝置中測試膜組件，以確定吹掃空氣和進(jìn)料–空氣入口相對濕度對水回收的影響，其使用來自真空泵排氣的收集的冷凝水測量。各種吹掃空氣流速的水回收率的結(jié)果顯示在下面的圖10中。

圖10：掃氣的水回收率（實(shí)線表示最大理想值，虛線表示理論模型）[6]

結(jié)果表明，掃描空氣流速之間的峰值水回收率為

200和300–。重要的是要注意真空泵排氣是空氣–

冷卻后，因此吹掃氣體中的任何不可冷凝物可能含有夾帶的水蒸氣。因此，這種水回收率的降低可能是回收方法的函數(shù)，而不是滲透速率的函數(shù)。關(guān)于進(jìn)料空氣入口相對濕度的水回收結(jié)果如圖11所示。

我是

20

60

100

?^￡

環(huán)境空氣相對濕度|％]

圖11：相對濕度的水回收率（實(shí)線表示最大理想值，虛線表示理論模型）[6]

結(jié)果如圖11所示，表明隨著膜入口空氣相對濕度的增加，水回收率增加。

19

2.1.2真空掃描除濕另一種真空除濕系統(tǒng)使用真空掃描

用于評價(jià)[][?4?]膜材料的除濕性能的除濕試驗(yàn)裝置，其具有與許多聚合物膜材料類似的滲透值[7]，真空掃描除濕裝置的各種部件如圖12所示。

靜態(tài)的

混合器

真空

泵

真空

壓力

調(diào)節(jié)器

圖12：真空掃描除濕裝置圖[7]

該真空掃除除濕方法基本上由膜組成，該膜使用真空泵與吹掃氣體一起干燥，吹掃氣體由除濕的進(jìn)料空氣流提供。在固定入口空氣條件（31.4°和94％）下，不同滲透壓和吹掃速率的一些測試結(jié)果如圖13所示。

20

圖13：各種掃氣流量的除濕性能[7]

圖13中的結(jié)果說明了吹掃氣體從膜組件的滲透側(cè)去除水蒸氣的影響。這種吹掃氣體影響說明了真空系統(tǒng)操作和環(huán)境條件操作的混合性能;?隨著吹掃空氣的增加，系統(tǒng)滲透流量接近環(huán)境條件的連續(xù)性。

總之，這些各種真空除濕設(shè)置包含評估操作依賴性的方法，但溫度對滲透性能的影響分析很少。

2.2真空系統(tǒng)中的水蒸汽還進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，以評估水蒸氣對真空設(shè)備操作的響應(yīng)，以滿足

21

新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)。真空系統(tǒng)的疏散過程可能錯(cuò)綜復(fù)雜地取決于水蒸氣與系統(tǒng)的相互作用;?例如，許多內(nèi)表面和彈性體形圈含有先前吸附或吸收的水，當(dāng)系統(tǒng)中的壓力降低時(shí)，水會釋放出來[8]。通過將真空系統(tǒng)抽真空至其最終壓力，用干燥的?2?回填，可以觀察到這種效果達(dá)到大氣壓力，然后將其泵送回其最終壓力范圍，由于缺乏水的解吸負(fù)荷要求，這通常會比最初的抽氣速度更快[9]。上述用惰性氣體回填系統(tǒng)是有影響的，因?yàn)樗糜谔畛浞駝t會允許水蒸氣擴(kuò)散的小空隙;?然而，這種影響受到各種材料將氣體從周圍環(huán)境滲透到真空系統(tǒng)的配置的限制[8]。這些不同的內(nèi)表面和彈性體形圈對水蒸氣解吸和滲透率的影響很重要。確定它們是否可能影響膜組件水蒸汽滲透。事實(shí)上，-1帕斯卡壓力范圍[8]，在這個(gè)低壓范圍內(nèi)約99％的氣體負(fù)荷是由于水的解吸[9]。據(jù)報(bào)道，一般范圍的水蒸氣除氣范圍來自

10~?7?~10?-11取決于工作壓力等特性[10];?然而，與膜組件的12■10~?6〇?^滲透率相比，

’

據(jù)報(bào)道，這種除氣效果確定為微不足道。

3.進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1送風(fēng)系統(tǒng)概述

進(jìn)料空氣系統(tǒng)可分為三個(gè)主要部分：膜入口空氣處理部分，膜組件除濕部分和膜出口空調(diào)部分。膜入口空氣處理部分組件包括模擬膜冷卻系統(tǒng)環(huán)境操作條件所需的流量，溫度和濕度測量和控制裝置。膜組件除濕部分包含膜組件和評估膜組件除濕性能所必需的關(guān)鍵測量裝置。膜出口空調(diào)部分包括一個(gè)帶有測量和控制裝置的熱交換器，用于達(dá)到所需的冷卻系統(tǒng)出口條件;?值得注意的是，膜出口空調(diào)熱交換器是一個(gè)可用于實(shí)施冷卻系統(tǒng)以進(jìn)行顯熱冷卻的組件，而膜入口空氣處理組件完全用于模擬冷卻系統(tǒng)^進(jìn)氣運(yùn)行條件。除上述部分外，還有各種用于開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的部分接口和連接;?本章將討論完整的進(jìn)氣系統(tǒng)組件的開發(fā)。有各種各樣的部分接口和連接用于開發(fā)完整的系統(tǒng);?本章將討論完整的進(jìn)氣系統(tǒng)組件的開發(fā)。有各種各樣的部分接口和連接用于開發(fā)完整的系統(tǒng);?本章將討論完整的進(jìn)氣系統(tǒng)組件的開發(fā)。

3.2膜進(jìn)氣空氣處理

進(jìn)氣空調(diào)部件包括流量控制裝置，加濕器和空氣加熱器;?這些組件的目的是采取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室空氣

23

并對其進(jìn)行修改，以達(dá)到目標(biāo)流速所需的進(jìn)氣濕度比和干球溫度。這些組件對于模擬各種全球空氣條件至關(guān)重要，下面將更詳細(xì)地討論它們的發(fā)展。

3.2.1加濕器

加濕器部分設(shè)計(jì)為能夠加濕空氣來實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)室空氣濕度比為0.028^，對于進(jìn)料空氣，其濕度大約為0.009

流速高達(dá)每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（）。這是通過使進(jìn)料空氣流通過浸沒在耐腐蝕容器內(nèi)的水下的小孔空氣擴(kuò)散器來實(shí)現(xiàn)的。擴(kuò)散器最初設(shè)計(jì)為水族箱的空氣石頭，用于將空氣分離成氣泡，然后通過幾英寸的溫控水;?擴(kuò)散器是必要的，因?yàn)樗鼈冊黾恿苏舭l(fā)發(fā)生的有效表面積。在浸沒在水中的容器內(nèi)部是兩個(gè)柔性的，16英寸長的浸入式加熱器元件，每個(gè)元件能夠提供250的加熱。第一個(gè)加熱器由控制器控制，繼電器輸出連接到加熱器，測量水溫;?第二個(gè)加熱器連接到120電源并用作輔助加熱器，以實(shí)現(xiàn)超過第一個(gè)加熱器上控制器允許的功率輸入。還使用測量加濕器中剛好高于水位的空氣溫度，并且假設(shè)該溫度是進(jìn)料空氣，濕球溫度。通過使空氣以各種流速通過加濕器并測量出口相對濕度來驗(yàn)證該假設(shè)

使用幾種獨(dú)立的加濕測量技術(shù);?最準(zhǔn)確的

這些技術(shù)的，具有不確定性士3?〇/〇相對濕度，在加濕器的各種流速和加濕器熱輸出條件的出口相對濕度98％的測定值。此外，記錄在膜組件入口處的濕度傳感器數(shù)據(jù)用于在獲取每次測試的數(shù)據(jù)之前驗(yàn)證濕球溫度測量。

3.2.2空氣加熱器

空氣加熱器部件設(shè)計(jì)成能夠?qū)⒓訚衿鞯娘柡涂諝饧訜岬剿璧母汕驕囟??因此，它完全起到提供合理加熱的作用。該空氣加熱器部件由銅管組成，內(nèi)徑為0.94英寸，涂有熱熔膠膏，25瓦帶狀加熱器用電工膠帶固定在管子周圍。空氣加熱器組件通過軟管夾連接到系統(tǒng)管道。使用控制器控制管溫度，其中繼電器輸出連接到加熱器，測量加熱器出口溫度，該溫度在膜入口處測量。對于小于3的流速，對加熱器輸出溫度的響應(yīng)時(shí)間足夠慢，導(dǎo)致顯著的溫度過沖;?因此，

3.2.3流量控制使用富士電機(jī)公司制造的1.10再生鼓風(fēng)機(jī)供給膜組件的空氣流量。該壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)從0到98的寬范圍流量，這是受控制的

25

使用0.1精度的。此外，鼓風(fēng)機(jī)能夠在系統(tǒng)壓力下降至54.5英寸水柱（）。為了防止污染物或磨料顆粒進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，在富士鼓風(fēng)機(jī)的入口處安裝了緊湊的進(jìn)氣過濾器。該過濾器的最大流速公差為35標(biāo)準(zhǔn)立方英尺，據(jù)報(bào)道可將99％的顆粒去除至2微米。

空氣流速到進(jìn)料-空氣系統(tǒng)是使用1203渦輪流量計(jì)，這是能夠與不確定性測量高達(dá)每分鐘（）50升的測量士3?〇/〇滿刻度的。

3.3薄膜出風(fēng)口空調(diào)

在-測試條件下操作的膜冷卻系統(tǒng)需要一種機(jī)制來為離開膜組件的除濕空氣提供合理的冷卻。通過使進(jìn)料空氣通過使用冷水冷卻的熱交換器來進(jìn)行該裝置的顯熱冷卻。使用的熱交換器是一個(gè)內(nèi)部的，4英尺長的管殼式換熱器，外殼直徑為3英寸。使用隔膜水泵將冷凍水供應(yīng)到熱交換器，隔膜水泵使水循環(huán)通過溫度控制的儲存器，該儲存器由內(nèi)部常規(guī)制冷系統(tǒng)冷卻。使用型熱電偶測量蓄水池溫度，并使用控制器進(jìn)行控制，該控制器的繼電器輸出連接到制冷系統(tǒng)^電源;

型熱電偶。分別使用熱電偶和濕度傳感器在熱交換器出口處測量進(jìn)料空氣溫度和濕度，以確保僅發(fā)生明顯的冷卻;?使用和濕度傳感器分別在膜組件出口處測量熱交換器入口處的進(jìn)料空氣溫度和濕度。

3.4膜除濕測量和計(jì)算

膜組件的入口和出口條件測量對于理解膜組件性能至關(guān)重要。為了提高這些讀數(shù)的準(zhǔn)確性，在進(jìn)入膜組件之前立即測量膜入口空氣條件，并且在膜組件離開后立即測量膜出口–空氣條件。這些測量包括空氣溫度和相對濕度，其用于評估穿過膜組件的水蒸氣滲透和傳熱相互作用。

如上所述，膜組件入口和出口處的流量，溫度和濕度測量的準(zhǔn)確度對于確定重要的膜操作特性（例如水蒸氣滲透）是至關(guān)重要的。雖然用于測量溫度的精確傳感器相對便宜，但精確流量計(jì)和濕度傳感器的價(jià)格可以大幾個(gè)數(shù)量級;?此外，精確的濕度和流量計(jì)很容易受到損壞。

根據(jù)耐久性和成本，研究了幾種具有中等不確定度范圍，滿量程±3％的傳感器。為了確定這些傳感器的影響

27

不確定性可能對水汽滲透的總體不確定性有影響，進(jìn)行了初步的不確定性傳播計(jì)算。

流量計(jì)，溫度和濕度測量都是計(jì)算水蒸氣滲透率所需的。利用和不確定性傳播技術(shù)，在中計(jì)算了各種測量不確定度對水汽滲透率不確定度的傳播;?一般和不確定性方程如下所示。

其中6是變量?9的總不確定性8是變量的不確定性，–是

變量相對于變量的偏導(dǎo)數(shù)，下標(biāo)和表示依賴的變量范圍。在中計(jì)算的水蒸汽滲透不確定性使用源自質(zhì)量守恒的滲透方程進(jìn)行。

＆，滲透一＆，進(jìn)口–＆，出口（5）

其中入口和出口處的水蒸氣分子流速由下式定義。

使用進(jìn)行滲透不確定度的計(jì)算。各傳感器測量的絕對不確定度輸入如表2所示。

28

表2：水蒸氣滲透不確定度

谷??

