真空除湿试验的设计与开发

供暖,通风和空调(HVAC)行业是一个价值数十亿美元的行业,它解决了全球建筑能耗需求,占全球能源消耗的40%左右[1]。除湿技术处于HVAC冷却效率改进的最前沿,因为它们利用水蒸气的化学选择性而不是传统的冷凝技术。太平洋西北国家实验室(PNNL)最近在除湿技术方面取得了关于脱水膜的发展。这一突破涉及制造沸石膜薄膜(<2(im)背衬多孔片基材(-50(im)),使组合膜在温暖,潮湿的环境中估计水蒸气通量大于任何先前的膜组件技术[2] 。PNNL和ADMA Products随后合作将这些膜片层组合成单个模块,用于各种气流尺寸。本文讨论了使用由PNNL和ADMA Products设计的膜组件评估新型膜式除湿机空气冷却系统的测试设备的开发。

1.1除湿技术

传统的除湿系统通过冷却混合物足以使水蒸气冷凝而从空气中除去水蒸气。以这种方式去除水蒸气是非常耗能的,因为它不仅需要去除热能(称为显热冷却)来冷却水 – 空气

混合物到水蒸气5s饱和温度,但它也需要去除化学能,称为潜在冷却,以冷凝水蒸气,直到达到平衡水蒸汽饱和压力。通常,由于化学能,潜在的冷却负荷可以占冷却需求的大部分

水冷凝所需的去除量超过2000 ^并且热能去除

冷却气体混合物需要大约1 [3]。

这种新型的膜式除湿机空气冷却系统旨在用更有效的替代方案取代传统的除湿系统。这是通过使用膜来选择性地和有效地将水蒸气与空气分离来实现的,从而降低潜在负载要求。

1.2膜组件商业系统

新型膜式除湿冷却系统操作可分为两个冷却阶段:潜冷却阶段,使用新型膜水蒸气选择性进行,以及显热冷却阶段,使用传统冷却在膜出口实施技术。根据所提供的理论膜冷却系统特性,潮湿空气应进入膜组件并等温除湿至只需要明显冷却以满足目标系统出口 – 空气条件的程度。

新型膜式除湿机空气冷却系统设计为能够在世界范围内的除湿应用中运行; 然而

2

没有确定不同气候条件下的冷却系统性能变化。为了评估与传统冷却系统相比的性能,确定了测试的设计操作条件。

高级研究计划局 – 能源(ARPA-E)规定了进料空气入口和出口操作条件,膜冷却系统将与其他冷却技术进行比较。冷却系统入口空气条件定义为90°F和90%RH,冷却系统目标出口条件规定为55°F和50%RH; 这对应于90°F和90%RH的膜组件入口条件和90°F和15%RH的出口条件。最终,满足这些目标条件的冷却系统将对通过膜组件的每kg空气执行80kJ的冷却。

1.3膜操作

PNNL开发的膜技术是新型膜式除湿机空气冷却系统创新冷却解决方案的核心。

用于新型膜式除湿器的冷却系统的膜技术具有取决于周围水蒸气分压的水蒸气选择性。这导致膜的水蒸气吸附随着水蒸气分压的增加而增加,随着水蒸气分压的降低而降低[2]。因此,穿过膜组件的水蒸汽压力梯度是水蒸汽通过膜传递的驱动力。

1.3.1膜操作由于水蒸气通过模块向减少的方向传递

水蒸汽浓度,每个膜组件分为两个部分:高水汽浓度侧,称为进料空气侧; 中低水蒸汽浓度侧,称为渗透侧。当膜组件在除湿系统中运行时,室外空气通过膜组件的进料侧进行除湿,而渗透侧的水蒸气用一系列真空泵抽空; 但是,如果水蒸气分压在渗透侧低于进料侧,则水蒸气仅从进料侧除去。下面的图1提供了膜组件压力和流量组件的简化图示。

进气口 送风口
图1:简化的膜模块图示

在进料空气入口的水蒸汽的分压,进料空气出口,和渗透侧被标记在图1中为P Ñ出来d Ppermeate ,, 分别。数量

4水蒸汽从进料空气去除侧的被称为依赖P上渗透,裨Ñ出来和进料空气流量,虽然其他依赖分别在这个项目中研究了为好。

重要的是要强调膜除湿过程受到渗透侧可以抽空的速率的限制; 另外,膜除湿过程的能量消耗是通过抽空渗透物侧的方法确定的。新型膜式除湿冷却系统的设计包括有效地排空渗透物侧和回收水的方法。

1.3.2膜渗透用于描述物质通过膜组件的分子流速的术语是渗透,通常以kmol / s量化。尽管PNNL和ADMA Products提供的膜组件设计为仅允许水蒸气进入渗透侧,但预计一些空气也会通过渗透侧。这种空气渗透的量化对于表征膜组件选择性以及评估空气可能对整个系统效率的影响是有意义的。

1.3.3水蒸汽渗透率  评估和比较膜组件性能的有效指标是膜组件的水蒸汽渗透性。水蒸气渗透性是通过膜的水蒸气流动阻力的倒数

模块,类似于传热中的导电性。用于计算水蒸汽渗透率的等式如下所示。

透过量水蒸气 –

其中N 水蒸气是通过膜的水蒸汽透过度是膜面积,并且AP被取为透过水蒸汽压力和进料侧的水蒸汽压力之间的差。由于水蒸气压沿进料侧变化,因此通过使用如下所示的对数平均压差方程计算上述AP。

其中AP in和AP 0Ut分别是进料侧入口和出口处隔膜的水蒸汽压差。使用对数平均压力差的目的,其与用于热交换器的对数平均温度差类似,是为了解释跨膜组件发生的压差的减小[4]。

1.3.4分离因子

分离因子(SF)是用于比较通过各种膜组件的空气渗透相对于进料和渗透物侧面条件的度量。通过取渗透物侧水蒸气与空气的摩尔比并将其除以进料侧水蒸气与空气的摩尔比来计算分离因子,如下所示[4]。

6

Nw,p / N a,p
w,f / N a

渗透物和进料侧的水蒸气摩尔质量用N w表示; p和N w f表示 分别; 而渗透物和进料侧的空气摩尔质量由N a p和N a表示。分别。膜组件的原始产品表现出数百种分离因子; 然而,在未来的设计改进之后,预计它们将具有数千个分离因子。

1.4测试设备设计目标

该项目的目的是设计一种测试设备,用于评估新型膜式除湿机空气冷却系统的关键性能变量,然后可用于表征冷却系统在各种操作条件下的性能。这需要开发一种调节空气的方法,以模拟冷却系统可能经历的操作条件,并构建膜除湿和显热冷却所需的冷却系统设计组件,但PNNL提供的膜组件除外。由于没有为这种膜技术开发出先前的新型膜式除湿器空气冷却系统装置,

开发该测试装置以评估两种不同膜组件尺寸和操作范围的膜冷却系统; 这些膜组件的详细信息和操作范围如表1所示。

表1:PN NL和ADMA模块详细信息
MODULE

有效

区域

设计

#1 0.024米2
#2 0.2592米2 ft 3

10

表1中所示的每个膜组件的设计流速由PNNL基于组装的膜组件特征确定。虽然这些流量和膜组件区域不是用于商业冷却系统的尺寸,但是它们的尺寸可以按比例放大以用于商业应用; 因此,这些模块尺寸可用于评估冷却系统技术,以便将来开发成更大的系统。

开发用于评估膜冷却系统的测试装置需要两个根本不同的操作系统:进料空气系统,其负责模拟进气空气条件并执行进料空气除湿和冷却; 和真空系统,它负责抽空膜组件的渗透侧以使进料空气成为可能除湿。在随后的章节中将讨论测试设备的这些组件的开发和初步测试结果。

2。文献综述

为了研究其他膜真空除湿系统以及水在真空系统中的一般相互作用,进行了文献综述。该文献用于提高对给定系统设计可能面临的挑战的认识以及成功的系统实施。

2.1以前的膜真空除湿技术  尽管存在许多膜除湿系统,但很少有系统在真空下与水蒸气排出侧一起运行; 在评估其他膜除湿系统时,这种真空操作的区别很重要,因为空气渗透和流量分布等因素可能分别受到大的空气分压差和真空流动状态的显着影响。两个先前的真空除湿系统基于它们在操作条件下与考虑用于测试设施开发的新型膜除湿使能冷却系统的相似性进行评估。

2.1.1 液膜除湿系统  先前开发了一种用于评估液膜除湿技术的实验测试装置; 图2显示了该装置的示意图[5]。

10

实验装置。A:空气简单; B:流量控制器:C:水支架; D:四向\ -ah-e; E:膜细胞; F:压力计; G:\ -acuum pump; H:露点仪; 我:气泡流量计。

图2:液膜除湿系统图[5]

图2所示的液膜除湿系统能够为膜固定装置的进料侧提供可控的空气流速和湿度比,膜固定装置在渗透侧被抽空,以提供进料 – 空气除湿所需的水蒸气分压。 [5]这种进行除湿的液膜技术是通过在具有83%孔隙率的亲水性膜基材上涂布吸湿性液体而开发的。描述这种膜结构的图示于下面的图3 [5],