8?必傳感器

^傳感器

谷大氣

0.3

3％

0.053

1千帕

關(guān)于方程式輸入，傳感器不確定性輸入和不確定性結(jié)果的更多信息可以在附錄中找到。最終，計(jì)算結(jié)果表明，對于-膜組件的操作條件，入口處的溫度為90°和90％。在出口處90°和15％，對于的進(jìn)料空氣流速，總滲透不確定性將為約8％。結(jié)果還表明，假設(shè)等溫除濕，總?cè)霛B不確定性會隨著入口和出口相對濕度的變化而增加。還計(jì)算了在恒定相對濕度值下從20°到32°的不同工作溫度下的滲透不確定度;?然而，這些溫度變化對總水汽滲透不確定性的影響小于1％。

3.5濕度傳感器的選擇和校準(zhǔn)

進(jìn)氣系統(tǒng)部件需要在一系列極端相對濕度條件下精確操作。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榻咏柡偷南鄬穸葪l件會導(dǎo)致傳感器上出現(xiàn)冷凝的風(fēng)險(xiǎn)，這在某些情況下會永久性地?fù)p壞傳感器或使校準(zhǔn)無效。因此，為了避免任何高成本風(fēng)險(xiǎn)并確保傳感器可靠性，研究了廉價(jià)的濕度傳感器技術(shù)。選擇用于在進(jìn)料空氣系統(tǒng)中操作的傳感器是1923-5溫度和濕度數(shù)據(jù)

從購買，它使用電容式聚合物相對濕度傳感器技術(shù)。選擇該傳感器的原因在于它在冷凝敏感環(huán)境中的準(zhǔn)確性和耐用性。然而，在安裝在進(jìn)料空氣系統(tǒng)中之前，使用鹽校準(zhǔn)測試在幾個(gè)濕度范圍內(nèi)計(jì)算傳感器的不確定性。鹽校準(zhǔn)測試需要將化學(xué)純鹽和水混合以形成飽和鹽溶液;?在封閉系統(tǒng)中，每個(gè)飽和鹽溶液都會產(chǎn)生自己獨(dú)特且一致的相對濕度，可以參考之前公布的數(shù)據(jù)。通過將傳感器置于這些飽和鹽溶液環(huán)境和傳感器5中來測試傳感器記錄相對濕度測量值。然后將測試期間獲得的相對濕度值與給定鹽溶液的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較;?這些校準(zhǔn)值可在上找到，并包含在?下的結(jié)果表中。?下面討論關(guān)于測試程序和不確定性分析的更多細(xì)節(jié)。

3.5.1校準(zhǔn)測試程序用于校準(zhǔn)濕度傳感器的程序如下：

1.用蒸餾水沖洗測試容器

2.將適量的試驗(yàn)鹽倒入每個(gè)試驗(yàn)容器中一個(gè)。硫酸鉀灣?氯化鎂。氯化鈉

三十

3.使用滴管，加入適量的水以確保水完全飽和

4.將濕度傳感器放在溫控測試容器內(nèi)的升高位置，以確保濕度傳感器不接觸水

5.密封測試容器，使其與周圍環(huán)境的相互作用最小

6.將測試容器放在隔離良好并保持在室溫的存儲區(qū)域一個(gè)。大約22°（有關(guān)溫度詳情，請參閱附錄）

7.讓傳感器保持足夠長的時(shí)間以使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后移除濕度傳感器以檢索記錄的數(shù)據(jù)

3.5.2不確定性分析

濕度傳感器總不確定度計(jì)算包含偏差不確定性和隨機(jī)不確定性;?包含這些因素的等式如下所示。

濕度傳感器的偏差不確定度（8?偏差）被計(jì)算為校準(zhǔn)的相對濕度值和測量的相對濕度值之間的差值。

校準(zhǔn)的相對濕度值和誤差值均上公布的數(shù)據(jù);?然而，平均測量的相對

31

從測試結(jié)果計(jì)算濕度和隨機(jī)誤差值。為了使傳感器的隨機(jī)誤差達(dá)到大于99％的置信水平，使用了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（9）

溫度測量的不確定性（士0.5??）也被納入總傳感器不確定性分析中。使用公開數(shù)據(jù)的線性插值計(jì)算相對濕度對飽和鹽溶液溫度的依賴性，其顯示在寬溫度范圍內(nèi)相對濕度的最小變化。這種依賴性表明，0.5〇?的溫度不確定性與0.1％的最大相對濕度不確定性相關(guān)?？紤]到測量是以數(shù)字方式記錄而具有可忽略的舍入誤差，因此假設(shè)人為誤差可以忽略不計(jì)。因此，組合的人體和溫度誤差值被認(rèn)為對總傳感器不確定性的影響最小。

（10?）

值得注意的是，不確定性分析僅在傳感器讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件后才對數(shù)據(jù)進(jìn)行。為了本實(shí)驗(yàn)的目的，當(dāng)滿足以下條件時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)：數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在2小時(shí)內(nèi)保持小于1％，并且相對濕度數(shù)據(jù)集的范圍不超過3％。

3.5.3結(jié)果

在三種不同的相對濕度條件下對三個(gè)1923-5溫度和濕度數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行濕度校準(zhǔn)測試;

此外，使用一個(gè)傳感器對兩個(gè)相對濕度條件測試進(jìn)行重復(fù)性測試。不同的濕度傳感器由其序列號的后一單元和指定的傳感器編號表示。此外，在第一次測試之前，將傳感器2浸入水中并立即移除以監(jiān)測冷凝水暴露的影響。三種不同鹽條件的1923-5溫度和濕度數(shù)據(jù)記錄儀的濕度校準(zhǔn)結(jié)果如下表3所示，附錄中提供了這些測試的其他信息。

表3：硫酸鉀校準(zhǔn)

鉀

硫酸鹽

校準(zhǔn)

測試＃

實(shí)測

校準(zhǔn)儀器

近似

傳感器

不確定

（％）

平均相對濕度[％]

標(biāo)準(zhǔn)。

開發(fā)。

相對濕度[％]

不確定

傳感器＃16

1

97.38

0.52

97.45

±0.49

1.64

2

98.59

0.47

97.45

±0.49

1.88

傳感器＃22

1

98.12

0.43

97.45

±0.49

1.53

傳感器＃379

1

98.48

0.48

97.45

±0.49

1.83

進(jìn)行硫酸鉀校準(zhǔn)測試以評估傳感器在高相對濕度下的準(zhǔn)確度，這將發(fā)生在膜組件的入口處。表3中顯示的硫酸鉀測試結(jié)果表明最大不確定度約為2％，并且用傳感器＃1進(jìn)行的重復(fù)性測試驗(yàn)證了先前獲得的不確定性值。下一次鹽校準(zhǔn)

33

考慮的是氯化鎂校準(zhǔn);?該校準(zhǔn)測試的結(jié)果總結(jié)在表4中。

表4：氯化鎂校準(zhǔn)

鎂

氯化物

?

測試＃

實(shí)測

校準(zhǔn)儀器

近似

傳感器

不確定

（％）

平均相對濕度[％]

標(biāo)準(zhǔn)。

開發(fā)。

相對濕度[％]

不確定

傳感器＃16

1

35.38

0.42

32.93

±0.17

2.80

2

35.55

0.39

32.93

±0.17

2.91

傳感器＃22

1

35.45

0.35

32.93

±0.17

2.77

傳感器＃379

1

35.35

0.36

32.93

±0.17

2.70

進(jìn)行氯化鎂校準(zhǔn)測試以評估傳感器在低相對濕度下的準(zhǔn)確度，這將發(fā)生在膜組件的出口處。表4中的數(shù)據(jù)表明，在這種低相對濕度下傳感器的總不確定度約為3％;?此外，傳感器＃1重復(fù)性測試顯示與先前獲得的結(jié)果一致?？紤]的下一次鹽校準(zhǔn)是氯化鈉校準(zhǔn);?該校準(zhǔn)試驗(yàn)的結(jié)果總結(jié)在表5中。

34

表5：氯化鈉校準(zhǔn)

鈉

氯化物

校準(zhǔn)

測試＃

實(shí)測

校準(zhǔn)儀器

近似

傳感器

不確定

（％）

平均相對濕度[％]

標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)。

相對濕度[％]

不確定

傳感器＃16

1

77.60

0.55

75.38

±0.13

2.80

傳感器＃22

1

77.32

0.40

75.38

±0.13

2.33

傳感器＃379

1

77.42

0.37

75.38

±0.13

2.37

氯化鈉校準(zhǔn)提供了另一種有用的相對濕度條件來評估傳感器的準(zhǔn)確度。在該相對濕度范圍內(nèi)的結(jié)果表明與氯化鎂校準(zhǔn)測試中獲得的精確度類似的精確度，其表明約3％的不確定度。

3.5.4結(jié)論

這些鹽校準(zhǔn)測試的測試結(jié)果表明，溫度和濕度數(shù)據(jù)記錄儀表現(xiàn)出一致的性能，相對濕度不確定度值約為3％，溫度范圍為21°至23°。此外，與其他傳感器相比，傳感器2的結(jié)果提供了證據(jù)表明可以耐受短時(shí)間暴露于冷凝水并且仍然在上述不確定性限度內(nèi)操作。

3.6管選擇

管的選擇基于幾個(gè)因素，包括與各種系統(tǒng)組件的兼容性，用于冷凝檢測的管透明度，壓力

35

管子各種流量下降，管子最大壓力和溫度公差。選擇的管材是透明的管，工作溫度高達(dá)165°，工作壓力高達(dá)20。通過對可用的管內(nèi)徑為0.5英寸至1.5英寸進(jìn)行幾次壓降計(jì)算來確定管的尺寸。1.5英寸以上的尺寸被忽視，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的彎曲半徑并且更難以連接到某些部件。

用于計(jì)算圓形管道壓降的公式如下

該摩擦系數(shù)方程使用了0.0015的管道粗糙度，因?yàn)樵撝堤幱谡４植诙确秶纳舷轠13]。使用進(jìn)行壓降計(jì)算的結(jié)果如表6所示。關(guān)于用于壓降計(jì)算的方程的更多細(xì)節(jié)顯示在

附錄.

36

表6：

7?-

^內(nèi)部[^]

[]

米

^管[?]

?

?管?

0.5

10

37.3

31284

6.20

1

10

9.3

15642

0.28

1.5

10

4.1

10428

0.03

壓降計(jì)算使用10的體積流量，因?yàn)樗亲顗那闆r下的流量情況。表6中顯示的結(jié)果表明，對于恒定的流速，直徑對壓降的強(qiáng)烈依賴性;?對于每英尺管道長度，0.5英寸內(nèi)徑（）管道的壓力為6.2英寸水柱，而對于每英尺管道長度，1.5英寸管道的壓降僅為0.03英寸水柱。將這一點(diǎn)置于54.5英寸的進(jìn)氣富士鼓風(fēng)機(jī)壓力極限的范圍內(nèi)，這表明0.5英寸內(nèi)徑的管道將限制流量太大，不能進(jìn)行10操作。此外，在考慮彎曲半徑和各種系統(tǒng)組件的兼容性后，管被證明是最佳的管道尺寸。

3.7傳熱和絕緣

進(jìn)料空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于提供溫度測量，可用于確定潛在的膜組件性能對溫度的依賴性。為了最大限度地減少進(jìn)料–空氣系統(tǒng)的熱傳遞相互作用

37

在整個(gè)系統(tǒng)中施加環(huán)境實(shí)驗(yàn)室空氣，絕緣，并建立補(bǔ)償控制方法。使用熱毯將膜組件與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室隔離，并且整個(gè)進(jìn)料–空氣系統(tǒng)中的大部分管道都裝在厚的柔軟的-/橡膠管絕緣材料中，其因子為0.25[14?];顯熱冷卻器采用相同的橡膠管絕緣材料進(jìn)行絕緣，但尺寸較大?？刂破饕灿糜谘a(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的熱損失和增益。例如，在膜入口空氣處理位置，可以通過增加熱輸入來補(bǔ)償損失，并且對于明顯的冷卻器位置增益可以通過降低熱交換器溫度來補(bǔ)償，盡管這可能增加已經(jīng)的能量消耗。使用低效的制冷系統(tǒng)。

3.8測量站

3.8.1測量位置在整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行溫度和相對濕度測量以評估性能，將更準(zhǔn)確的傳感器放置在對理解膜除濕特性至關(guān)重要的位置。因此，

從購買的100類用于測量膜入口，膜出口和整個(gè)膜入口空氣處理部分的溫度。內(nèi)部使用型熱電偶測量室溫和顯熱冷卻器出口溫度，以及溫度和濕度

38

將記錄器放置在膜入口，膜出口和顯熱冷卻器出口處以測量相對濕度。

3.8.2功耗確定所有單相設(shè)備和三相設(shè)備的功耗，這些設(shè)備將在新型隔膜除濕冷卻系統(tǒng)中實(shí)施;?重要的是要強(qiáng)調(diào)，從功耗的角度來看，當(dāng)前設(shè)備的尺寸不適合在有效的膜冷卻系統(tǒng)中操作，但是仍然測量功耗以提供初步的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

使用測量裝置記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算單相設(shè)備（例如水循環(huán)泵和顯熱冷卻器制冷系統(tǒng)）的功耗。使用鉗式333電流表測量電流，并使用179萬用表測量電壓。為了提高電流測量的精度，鉗式電流表中包含兩個(gè)電流回路。

使用具有三相測量功能的39功率計(jì)設(shè)備測量三相富士壓縮機(jī)功耗。顯示每個(gè)電力線的壓縮機(jī)的有功，無功和總功耗，然后將其轉(zhuǎn)換為總壓縮機(jī)功耗。

3.8.3數(shù)據(jù)采集硬件使用數(shù)據(jù)采集硬件收集原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。-9174,4槽機(jī)箱從購買，用于流式傳輸

39

從各種測量模塊到用于實(shí)時(shí)測量的計(jì)算機(jī)軟件的信息。對于各種測量系統(tǒng)，四個(gè)機(jī)箱插槽占用了以下模塊：兩個(gè)-9217,4通道輸入模塊，用于測量讀數(shù);?一個(gè)-9213,16通道熱電偶模塊，用于使用熱電偶測量不同位置的溫度;?和一個(gè)-9205模擬輸入模塊用于測量流量計(jì)的數(shù)據(jù)。

3.9系統(tǒng)變量控制

3.9.1變頻器壓縮機(jī)電機(jī)上安裝了東芝-7變頻器（），用于調(diào)節(jié)進(jìn)料空氣流量;?該可達(dá)到的精度為0.1。

3.9.2數(shù)字控制器控制器在整個(gè)系統(tǒng)中使用，以提供復(fù)雜的溫度控制方法。480控制器使用1.5繼電器輸出，足以滿足安裝的各種組件的負(fù)載要求。

40

3.9.3可變電壓輸出

可變電壓輸出裝置與控制器一起使用以調(diào)節(jié)空氣加熱器的功率輸入。這對于防止在1測試的控制器啟動(dòng)期間顯著的溫度過沖是有用的。

3.10完整的送風(fēng)系統(tǒng)

在完成每個(gè)組件的所有先前研究，計(jì)算和初步測試數(shù)據(jù)之后，組裝完成的進(jìn)料空氣系統(tǒng)。圖14中提供了顯示具有樣品膜組件的完成的進(jìn)料空氣系統(tǒng)的圖表;?此外，圖14中所示的變量的細(xì)節(jié)包括在表7中。

圖14中所示的各種部件使用各種配件連接在一起，包括帶倒鉤的適配器和穿墻配件。為了防止各種連接處的泄漏，這些配件的所有螺紋都用聚四氟乙烯（）帶包裹，所有系統(tǒng)管都用軟管夾固定在帶倒鉤的配件上。

表7：完整的進(jìn)料–空氣系統(tǒng)變量

符號

變量名

可變細(xì)節(jié)

?.

風(fēng)扇電源輸入

當(dāng)前風(fēng)扇尺寸過大以處理加濕系統(tǒng)流量限制

冷卻系統(tǒng)

明智的冷卻系統(tǒng)電源輸入

包括制冷系統(tǒng)和水循環(huán)泵的工作輸入

秦

供氣熱輸入

受控加熱器用于在飽和時(shí)離開加濕器后調(diào)節(jié)干球溫度

▽飼料

進(jìn)料空氣體積流量

通過膜組件的進(jìn)料空氣的體積流速

我è噸

進(jìn)氣的相對濕度

使用與溫度傳感器耦合的數(shù)據(jù)記錄器測量入口相對濕度

插座

出口空氣的相對濕度

使用與溫度傳感器耦合的數(shù)據(jù)記錄器測量出口相對濕度

濕球溫度

剛通過加濕器部分后的空氣溫度處于飽和狀態(tài)

室內(nèi)溫度

這連續(xù)測量室溫

進(jìn)氣溫度

這是進(jìn)入膜組件的空氣的測量值

^出口

出口空氣溫度

這是離開膜組件的空氣的測量值

，出

明顯的冷卻空氣出口溫度

空氣離開顯熱交換器時(shí)的溫度

43

在將膜組件連接到系統(tǒng)之前，執(zhí)行跨各種系統(tǒng)組件的泄漏測試。泄漏測試由。進(jìn)行

在給予富士壓縮機(jī)恒定供電頻率的情況下，測量系統(tǒng)入口和出口的流量;?然后認(rèn)為兩個(gè)讀數(shù)之間的差異歸因于漏氣。這是指示空氣泄漏的有效方法，因?yàn)榧僭O(shè)電源頻率恒定，具有可忽略的空氣泄漏的系統(tǒng)將表現(xiàn)出相同的系統(tǒng)壓降和實(shí)際流速，而不管流量計(jì)的位置如何。實(shí)際上，這些流量比較的結(jié)果表明，在流量計(jì)不確定度范圍之外的流量測量沒有差異。

3.11送風(fēng)系統(tǒng)摘要

完成的進(jìn)料空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有使用新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)操作條件的能力。所構(gòu)造的進(jìn)料空氣系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高濕度和溫度的進(jìn)氣條件，例如-規(guī)定的90°和90％條件，進(jìn)料空氣流速高達(dá)10。此外，該系統(tǒng)能夠測量整個(gè)膜組件的關(guān)鍵性能變量，并在膜出口處安裝冷卻系統(tǒng)，以執(zhí)行達(dá)到-規(guī)定的55°和50％條件所需的顯熱降溫。進(jìn)行初步不確定性傳播分析以確定各種進(jìn)料–空氣系統(tǒng)傳感器的水蒸氣滲透不確定性

不確定性;?結(jié)果表明，在1的進(jìn)料空氣流量下，-操作條件下的水蒸汽滲透不確定度為8％。

454.真空系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)

4.1真空系統(tǒng)概述

膜組件測試裝置的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在各種環(huán)境條件下模擬全功能膜組件冷卻系統(tǒng)的真空組件。由于真空設(shè)備對各種環(huán)境條件的要求非常嚴(yán)格，因此對真空部件的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究和測試。此外，全功能冷卻系統(tǒng)的總功耗被確定在很大程度上取決于真空設(shè)備選擇，基于先前與該膜組件冷卻系統(tǒng)相關(guān)的研究項(xiàng)目中進(jìn)行的模擬[4]。

真空系統(tǒng)圍繞幾個(gè)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)：滲透室，中間壓縮機(jī)，冷凝器和真空泵。

使用真空技術(shù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備插圖的簡化真空系統(tǒng)圖如圖15所示。

46

滲透中間真空吸塵

室式壓縮機(jī)冷凝器泵

圖15：簡化的真空系統(tǒng)圖（真空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語和組件描述[15]）

膜組件滲透氣體通過滲透室進(jìn)入真空系統(tǒng)。一旦進(jìn)入滲透室，就測量流體混合物的溫度和壓力。然后，氣體混合物行進(jìn)到中間壓縮機(jī)，在那里壓縮到其飽和壓力，達(dá)到給定的真空冷凝器溫度。冷凝的液體沿著冷凝器管向下行進(jìn)到液體泵，液體泵將流體排放到大氣中，而真空泵將剩余的未冷凝的蒸汽排放到環(huán)境實(shí)驗(yàn)室條件下。這種雙真空泵設(shè)計(jì)的目的是通過壓縮液態(tài)而不是氣態(tài)的水來降低系統(tǒng)的能耗。這可以通過評估加壓不可壓縮流體之間的焓差來證明

47

水，并在其氣相中對相同的流體加壓，其具有大得多的比容。

該項(xiàng)目開發(fā)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠達(dá)到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行條件，而且能夠測量關(guān)鍵的性能特征，如水蒸汽滲透和通過膜組件進(jìn)入真空系統(tǒng)的空氣滲透。開發(fā)了一個(gè)特殊的子系統(tǒng)，用于回收和測量真空泵和水泵的輸出，以計(jì)算這些滲透值，這被稱為真空排斥測量子系統(tǒng)。此外，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠隔離變量以進(jìn)行參數(shù)測試，以得出關(guān)于膜組件和系統(tǒng)性能特征的結(jié)論。

4.2設(shè)計(jì)參數(shù)

真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于保持恒定的滲透壓力，并滿足實(shí)現(xiàn)-規(guī)定的除濕測試條件所需的流量要求，這些條件被確定為完整膜組件冷卻的最苛刻的潛在操作條件

系統(tǒng)。-指定的膜組件條件是有進(jìn)樣口

對于1和10的進(jìn)料空氣流，90°和90％的條件;?有關(guān)實(shí)現(xiàn)-規(guī)定條件的膜除濕要求的更多細(xì)節(jié)如表8所示。

48

表8：模塊除濕參數(shù)

地點(diǎn)

??[]

??[]

[％]

〇）[??

^3空氣

[?]

膜入口

90

87

90

0.028

4.3

膜出口

90

46

15

0.0046

0.74

因此，測試裝置5可容許的真空流速被開發(fā)成能夠從該進(jìn)料空氣流中除去所有水蒸氣，以及通過膜組件的任何滲透空氣。此外，提供的空氣和水蒸汽滲透數(shù)據(jù)用于確定真空系統(tǒng)的其他潛在操作條件。膜的水蒸氣和空氣的值

滲透率分別為12■10?-6?和6.4■1?9?上二?[4];?然而，

在進(jìn)行的進(jìn)一步的膜組件測試表明，根據(jù)測試條件和模塊結(jié)構(gòu)，透氣性可能更高。在評估潛在的高滲透率情景后，系統(tǒng)的最大操作體積流量被確定為進(jìn)料空氣流速的約4％;?但是，包括安全系數(shù)以允許額外的系統(tǒng)靈活性。另外，測試裝置9可操作的滲透壓力范圍被設(shè)計(jì)成能夠降至低于0.74（絕對壓力），這是用于實(shí)現(xiàn)-指定的膜出口條件的最大可允許水蒸氣分壓。

49

4.3真空流動(dòng)理論和管尺寸

4.3.1流動(dòng)制度

選擇真空系統(tǒng)組件的第一個(gè)任務(wù)是研究分子相互作用和與連續(xù)介質(zhì)理論的偏差，這些理論需要納入設(shè)計(jì)中。真空系統(tǒng)可以在幾個(gè)常規(guī)定義的壓力范圍內(nèi)操作，如表9所示。

表9：真空術(shù)語[15]

絕對壓力

術(shù)語

范圍[]

粗真空（）

1000-?1

中等真空（）

1-10-?3

高真空（）

10?義10■”

超高真空（）

10-‘-?10-14

在這些壓力范圍中，可以在真空抽氣過程中發(fā)生幾種流動(dòng)狀態(tài)：粘性流動(dòng)，過渡流動(dòng)和分子流動(dòng)[15]。由于分子相互作用的變化，用于評估流動(dòng)性質(zhì)的適當(dāng)方程在這些不同的流動(dòng)狀態(tài)之間變化。根據(jù)真空技術(shù)基礎(chǔ)[15]，流態(tài)條件描述如下：

50

?粘性或連續(xù)流：當(dāng)分子9意味著自由路徑比管道直徑短得多時(shí)發(fā)生（?）

?流量：這是過渡流量范圍，當(dāng)分子，?平均自由路徑近似等于管道直徑時(shí)出現(xiàn)（）

?分子流動(dòng)：分子時(shí)發(fā)生，平均自由程遠(yuǎn)大于管道直徑（?“?）

通常，這些流動(dòng)狀態(tài)可以與上述壓力范圍相關(guān)，使用表10中所示的公式來表示20°的空氣：

表10：流量范圍[15]

流

政權(quán)

定義方程

粗真空

粘性的

■>6.0■?^?■?

中等真空

克努森

6.0■?^?<–

高真空和超高真空

分子

■<1.3■?10~?2??■?

其中■是壓力乘以管道直徑的乘積。操作流動(dòng)狀態(tài)的重要性在于，在較低壓力范圍下，分子行為變得越來越依賴于表面積相互作用。例如，在分子中

與另一個(gè)分子[15]相比，分子與壁表面相互作用的統(tǒng)計(jì)概率更高[15]，這將影響進(jìn)入疏散裝置的分子流速。

4.3.2流量限制分析進(jìn)行了幾項(xiàng)計(jì)算，以確定流量限制和管道元件可能對各種流量狀態(tài)下的允許流量產(chǎn)生的影響。動(dòng)力學(xué)氣體理論用于該分析的部分，因?yàn)樗紤]了粒子平均自由程長度相對于其容器尺寸的變化[15]。?真空技術(shù)基礎(chǔ)知識描述了用于評估動(dòng)力學(xué)氣體理論支持的真空流速的度量，其表示如下。

??=（–?2?）■（13）

.

其中?是以—?表示的流量，?-?2是管道元件或流量限制的壓差，是比例因子或電導(dǎo)，主要受幾何特性的影響[15];?和的單位是^和

使用理想氣體定律進(jìn)入質(zhì)量流量，如下所示。

如等式14所示，通過給定部件的質(zhì)量流率取決于部件上的壓差和部件的電導(dǎo)值。真空技術(shù)基礎(chǔ)知識定義了層流的電導(dǎo)，

52

分別。然后可以轉(zhuǎn)換壓力和體積流速產(chǎn)物并且，分子流通過具有圓形橫截面直徑的直管如下

1+237-

其中是，1是，是管道部件的平均壓力

毫巴?？梢愿鶕?jù)存在的流動(dòng)狀態(tài)簡化上面的等式15。例如，在粘性流動(dòng)狀態(tài)中，第一項(xiàng)是主導(dǎo)因素;?因此，該等式可以簡化為以下內(nèi)容：

=135?斗.（16）

然而，在分子流動(dòng)狀態(tài)下，壓力接近零，并且占主導(dǎo)地位

?3?1+192-?丁4+237._

（17）

=12.1因子成為等式中的第二項(xiàng)。

一旦計(jì)算出電導(dǎo)值，就必須考慮轉(zhuǎn)換因子以考慮空氣以外的蒸汽;?在水蒸汽的情況下，轉(zhuǎn)換系數(shù)是1.263[15]。

上述電導(dǎo)方程在真空系統(tǒng)的背景下考慮，該真空系統(tǒng)通常包含串聯(lián)的各種裝置和連接部件。有助于系統(tǒng)整體電導(dǎo)的串聯(lián)元件必須以類似于并聯(lián)電阻器的總電阻的方式添加[15];?用于添加電導(dǎo)分量的等式如下所示.

（18）

這些電導(dǎo)值加在一起以產(chǎn)生總系統(tǒng)電導(dǎo)值，然后可以將其結(jié)合到計(jì)算給定真空泵抽空速率或已知壓差的真空流體流速。由于管道上的壓差是測量的物理特性，其對于給定的泵送速度而變化，因此在特定真空泵的背景下使用電導(dǎo)計(jì)算真空流體流速是有用的。各種組分電導(dǎo)對抽空速率的影響是抽速的函數(shù)，如下面的等式[15]所示。

其中?泵是真空泵的抽速–9??系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)

在真空泵之前從其所有部件傳導(dǎo)，并且?是

中真空泵的有效抽速。從方程式19可以看出，

如果對有效抽速的影響減小，則系統(tǒng)的傳導(dǎo)性增加;?這類似于電阻的減小，允許電流增加，對于固定的電壓差[15]。最后，真空流體流速或真空泵吞吐量可以使用下面的等式計(jì)算[15]。

–■??（20）

其中我是入口壓力。然后可以使用理想氣體定律將壓力和體積流速產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，如下所示。

（21?）

一旦計(jì)算出質(zhì)量流量，就可以使用不同的組件優(yōu)化系統(tǒng)的電導(dǎo)，以確定真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性。

4.3.3管道選擇真空系統(tǒng)管道的主要用途是連接真空系統(tǒng)的各個(gè)部件，而不會妨礙真空泵的抽空率。使用上述電導(dǎo)和抽速方程進(jìn)行計(jì)算，以確定各種管直徑尺寸對真空流速的影響。表11顯示了在0.5的平均壓力下各種管直徑和抽速的有效抽速的變化。

表11：管徑比較

?[]

?[]

?[]

?[/]

^泵[/]

??[/]

產(chǎn)[％】

3泵

0.5

4

0.5

18.4

4.2

3.42

81

0.5

4

0.5

18.4

15

8.27

55

1

4

0.5

292.9

4.2

4.14

99

1

4

0.5

292.9

15

14.27

95

1.5

4

0.5

1480.2

4.2

4.19

100

1.5

4

0.5

1480.2

15

14.85

99

從表11中可以明顯看出，管道尺寸對有效泵送速度的影響受泵送速度本身的影響。隨著泵送速度的增加，管道尺寸對有效泵送速度的影響增加了固定的平均壓力和管長度。表11中評估的三種管尺寸的比較表明，管的長度為4英尺，內(nèi)徑為1.5