11

吸湿性液体(TEG,PEG400)

PTFE微孔膜35“m

支撑液膜

^烧结不锈钢盘

保留>

O形环

真空泵

图3:膜除湿装配图[5]

 

疏水微孔膜(Durapel)

在几种操作条件下评价图3中所示膜的性能; 在测试期间修改的变量包括渗透压,入口湿度比和进料空气流速。

进行测试以评估膜 – 出口相对湿度响应,以改变膜入的相对湿度空气供应。为了隔离膜对相对湿度的影响,膜的渗透压保持在恒定的0.13kPa,并且进料空气流速为

公分厘米    

膜保持在97至105-之间,该测试的结果是

分钟

如图4所示[5]。

12

009080706050403020100 1

总部:%l ^ p!EnqJ-(oBno

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100进气湿度[%RH]

图4:液膜的除湿结果[5]

该测试的结果表明,穿过膜夹具的水蒸气渗透随着水蒸气分压差增加而增加。

这种行为是合理的,因为渗透速率理论上与恒定渗透率的分压差成比例。另一种除湿试验是通过改变进料空气流速来确定恒定的入口相对湿度和渗透压[5]。该试验的膜出口相对湿度结果如图5所示。

13

xd%l 1£ Jle OJgno
图5:进料空气流量对液膜除湿的影响[5]

可变流速测试的结果表明,对于进料空气流速的增加,膜出口湿度比增加。对这种关系的可能解释是,随着进料空气流速的增加,进料空气侧的水蒸气与膜相互作用的时间较短; 因此,这是预期在新型膜式除湿使能冷却系统中发生的结果。下一次除湿试验包括评估膜出口相对湿度对各种渗透压的影响,同时保持恒定的膜入口相对湿度和进料空气流速; 该测试的结果如图6所示。

14

0000000000

0987654321

1

lHQr%L ^成为名副其实!EA)RNO

►rtel
渗透侧压[kPa]

图6:渗透压对液膜除湿的影响[5]

渗透压对出口湿度比的影响与膜入口相对湿度效应相似; 随着渗透侧压力的增加,穿过膜的水蒸气分压差减小,并且这种分压的降低导致水蒸汽渗透的减少。

最后,在性能测试条件下比较空气和水蒸气的渗透率,以比较选择性; 该比较的结果如图7所示。

图7:渗透率比较[5]

结合液膜组合物的水蒸气渗透率数据表明膜的水蒸汽渗透率在该范围内

10 _ 5〜10 _ 6 ;,这是与通过PNNL报道的沸石膜的水蒸汽透过率。此外,渗透率评估表明水蒸气对空气的选择性超过2000 [5]。

然后在使用膜组件的冷却系统中评价液膜除湿技术,所述膜组件包含膜膜层; 膜组件的包装方法如下图8所示[6]。

16TEG液体覆盖膜(孔径:1 nm;孔隙率:80%)

表面

多孔板表面处理的Durapel膜

表面浸泡的液膜 港口

铝粘合板

3毫米

膜组件

图8:液膜模块图[6]

防弹大小:75微米; 孔隙率:35-40%)(孔径:0.1μm;孔隙率:70%)J

[s] Thermo Recorder TR-72U压力传感器

隔膜真空泵KNF NB13.4(70W)

针阀

膜组件

冷气机

0

回收水

流量计Sweep airi = ^ –

然后在冷却系统测试装置中评估膜组件组件,该装置包括吹扫空气入口装置和在真空泵出口处的独特水回收方法; 膜组件测试装置的示意图如图9所示。

图9:液膜模块测试装置[6]

17

在图9所示的装置中测试膜组件,以确定吹扫空气和进料 – 空气入口相对湿度对水回收的影响,其使用来自真空泵排气的收集的冷凝水测量。各种吹扫空气流速的水回收率的结果显示在下面的图10中。

图10:扫气的水回收率(实线表示最大理想值,虚线表示理论模型)[6]

结果表明,扫描空气流速之间的峰值水回收率为

200和300 – 。重要的是要注意真空泵排气是空气 –

冷却后,因此吹扫气体中的任何不可冷凝物可能含有夹带的水蒸气。因此,这种水回收率的降低可能是回收方法的函数,而不是渗透速率的函数。关于进料空气入口相对湿度的水回收结果如图11所示。

98765432

我是JQmM AJaAOuay

20

60

100

•S cp ^£
环境空气相对湿度|%RH]

图11:Met相对湿度的水回收率(实线表示最大理想值,虚线表示理论模型)[6]

结果如图11所示,表明随着膜入口空气相对湿度的增加,水回收率增加。

19

2.1.2真空扫描除湿  另一种真空除湿系统使用真空扫描

用于评价[emim] [BF ]膜材料的除湿性能的除湿试验装置,其具有与许多聚合物膜材料类似的渗透值[7],真空扫描除湿装置的各种部件如图12所示。

静态的

混合器

MFC

真空

真空

压力

调节器

图12:真空扫描除湿装置图[7]

该真空扫除除湿方法基本上由膜组成,该膜使用真空泵与吹扫气体一起干燥,吹扫气体由除湿的进料空气流提供。在固定入口空气条件(31.4°C和94%RH)下,不同渗透压和吹扫速率的一些测试结果如图13所示。

20

图13:各种扫气流量的除湿性能[7]

图13中的结果说明了吹扫气体从膜组件的渗透侧去除水蒸气的影响。这种吹扫气体影响说明了真空系统操作和环境条件操作的混合性能; 随着吹扫空气的增加,系统渗透流量接近环境条件的连续性。

总之,这些各种真空除湿设置包含评估操作依赖性的方法,但温度对渗透性能的影响分析很少。

2.2真空系统中水蒸汽  还进行了一项调查,以评估水蒸气对真空设备操作的响应,以满足

21

新型膜式除湿冷却系统。真空系统的疏散过程可能错综复杂地取决于水蒸气与系统的相互作用; 例如,许多内表面和弹性体O形圈含有先前吸附或吸收的水,当系统中的压力降低时,水会释放出来[8]。通过将真空系统抽真空至其最终压力,用干燥的N 回填,可以观察到这种效果达到大气压力,然后将其泵送回其最终压力范围,由于缺乏水的解吸负荷要求,这通常会比最初的抽气速度更快[9]。上述用惰性气体回填系统是有影响的,因为它用于填充否则会允许水蒸气扩散的小空隙; 然而,这种影响受到各种材料将气体从周围环境渗透到真空系统的配置的限制[8]。这些不同的内表面和弹性体O形圈对水蒸气解吸和渗透率的影响很重要。确定它们是否可能影响膜组件水蒸汽渗透。事实上,-1帕斯卡压力范围[8],在这个低压范围内约99%的气体负荷是由于水的解吸[9]。据报道,一般范围的水蒸气除气范围来自

10~ 7 ~10 -11取决于工作压力等特性[10]; 然而,与膜组件的12■10~ 6km〇 ^渗透率相比,

Krci’in * s

据PNNL报道,这种除气效果确定为微不足道。

3.进气系统设计

3.1送风系统概述

进料空气系统可分为三个主要部分:膜入口空气处理部分,膜组件除湿部分和膜出口空调部分。膜入口空气处理部分组件包括模拟膜冷却系统环境操作条件所需的流量,温度和湿度测量和控制装置。膜组件除湿部分包含膜组件和评估膜组件除湿性能所必需的关键测量装置。膜出口空调部分包括一个带有测量和控制装置的热交换器,用于达到所需的冷却系统出口条件; 值得注意的是,膜出口空调热交换器是一个可用于实施冷却系统以进行显热冷却的组件,而膜入口空气处理组件完全用于模拟冷却系统^进气运行条件。除上述部分外,还有各种用于开发整个系统的部分接口和连接; 本章将讨论完整的进气系统组件的开发。有各种各样的部分接口和连接用于开发完整的系统; 本章将讨论完整的进气系统组件的开发。有各种各样的部分接口和连接用于开发完整的系统; 本章将讨论完整的进气系统组件的开发。

3.2膜进气空气处理

进气空调部件包括流量控制装置,加湿器和空气加热器; 这些组件的目的是采取室内实验室空气

23

并对其进行修改,以达到目标流速所需的进气湿度比和干球温度。这些组件对于模拟各种全球空气条件至关重要,下面将更详细地讨论它们的发展。

3.2.1加湿器

加湿器部分设计为能够加湿空气来实现

实验室空气湿度比为0.028 ^,对于进料空气,其湿度大约为0.009

流速高达每分钟10标准立方英尺(scfm)。这是通过使进料空气流通过浸没在耐腐蚀容器内的水下的小孔空气扩散器来实现的。扩散器最初设计为水族箱的空气石头,用于将空气分离成气泡,然后通过几英寸的温控水; 扩散器是必要的,因为它们增加了蒸发发生的有效表面积。在浸没在水中的容器内部是两个柔性的,16英寸长的浸入式加热器元件,每个元件能够提供250W的加热。第一个加热器由Novus PID控制器控制,继电器输出连接到加热器,RTD测量水温; 第二个加热器连接到120 V电源并用作辅助加热器,以实现超过第一个加热器上Novus控制器允许的功率输入。还使用RTD测量加湿器中刚好高于水位的空气温度,并且假设该温度是进料空气,湿球温度。通过使空气以各种流速通过加湿器并测量出口相对湿度来验证该假设