對于抽速小于15的真空泵，英寸幾乎沒有影響

而長度相同，內(nèi)徑0.5英寸的管子可以造成40％

泵送速度為15’時(shí)泵的吞吐量降低。另外需要注意的是

一個(gè)管子在與其他管子相同的操作限制下，但內(nèi)徑為1英寸，似乎對泵送的泵送吞吐量影響小于6％

速度低于15-。

最終的管選擇基于流量限制，結(jié)構(gòu)靈活性，操作范圍和成本來確定。選擇真空級，鋼筋，透明管，因?yàn)樗c系統(tǒng)操作壓力，物理靈活性以及檢測不需要的冷凝的有用性兼容。

此外，與1.5英寸直徑的管相比，基于其增加的靈活性選擇1英寸的內(nèi)徑，以及可用于將管連接到系統(tǒng)的部件的其他1英寸倒鉤配件適配器的可用性和成本。

56

4.4真空泵選擇

4.4.1操作注意事項(xiàng)?兩個(gè)重要的真空泵操作參數(shù)是其極限壓力和抽速，這通常是相關(guān)的。要求真空泵達(dá)到低于3的極限壓力以允許冷凝器壓力改變。此外，要求真空泵能夠在極端試驗(yàn)條件下抽空通過膜組件的空氣和水蒸氣的最大滲透;?這需要在較低的入口壓力下具有足夠的抽速。每個(gè)單獨(dú)的真空泵的泵送速度受其入口壓力的影響，并且這種關(guān)系通常由性能曲線說明。選擇真空泵的最小允許設(shè)計(jì)流量為0.5，以解決最壞情況下的水蒸氣和空氣滲透情況。有空的時(shí)候，9秒的疏散率對應(yīng)于必要的流量。同樣重要的是，優(yōu)先考慮具有較大流速的泵，因?yàn)檎婵毡玫男阅芤灿绊懼虚g壓縮機(jī)的有效性。

污染

仔細(xì)考慮評估給定真空泵可能引入真空系統(tǒng)和真空泵廢水回收系統(tǒng)的所有潛在污染物?？紤]的一些污染物是油顆粒，碳顆粒，吹掃氣體，環(huán)境空氣，如果使用液環(huán)泵，甚至可能引入水蒸氣。主要關(guān)注的是

減少可能影響真空冷凝器或膜性能特征的任何污染，因?yàn)榭梢允褂脗鹘y(tǒng)的分離技術(shù)去除真空泵廢水回收系統(tǒng)污染。在研究膜特性之后，確定油顆粒和碳顆粒都不能在膜表面附近達(dá)到足夠大的濃度以影響其性能，因?yàn)檫@將要求可見量的任一種污染物具有顯著影響。因此，唯一能夠從泵入口到真空冷凝器的真空泵污染物，其濃度足以影響其性能，是來自液環(huán)泵的水蒸氣和吹掃氣體或環(huán)境空氣泄漏?？諝饣?/p>

從環(huán)境溫度到真空系統(tǒng)以上1×10吹掃氣體泄漏_8?-被認(rèn)為是

不可接受的污染形式，因?yàn)樗赡苡绊懣偫淠骱蜐B透壓力的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，并可能影響熱量

冷凝器內(nèi)的傳輸速率;?水蒸氣污染高于?-6?^

由于同樣的原因，也被認(rèn)為是不可接受的。另外，漏氣或吹掃

從真空泵排出的氣體被認(rèn)為是不受歡迎的污染，

因?yàn)樗鼤绊懻婵毡贸隹谔幍牧髁繙y量。

技術(shù)考慮

考慮了兩類真空泵：干式和油封式。油–

被認(rèn)為是密封的旋轉(zhuǎn)葉片泵能夠在所有性能范圍內(nèi)運(yùn)行

除污染外的限制，干泵能夠提供

無污染操作但有壓力和抽速限制。該

58

然后將真空泵選項(xiàng)細(xì)化為三種選擇：干式隔膜泵，干式旋轉(zhuǎn)葉片泵和油封旋轉(zhuǎn)葉片泵。然后在進(jìn)行最終選擇之前測試這些不同的真空技術(shù)。

4.4.2初步真空泵試驗(yàn)使用內(nèi)部真空泵，泵送速度為4，干式旋轉(zhuǎn)葉片泵，泵送速度為5，以及干式隔膜泵，進(jìn)行了幾次初步疏散測試抽速為0.5。該測試的目的是比較制造商或真空泵分銷商可能無法獲得的技術(shù)性能特征;?例如，對于某些真空泵，泵送速度變化和空氣泄漏對不同壓力范圍內(nèi)的抽空速率的影響不容易獲得。初步測試結(jié)果表明，在10的入口壓力下，泵的抽速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他兩個(gè)泵的抽速。

4.4.3真空泵選擇為系統(tǒng)選擇的真空泵是10雙級旋片真空泵，在入口壓力范圍為1至10時(shí)具有7的泵送能力[16]。與其他考慮的經(jīng)濟(jì)方案相比，這種泵的主要優(yōu)點(diǎn)是其抽速是所需速度的十倍以上;?這種抽速增加允許改進(jìn)中間壓縮機(jī)選擇的靈活性，并且有可能滿足潛在的未來系統(tǒng)流速增加的需求。此外，還對泵的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查

59

特征表明泄漏率低于最小預(yù)期膜滲透率的0.1％，這對于最小化泵對系統(tǒng)測量的影響很重要[17,18];?后來在系統(tǒng)測試期間測量了真空泵泄漏對空氣滲透測量的貢獻(xiàn)，以確保影響可以忽略不計(jì)。這種泵技術(shù)的缺點(diǎn)是，一些真空系統(tǒng)組件可能會暴露出微量的油，油可能會被引入真空泵廢水回收系統(tǒng)，而真空泵油箱中的冷凝水可能會影響水回收結(jié)果和泵的使用壽命;?但是，采取了一些預(yù)防措施來緩解這些問題。首先，將濾油器應(yīng)用于真空泵出口，以將液霧與水蒸氣和空氣分離。其次，還進(jìn)行了日常維護(hù)檢查，以清除油藏中的任何冷凝水并更換受污染的油。最后，真空泵在進(jìn)行系統(tǒng)測試后，常規(guī)打開（常閉）5氣鎮(zhèn)壓口，使空氣進(jìn)入泵，有助于減少泵內(nèi)的水凝結(jié);?在系統(tǒng)測試期間，氣鎮(zhèn)壓力端口通常是關(guān)閉的，以避免氣體的引入可能對真空泵排氣處進(jìn)行的空氣滲透測量產(chǎn)生任何影響。

60

4.5中間壓縮機(jī)選擇

4.5.1中間壓縮機(jī)概述?真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分是中間壓縮機(jī)選擇。中間壓縮機(jī)承受嚴(yán)格的操作限制，包括耐磨損和腐蝕，防止流出污染，提供低壓下所需的高體積流速，可能在水冷凝下操作，并實(shí)現(xiàn)所需的壓縮比。首先通過確定可在所需真空范圍內(nèi)操作的真空泵列表來啟動(dòng)中間壓縮機(jī)選擇過程。來自公司的圖片顯示了各種泵的典型真空范圍，如圖16所示[19]。最初排除了一些真空裝置，例如液體噴射泵，噴射泵，和升華泵由于它們引入的流體和化學(xué)物質(zhì)可能會影響水的回收和膜的污染。其余的泵在幾個(gè)類別上進(jìn)行了評估以供考慮。諸如膜和真空–冷凝器污染，極限真空，體積流速和功耗等因素都被納入表格中，用于比較各種選項(xiàng)。表12顯示了來自不同公司的潛在中間壓縮機(jī)的一些特征。

61

真空泵的工作范圍

粗真空中真空高真空超高真空

圖16：真空泵操作范圍[19]

表12：中間壓縮機(jī)性能比較

制造商

類型

流

率

（）

最終

真空

（）

縮合

公差

功率

評分

（）

成本

污染

類型

干活塞

6.25

五

低

1.1

$2,000個(gè)

特富龍

粉塵/漏

光圈

3.8

3

低

0.39

$600

沒有

干式旋轉(zhuǎn)葉片

21

6

高

1.1

$840

碳顆粒/泄漏

文丘里

鼓風(fēng)機(jī)

130

13

/流體輸入會影響出口壓力和污染

菲佛

旋轉(zhuǎn)葉片雙線

65

<0.1

1120克/小時(shí)

1.8

$8,200名

碳顆粒/礦物油

羅茨鼓風(fēng)機(jī)（1）

>100

<0.1

必需的吹掃（2）

0.74

$9,000名

吹掃氣體

-

液環(huán)

85

3

高

6.3

$3,300個(gè)

水蒸氣

愛德華茲

滾動(dòng)

21

<0.1

低

0.53

$13,000名

顆粒/

泄漏

擰

100

<0.1

必需的吹掃（2）

4.6

$16,500

吹掃氣體

歐瑞康–萊寶

羅茨鼓風(fēng)機(jī)⑵

>100

<0.1

清除建議

1.1

$6000名

吹掃氣體

62

值得一提的是，表12包含從公司網(wǎng)站推斷的信息以及與代表的對話;?但是，為了獲得準(zhǔn)確的信息，應(yīng)咨詢相應(yīng)的制造商或經(jīng)銷商[18,20]。

4.5.2詳細(xì)的壓縮機(jī)說明下面提供了考慮的潛在中間壓縮機(jī)泵及其特性的詳細(xì)信息;?這些細(xì)節(jié)可以從網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)和真空泵專家的幾次電話交談中推斷出來[18,20]。?旋轉(zhuǎn)葉片泵

旋轉(zhuǎn)葉片泵通常是油密封泵，其需要?dú)怄?zhèn)以吹掃冷凝物以便安全操作。雖然確實(shí)存在一些干式旋轉(zhuǎn)葉片泵，但它們可能伴隨著諸如通過旋轉(zhuǎn)軸的空氣泄漏或相對低的流量的問題。通常，這些真空泵用于達(dá)到粗真空范圍，典型的單級基礎(chǔ)壓力為0.1[18,19];?但是，通過操作額外的階段可以降低這種基礎(chǔ)壓力。這些真空泵可用作輔助鼓風(fēng)機(jī)的前泵，但通常需要霧過濾器以防止污染。旋轉(zhuǎn)葉片泵具有相對高的水蒸氣耐受性;?然而，由于水冷凝，一些泵設(shè)計(jì)可能會產(chǎn)生碳石墨葉片磨損，在極端情況下，泵的壽命會縮短到幾周[18]。?隔膜泵

隔膜泵是干式正排量泵，利用彎曲彈性體來改變泵的腔室容積。它們通常用于實(shí)現(xiàn)

粗真空范圍，基礎(chǔ)壓力大于4，雖然這可以

63

通過使用多級泵減少[18,19]。這些泵的抽速通常很低，為1到1〇~?9，因?yàn)樗鼈円揽繌澢鷱椥泽w來移動(dòng)腔室流體。在

通常，這些類型的泵具有低水蒸汽耐受性，因?yàn)樗魵鈺Y(jié)并損壞彈性體[14]。此外，它們通常使用止回閥來分隔入口室和出口室。

旋轉(zhuǎn)活塞泵

干式旋轉(zhuǎn)活塞泵用于實(shí)現(xiàn)粗真空并具有典型特征

3

基礎(chǔ)壓力為7毫巴[18,19]。他們的抽速相對較低，8到16–?9

并且通常具有低水蒸汽耐受性[18,19]。

渦旋泵（振蕩位移類別）

渦旋泵可以采用干式或潤滑式，用于達(dá)到約0.01的基礎(chǔ)壓力[18,19]。它們的抽速通常是一定的

從8到16–，并且可以在正常磨損期間釋放顆粒[18,19]。它們還具有低水蒸氣耐受性和較短的維護(hù)周期。

螺桿泵

螺桿泵是干式容積式真空泵，具有高運(yùn)行性

?3

速度為100至600，典型基礎(chǔ)壓力為0.1毫巴[18,19]。這些泵

具有嚴(yán)格的水蒸氣容量公差，并且由于其緊密的機(jī)器公差而通常是高成本泵。

64

液環(huán)泵

液環(huán)泵是正排量泵，其使用循環(huán)水作為轉(zhuǎn)子潤滑器和密封件。這些類型的泵通常能夠在20-

3

壓力范圍為35，抽速范圍為30至40,000–[18，

19]。雖然這些泵可以承受惡劣的環(huán)境條件，但它們可以將水蒸氣釋放到真空系統(tǒng)中。

羅茨泵

羅茨鼓風(fēng)機(jī)是一種能夠處理的干式正排量泵

3

高流速，從200到20,000–低壓[18,19];?然而

羅茨鼓風(fēng)機(jī)只能在嚴(yán)格的真空壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，這需要它有一個(gè)前級泵。由于羅茨鼓風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)和旋轉(zhuǎn)葉片都容易過熱，這取決于運(yùn)行條件;?因此，泵可能需要冷卻系統(tǒng)。關(guān)于水蒸汽耐受性，羅茨鼓風(fēng)機(jī)通常需要?2為了泵的長期安全，清除以除去冷凝液，并且可能被冷凝水損壞，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)葉片生銹。長期使用的另一個(gè)問題是旋轉(zhuǎn)軸密封件的劣化。雖然羅茨鼓風(fēng)機(jī)是干式輔助泵，但是軸密封件用于保持齒輪潤滑與真空室分離;?這些軸封可能會隨著時(shí)間的推移而磨損，需要更換。

65

進(jìn)行了一系列初步試驗(yàn)，以研究在各種真空條件下幾種潛在的中間壓縮機(jī)技術(shù)的性能;?這樣做是為了監(jiān)測和比較給定泵送技術(shù)可能對真空系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)測試對于評估這些泵技術(shù)性能是有利的，因?yàn)橐恍┍眉夹g(shù)沒有充分記錄的前泵性能特征，例如真空泵排氣條件和在真空出口條件下操作時(shí)的泵送速度變化。測試的兩種壓縮機(jī)類型是0.5隔膜泵和5干式旋轉(zhuǎn)葉片泵，兩者均來自公司。盡管這些泵的流速和極限壓力不足以用于測試設(shè)備的真空系統(tǒng)，