使用几种独立的加湿测量技术; 最准确的

这些技术的,具有不确定性〇 / 〇相对湿度,在加湿器的各种流速和加湿器热输出条件的出口相对湿度98%的测定值。此外,记录在膜组件入口处的湿度传感器数据用于在获取每次测试的数据之前验证湿球温度测量。

3.2.2空气加热器

空气加热器部件设计成能够将加湿器的饱和空气加热到所需的干球温度; 因此,它完全起到提供合理加热的作用。该空气加热器部件由铜管组成,内径为0.94英寸,涂有热熔胶膏,25瓦带状加热器用电工胶带固定在管子周围。空气加热器组件通过软管夹连接到系统管道。使用Novus PID控制器控制管温度,其中继电器输出连接到加热器,RTD测量加热器出口温度,该温度在膜入口处测量。对于小于3 scfm的流速,RTD对加热器输出温度的响应时间足够慢,导致显着的温度过冲; 因此,

3.2.3流量控制  使用富士电机公司制造的1.10 HP再生鼓风机供给膜组件的空气流量。该压缩机能够实现从0到98 CFM的宽范围流量,这是受控制的

25

使用0.1 Hz精度的VFD。此外,鼓风机能够在系统压力下降至54.5英寸水柱(wc)。为了防止污染物或磨料颗粒进入进气系统,在富士鼓风机的入口处安装了紧凑的进气过滤器。该过滤器的最大流速公差为35标准立方英尺,据报道可将99%的颗粒去除至2微米。

空气流速到进料-空气系统是使用FLR1203涡轮流量计,这是能够与不确定性测量高达每分钟(LPM)50升的测量〇 / 〇满刻度的。

3.3薄膜出风口空调

在ARPA-E测试条件下操作的膜冷却系统需要一种机制来为离开膜组件的除湿空气提供合理的冷却。通过使进料空气通过使用冷水冷却的热交换器来进行该装置的显热冷却。使用的热交换器是一个内部的,4英尺长的管壳式换热器,外壳直径为3英寸。使用隔膜水泵将冷冻水供应到热交换器,隔膜水泵使水循环通过温度控制的储存器,该储存器由内部常规制冷系统冷却。使用T型热电偶测量蓄水池温度,并使用NOVUS PID控制器进行控制,该控制器的继电器输出连接到制冷系统^电源;

型热电偶。分别使用热电偶和湿度传感器在热交换器出口处测量进料空气温度和湿度,以确保仅发生明显的冷却; 使用RTD和湿度传感器分别在膜组件出口处测量热交换器入口处的进料空气温度和湿度。

3.4膜除湿测量和计算

膜组件的入口和出口条件测量对于理解膜组件性能至关重要。为了提高这些读数的准确性,在进入膜组件之前立即测量膜入口空气条件,并且在膜组件离开后立即测量膜出口 – 空气条件。这些测量包括空气温度和相对湿度,其用于评估穿过膜组件的水蒸气渗透和传热相互作用。

如上所述,膜组件入口和出口处的流量,温度和湿度测量的准确度对于确定重要的膜操作特性(例如水蒸气渗透)是至关重要的。虽然用于测量温度的精确传感器相对便宜,但精确流量计和湿度传感器的价格可以大几个数量级; 此外,精确的湿度和流量计很容易受到损坏。

根据耐久性和成本,研究了几种具有中等不确定度范围,满量程±3%的传感器。为了确定这些传感器的影响

27

不确定性可能对水汽渗透的总体不确定性有影响,进行了初步的不确定性传播计算。

流量计,温度和湿度测量都是计算水蒸气渗透率所需的。利用Kline和McClintock不确定性传播技术,在EES中计算了各种测量不确定度对水汽渗透率不确定度的传播; 一般Kline和McClintock不确定性方程如下所示。

其中6R是变量R 9的总不确定性8X是变量X的不确定性, – 是

变量R相对于变量X的偏导数,下标i和n表示R依赖的变量范围。在EES中计算的水蒸汽渗透不确定性使用源自质量守恒的渗透方程进行。

&wv,渗透&wv,进口 – &wv,出口(5)

其中入口和出口处的水蒸气分子流速由下式定义。

使用EES进行渗透不确定度的计算。各传感器测量的绝对不确定度输入如表2所示。

28

表2:水蒸气渗透不确定度
S ensor 传感器 ^传感器 P大气
0.3 C 3%RH 0.053 CFM 1千帕

关于方程式输入,传感器不确定性输入和不确定性结果的更多信息可以在附录A中找到。最终,计算结果表明,对于ARPA-E膜组件的操作条件,入口处的温度为90°F和90%RH。在出口处90°F和15%RH,对于lscfm的进料空气流速,总渗透不确定性将为约8%。结果还表明,假设等温除湿,总入渗不确定性会随着入口和出口相对湿度的变化而增加。还计算了在恒定相对湿度值下从20°C到32°C的不同工作温度下的渗透不确定度; 然而,这些温度变化对总水汽渗透不确定性的影响小于1%。

3.5湿度传感器的选择和校准

进气系统部件需要在一系列极端相对湿度条件下精确操作。这一点很重要,因为接近饱和的相对湿度条件会导致传感器上出现冷凝的风险,这在某些情况下会永久性地损坏传感器或使校准无效。因此,为了避免任何高成本风险并确保传感器可靠性,研究了廉价的湿度传感器技术。选择用于在进料空气系统中操作的传感器是DS1923-F5 Hygrochron温度和湿度数据

Logger从www.ibuttonlink.com购买,它使用电容式聚合物相对湿度传感器技术。选择该传感器的原因在于它在冷凝敏感环境中的准确性和耐用性。然而,在安装在进料空气系统中之前,使用盐校准测试在几个湿度范围内计算传感器的不确定性。盐校准测试需要将化学纯盐和水混合以形成饱和盐溶液; 在封闭系统中,每个饱和盐溶液都会产生自己独特且一致的相对湿度,可以参考之前公布的数据。通过将Hygrochron传感器置于这些饱和盐溶液环境和传感器5中来测试Hygrochron传感器记录相对湿度测量值。然后将测试期间获得的相对湿度值与给定盐溶液的校准值进行比较; 这些校准值可在www.omega.com上找到  ,并包含在Calibrated Instrument 下的结果表中。 下面讨论关于测试程序和不确定性分析的更多细节。

3.5.1校准测试  程序用于校准湿度传感器的程序如下:

1.用蒸馏水冲洗测试容器

2.将适量的试验盐倒入每个试验容器中一个。硫酸钾湾 氯化镁C。氯化钠

三十

3.使用滴管,加入适量的水以确保水完全饱和

4.将湿度传感器放在温控测试容器内的升高位置,以确保湿度传感器不接触水

5.密封测试容器,使其与周围环境的相互作用最小

6.将测试容器放在隔离良好并保持在室温的存储区域一个。大约22°C(有关温度详情,请参阅附录B)

7.让传感器保持足够长的时间以使其达到稳定状态,然后移除湿度传感器以检索记录的数据

3.5.2不确定性分析

湿度传感器总不确定度计算包含偏差不确定性和随机不确定性; 包含这些因素的等式如下所示。

湿度传感器的偏差不确定度(8 偏差)被计算为校准的相对湿度值和测量的相对湿度值之间的差值。

校准的相对湿度值和误差值均上公布的数据; 然而,平均测量的相对

31

从测试结果计算湿度和随机误差值。为了使传感器的随机误差达到大于99%的置信水平,使用了三个标准偏差。

(9)

温度测量的不确定性(士0.5 o C)也被纳入总传感器不确定性分析中。使用公开数据的线性插值计算相对湿度对饱和盐溶液温度的依赖性,其显示在宽温度范围内相对湿度的最小变化。这种依赖性表明,0.5〇C 的温度不确定性与0.1%RH的最大相对湿度不确定性相关。考虑到测量是以数字方式记录而具有可忽略的舍入误差,因此假设人为误差可以忽略不计。因此,组合的人体和温度误差值被认为对总传感器不确定性的影响最小。

10 

值得注意的是,不确定性分析仅在传感器读数达到稳态条件后才对数据进行。为了本实验的目的,当满足以下条件时达到稳态:数据的标准偏差在2小时内保持小于1%RH,并且相对湿度数据集的范围不超过3 %RH。

3.5.3结果

在三种不同的相对湿度条件下对三个DS1923-F5 Hygrochron温度和湿度数据记录仪进行湿度校准测试;

此外,使用一个传感器对两个相对湿度条件测试进行重复性测试。不同的湿度传感器由其序列号的后一单元和指定的传感器编号表示。此外,在第一次测试之前,将传感器B2E浸入水中并立即移除以监测冷凝水暴露的影响。三种不同盐条件的DS1923-F5 Hygrochron温度和湿度数据记录仪的湿度校准结果如下表3所示,附录B中提供了这些测试的其他信息。

表3:硫酸钾校准

硫酸盐

校准

测试# 实测 校准仪器 近似

传感器

不确定

(%RH)

平均相对湿度[%] 标准。

开发。

相对湿度 [%] 不确定
传感器#1 DCC6 1 97.38 0.52 97.45 ±0.49 1.64
2 98.59 0.47 97.45 ±0.49 1.88
传感器#2 B2E 1 98.12 0.43 97.45 ±0.49 1.53
传感器#3 B7F9 1 98.48 0.48 97.45 ±0.49 1.83

进行硫酸钾校准测试以评估传感器在高相对湿度下的准确度,这将发生在膜组件的入口处。表3中显示的硫酸钾测试结果表明最大不确定度约为2%,并且用传感器#1进行的重复性测试验证了先前获得的不确定性值。下一次盐校准

33

考虑的是氯化镁校准; 该校准测试的结果总结在表4中。

表4:氯化镁校准

氯化物

CALIBRATIO

ñ

测试# 实测 校准仪器 近似

传感器

不确定

(%RH)

平均相对湿度[%] 标准。

开发。

相对湿度 [%] 不确定
传感器#1 DCC6 1 35.38 0.42 32.93 ±0.17 2.80
2 35.55 0.39 32.93 ±0.17 2.91
传感器#2 B2E 1 35.45 0.35 32.93 ±0.17 2.77
传感器#3 B7F9 1 35.35 0.36 32.93 ±0.17 2.70

进行氯化镁校准测试以评估传感器在低相对湿度下的准确度,这将发生在膜组件的出口处。表4中的数据表明,在这种低相对湿度下传感器的总不确定度约为3%RH; 此外,传感器#1重复性测试显示与先前获得的结果一致。考虑的下一次盐校准是氯化钠校准; 该校准试验的结果总结在表5中。

34

表5:氯化钠校准

氯化物

校准

测试# 实测 校准仪器 近似

传感器

不确定

(%RH)

平均相对湿度[%] 标准。开发。 相对湿度 [%] 不确定
传感器#1 DCC6 1 77.60 0.55 75.38 ±0.13 2.80
传感器#2 B2E 1 77.32 0.40 75.38 ±0.13 2.33
传感器#3 B7F9 1 77.42 0.37 75.38 ±0.13 2.37

氯化钠校准提供了另一种有用的相对湿度条件来评估传感器的准确度。在该相对湿度范围内的结果表明与氯化镁校准测试中获得的精确度类似的精确度,其表明约3%的RH不确定度。

3.5.4结论

这些盐校准测试的测试结果表明,Hygrochron温度和湿度数据记录仪表现出一致的性能,相对湿度不确定度值约为3%RH,温度范围为21°C至23°C。此外,与其他传感器相比,传感器B2E的结果提供了证据表明Hygrochron可以耐受短时间暴露于冷凝水并且仍然在上述不确定性限度内操作。

3.6管选择

管的选择基于几个因素,包括与各种系统组件的兼容性,用于冷凝检测的管透明度,压力

35

管子各种流量下降,管子最大压力和温度公差。选择的管材是透明的PVC管,工作温度高达165°F,工作压力高达20 psi。通过对可用的管内径为0.5英寸至1.5英寸进行几次压降计算来确定PVC管的尺寸。1.5英寸以上的尺寸被忽视,因为它们具有较大的弯曲半径并且更难以连接到某些部件。

用于计算圆形管道压降的公式如下

该摩擦系数方程使用了0.0015 mm的管道粗糙度,因为该值处于正常PVC粗糙度范围的上限[13]。使用EES进行压降计算的结果如表6所示。关于用于压降计算的方程的更多细节显示在

附录C.

36

表6: 7 eed-Air Pipe Pressure Drop
^内部[^] Vfeed [CFM]

^管[〜]

Repip e l ft
0.5 10 37.3 31284 6.20
1 10 9.3 15642 0.28
1.5 10 4.1 10428 0.03

压降计算使用10 scfm的体积流量,因为它是最坏情况下的流量情况。表6中显示的结果表明,对于恒定的流速,直径对压降的强烈依赖性; 对于每英尺管道长度,0.5英寸内径(ID)管道的压力为6.2英寸水柱,而对于每英尺管道长度,1.5英寸ID管道的压降仅为0.03英寸水柱。将这一点置于54.5英寸wc的进气富士鼓风机压力极限的范围内,这表明0.5英寸内径的管道将限制流量太大,不能进行10 scfm操作。此外,在考虑弯曲半径和各种系统组件的兼容性后,Linch ID管被证明是最佳的管道尺寸。

3.7传热和绝缘

进料空气系统设计用于提供温度测量,可用于确定潜在的膜组件性能对温度的依赖性。为了最大限度地减少进料 – 空气系统的热传递相互作用

37

在整个系统中施加环境实验室空气,绝缘,并建立补偿控制方法。使用热毯将膜组件与环境实验室隔离,并且整个进料 – 空气系统中的大部分管道都装在厚的柔软的Buna-N / PVC橡胶管绝缘材料中,其K因子为0.25 [14 ];显热冷却器采用相同的PVC橡胶管绝缘材料进行绝缘,但尺寸较大。PID控制器也用于补偿整个系统的热损失和增益。例如,在膜入口空气处理位置,可以通过增加热输入来补偿损失,并且对于明显的冷却器位置增益可以通过降低热交换器温度来补偿,尽管这可能增加已经的能量消耗。使用低效的制冷系统。

3.8测量站

3.8.1测量位置  在整个系统中进行温度和相对湿度测量以评估性能,将更准确的传感器放置在对理解膜除湿特性至关重要的位置。因此,

从Omega购买的Pt100A类A RTD用于测量膜入口,膜出口和整个膜入口空气处理部分的温度。内部使用T型热电偶测量室温和显热冷却器出口温度,以及Hygrochron温度和湿度

38

将记录器放置在膜入口,膜出口和显热冷却器出口处以测量相对湿度。

3.8.2  功耗确定所有单相设备和三相设备的功耗,这些设备将在新型隔膜除湿冷却系统中实施; 重要的是要强调,从功耗的角度来看,当前设备的尺寸不适合在有效的膜冷却系统中操作,但是仍然测量功耗以提供初步的系统数据。

使用Fluke测量装置记录的数据计算单相设备(例如水循环泵和显热冷却器制冷系统)的功耗。使用钳式Fluke 333电流表测量电流,并使用Fluke 179万用表测量电压。为了提高电流测量的精度,钳式电流表中包含两个电流回路。

使用具有三相测量功能的Fluke 39功率计设备测量三相富士压缩机功耗。显示每个电力线的压缩机的有功,无功和总功耗,然后将其转换为总压缩机功耗。

3.8.3数据采集硬件  使用National Instruments数据采集硬件收集原始数字数据。NI-9174,4槽机箱从National Instruments购买,用于流式传输

39

从各种测量模块到用于实时测量的Lab VIEW计算机软件的信息。对于各种测量系统,四个机箱插槽占用了以下模块:两个NI-9217,4通道输入模块,用于测量RTD读数; 一个NI-9213,16通道热电偶模块,用于使用热电偶测量不同位置的温度; 和一个NI-9205模拟输入模块用于测量流量计的数据。

3.9系统变量控制

3.9.1  变频器FUJI压缩机电机上安装了东芝VF-S7变频器(VFD),用于调节进料空气流量; 该VFD可达到的精度为0.1 Hz。

3.9.2数字控制器  Novus PID控制器在整个系统中使用,以提供复杂的温度控制方法。Novus N480D PID控制器使用1.5 A继电器输出,足以满足安装的各种组件的负载要求。

40

3.9.3可变电压输出

可变电压输出装置与PID控制器一起使用以调节空气加热器的功率输入。这对于防止在1 scfm测试的控制器启动期间显着的温度过冲是有用的。

3.10完整的送风系统

在完成每个组件的所有先前研究,计算和初步测试数据之后,组装完成的进料空气系统。图14中提供了显示具有样品膜组件的完成的进料空气系统的图表; 此外,图14中所示的变量的细节包括在表7中。

图14中所示的各种部件使用各种NPT配件连接在一起,包括带倒钩的适配器和穿墙配件。为了防止各种连接处的泄漏,这些配件的所有螺纹都用聚四氟乙烯(PTFE)带包裹,所有系统管都用软管夹固定在带倒钩的配件上。

表7:完整的进料 – 空气系统变量
符号 变量名 可变细节
F. 风扇电源输入 当前风扇尺寸过大以处理加湿系统流量限制
W冷却系统 明智的冷却系统电源输入 包括制冷系统和水循环泵的工作输入
供气热输入 受控加热器用于在饱和时离开加湿器后调节干球温度
▽饲料 进料空气体积流量 通过膜组件的进料空气的体积流速
RHT ÑÈ 进气的相对湿度 使用与温度传感器耦合的数据记录器测量入口相对湿度
RH插座 出口空气的相对湿度 使用与温度传感器耦合的数据记录器测量出口相对湿度
TWB 湿球温度 刚通过加湿器部分后的空气温度处于饱和状态
Troom 室内温度 这连续测量室温
Ttnlet 进气温度 这是进入膜组件的空气的RTD测量值
^出口 出口空气温度 这是离开膜组件的空气的RTD测量值
TS,出 明显的冷却空气出口温度 空气离开显热交换器时的温度