測試裝置由兩個(gè)帶真空計(jì)的真空罐，一個(gè)中間壓縮機(jī)，兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)油封正排量真空泵組成。在測試之前，使用黃銅壓縮配件將入口室連接到中間壓縮機(jī)入口，并且使用相同的黃銅配件將出口室連接到中間壓縮機(jī)出口。油封旋轉(zhuǎn)葉片泵也使用黃銅壓縮配件連接到出口室，并用作潛在中間壓縮機(jī)評估的前級泵

進(jìn)行的第一次測試是為了觀察抽空過程中進(jìn)氣室的熱響應(yīng);?這被認(rèn)為對于潛在地發(fā)現(xiàn)測試期間可能發(fā)生的膨脹冷卻影響是有用的。通過抽空泵入口處的腔室并測量溫度和壓力響應(yīng)來進(jìn)行該測試;?測量結(jié)果如圖17所示。

圖17：各種質(zhì)量流量的入口腔室溫度

結(jié)果表明，在抽空過程中溫度降低，隨著系統(tǒng)接近熱平衡，溫度隨時(shí)間開始增加。接下來通過抽空入口室并監(jiān)測極限壓力的變化來測量兩個(gè)干式真空泵的極限真空水平

67

出口室壓力降低。關(guān)于泵出口真空水平的極限真空水平測量結(jié)果如表13所示。

表13：中間壓縮機(jī)極限壓力

，

在

旋轉(zhuǎn)葉片

光圈

入口室真空，汞

入口室真空，汞

0

27.5±1.4

24±1.4

10

25.5±1.4

23

29±1.4

25

27±1.4

28

28.5±1.4

結(jié)果表明，可達(dá)到的極限真空度是泵出口壓力條件的函數(shù)，并且可以通過降低出口壓力實(shí)現(xiàn)極限真空水平的顯著改善。此外，通過大氣出口室壓力實(shí)現(xiàn)的極限真空壓力顯示出與規(guī)格一致的極限真空壓力。

進(jìn)行了一項(xiàng)研究以測量干式真空泵的排氣溫度隨時(shí)間的變化;?結(jié)果如圖18所示。

68

16

45

12

5551086

–

—

—

米

/

■卜

經(jīng)過的時(shí)間（分鐘）

■旋轉(zhuǎn)葉片泵）（隔膜泵

圖18：泵排氣溫度

上圖18所示的結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)的熱量輸出

葉片泵明顯大于隔膜泵的熱輸出。熱輸出的這種差異可能部分是由于兩個(gè)泵之間的流速差異。

在中間壓縮機(jī)測試期間進(jìn)行的一個(gè)重要觀察是干式旋轉(zhuǎn)葉片泵顯示出空氣泄漏的跡象。經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)通過軸封的空氣泄漏是泵設(shè)計(jì)的一個(gè)特征。

結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果用于做出三個(gè)概括

中間壓縮機(jī)技術(shù)：可實(shí)現(xiàn)的極限真空

69

中間壓縮機(jī)是出口壓力的函數(shù)，中間壓縮機(jī)的熱輸出可能需要考慮冷凝器負(fù)載，并且一些干式旋轉(zhuǎn)葉片泵可能易于漏氣。

4.5.4中間壓縮機(jī)選擇?中間壓縮機(jī)的最終選擇是基于優(yōu)化表12中所示的參數(shù)來選擇的，其中高度優(yōu)先考慮效率，膜和真空–冷凝器污染防止，操作壓力范圍和流速能力。由于解決這些問題的方法是購買廉價(jià)的二手泵，因此成本和水蒸氣耐受性的優(yōu)先級較低。因此，操作中對泵的任何損壞都會導(dǎo)致最小的損失。選擇的中間壓縮機(jī)技術(shù)是-251羅茨鼓風(fēng)機(jī);?然而，為真空系統(tǒng)購買的二手版本是其前身型號250羅茨鼓風(fēng)機(jī)。由于該泵在幾年前停產(chǎn)，因此有關(guān)250型號操作的信息有限，但進(jìn)一步的研究表明，251規(guī)范足以理解250模型的操作特性。泵的技術(shù)規(guī)范主要用于確定工作壓力和流量的范圍。如前所述，羅茨鼓風(fēng)機(jī)通常使用前級泵運(yùn)行，并且羅茨鼓風(fēng)機(jī)的性能受前級泵性能的影響。251規(guī)格表上顯示的最低前級泵速度為28，相當(dāng)于吹風(fēng)機(jī)速度約為100，如附錄所示。這對于概念化比例非常有用?泵的技術(shù)規(guī)范主要用于確定工作壓力和流量的范圍。如前所述，羅茨鼓風(fēng)機(jī)通常使用前級泵運(yùn)行，并且羅茨鼓風(fēng)機(jī)的性能受前級泵性能的影響。251規(guī)格表上顯示的最低前級泵速度為28，相當(dāng)于吹風(fēng)機(jī)速度約為100，如附錄所示。這對于概念化比例非常有用?泵的技術(shù)規(guī)范主要用于確定工作壓力和流量的范圍。如前所述，羅茨鼓風(fēng)機(jī)通常使用前級泵運(yùn)行，并且羅茨鼓風(fēng)機(jī)的性能受前級泵性能的影響。251規(guī)格表上顯示的最低前級泵速度為28，相當(dāng)于吹風(fēng)機(jī)速度約為100，如附錄所示。這對于概念化比例非常有用

70

依賴于前級泵，但由于選擇的前級泵具有較低的流速，因此最終通過測試評估性能。

該鼓風(fēng)機(jī)的主要風(fēng)險(xiǎn)被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)葉片過熱并損壞電動(dòng)機(jī);?然而，通過在正確的壓力和溫度范圍內(nèi)操作泵，可以確定這兩個(gè)問題都是可以預(yù)防的。為了給羅茨鼓風(fēng)機(jī)提供額外的保護(hù)，斷路器連接到電動(dòng)機(jī)電源線。

重要的是要說明251羅茨鼓風(fēng)機(jī)在規(guī)定條件下尺寸過大;?然而，隨著膜組件尺寸的增加，任何超尺寸問題都會得到緩解。此外，羅茨鼓風(fēng)機(jī)是一種干式真空泵，可以降低膜和冷凝器污染的風(fēng)險(xiǎn)。盡管選擇這種中間壓縮機(jī)作為上述限制的最佳解決方案，但它仍然不能完全滿足新型膜式除濕使能冷卻系統(tǒng)的所需效率要求。

4.5.5初始根鼓風(fēng)機(jī)測試一旦獲得羅茨鼓風(fēng)機(jī)，就進(jìn)行初步測試以評估其在10前級泵的給定模擬測試操作下的性能。在該測試中，使用先前為轉(zhuǎn)子流量計(jì)的閥門將恒定流量引入真空系統(tǒng)，并且通過在真空泵之前調(diào)節(jié)閥門來控制離開系統(tǒng)的流量，使出口壓力保持恒定。然后調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)9的供電頻率，并且總功耗為

使用控制臺功率測量設(shè)備（-485）錄制。鼓風(fēng)機(jī)測試的結(jié)果顯示在下表14中。

表14：羅茨鼓風(fēng)機(jī)功耗

功耗{0.08的流量}

頻率

[赫茲]

進(jìn)口

壓力

[千帕]

出口

壓力

[千帕]

壓力

微分

[千帕]

功率

消費(fèi)

[]

58

0.7

五

4.3

1.51875

50

0.9

5.2

4.3

1.07163

40

1

5.2

4.2

0.70227

三十

1.4

5.2

3.8

0.29403

20

2

五

3

0.15552

一個(gè)重要的觀察結(jié)果是，當(dāng)電源頻率降至30以下時(shí)，泵的性能急劇下降;?這導(dǎo)致泵在0.08入口條件下不再能夠保持大于3.8的壓差。此外，中間壓縮機(jī)的功耗顯示出性能效率從40降低到58：功耗降低了50％，而壓縮機(jī)兩端的壓差保持在10％以內(nèi)。

4.6冷凝器選擇

新型的膜式除濕冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定了一種有效的方法，通過壓縮液態(tài)而不是氣態(tài)的水，將水蒸氣從膜的滲透側(cè)排放到大氣中。該方法包括在低壓下冷凝水蒸氣并使用水泵將液體加壓回到環(huán)境條件。該設(shè)計(jì)還規(guī)定冷凝器溫度在環(huán)境濕球溫度附近操作，因?yàn)檫@可以通過使用冷卻塔有效地實(shí)現(xiàn)商業(yè)系統(tǒng)。在該裝置中實(shí)現(xiàn)的冷凝器設(shè)計(jì)結(jié)合了這些概念設(shè)計(jì)以及通過測試和分析獲得的設(shè)計(jì)考慮因素。

設(shè)計(jì)冷凝器以確保從中間壓縮機(jī)排出的流體混合物將達(dá)到冷凝器設(shè)計(jì)操作溫度，之前提到的是每次測試的模擬環(huán)境入口條件的濕球溫度。冷凝器壓力也被設(shè)計(jì)成可以改變以優(yōu)化冷凝參數(shù)，其至少需要能夠增加冷凝器中的水蒸氣分壓，使其超過相應(yīng)冷凝器溫度的飽和壓力;?水蒸氣的飽和曲線如下圖19所示。

73

45

40

35

三十

25

20

15

10

五

0

壓力（）

圖19：使用確定的水飽和度曲線

在定義冷凝器壓力時(shí)，重要的是強(qiáng)調(diào)總壓力和分壓之間的區(qū)別。由于不直接測量水蒸氣的分壓，因此將總冷凝器壓力設(shè)定為能夠解釋滲透水蒸氣和滲透空氣的分壓的值。此外，冷凝器溫度和壓力分別被認(rèn)為是用于模擬各種濕球溫度和優(yōu)化整體系統(tǒng)性能的控制變量。

4.6.1換熱器評估關(guān)鍵冷凝器設(shè)計(jì)特征是通過進(jìn)行傳熱分析和參考公布的經(jīng)驗(yàn)冷凝器性能數(shù)據(jù)來確定的

74

結(jié)果;?然后通過測試幾個(gè)可行的冷凝器選項(xiàng)來獲得更具體的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下面討論真空冷凝器系統(tǒng)的發(fā)展。

冷凝器尺寸

用于冷凝的熱交換器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是傳熱的有效面積。通過首先評估冷凝器的傳熱負(fù)荷要求來確定冷凝器的這種有效傳熱面積。為簡化起見，這些傳熱載荷通過幾個(gè)假設(shè)來近似：首先，用于調(diào)節(jié)真空系統(tǒng)中的空氣的傳熱負(fù)荷被認(rèn)為是可以忽略不計(jì)的，因?yàn)楣烙?jì)其占真空流體混合物的不到1％;?第二，顯著負(fù)荷被忽略，因?yàn)樗鼈児烙?jì)占總傳熱負(fù)荷的不到2％（見附錄）。這導(dǎo)致傳熱負(fù)荷由潛在負(fù)荷要求確定以冷凝水蒸氣。

表15：各種冷凝器條件（）的蒸發(fā)焓

冷凝器溫度（°）

飽和壓力{）

蒸發(fā)的焓（–）

10

1.2

2477

15

1.7

2465

20

2.3

2453

25

3.2

2442

三十

4.2

2430

35

5.6

2418

75

然后使用最壞情況計(jì)算冷凝器負(fù)載要求

?。?

情景汽化焓，對于最壞情況水蒸氣質(zhì)量流量為2418;?該計(jì)算使用下面的等式（18）在中進(jìn)行。

=?（22）

其中是傳熱速率，是通過冷凝器的水蒸氣質(zhì)量流量，?是汽化潛熱。結(jié)果如上所述

冷凝器負(fù)荷計(jì)算如表16所示。

表16：蒸汽水流焓

暖通空調(diào)尺寸（）

?（/）

10的蒸發(fā)焓[/]

（）

^（/）

10

9.85-05

2392

235.612

804.137

為了將傳熱負(fù)荷要求轉(zhuǎn)化為所需的冷凝器區(qū)域，需要進(jìn)行額外的傳熱分析。使用以下關(guān)系評估向冷凝器真空流體的傳熱[21]。

=??■■（??–?）（23）

其中?是長度為的板的平均傳熱系數(shù)，是平板表面積，?是給定水蒸氣的飽和溫度

76

冷凝器壓力，?是冷凝器表面溫度。重寫該傳熱方程以隔離區(qū)域分量，如下面的等式所示。

（24）

（??–?）

（~）?3???^（?-?）

??=0.943

（25）

在求解冷凝器區(qū)域之前，進(jìn)行分析以確定平均傳熱系數(shù)。熱量和質(zhì)量傳遞的基本原理提供了一個(gè)方程式，用于計(jì)算沿著長度為[25]的平板垂直板的層流冷凝流的平均傳熱系數(shù)，如下所示。

其中是重力加速度，?是凝結(jié)流體的密度，??是

入口蒸汽的密度，是冷凝液體的導(dǎo)熱系數(shù)，\?是

冷凝流體的動(dòng)態(tài)粘度，是板的長度。鑒于一個(gè)

冷凝器壓力為5，冷凝器溫度為30°，平均熱量^

傳輸系數(shù)計(jì)算約為1600，見附錄.