43

在将膜组件连接到系统之前,执行跨各种系统组件的泄漏测试。泄漏测试由。进行

在VFD给予富士压缩机恒定供电频率的情况下,测量系统入口和出口的流量; 然后认为两个读数之间的差异归因于漏气。这是指示空气泄漏的有效方法,因为假设电源频率恒定,具有可忽略的空气泄漏的系统将表现出相同的系统压降和实际流速,而不管流量计的位置如何。实际上,这些流量比较的结果表明,在流量计不确定度范围之外的流量测量没有差异。

3.11送风系统摘要

完成的进料空气系统的设计和开发具有使用新型膜式除湿冷却系统实现ARPA-E设计操作条件的能力。所构造的进料空气系统能够产生高湿度和温度的进气条件,例如ARPA-E规定的90°F和90%RH条件,进料空气流速高达10scfm。此外,该系统能够测量整个膜组件的关键性能变量,并在膜出口处安装冷却系统,以执行达到ARPA-E规定的55°F和50%RH条件所需的显热降温。进行初步不确定性传播分析以确定各种进料 – 空气系统传感器的水蒸气渗透不确定性

不确定性; 结果表明,在1scfm的进料空气流量下,ARPA-E操作条件下的水蒸汽渗透不确定度为8%。

45 4.真空系统理论与设计

4.1真空系统概述

膜组件测试装置的真空系统设计用于在各种环境条件下模拟全功能膜组件冷却系统的真空组件。由于真空设备对各种环境条件的要求非常严格,因此对真空部件的初步设计进行了大量的研究和测试。此外,全功能冷却系统的总功耗被确定在很大程度上取决于真空设备选择,基于先前与该膜组件冷却系统相关的研究项目中进行的模拟[4]。

真空系统围绕几个关键部件设计:渗透室,中间压缩机,冷凝器和真空泵。

使用真空技术基础标准设备插图的简化真空系统图如图15所示。

46

渗透中间真空吸尘

室式压缩机冷凝器泵

图15:简化的真空系统图(真空技术标准中的术语和组件描述[15])

膜组件渗透气体通过渗透室进入真空系统。一旦进入渗透室,就测量流体混合物的温度和压力。然后,气体混合物行进到中间压缩机,在那里压缩到其饱和压力,达到给定的真空冷凝器温度。冷凝的液体沿着冷凝器管向下行进到液体泵,液体泵将流体排放到大气中,而真空泵将剩余的未冷凝的蒸汽排放到环境实验室条件下。这种双真空泵设计的目的是通过压缩液态而不是气态的水来降低系统的能耗。这可以通过评估加压不可压缩流体之间的焓差来证明

47

水,并在其气相中对相同的流体加压,其具有大得多的比容。

该项目开发的真空系统设计不仅能够达到设计系统的运行条件,而且能够测量关键的性能特征,如水蒸汽渗透和通过膜组件进入真空系统的空气渗透。开发了一个特殊的子系统,用于回收和测量真空泵和水泵的输出,以计算这些渗透值,这被称为真空排斥测量子系统。此外,真空系统设计为能够隔离变量以进行参数测试,以得出关于膜组件和系统性能特征的结论。

4.2设计参数

真空系统设计用于保持恒定的渗透压力,并满足实现ARPA-E规定的除湿测试条件所需的流量要求,这些条件被确定为完整膜组件冷却的最苛刻的潜在操作条件

系统。ARPA-E指定的膜组件条件是有进样口

对于1和10scfm的进料空气流,90°F和90%RH的条件; 有关实现ARPA-E规定条件的膜除湿要求的更多细节如表8所示。

48

表8:模块除湿参数
地点 db [F] wb [F] O [%] kgwate n

^ 3空气

Pwatervapor [kP Cl]
膜入口 90 87 90 0.028 4.3
膜出口 90 46 15 0.0046 0.74

因此,测试装置5可容许的真空流速被开发成能够从该进料空气流中除去所有水蒸气,以及通过膜组件的任何渗透空气。此外,PNNL提供的空气和水蒸汽渗透数据用于确定真空系统的其他潜在操作条件。膜的水蒸气和空气的值

渗透率分别为12■10 -6 s和6.4■1CT 9 上二s [4]; 然而,

在PNNL进行的进一步的膜组件测试表明,根据测试条件和模块结构,透气性可能更高。在评估潜在的高渗透率情景后,系统的最大操作体积流量被确定为进料空气流速的约4%; 但是,包括安全系数以允许额外的系统灵活性。另外,测试装置9可操作的渗透压力范围被设计成能够降至低于0.74kPa(绝对压力),这是用于实现ARPA-E指定的膜出口条件的最大可允许水蒸气分压。

49

4.3真空流动理论和管尺寸

4.3.1流动制度

选择真空系统组件的第一个任务是研究分子相互作用和与连续介质理论的偏差,这些理论需要纳入设计中。真空系统可以在几个常规定义的压力范围内操作,如表9所示。

表9:真空术语[15]
VACUUM RANGE 绝对压力
术语 范围[MBAR]
粗真空(RV) 1000- 1
中等真空(MV) 1-10- 3
高真空(HV) 10 10■”
超高真空(UHV) 10 -‘- 10-14

在这些压力范围中,可以在真空抽气过程中发生几种流动状态:粘性流动,过渡流动和分子流动[15]。由于分子相互作用的变化,用于评估流动性质的适当方程在这些不同的流动状态之间变化。根据  真空技术基础[15],流态条件描述如下:

50

•粘性或连续流:当分子9意味着自由路径比管道直径短得多时发生(A«d)

•Knudsen流量:这是过渡流量范围,当分子, 平均自由路径近似等于管道直径时出现(A« d)

•分子流动:分子时发生平均自由程远大于管道直径(A “ d)

通常,这些流动状态可以与上述压力范围相关,使用表10中所示的公式来表示20°C的空气:

表10:流量范围[15]
VACUUM RANGE

政权

定义方程
粗真空 粘性的 p■d> 6.0■ lO ^ mbar ■ cm
中等真空 克努森 6.0■ lO ^ mbar•cm <p – d

1.3■ 10~ 2 mbar ■ cm

高真空和超高真空 分子 p■d <1.3■ 10~ 2 mbar ■ cm

其中p■d是压力乘以管道直径的乘积。操作流动状态的重要性在于,在较低压力范围下,分子行为变得越来越依赖于表面积相互作用。例如,在分子中

与另一个分子[15]相比,分子与壁表面相互作用的统计概率更高[15],这将影响进入疏散装置的分子流速。

4.3.2流量限制分析进行了  几项计算,以确定流量限制和管道元件可能对各种流量状态下的允许流量产生的影响。动力学气体理论用于该分析的部分,因为它考虑了粒子平均自由程长度相对于其容器尺寸的变化[15]。 真空技术基础知识描述了用于评估动力学气体理论支持的真空流速的度量,其表示如下。

P v =(Pi – P )■C(13)

mbar.l

其中q pV是以— 表示的流量,Pi -p 2是管道元件或流量限制的压差,C是比例因子或电导,主要受几何特性的影响[15]; C和p的单位是^和

使用理想气体定律进入质量流量,如下所示。

如等式14所示,通过给定部件的质量流率取决于部件上的压差和部件的电导值。真空技术基础知识定义了层流的电导,

52

分别。然后可以转换压力和体积流速产物并且,分子流通过具有圆形横截面直径d的直管如下

1 + 237-dp

其中d是cm,1是cm,p是管道部件的平均压力

毫巴。可以根据存在的流动状态简化上面的等式15。例如,在粘性流动状态中,第一项是主导因素; 因此,该等式可以简化为以下内容:

C = 135 .p(16)

然而,在分子流动状态下,压力接近零,并且占主导地位

3 1 + 192-dp 4 + 237.d_p

(17)

C = 12.1因子成为等式中的第二项。

一旦计算出电导值,就必须考虑转换因子以考虑空气以外的蒸汽; 在水蒸汽的情况下,转换系数是1.263 [15]。

上述电导方程在真空系统的背景下考虑,该真空系统通常包含串联的各种装置和连接部件。有助于系统整体电导的串联元件必须以类似于并联电阻器的总电阻的方式添加[15]; 用于添加电导分量的等式如下所示.