更多信息。將該傳熱速率與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均比較

在真空條件下運(yùn)行的蒸汽冷凝器的傳熱率。熱度^

報(bào)告的真空轉(zhuǎn)移系數(shù)，蒸汽冷凝器范圍從200到

3400[22,23,24]。雖然傳熱系數(shù)可能因多種原因而有所不同，

包括幾何和流動(dòng)狀態(tài)差異，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是有用的

因?yàn)樗峁┝艘幌盗袑?shí)用的冷凝器操作特性

與理論分析一致。為了避免冷凝器尺寸不足，

77

最差情況下的傳熱率（選擇200來計(jì)算

最小冷凝器面積。使用公式24計(jì)算最小冷凝器面積的完整值集顯示在附錄中。冷凝器面積計(jì)算的結(jié)果表明，在最壞情況對數(shù)平均溫差條件下，換熱器面積約為1.2。該信息用于選擇幾個(gè)熱交換器中的一個(gè)進(jìn)行初步測試，以比較實(shí)際操作條件下的性能特征。

冷凝器溫度控制和能量平衡

使用配備有自己的溫度監(jiān)測和控制系統(tǒng)的冷卻器/加熱器浴來控制冷凝器溫度;?該系統(tǒng)對于模擬在進(jìn)料空氣入口條件下操作的冷卻塔的濕球溫度條件是必要的。此外，冷凝器系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于提供測量數(shù)據(jù)，用于分析真空側(cè)和冷卻流體側(cè)之間的熱傳遞。這是通過使用的測量冷凝器冷卻流體的入口和出口溫度，和測量使用校準(zhǔn)0.2-2的操作范圍和的不確定性轉(zhuǎn)子流量計(jì)的冷卻流體流量來實(shí)現(xiàn)士滿刻度的5％。這些測量對于驗(yàn)證溫度輸出也很有用。

冷凝水儲存

從熱交換器排出的冷凝水被設(shè)計(jì)成通過使用內(nèi)部制造的冷凝器捕集器與蒸汽分離，該冷凝器捕集器主要由銅形管，管彎頭和儲存容器組成。使用銅恤

78

作為重力捕集器，捕獲離開真空冷凝器的冷凝水并將其引導(dǎo)至儲存容器，同時(shí)剩余的蒸汽和薄霧通過管道彎曲至真空系統(tǒng)廢氣。包括該管彎曲以捕獲可能夾帶在未冷凝的蒸氣混合物中的任何液體霧，其在粘附到管表面之后然后可以滴落到儲存容器中。該容器由沿著邊緣具有刻度標(biāo)記的透明管組成，用于計(jì)算冷凝水的體積流量。一旦儲存容器被填充，則使用由閥門分開的水泵來移除內(nèi)容物。為了防止在清空儲存容器之前可能的再蒸發(fā)，冷卻水供應(yīng)管線連接到冷凝器存儲區(qū)域并且被包裹在絕緣體中。

4.6.2初步冷凝器評估使用與經(jīng)歷1進(jìn)料空氣操作條件的膜組件引入的水蒸氣供應(yīng)流速相似的幾種熱交換器技術(shù)在真空下評估其操作性能。下面討論各種熱交換器的簡要說明。

管殼式換熱器

購買的管殼式換熱器設(shè)計(jì)用于水–水冷卻應(yīng)用，水–水應(yīng)用的最大傳熱能力為70。熱交換器的尺寸如下：4.8英寸高，10.375英寸長，4.5英寸寬。

79

平板式換熱器

購買并評估了兩個(gè)平板熱交換器。第一臺換熱器是.的3-1240板式換熱器。該熱交換器的面積為0.48?2，制冷量為1-5。第二個(gè)熱交換器是.的3-3660板式換熱器。該熱交換器的面積為2.05?9，制冷量為4-15。

績效比較

各種熱交換器之間的性能差異如預(yù)期。對于類似的冷凝器操作條件，60板式換熱器回收了大部分水蒸氣，但在將水釋放到預(yù)定的儲存容器之前還具有最大的冷凝水儲存。

4.6.3冷凝器選擇60板式?平板式換熱器被選用作真空冷凝器，因?yàn)樗軌驖M足所需的性能限制，并且與未來系統(tǒng)流量的增加兼容。盡管熱交換器在所需條件下尺寸過大，但這種超大型冷凝器的缺點(diǎn)很小;?這些缺點(diǎn)主要包括成本的適度增加和較大的內(nèi)部冷凝器存儲，這增加了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。

冷凝器性能中考慮的另一個(gè)因素是結(jié)垢;?隨著時(shí)間的推移，冷凝器表面會產(chǎn)生降低其傳熱系數(shù)的材料，這被稱為結(jié)垢。通過選擇超大型熱交換器，減輕了結(jié)垢對實(shí)現(xiàn)操作性能要求的影響。

80

4.7真空抑制測量子系統(tǒng)

4.7.1空氣滲透

通過膜組件的空氣滲透被設(shè)計(jì)成在真空系統(tǒng)的排氣口處測量，因?yàn)樵谶M(jìn)料空氣流中不能準(zhǔn)確地檢測到預(yù)期的空氣滲透量。然而，關(guān)于膜組件中可能發(fā)生的空氣滲透量存在很大的不確定性，因?yàn)橄惹暗哪そM件尚未在新型膜除濕使能的冷卻系統(tǒng)要求的操作條件下構(gòu)建和測試;?因此，真空剔除測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)為易于修改，以適應(yīng)不同的流量測量。

為此應(yīng)用研究了許多流量計(jì)技術(shù);?其中考慮的技術(shù)包括熱線風(fēng)速計(jì)，渦輪流量計(jì)，科里奧利流量計(jì)和差壓流量計(jì)。最初，基于成本，精度和操作范圍購買了兩個(gè)流量計(jì)，以便在將來獲取更詳細(xì)的透氣數(shù)據(jù)時(shí)獲取其他流量計(jì)。之一的選擇的兩個(gè)流量計(jì)是一種渦輪流量計(jì)，1006-，能測量的空氣流率高達(dá)5升/分鐘與不確定性的士3?〇/〇全面的;?另一個(gè)流量計(jì)是來自同一制造商1002型號的渦輪流量計(jì)，能夠測量40/至200/范圍內(nèi)的流速，不確定度為滿量程的±3％。有關(guān)所選流量計(jì)的更多信息，請參見附錄.

81

前述的流量計(jì)被一個(gè)冷凝槽（25）和平坦的板式換熱器，其保持在55?〇至冷凝在廢氣中夾帶的水蒸汽。被列入這兩個(gè)項(xiàng)目以去除可能影響流量計(jì)任何油霧或水顆粒5?精度。此外，在考慮傳感器測量不確定度時(shí)，評估了完整真空系統(tǒng)和真空泵泄漏對流量測量的影響。

4.7.2水蒸汽滲透通過回收離開真空系統(tǒng)的所有冷凝水來測量通過膜組件到真空系統(tǒng)的水蒸氣滲透?；厥账袃蓚€(gè)設(shè)計(jì)位置：真空冷凝器儲存容器和真空泵排氣。為了回收從真空泵排氣裝置排出的水分，在真空泵出口處放置一個(gè)集油器，然后是冷凝器。然后將從真空泵排氣中回收的冷凝水與來自真空冷凝器儲存容器的水混合，并在刻度上測量以測量回收的水量。

4.8測量站和配件

4.8.1滲透室滲透室設(shè)計(jì)成一個(gè)測量站，用于監(jiān)測關(guān)鍵的膜滲透側(cè)特性，如溫度和壓力;?此外，該腔室設(shè)計(jì)為與可能安裝的各種配件兼容，以便將來進(jìn)行部件修改或膜連接修改。

82

確定適當(dāng)?shù)哪そM件性能的滲透側(cè)真空條件要求滲透室中沒有冷凝。因此，使用具有六個(gè)國家管螺紋（）母連接的成本有效的鋼罐作為滲透室。在這些連接處連接了幾個(gè)適配器，并使用氧乙炔炬將其釬焊到鋼上。然后將這些適配器用于連接各種裝置和閥門，包括中間壓縮機(jī)，膜組件和膜組件模擬裝置。

4.8.2配件和密封膠

真空系統(tǒng)配備了多種類型的配件，以確保與各種組件的兼容性。在整個(gè)系統(tǒng)中使用配件，配件，倒鉤軟管配件，真空管和軟管夾，以將諸如滲透室，中間壓縮機(jī)，真空冷凝器和冷凝器存儲容器之類的部件彼此連接。例如，中間壓縮機(jī)入口和出口通過加工鋁制法蘭適用于帶倒鉤的軟管接頭，以便為帶倒鉤的軟管接頭適配器提供連接;?然后使用環(huán)氧樹脂將帶刺軟管接頭適配器密封到鋁制法蘭上。相比之下，安裝的真空泵使用了各種真空配件，配件，?和帶鉤的軟管接頭連接到真空系統(tǒng)，沒有任何流量限制。

-8漿料用作所有，，和帶刺軟管接頭的螺紋密封劑，以防止泄漏到系統(tǒng)中。選擇-8是因?yàn)樗哂性跇O端壓力下密封螺紋的能力以及與潮濕環(huán)境的兼容性

83

它的防水性[25]。道康寧真空潤滑脂也用于真空系統(tǒng);?但是，它僅適用于真空配件的形圈。

4.8.3真空系統(tǒng)絕緣

真空系統(tǒng)是絕緣的，以最小化環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度對真空流體的影響，特別是為了避免不希望的冷凝或再蒸發(fā)。因此，在整個(gè)真空系統(tǒng)中選擇的絕緣材料被設(shè)計(jì)用于防止任何大于5瓦的熱傳遞相互作用的目標(biāo)，不包括瞬態(tài)熱存儲相互作用。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使用了各種絕緣類型。首先，滲透室周圍是亞克力厚的高密度聚苯乙烯泡沫絕緣材料，其因子為0.20[26]。整個(gè)真空系統(tǒng)管道然后用1/8包裹，5厚丁基橡膠管包裹，然后包裹在厚的，柔軟的丁腈橡膠/橡膠管絕緣中，其因子為0.25[14]。最后，真空冷凝器覆蓋1/8?，5厚布泰爾橡膠管渦卷和通過上述1英寸厚的，高密度聚苯乙烯泡沫保溫包圍。

4.8.4功率輸入測量

使用兩種方法測量真空系統(tǒng)設(shè)備的功耗：一種用于單相設(shè)備，一種用于三相設(shè)備。333和179分別用于測量單相設(shè)備的電流和電壓，單相設(shè)備由真空冷凝器水泵和真空泵組成;?然后使用該數(shù)據(jù)通過獲取電壓和電流的乘積來計(jì)算視在功率消耗。另外，要提高準(zhǔn)確性

在電流測量中，圍繞鉗式電流表（333）制作了幾個(gè)線圈，這樣計(jì)數(shù)不確定性將相對于電流值減小。

使用功率計(jì)（-485）測量中間壓縮機(jī)功耗，該功率計(jì)被開發(fā)為能夠測量三相設(shè)備功耗。功率計(jì)用于實(shí)時(shí)顯示中間壓縮機(jī)的實(shí)際功率，無功功率和總功耗。雖然記錄了每條電力線和總功率的數(shù)據(jù)，但是由于可以使用傳統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)平衡無功功率負(fù)載，因此對總有功功率測量給予了更高的優(yōu)先級。

4.8.5溫度測量注意事項(xiàng)

真空系統(tǒng)中使用的溫度傳感器是100類，其具有從購買的6英寸探針，以及內(nèi)部型熱電偶。在測試之前，所有傳感器在室溫下一起進(jìn)行評估以進(jìn)行比較，以確保內(nèi)部熱電偶傳感器的不確定性在適當(dāng)?shù)南薅葍?nèi)，如下所示。

選擇類電阻溫度檢測器（）來測量臨界溫度測量位置的溫度。由于精度的提高，這些都是通過熱電偶選擇的;?類的通常具有大約0.2℃下，在考慮用于該應(yīng)用程序的運(yùn)行范圍的不確定性，而許多熱電偶在此相同范圍內(nèi)操作具有大約1的不確定性0?[27,28]。

85

考慮使用的另一個(gè)因素是自加熱。自熱主要是在操作期間將電能轉(zhuǎn)換成熱能。進(jìn)行初步計(jì)算以確定自加熱可能對測量產(chǎn)生的潛在影響?？紤]到的電阻為100歐姆，工作電流范圍為4-20。假設(shè)所有這些能量都轉(zhuǎn)換成熱能，引入系統(tǒng)的最大熱能是電壓乘以電流的乘積，約為0.04瓦。與系統(tǒng)中經(jīng)歷的其他傳熱速率相比，這被認(rèn)為是可以忽略的。

最后，考慮探針長度對測量的影響。測量值在探頭的整個(gè)長度上取平均值;?因此，如果整個(gè)探頭長度不暴露于所考慮的區(qū)域，則可以降低的精度。為了避免沿著的分布不均的任何問題，安裝了具有6英寸探針長度的以覆蓋滲透室的直徑，而不允許探針的末端接觸室。這確保了大部分與真空流體直接接觸。

4.8.6測量的壓力在真空系統(tǒng)中的壓力測量使用幾個(gè)西特模型730個(gè)與換能器和2.713.3壓力范圍和精度的獲取土0.5?〇/〇的讀數(shù);?此外，真空與全真空范圍計(jì)，0_101?，

86

安裝在每個(gè)水箱上，用于監(jiān)測傳感器超出范圍時(shí)的壓力。

4.8.7數(shù)據(jù)采集和傳感器使用數(shù)據(jù)采集硬件收集原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。從購買-9174,4槽機(jī)箱，將來自各種測量模塊的信息傳輸?shù)接米鲗?shí)時(shí)測量接口的計(jì)算機(jī)軟件。對于各種測量系統(tǒng)，四個(gè)機(jī)箱插槽占用了以下模塊：兩個(gè)-9217,4通道輸入模塊，用于測量讀數(shù);?一個(gè)-9213,16通道熱電偶模塊，用于使用熱電偶測量不同位置的溫度;?和一個(gè)-9205模擬輸入模塊，用于測量壓力傳感器和流量計(jì)的數(shù)據(jù)。

4.9系統(tǒng)變量控制方法

有三個(gè)臨界真空系統(tǒng)變量需要調(diào)節(jié)以進(jìn)行參數(shù)冷卻系統(tǒng)研究：滲透壓力，其被調(diào)節(jié)以達(dá)到所需的膜出口條件;?冷凝器溫度，調(diào)整為模擬設(shè)計(jì)環(huán)境冷卻塔設(shè)定點(diǎn);?和冷凝器壓力，其被調(diào)節(jié)以在給定的冷凝器溫度下冷凝水蒸汽。真空系統(tǒng)包含幾種用于調(diào)節(jié)這三個(gè)變量的控制方法，這些控制方法是變頻驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)操作閘閥和溫控?zé)嵩　?/p>

4.9.1變頻器

東芝-7變頻器（）安裝在中間壓縮機(jī)電機(jī)上，以調(diào)節(jié)滲透壓力，并降低壓縮機(jī)在此過程中的功耗。

4.9.2閥門

最初考慮使用幾種類型的閥用于真空系統(tǒng)，包括蝶閥，閘閥，球閥和針閥。這些閥門最初是在優(yōu)化成本，流量限制，控制精度和漏氣限制的基礎(chǔ)上選擇的。閘閥最終具有在相同成本約束下購買的所有閥門的最佳性能，因此這些閥門被選擇用于真空系統(tǒng)。

選擇用于真空系統(tǒng)的閘閥放置在膜之前，滲透室之后和真空冷凝器之后。這允許與膜組件隔離，以及限流能力以增加滲透壓力和冷凝器壓力。在完全打開的閥門位置，滲透壓和冷凝器壓力處于其可達(dá)到的最小壓力。

88

4.9.3冷凝器冷卻器/加熱器使用內(nèi)部溫度控制浴來控制真空冷凝器溫度。這種控制方法至關(guān)重要，因?yàn)槔淠鳒囟仍O(shè)計(jì)用于模擬工作冷卻塔溫度，該溫度在環(huán)境濕球溫度附近運(yùn)行。此外，對于參數(shù)研究，必須有一種方法來保持恒定的冷凝器溫度。

4.10完成真空系統(tǒng)

在結(jié)合每個(gè)組件的所有先前研究，計(jì)算和初步測試數(shù)據(jù)之后組裝最終真空系統(tǒng)。圖20中提供了顯示帶有樣品膜組件的完整真空系統(tǒng)的圖表;?另外，圖17中所示的變量的細(xì)節(jié)包括在表17中。

89

膜組件

滲透商會

中間

壓縮機(jī)

真空

真空

聚光器

閥

滲透壓力

冷凝器壓力

水泵

冷凝器壓力

計(jì)重秤

閥水

圖20：完成的真空系統(tǒng)90

表17：完整的真空系統(tǒng)變量詳細(xì)信息

符號

變量名

可變細(xì)節(jié)

中間壓縮機(jī)電源輸入

將所有滲透流體從滲透壓加壓到冷凝器壓力所需的功率

％

真空泵電源輸入

拒絕所有不可冷凝氣體和通過冷卻塔模擬器的任何剩余水蒸汽所需的功率

?.