(18)

这些电导值加在一起以产生总系统电导值,然后可以将其结合到计算给定真空泵抽空速率或已知压差的真空流体流速。由于管道上的压差是测量的物理特性,其对于给定的泵送速度而变化,因此在特定真空泵的背景下使用电导计算真空流体流速是有用的。各种组分电导对抽空速率的影响是抽速的函数,如下面的等式[15]所示。

其中S 真空泵的抽速–9 C 系统是整个系统

在真空泵之前从其所有部件传导,并且S eff

K中真空泵的有效抽速。从方程式19可以看出,as

如果对有效抽速的影响减小,则系统的传导性增加; 这类似于电阻的减小,允许电流增加,对于固定的电压差[15]。最后,真空流体流速或真空泵吞吐量可以使用下面的等式计算[15]。

QpV – Pinlet■S e ff(20)

其中Pi ÑË t是入口压力。然后可以使用理想气体定律将压力和体积流速产物转化为质量流量,如下所示。

21 

一旦计算出质量流量,就可以使用不同的组件优化系统的电导,以确定真空系统的设计特性。

4.3.3管道选择  真空系统管道的主要用途是连接真空系统的各个部件,而不会妨碍真空泵的抽空率。使用上述电导和抽速方程进行计算,以确定各种管直径尺寸对真空流速的影响。表11显示了在0.5kPa的平均压力下各种管直径和抽速的有效抽速的变化。

表11:管径比较
[IN] [FT] [KPA] [L / S] ^泵[L / S] eff [L / S] [%】

3

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

从表11中可以明显看出,管道尺寸对有效泵送速度的影响受泵送速度本身的影响。随着泵送速度的增加,管道尺寸对有效泵送速度的影响增加了固定的平均压力和管长度。表11中评估的三种管尺寸的比较表明,管的长度为4英尺,内径为1.5

对于抽速小于15的真空泵,英寸几乎没有影响

而长度相同,内径0.5英寸的管子可以造成40%

泵送速度为15’时泵的吞吐量降低。另外需要注意的是

一个管子在与其他管子相同的操作限制下,但内径为1英寸,似乎对泵送的泵送吞吐量影响小于6%

速度低于15-。

最终的管选择基于流量限制,结构灵活性,操作范围和成本来确定。选择真空级,钢筋,透明pvc管,因为它与系统操作压力,物理灵活性以及检测不需要的冷凝的有用性兼容。

此外,与1.5英寸直径的管相比,基于其增加的灵活性选择1英寸的内径,以及可用于将管连接到系统的部件的其他1英寸倒钩配件适配器的可用性和成本。

56

4.4真空泵选择

4.4.1操作注意事项 两个重要的真空泵操作参数是其极限压力和抽速,这通常是相关的。要求真空泵达到低于3kPa的极限压力以允许冷凝器压力改变。此外,要求真空泵能够在极端试验条件下抽空通过膜组件的空气和水蒸气的最大渗透; 这需要在较低的入口压力下具有足够的抽速。每个单独的真空泵的泵送速度受其入口压力的影响,并且这种关系通常由性能曲线说明。选择真空泵的最小允许设计流量为0.5 scfm,以解决最坏情况下的水蒸气和空气渗透情况。有空的时候,9秒的疏散率对应于必要的流量。同样重要的是,优先考虑具有较大流速的泵,因为真空泵的性能也影响中间压缩机的有效性。

污染

仔细考虑评估给定真空泵可能引入真空系统和真空泵废水回收系统的所有潜在污染物。考虑的一些污染物是油颗粒,碳颗粒,吹扫气体,环境空气,如果使用液环泵,甚至可能引入水蒸气。主要关注的是

减少可能影响真空冷凝器或膜性能特征的任何污染,因为可以使用传统的分离技术去除真空泵废水回收系统污染。在研究膜特性之后,确定油颗粒和碳颗粒都不能在膜表面附近达到足够大的浓度以影响其性能,因为这将要求可见量的任一种污染物具有显着影响。因此,唯一能够从泵入口到真空冷凝器的真空泵污染物,其浓度足以影响其性能,是来自液环泵的水蒸气和吹扫气体或环境空气泄漏。空气或

从环境温度到真空系统以上1×10吹扫气体泄漏_8 -被认为是

不可接受的污染形式,因为它可能影响总冷凝器和渗透压力的设计运行条件,并可能影响热量

冷凝器内的传输速率; 水蒸气污染高于lxlO -6 ^

由于同样的原因,也被认为是不可接受的。另外,漏气或吹扫

从真空泵排出的气体被认为是不受欢迎的污染,

因为它会影响真空泵出口处的流量测量。

技术考虑

考虑了两类真空泵:干式和油封式。油 –

被认为是密封的旋转叶片泵能够在所有性能范围内运行

除污染外的限制,干泵能够提供

无污染操作但有压力和抽速限制。该

58

然后将真空泵选项细化为三种选择:干式隔膜泵,干式旋转叶片泵和油封旋转叶片泵。然后在进行最终选择之前测试这些不同的真空技术。

4.4.2初步真空泵试验  使用内部Robinair VacuMaster真空泵,泵送速度为4 scfm,GAST干式旋转叶片泵,泵送速度为5 scfm,以及GAST干式隔膜泵,进行了几次初步疏散测试抽速为0.5 scfm。该测试的目的是比较制造商或真空泵分销商可能无法获得的技术性能特征; 例如,对于某些真空泵,泵送速度变化和空气泄漏对不同压力范围内的抽空速率的影响不容易获得。初步测试结果表明,在10 kPa的入口压力下,Robinair泵的抽速远远超过其他两个泵的抽速。

4.4.3真空泵选择为系统选择  的真空泵是Pfeiffer DUO 10双级旋片真空泵,在入口压力范围为1 kPa至10 kPa时具有7 cfm的泵送能力[16]。与其他考虑的经济方案相比,这种泵的主要优点是其抽速是所需速度的十倍以上; 这种抽速增加允许改进中间压缩机选择的灵活性,并且有可能满足潜在的未来系统流速增加的需求。此外,还对泵的运行情况进行了调查

59

特征表明泄漏率低于最小预期膜渗透率的0.1%,这对于最小化泵对系统测量的影响很重要[17,18]; 后来在系统测试期间测量了真空泵泄漏对空气渗透测量的贡献,以确保影响可以忽略不计。这种泵技术的缺点是,一些真空系统组件可能会暴露出微量的油,油可能会被引入真空泵废水回收系统,而真空泵油箱中的冷凝水可能会影响水回收结果和泵的使用寿命; 但是,采取了一些预防措施来缓解这些问题。首先,将滤油器应用于真空泵出口,以将液雾与水蒸气和空气分离。其次,还进行了日常维护检查,以清除油藏中的任何冷凝水并更换受污染的油。最后,真空泵在进行系统测试后,常规打开(常闭)5s气镇压口,使空气进入泵,有助于减少泵内的水凝结; 在系统测试期间,气镇压力端口通常是关闭的,以避免气体的引入可能对真空泵排气处进行的空气渗透测量产生任何影响。

60

4.5中间压缩机选择

4.5.1中间压缩机概述 真空系统设计的关键组成部分是中间压缩机选择。中间压缩机承受严格的操作限制,包括耐磨损和腐蚀,防止流出污染,提供低压下所需的高体积流速,可能在水冷凝下操作,并实现所需的压缩比。首先通过确定可在所需真空范围内操作的真空泵列表来启动中间压缩机选择过程。来自Pfeiffer Vacuum公司的图片显示了各种泵的典型真空范围,如图16所示[19]。最初排除了一些真空装置,例如液体喷射泵,喷射泵,和升华泵由于它们引入的流体和化学物质可能会影响水的回收和膜的污染。其余的泵在几个类别上进行了评估以供考虑。诸如膜和真空 – 冷凝器污染,极限真空,体积流速和功耗等因素都被纳入表格中,用于比较各种选项。表12显示了来自不同公司的潜在中间压缩机的一些特征。

61

真空泵的工作范围

粗真空中真空高真空超高真空
图16:真空泵操作范围[19]
表12:中间压缩机性能比较
制造商 PUMP

类型

(CFM)

最终

真空

(KPA)

缩合

公差

功率

评分

(KW)

成本 污染

类型

GAST 干活塞 6.25 1.1 $ 2,000个 特富龙

粉尘/漏

光圈 3.8 3 0.39 $ 600 没有
干式旋转叶片 21 6 1.1 $ 840 碳颗粒/泄漏
文丘里

鼓风机

130 13 * lgnored b / c流体输入会影响出口压力和污染
菲佛 旋转叶片双线 65 <0.1 1120克/小时 1.8 $ 8,200名 碳颗粒/矿物油
罗茨鼓风机(1) > 100 <0.1 必需的吹扫(N2) 0.74 $ 9,000名 吹扫气体*
El mo-Rie tschle 液环 85 3 6.3 $ 3,300个 水蒸气
爱德华兹 滚动 21 <0.1 0.53 $ 13,000名 颗粒/

泄漏

100 <0.1 必需的吹扫(N2) 4.6 $ 16,500 吹扫气体
欧瑞康 – 莱宝 罗茨鼓风机⑵* > 100 <0.1 清除建议 1.1 $ 6000名 吹扫气体*

62

值得一提的是,表12包含从公司网站推断的信息以及与代表的对话; 但是,为了获得准确的信息,应咨询相应的制造商或经销商[18,20]。

4.5.2详细的压缩机说明  下面提供了考虑的潜在中间压缩机泵及其特性的详细信息; 这些细节可以从Pfeiffer网站上的数据和真空泵专家的几次电话交谈中推断出来[18,20]。 旋转叶片泵

旋转叶片泵通常是油密封泵,其需要气镇以吹扫冷凝物以便安全操作。虽然确实存在一些干式旋转叶片泵,但它们可能伴随着诸如通过旋转轴的空气泄漏或相对低的流量的问题。通常,这些真空泵用于达到粗真空范围,典型的单级基础压力为0.1 mbar [18,19]; 但是,通过操作额外的阶段可以降低这种基础压力。这些真空泵可用作辅助鼓风机的前泵,但通常需要雾过滤器以防止污染。旋转叶片泵具有相对高的水蒸气耐受性; 然而,由于水冷凝,一些泵设计可能会产生碳石墨叶片磨损,在极端情况下,泵的寿命会缩短到几周[18]。 隔膜泵