水泵電源輸入

將冷凝水從真空系統(tǒng)排放到大氣壓所需的功率

^滲透

膜滲透體積流量

滲透通過膜組件的不可冷凝氣體的體積流速

膜

滲透

溫度

通過膜的滲透氣體的溫度，位于測量罐中

?

冷卻塔入口溫度

滲透氣體進(jìn)入冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的溫度

?

冷卻塔出口溫度

當(dāng)滲透氣體離開冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的溫度

膜滲透壓

滲透氣體通過膜的壓力，位于測量罐中

?。

?

冷卻塔進(jìn)口壓力

滲透氣體進(jìn)入冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的壓力

^?出來

冷卻塔出口壓力

當(dāng)滲透氣體離開冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的壓力

^水

凝結(jié)水的質(zhì)量

所有冷凝水蒸氣的質(zhì)量透過膜

91

膜組件在滲透側(cè)配備母連接，使用適配器將其轉(zhuǎn)換為?帶刺軟管接頭。然后使用?將模塊連接到滲透室。加強(qiáng)真空管，分別使用軟管夾和-8漿料固定并密封在帶倒鉤的配件上;?這也是用于將滲透室連接到中間壓縮機(jī)，將中間壓縮機(jī)連接到真空冷凝器，以及將真空冷凝器連接到真空泵的方法。真空冷凝器通過銅管和壓縮接頭連接到水泵，以實(shí)現(xiàn)氣密密封。另外，真空冷凝器的入口和出口處的管道組裝成朝向冷凝器的向下傾斜，以捕獲在管中冷凝的任何潛在的水蒸氣。上面示意圖中顯示的所有閥門均為.管道尺寸閘閥，并在測試期間手動(dòng)操作。最后，水泵和真空泵出口熱交換器將水引導(dǎo)到儲存容器，然后將儲存容器放置在體重秤的頂部以測量它們的內(nèi)容物。

在安裝膜組件之前，使用一系列測試來評估真空系統(tǒng)性能，以隔離諸如系統(tǒng)漏氣和水蒸氣回收方法之類的變量;?這些測試的結(jié)果將在下面的部分中討論。

92

4.11初步真空系統(tǒng)測試

4.11.1系統(tǒng)泄漏測量為膜組件排空開發(fā)的真空系統(tǒng)的構(gòu)造是為了防止實(shí)驗(yàn)室空氣泄漏到水蒸氣回收系統(tǒng)中。對進(jìn)入系統(tǒng)的最大允許空氣泄漏率的約束設(shè)定為通過膜組件的總理想空氣滲透的1％。為了測量該范圍內(nèi)的空氣泄漏率而不產(chǎn)生額外的設(shè)備成本，使用理想的氣體定律相關(guān)性將測量的系統(tǒng)壓力隨時(shí)間增加轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量。這種壓力的增加被認(rèn)為是由于空氣泄漏，因?yàn)檎婵障到y(tǒng)在測試之前通過連續(xù)抽空被隔離和干燥。有關(guān)所用計(jì)算的更多信息可在不確定性分析部分找到。

泄漏測試結(jié)果

在監(jiān)測壓力和溫度的同時(shí)進(jìn)行82小時(shí)的泄漏測試，以計(jì)算系統(tǒng)中的質(zhì)量變化。與計(jì)算的空氣滲透率相比，該試驗(yàn)的漏氣結(jié)果如表18所示，完整的結(jié)果可在附錄中找到。

表18：與模塊空氣滲透相比的系統(tǒng)泄漏

模塊尺寸（）

?^9

^空氣滲透^

空氣，泄漏?）

泄漏率（％）

1

1.97-06

5.14-09

0.2605

10

1.97-05

5.14-09

0.0260

93

結(jié)果表明，進(jìn)入系統(tǒng)的泄漏量低于膜組件透氣率〇/〇的容許極限。此外，隨著模塊尺寸的增加，這種泄漏百分比將會降低。

不確定

進(jìn)行了和不確定性分析，以評估泄漏結(jié)果的不確定性。坦克中的質(zhì)量正在評估使用

公式26中所示的理想氣體定律。

=—

（26）

將理想氣體定律方程代入和不確定性分析坦克質(zhì)量的等式產(chǎn)生以下結(jié)果。

其中?1表示給定時(shí)間間隔內(nèi)罐中的質(zhì)量。各種測量不確定度值顯示在下面的等式中。

（31）

進(jìn)入罐的質(zhì)量流量如下。

（32）

??2?-?1=–

該方程的相應(yīng)和不確定性分析得出下面的等式。

（33）

假設(shè)由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，6=0，公式33

/3?2/3

?6）+??62）

（34）6米=簡化為以下內(nèi)容。

將適當(dāng)?shù)闹荡肷鲜龊头匠?，?dǎo)致總泄漏不確定度約為7％;?有關(guān)的詳細(xì)分析，請參見附錄.

重要的是要提到，在該泄漏測試的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中的壓力增加大約9。其結(jié)果是環(huán)境系統(tǒng)和真空系統(tǒng)之間的空氣泄漏的驅(qū)動(dòng)壓力差正在變化，但對于101的大氣壓力僅為約10％;?但是，在評估泄漏不確定性時(shí)，仍然必須考慮到這一點(diǎn)。

95

4.11.2膜組件模擬

在接收膜組件之前，使用構(gòu)造的組件評估真空系統(tǒng)性能，以模擬一系列潛在進(jìn)料空氣流速的膜組件空氣和水蒸氣滲透速率。下面討論這些膜模擬器部件的開發(fā)和初步真空系統(tǒng)測試結(jié)果。

水蒸汽滲透模擬器

使用水蒸發(fā)裝置模擬通過膜組件的水蒸氣滲透。該裝置是通過將帶倒鉤的配件和400瓦浸入式加熱器安裝到透明的儲存容器中而開發(fā)的，然后使用粘合劑將其真空密封。插入水后，通過真空管和帶倒鉤的軟管接頭將容器連接到真空裝置。在操作期間，使用控制器控制罐內(nèi)的水溫，該控制器接收來自插入到浸沒在水下的熱電偶套管中的熱電偶的反饋。另外，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)將蒸發(fā)裝置連接到真空系統(tǒng)的閘閥來控制蒸發(fā)裝置中的壓力。在手術(shù)前?將蒸發(fā)裝置保持在粗真空下數(shù)小時(shí)，以除去夾帶在水中的大部分空氣。通過觀察在進(jìn)行測試之前和之后以及在真空操作期間在大氣壓下的水的體積差來計(jì)算從蒸發(fā)裝置中除去的水量。通過使用儲存容器上的刻度標(biāo)記來測量體積差異以測量高度變化然后將它們相乘

96

通過已知的橫截面積改變高度，該橫截面積能夠提供小于3的精度的體積差異。

空氣滲透模擬器

使用將真空系統(tǒng)連接到環(huán)境空氣的手動(dòng)可調(diào)節(jié)閥模擬通過膜組件的空氣滲透。在閥門入口處安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)，以測量進(jìn)入真空系統(tǒng)的空氣流量;?它安裝在閥門的環(huán)境壓力側(cè)，以確保流量計(jì)在其校準(zhǔn)環(huán)境中運(yùn)行。

膜模擬測試結(jié)果

通過使用水蒸氣滲透模擬器進(jìn)行了兩次測試以確定真空系統(tǒng)的儲水能力和瞬態(tài)響應(yīng)。第一個(gè)測試包括將0.05的水蒸氣引入系統(tǒng)，沒有氣流;?在測試之前，將水蒸氣模擬器抽空過夜以除去水中捕獲的任何空氣。真空冷凝器溫度和水收集容器設(shè)定為21℃，冷凝器壓力設(shè)定為3，而真空泵排氣冷凝器溫度設(shè)定為13℃，以回收未在真空冷凝器中冷凝的水蒸氣。試驗(yàn)在4.75小時(shí)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，并且在3.25小時(shí)的試驗(yàn)后冷凝水開始從冷凝器中排出。試驗(yàn)結(jié)果如表19所示。

97

表19：冷凝器冷卻能力測試＃1

零件

水蒸氣恢復(fù)

真空冷凝器回收容器

93克

真空冷凝器存儲

92克

真空泵排氣冷凝器

18克

總系統(tǒng)恢復(fù)

2?〇3克

系統(tǒng)總水蒸汽輸入

227克

表19中的結(jié)果表明水蒸氣的總責(zé)任率約為89％。假定未計(jì)入的剩余水蒸氣在壓縮過程中在真空泵中冷凝并且仍然夾帶在真空泵油中。

表20：冷凝器冷卻能力測試＃2

零件

水蒸氣恢復(fù)

真空冷凝器回收容器

137克

真空冷凝器存儲

9?〇克

真空泵排氣冷凝器

17克

總系統(tǒng)恢復(fù)

244克

系統(tǒng)總水蒸汽輸入

3?〇3克

第二個(gè)測試包括將0.05的水蒸氣引入系統(tǒng)，沒有空氣流動(dòng)，但是在較高的冷凝器壓力和溫度下。冷凝器溫度設(shè)定為26℃，冷凝器壓力設(shè)定為4.5，而真空泵排氣冷凝器溫度保持在13℃。測試結(jié)果如下表20所示。

98

值得注意的是，雖然該試驗(yàn)的水蒸氣總責(zé)任率約為81％，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，水回收率高達(dá)96％。由于調(diào)節(jié)冷凝器參數(shù)所花費(fèi)的時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)較低。此外，假設(shè)剩余的水被困在真空泵油中;?后來通過去除泵油含量和發(fā)現(xiàn)冷凝水來加強(qiáng)這種假設(shè)。

4.12真空系統(tǒng)總結(jié)

真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有使用新型膜除濕功能的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)抽空膜組件的滲透側(cè)的能力。為該系統(tǒng)選擇的真空泵是10雙級旋片式真空泵，泵送能力為7，之前是-250羅茨鼓風(fēng)機(jī)，它被選為中間壓縮機(jī)。在這兩個(gè)正排量泵之間是一個(gè)60板式換熱器，其有效面積為2.05，溫度控制在一個(gè)完整的冷卻系統(tǒng)中模擬真空冷凝器的運(yùn)行。所開發(fā)的真空系統(tǒng)中的空氣泄漏計(jì)算為小于通過膜組件的理論空氣滲透的1％，

99

5.完整的系統(tǒng)測試

一旦測試設(shè)備的設(shè)計(jì)和構(gòu)造完成，在模擬的真實(shí)操作條件下使用由提供的面積為0.024的膜組件評估新型膜式除濕使能的冷卻系統(tǒng)。從這些測試中獲得的數(shù)據(jù)提供了膜組件性能特征以及全功能膜組件冷卻系統(tǒng)的概念驗(yàn)證，但尚未針對最小化能耗進(jìn)行優(yōu)化。此外，初步結(jié)果用于評估測試設(shè)備的局限性和潛在的改進(jìn)。

5.1完整的測試儀器

將進(jìn)料空氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組合以完成測試設(shè)備的開發(fā)。下面的圖21中的示意圖顯示了完整的膜組件測試系統(tǒng)，其具有標(biāo)記的關(guān)鍵測量點(diǎn)和新型膜除濕使能的冷卻系統(tǒng)工作輸入要求;?另外，圖21中所示的變量的細(xì)節(jié)包括在表21中。

100

空氣過濾器流量計(jì)風(fēng)扇加濕器膜組件

明智的冷卻器熱交換器

^飼料

圖21：系統(tǒng)原理圖101

[〇

表21：系統(tǒng)原理圖圖例

符號

變量名

可變細(xì)節(jié)

?.

風(fēng)扇電源輸入

當(dāng)前風(fēng)扇尺寸過大以處理加濕系統(tǒng)流量限制

^冷卻

系統(tǒng)

明智的冷卻系統(tǒng)電源輸入

包括制冷系統(tǒng)和水循環(huán)泵的工作輸入

％

中間壓縮機(jī)電源輸入

將所有滲透流體從滲透壓加壓到冷凝器壓力所需的功率

真空泵電源輸入

拒絕所有不可冷凝氣體和通過冷卻塔模擬器的任何剩余水蒸汽所需的功率

水泵電源輸入

將冷凝水從真空系統(tǒng)排放到大氣壓所需的功率

秦

供氣熱輸入

受控加熱器用于在飽和時(shí)離開加濕器后調(diào)節(jié)干球溫度

▽飼料

進(jìn)料空氣體積流量

通過膜組件的進(jìn)料空氣的體積流速

^滲透

膜滲透體積流量

滲透通過膜組件的不可冷凝氣體的體積流速

我è噸

進(jìn)氣的相對濕度

使用與溫度傳感器耦合的數(shù)據(jù)記錄器測量入口相對濕度

????