隔膜泵是干式正排量泵,利用弯曲弹性体来改变泵的腔室容积。它们通常用于实现

粗真空范围,基础压力大于4mbar,虽然这可以

63

通过使用多级泵减少[18,19]。这些泵的抽速通常很低,为1到1〇9,因为它们依靠弯曲弹性体来移动腔室流体。在

通常,这些类型的泵具有低水蒸汽耐受性,因为水蒸气会凝结并损坏弹性体[14]。此外,它们通常使用止回阀来分隔入口室和出口室。

旋转活塞泵

干式旋转活塞泵用于实现粗真空并具有典型特征

M3

基础压力为7毫巴[18,19]。他们的抽速相对较低,8到16 – 9

并且通常具有低水蒸汽耐受性[18,19]。

涡旋泵(振荡位移类别)

涡旋泵可以采用干式或润滑式,用于达到约0.01 mbar的基础压力[18,19]。它们的抽速通常是一定的

从8到16 – ,并且可以在正常磨损期间释放颗粒[18,19]。它们还具有低水蒸气耐受性和较短的维护周期。

螺杆泵

螺杆泵是干式容积式真空泵,具有高运行性

m 3

速度为100至600,典型基础压力为0.1毫巴[18,19]。这些泵

具有严格的水蒸气容量公差,并且由于其紧密的机器公差而通常是高成本泵。

64

液环泵

液环泵是正排量泵,其使用循环水作为转子润滑器和密封件。这些类型的泵通常能够在20-

M3

压力范围为35 mbar,抽速范围为30至40,000 – [18,

19]。虽然这些泵可以承受恶劣的环境条件,但它们可以将水蒸气释放到真空系统中。

罗茨泵

罗茨鼓风机是一种能够处理的干式正排量泵

M3

高流速,从200到20,000 – 低压[18,19]; 然而

罗茨鼓风机只能在严格的真空压力范围内运行,这需要它有一个前级泵。由于罗茨鼓风机高速运转,电机和旋转叶片都容易过热,这取决于运行条件; 因此,泵可能需要冷却系统。关于水蒸汽耐受性,罗茨鼓风机通常需要2为了泵的长期安全,清除以除去冷凝液,并且可能被冷凝水损坏,导致旋转叶片生锈。长期使用的另一个问题是旋转轴密封件的劣化。虽然罗茨鼓风机是干式辅助泵,但是轴密封件用于保持齿轮润滑与真空室分离; 这些轴封可能会随着时间的推移而磨损,需要更换。

65

进行了一系列初步试验,以研究在各种真空条件下几种潜在的中间压缩机技术的性能; 这样做是为了监测和比较给定泵送技术可能对真空系统产生的影响。实验测试对于评估这些泵技术性能是有利的,因为一些泵技术没有充分记录的前泵性能特征,例如真空泵排气条件和在真空出口条件下操作时的泵送速度变化。测试的两种压缩机类型是0.5 scfm隔膜泵和5 scfm干式旋转叶片泵,两者均来自GAST公司。尽管这些泵的流速和极限压力不足以用于测试设备的真空系统,

测试装置由两个带真空计的真空罐,一个中间压缩机,两个温度传感器和一个油封正排量真空泵组成。在测试之前,使用黄铜压缩配件将入口室连接到中间压缩机入口,并且使用相同的黄铜配件将出口室连接到中间压缩机出口。油封旋转叶片泵也使用黄铜压缩配件连接到出口室,并用作潜在中间压缩机评估的前级泵

进行的第一次测试是为了观察抽空过程中进气室的热响应; 这被认为对于潜在地发现测试期间可能发生的膨胀冷却影响是有用的。通过抽空泵入口处的腔室并测量温度和压力响应来进行该测试; 测量结果如图17所示。

图17:各种质量流量的入口腔室温度

结果表明,在抽空过程中温度降低,随着系统接近热平衡,温度随时间开始增加。接下来通过抽空入口室并监测极限压力的变化来测量两个干式真空泵的极限真空水平

67

出口室压力降低。关于泵出口真空水平的极限真空水平测量结果如表13所示。

表13:中间压缩机极限压力
OUTLET CHAMBER VACUUM,

在HG

旋转叶片 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

结果表明,可达到的极限真空度是泵出口压力条件的函数,并且可以通过降低出口压力实现极限真空水平的显着改善。此外,通过大气出口室压力实现的极限真空压力显示出与GAST规格一致的极限真空压力。

进行了一项研究以测量干式真空泵的排气温度随时间的变化; 结果如图18所示。

68

16

45

12

5 5 5 108 6

/
■卜
0 10 20 30 40 50 60 70 80

经过的时间(分钟)

■旋转叶片泵)(隔膜泵

图18:泵排气温度

上图18所示的结果表明旋转的热量输出

叶片泵明显大于隔膜泵的热输出。热输出的这种差异可能部分是由于两个泵之间的流速差异。

在中间压缩机测试期间进行的一个重要观察是干式旋转叶片泵显示出空气泄漏的迹象。经过进一步调查,发现通过轴封的空气泄漏是泵设计的一个特征。

结论

该实验的结果用于做出三个概括

中间压缩机技术:可实现的极限真空

69

中间压缩机是出口压力的函数,中间压缩机的热输出可能需要考虑冷凝器负载,并且一些干式旋转叶片泵可能易于漏气。

4.5.4中间压缩机选择 中间压缩机的最终选择是基于优化表12中所示的参数来选择的,其中高度优先考虑效率,膜和真空 – 冷凝器污染防止,操作压力范围和流速能力。由于解决这些问题的方法是购买廉价的二手泵,因此成本和水蒸气耐受性的优先级较低。因此,操作中对泵的任何损坏都会导致最小的损失。选择的中间压缩机技术是Oerlikon-Leybold WA 251罗茨鼓风机; 然而,为真空系统购买的二手版本是其前身型号WA 250罗茨鼓风机。由于该泵在几年前停产,因此有关WA 250型号操作的信息有限,但进一步的研究表明,WA 251规范足以理解WA 250模型的操作特性。泵的技术规范主要用于确定工作压力和流量的范围。如前所述,罗茨鼓风机通常使用前级泵运行,并且罗茨鼓风机的性能受前级泵性能的影响。WA 251规格表上显示的最低前级泵速度为28 cfm,相当于吹风机速度约为100 cfm,如附录D所示。这对于概念化比例非常有用 泵的技术规范主要用于确定工作压力和流量的范围。如前所述,罗茨鼓风机通常使用前级泵运行,并且罗茨鼓风机的性能受前级泵性能的影响。WA 251规格表上显示的最低前级泵速度为28 cfm,相当于吹风机速度约为100 cfm,如附录D所示。这对于概念化比例非常有用 泵的技术规范主要用于确定工作压力和流量的范围。如前所述,罗茨鼓风机通常使用前级泵运行,并且罗茨鼓风机的性能受前级泵性能的影响。WA 251规格表上显示的最低前级泵速度为28 cfm,相当于吹风机速度约为100 cfm,如附录D所示。这对于概念化比例非常有用

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依赖于前级泵,但由于选择的Pfeiffer前级泵具有较低的流速,因此最终通过测试评估性能。

该鼓风机的主要风险被认为是旋转叶片过热并损坏电动机; 然而,通过在正确的压力和温度范围内操作泵,可以确定这两个问题都是可以预防的。为了给罗茨鼓风机提供额外的保护,断路器连接到电动机电源线。

重要的是要说明WA 251罗茨鼓风机在规定条件下尺寸过大; 然而,随着膜组件尺寸的增加,任何超尺寸问题都会得到缓解。此外,罗茨鼓风机是一种干式真空泵,可以降低膜和冷凝器污染的风险。尽管选择这种中间压缩机作为上述限制的最佳解决方案,但它仍然不能完全满足新型膜式除湿使能冷却系统的所需效率要求。

4.5.5初始根鼓风机测试一旦获得罗茨鼓风机,  就进行初步测试以评估其在Pfeiffer DUO 10前级泵的给定模拟测试操作下的性能。在该测试中,使用先前为转子流量计的阀门将恒定流量引入真空系统,并且通过在真空泵之前调节阀门来控制离开系统的流量,使出口压力保持恒定。然后调节罗茨鼓风机9的供电频率,并且总功耗为

使用Wattson控制台功率测量设备(RS-485)录制。鼓风机测试的结果显示在下表14中。

表14:罗茨鼓风机功耗
功耗{0.08 SCFM的流量}
频率

[赫兹]

进口

压力

[千帕]

出口

压力

[千帕]

压力

微分

[千帕]

功率

消费

[KVA]

58 0.7 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 3 0.15552

一个重要的观察结果是,当电源频率降至30 Hz以下时,泵的性能急剧下降; 这导致泵在0.08cfm入口条件下不再能够保持大于3.8kPa的压差。此外,中间压缩机的功耗显示出性能效率从40Hz降低到58Hz:功耗降低了50%,而压缩机两端的压差保持在10%以内。