出口空氣的相對濕度

使用與溫度傳感器耦合的數(shù)據(jù)記錄器測量出口相對濕度

濕球溫度

剛通過加濕器部分后的空氣溫度處于飽和狀態(tài)

室內(nèi)溫度

這連續(xù)測量室溫

進(jìn)氣溫度

這是進(jìn)入膜組件的空氣的測量值

出口

出口空氣溫度

這是離開膜組件的空氣的測量值

，出

明顯的冷卻空氣出口溫度

空氣離開顯熱交換器時(shí)的溫度

?

1燙發(fā)

膜滲透溫度

通過膜的滲透氣體的溫度，位于測量罐中

?

冷卻塔入口溫度

滲透氣體進(jìn)入冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的溫度

??

冷卻塔出口溫度

當(dāng)滲透氣體離開冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的溫度

[燙發(fā)

膜滲透壓

滲透氣體通過膜的壓力，位于測量罐中

?

冷卻塔進(jìn)口壓力

滲透氣體進(jìn)入冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的壓力

出來

冷卻塔出口壓力

當(dāng)滲透氣體離開冷卻塔模擬器熱交換器時(shí)的壓力

^水

凝結(jié)水的質(zhì)量

所有冷凝水蒸氣的質(zhì)量透過膜

5.2膜組件性能表征

5.2.1性能測試條件進(jìn)行了一系列測試，以使用設(shè)計(jì)用于1進(jìn)料空氣流量的膜組件（膜?=0.024?2）對新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)進(jìn)行初步性能評估。）。為了隔離變量依賴性，幾個(gè)控制變量保持不變，而其他控制變量則變化;?用于評估膜組件性能的控制變量被確定為滲透壓，流速，干球溫度和濕度比。膜中的空氣速度分布被確定為與流速相結(jié)合的參數(shù)，因?yàn)槟つK入口配件被指定，并且在該規(guī)格之下沒有進(jìn)行面積減小。另外，通過進(jìn)料空氣側(cè)和滲透側(cè)的水蒸氣分壓來解決膜組件上的對數(shù)平均壓差。測試的給定變量參數(shù)如下表22所示。

表22：測試控制變量

控制變量

值

體積流量

1

滲透壓力

0.3-0.4千帕

干球溫度

見圖22

濕度比

見圖22

干球溫度和濕度比的分布設(shè)定點(diǎn)

表22中引用的條件顯示在下面的圖22中。

.-。

2.50-02

2.00-02

1.50-02

1.00-02

5.00-03

55.060.065.070.075.080.085.090.095.0100.0105.0

入口溫度（）

圖22：溫度和濕度測試條件

對于幾個(gè)測試，入口濕度比設(shè)定為保持恒定，以便可以單獨(dú)評估干球溫度。然而，偶爾濕度比值確實(shí)偏離了設(shè)定點(diǎn)。所有后續(xù)計(jì)算都考慮了這種偏差。下面的圖23顯示了各種設(shè)定點(diǎn)的測量入口濕度比。

入口溫度（）

入口濕度比設(shè)定點(diǎn)：■0.007＃0.010.0140.019>0.026

圖23：設(shè)定點(diǎn)的濕度比變化

如圖23中的圖例所示，入口濕度比設(shè)定點(diǎn)選擇為0.007至0.026，溫度設(shè)定點(diǎn)選擇在70°至100°之間。選擇該范圍包含各種常見的環(huán)境操作條件以及不太實(shí)際的極端測試條件，以強(qiáng)調(diào)任何膜性能對溫度和濕度比的依賴性。在測試期間，入口濕度比與設(shè)定點(diǎn)的偏差不超過0.0016，并且測量的入口濕度比值與結(jié)果一起制成表格。

5.2.2?膜組件性能結(jié)果表23列出了各種上述控制變量操作條件下膜的水蒸汽滲透性的列表測試結(jié)果。

105

表23：列表測試

結(jié)果

飼料空氣流量[]

膜入口溫度[]

進(jìn)口

濕度

比

滲透壓力[]

水蒸氣滲透率[/-?八2-]

1.0

69

0.009

0.35

3.93-06

1.0

71

0.009

0.35

4.23-06

1.0

80

0.015

0.36

4.72-06

1.0

81

0.019

0.34

4.70-06

1.0

81

0.008

0.35

4.29-06

1.0

81

0.009

0.35

4.84-06

1.0

85

0.019

0.36

5.18-06

1.0

89

0.007

0.35

4.71-06

1.0

89

0.015

0.35

5.19-06

1.0

89

0.010

0.35

5.33-06

1.0

90

0.011

0.34

5.13-06

1.0

91

0.020

0.37

5.58-06

1.0

95

0.026

0.42

5.41-06

1.0

96

0.019

0.40

5.79-06

1.0

99

0.026

0.44

5.75-06

1.0

100

0.011

0.36

5.88-06

1.0

101

0.007

0.35

5.67-06

1.0

101

0.018

0.42

5.76-06

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，控制進(jìn)料空氣流量和滲透壓力以保持恒定值;?從表格數(shù)據(jù)中可以明顯看出，雖然控制進(jìn)料空氣流量的嘗試是成功的，但滲透壓力存在一些變化。此外，重要的是要注意表23中所示的滲透壓是由壓力傳感器測量的總滲透壓而不是水蒸氣滲透壓;?然而，這兩個(gè)值之間的差異是通過使用理想氣體定律和道爾頓定律來計(jì)算的，以將空氣和水蒸氣滲透數(shù)據(jù)與氣體的分壓相關(guān)聯(lián)，然后將氣體分壓。

納入分析表現(xiàn)。最后，重要的是要提到這一點(diǎn)

用于計(jì)算水蒸汽滲透率值的水蒸氣滲透率是使用來自進(jìn)料–空氣流濕度比變化而不是水蒸氣回收系統(tǒng)的測量值來確定的。

表23中顯示的結(jié)果表明水蒸汽滲透性與溫度的關(guān)系;?這種與其他變量分離的關(guān)系在下面的圖24中更清楚地說明。

7.00-06

6.00-06

5.00-06

4.00-06

3.00-06

2.00-06

1.00-06

4歲>

一個(gè)

米

■

.065.075.085.095.0105.0

入口溫度（）

入口濕度________________

點(diǎn)數(shù)：■0.007?0.010.0140.0190.026

圖24：水蒸氣滲透率與溫度的關(guān)系

圖24表示進(jìn)料空氣溫度升高時(shí)水蒸汽滲透率的比例增加;?然而，除了進(jìn)料空氣流速之外，還考慮了其他控制變量的依賴性，因?yàn)樵谡麄€(gè)測試過程中它保持不變。濕度比和水蒸汽滲透率之間的關(guān)系如下圖25所示。

107

7.00-066.00-065.00-064.00-063.00-062.00-061.00-06.+

■?<

?

卜傘>

％?

零>

鈦

.+5.00-031.00-021.50-022.00-022.50-023.00-02

進(jìn)口濕度比

{/>}?.>+

進(jìn)口濕度比設(shè)定點(diǎn)：0.007?0.0！0.014.019>0.026

圖25：水蒸汽滲透率與濕度比的關(guān)系

圖25中的數(shù)據(jù)支持圖24中所示的結(jié)果，并且還表明在給定的測試條件下水蒸氣滲透性對溫度的依賴性比入口濕度比更強(qiáng)。

水蒸氣滲透率和滲透壓之間的關(guān)系繪制在下面的圖26中。

1087.00-06

5.00-06

4.00-06

3.00-06

2.00-06

1.00-06

?丄

一個(gè)

■

4

。??.

（

■

0.050.100.150.200.250.300.350.400.45

滲透壓（）

{-->/>}?.>

進(jìn)口濕度比設(shè)定點(diǎn)：■0.007?令0.010.014▲0.0190.026

圖26：不同滲透壓力下的水蒸汽滲透率

圖26中的數(shù)據(jù)并未表明水蒸氣滲透性對滲透壓的明顯依賴性。相對于更多變量繪制的水蒸汽滲透率見附錄.

還研究了控制變量對水蒸氣滲透速率的影響。下面的圖27說明了水蒸汽滲透與膜入口溫度和濕度比的關(guān)系。

109

4.00-07

>

。▲

▲

▲

▲

?

–??–

▲

?

?

~~￥?

■

■

■

55.065.075.085.095.0105.0

入口溫度（）

）

§3.50-07

3.00-07

^^2.50-07?芝11.00-071.50-07>?1.00-07

）

|?5.00-08

.+

進(jìn)口濕度比設(shè)定點(diǎn)：■0.007＃0.010.014▲0.0190.026

圖27：給定溫度下的水蒸汽滲透率

如圖27所示，水蒸氣滲透速率隨入口濕度比增加，但似乎沒有相對于入口溫度的總體趨勢。

最后，考慮了入口溫度條件范圍內(nèi)的分離因子;?分離因子和入口溫度之間關(guān)系的結(jié)果如圖28所示。

110

500

?

400

|?300

200

（

^?100?0

55.065.075.085.095.0105.0

入口溫度（）

進(jìn)口濕度比設(shè)定點(diǎn)：■0.007?0.010.014▲0.0190.026

圖28：各種入口溫度的分離因

圖28中顯示的結(jié)果表明分離因子隨溫度的潛在增加，以及數(shù)百的分離因子。

5.3新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)測試

使用相同的膜組件進(jìn)行完整的系統(tǒng)測試，以確定系統(tǒng)是否能夠達(dá)到-操作條件，即90°，90°和50％，55°的入口和出口條件，分別。該試驗(yàn)的結(jié)果如表24所示。

表24：-條件測試結(jié)果

變量

值

單位

進(jìn)料空氣流量

0.16

入口干球溫度

90

入口相對濕度

88

％

進(jìn)口濕度比

0.0272

/

出口干球溫度

76

出口相對濕度

13

％

出口濕度比

0.00241

/

明智的冷卻器出口溫度

55

明智的冷卻器出口相對濕度

26

％

水蒸氣滲透

2.82-06

千摩爾/-

米甲?2-

結(jié)果表明，現(xiàn)有系統(tǒng)能夠達(dá)到并超過-建立的冷負(fù)荷要求;?這對于建立新型膜式除濕冷卻系統(tǒng)的初步除濕性能具有重要意義。

表25：膜系統(tǒng)的功耗

設(shè)備

電機(jī)額定值

。

。一個(gè)

。^

計(jì)算器。^

風(fēng)扇

650瓦

見應(yīng)用程序。

見應(yīng)用程序。

157

冷卻系統(tǒng)泵

115瓦

122.3

0.3

41

冷卻系統(tǒng)制冷

122.5

0.3

35

真空泵

550

119.3

4.5

537

水泵

115瓦

0

0

0

中間壓縮機(jī)

1000瓦

見應(yīng)用程序。

見應(yīng)用程序。

867

測量整個(gè)冷卻系統(tǒng)的各個(gè)部件的功耗;?這些結(jié)果如下表25所示。

112

中間壓縮機(jī)和風(fēng)扇都有三相電動(dòng)機(jī)和連接它們的變頻裝置;?因此，在之前和每條電力線測量功耗。上表25僅列出了這兩件設(shè)備的實(shí)際功率部件。對于視在功率和單個(gè)線路負(fù)載，請參見附錄.

從表25中可以明顯看出，大部分系統(tǒng)功耗來自中間壓縮機(jī)和真空泵，兩者都沒有針對效率進(jìn)行優(yōu)化;?例如，通過用較小容量的間歇負(fù)載真空泵替換現(xiàn)有的真空泵，可以降低系統(tǒng)功耗。此外，其余的系統(tǒng)組件，例如風(fēng)扇電源，冷卻系統(tǒng)循環(huán)泵和制冷系統(tǒng)，對于當(dāng)前的需求而言顯著超大。

113

6。結(jié)論

設(shè)計(jì)和構(gòu)造的測試設(shè)施具有隔離關(guān)鍵變量的能力，以控制新型膜除濕使能的冷卻系統(tǒng)的操作參數(shù)以及獲得初步的膜和冷卻系統(tǒng)性能測量。完成的測試設(shè)施包括兩個(gè)系統(tǒng)：

1.進(jìn)料空氣系統(tǒng)，模擬進(jìn)氣條件并進(jìn)行進(jìn)料空氣除濕和顯熱冷卻

2.真空系統(tǒng)，其抽空膜組件的滲透側(cè)以實(shí)現(xiàn)進(jìn)料–空氣除濕。

所構(gòu)造的進(jìn)料空氣系統(tǒng)能夠在一定溫度和相對濕度條件下提供高達(dá)10的膜入口流量，包括90°和90％，這是項(xiàng)目發(fā)起人指定的。此外，進(jìn)料空氣系統(tǒng)部件包括用于除濕的膜組件安裝位置以及用于將膜出口空氣冷卻至由贊助商再次指定的55°和50％條件的顯熱冷卻系統(tǒng)。將測量站放置在膜入口，膜出口和顯熱冷卻器出口處，以測量這些關(guān)鍵位置處的溫度和相對濕度。所建造的真空系統(tǒng)使用10真空泵，泵送能力為7，之前是60板式換熱器，有效面積為2。05米和-250羅茨鼓風(fēng)機(jī)。計(jì)算出真空系統(tǒng)中的空氣泄漏小于通過膜的理論空氣滲透的1％

114

模塊。最后，該裝置的構(gòu)造能夠測量用于除濕和顯熱冷卻過程的設(shè)備的功耗。

通過膜組件的初步測試和整個(gè)冷卻系統(tǒng)的操作，證明了測試設(shè)備的功能。結(jié)果表明，膜材料在70至100°的溫度下表現(xiàn)出水蒸汽滲透性增加，滲透值范圍從

3.93■10?-6至5.88■10?-6?】〇?;此外，結(jié)果表明這部小說

-?2?-

通過使用0.024?2的膜組件面積，能夠使膜除濕的冷卻系統(tǒng)能夠在0.16的進(jìn)料空氣流速下達(dá)到規(guī)定的操作條件。