4.6冷凝器选择

新型的膜式除湿冷却系统设计规定了一种有效的方法,通过压缩液态而不是气态的水,将水蒸气从膜的渗透侧排放到大气中。该方法包括在低压下冷凝水蒸气并使用水泵将液体加压回到环境条件。该设计还规定冷凝器温度在环境湿球温度附近操作,因为这可以通过使用冷却塔有效地实现商业系统。在该装置中实现的冷凝器设计结合了这些概念设计以及通过测试和分析获得的设计考虑因素。

设计冷凝器以确保从中间压缩机排出的流体混合物将达到冷凝器设计操作温度,之前提到的是每次测试的模拟环境入口条件的湿球温度。冷凝器压力也被设计成可以改变以优化冷凝参数,其至少需要能够增加冷凝器中的水蒸气分压,使其超过相应冷凝器温度的饱和压力; 水蒸气的饱和曲线如下图19所示。

73

45

40

35

三十

25

20

15

10

0

压力(kPa)

图19:使用EES确定的水饱和度曲线

在定义冷凝器压力时,重要的是强调总压力和分压之间的区别。由于不直接测量水蒸气的分压,因此将总冷凝器压力设定为能够解释渗透水蒸气和渗透空气的分压的值。此外,冷凝器温度和压力分别被认为是用于模拟各种湿球温度和优化整体系统性能的控制变量。

4.6.1换热器评估  关键冷凝器设计特征是通过进行传热分析和参考公布的经验冷凝器性能数据来确定的

74

结果; 然后通过测试几个可行的冷凝器选项来获得更具体的经验数据。下面讨论真空冷凝器系统的发展。

冷凝器尺寸

用于冷凝的热交换器的一个关键参数是传热的有效面积。通过首先评估冷凝器的传热负荷要求来确定冷凝器的这种有效传热面积。为简化起见,这些传热载荷通过几个假设来近似:首先,用于调节真空系统中的空气的传热负荷被认为是可以忽略不计的,因为估计其占真空流体混合物的不到1%; 第二,显着负荷被忽略,因为它们估计占总传热负荷的不到2%(见附录E)。这导致传热负荷由潜在负荷要求确定以冷凝水蒸气。

表15:各种冷凝器条件(EES)的蒸发焓
冷凝器温度(°C) 饱和压力{kPd) 蒸发的焓( – )
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

然后使用最坏情况计算冷凝器负载要求

•。•kj

情景汽化焓,对于最坏情况水蒸气质量流量为2418; 该计算使用下面的等式(18)在EES中进行。

Q = mhf g    (22)

其中Q是传热速率,m是通过冷凝器的水蒸气质量流量,h fg是汽化潜热。结果如上所述

冷凝器负荷计算如表16所示。

表16:蒸汽水流焓
暖通空调尺寸(CFM) (KG / S) 10KPA的蒸发焓[KJ / KG] CLREQUIR

ED(W)

Q ^ REQUIRE D(BTU / HR)
10 9.85E-05 2392 235.612 804.137

为了将传热负荷要求转化为所需的冷凝器区域,需要进行额外的传热分析。使用以下关系评估向冷凝器真空流体的传热[21]。

Q = h L ■A■(T sat – T s)(23)

其中E L是长度为L的板的平均传热系数,A是平板表面积,T sat是给定水蒸气的饱和温度

76

冷凝器压力,T s是冷凝器表面温度。重写该传热方程以隔离区域分量,如下面的等式所示。

(24)

HL(T sa t – T s

gpi(pi~Pv)ki 3 h fg l ^ l(Tsat -T s)L

l = 0.943

(25)

在求解冷凝器区域之前,进行分析以确定平均传热系数。热量和质量传递的基本原理提供了一个方程式,用于计算沿着长度为L [25]的平板垂直板的层流冷凝流的平均传热系数,如下所示。

其中g是重力加速度,p \ 是凝结流体的密度,v 

入口蒸汽的密度,kj是冷凝液体的导热系数,\ i \ 

冷凝流体的动态粘度,L是板的长度。鉴于一个

冷凝器压力为5kPa,冷凝器温度为30°C,平均热量w ^

传输系数计算约为1600,见附录F.

更多信息。将该传热速率与经验数据进行平均比较

在真空条件下运行的蒸汽冷凝器的传热率。热度w ^

报告的真空转移系数,蒸汽冷凝器范围从200到

3400 [22,23,24]。虽然传热系数可能因多种原因而有所不同,

包括几何和流动状态差异,这个经验数据是有用的

因为它提供了一系列实用的冷凝器操作特性

与理论分析一致。为了避免冷凝器尺寸不足,tk

77

最差情况下的传热率(选择200来计算

最小冷凝器面积。使用公式24计算最小冷凝器面积的完整值集显示在附录G中。冷凝器面积计算的结果表明,在最坏情况对数平均温差条件下,换热器面积约为1.2 m。该信息用于选择几个热交换器中的一个进行初步测试,以比较实际操作条件下的性能特征。

冷凝器温度控制和能量平衡

使用配备有自己的温度监测和控制系统的Cole Parmer冷却器/加热器浴来控制冷凝器温度; 该系统对于模拟在进料空气入口条件下操作的冷却塔的湿球温度条件是必要的。此外,冷凝器系统设计用于提供测量数据,用于分析真空侧和冷却流体侧之间的热传递。这是通过使用RTD的测量冷凝器冷却流体的入口和出口温度,和测量使用校准0.2-2gpm的操作范围和的不确定性转子流量计的冷却流体流量来实现满刻度的5%。这些测量对于验证Cole Parmer温度输出也很有用。

冷凝水储存

从热交换器排出的冷凝水被设计成通过使用内部制造的冷凝器捕集器与蒸汽分离,该冷凝器捕集器主要由铜T形管,管弯头和储存容器组成。使用铜T恤

78

作为重力捕集器,捕获离开真空冷凝器的冷凝水并将其引导至储存容器,同时剩余的蒸汽和薄雾通过管道弯曲至真空系统废气。包括该管弯曲以捕获可能夹带在未冷凝的蒸气混合物中的任何液体雾,其在粘附到管表面之后然后可以滴落到储存容器中。该容器由沿着边缘具有刻度标记的透明管组成,用于计算冷凝水的体积流量。一旦储存容器被填充,则使用由阀门分开的水泵来移除内容物。为了防止在清空储存容器之前可能的再蒸发,冷却水供应管线连接到冷凝器存储区域并且被包裹在绝缘体中。

4.6.2初步冷凝器评估  使用与经历1 scfm进料空气操作条件的膜组件引入的水蒸气供应流速相似的几种热交换器技术在真空下评估其操作性能。下面讨论各种热交换器的简要说明。

管壳式换热器

购买的管壳式换热器设计用于水 – 水冷却应用,水 – 水应用的最大传热能力为70kW。热交换器的尺寸如下:4.8英寸高,10.375英寸长,4.5英寸宽。

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平板式换热器

购买并评估了两个平板热交换器。第一台换热器是dudadiesel.com的B3-12A 40板式换热器该热交换器的面积为0.48m 2,制冷量为1-5kW。第二个热交换器是dudadiesel.com的B3-36A 60板式换热器该热交换器的面积为2.05m 9,制冷量为4-15kW。

绩效比较

各种热交换器之间的性能差异如预期。对于类似的冷凝器操作条件,60板式换热器回收了大部分水蒸气,但在将水释放到预定的储存容器之前还具有最大的冷凝水储存。

4.6.3冷凝器选择  60板式dudadiesel 平板式换热器被选用作真空冷凝器,因为它能够满足所需的性能限制,并且与未来系统流量的增加兼容。尽管热交换器在所需条件下尺寸过大,但这种超大型冷凝器的缺点很小; 这些缺点主要包括成本的适度增加和较大的内部冷凝器存储,这增加了达到稳定状态所需的时间。

冷凝器性能中考虑的另一个因素是结垢; 随着时间的推移,冷凝器表面会产生降低其传热系数的材料,这被称为结垢。通过选择超大型热交换器,减轻了结垢对实现操作性能要求的影响。

80

4.7真空抑制测量子系统

4.7.1空气渗透

通过膜组件的空气渗透被设计成在真空系统的排气口处测量,因为在进料空气流中不能准确地检测到预期的空气渗透量。然而,关于膜组件中可能发生的空气渗透量存在很大的不确定性,因为先前的膜组件尚未在新型膜除湿使能的冷却系统要求的操作条件下构建和测试; 因此,真空剔除测量系统设计为易于修改,以适应不同的流量测量。

为此应用研究了许多流量计技术; 其中考虑的技术包括热线风速计,涡轮流量计,科里奥利流量计和差压流量计。最初,基于成本精度和操作范围购买了两个流量计,以便在将来获取更详细的透气数据时获取其他流量计。之一的选择的两个流量计是一种涡轮流量计,FLR1006-d,能测量的空气流率高达5升/分钟与不确定性的〇 / 〇全面的; 另一个流量计是来自同一制造商FLR1002型号的涡轮流量计,能够测量40mL / min至200mL / min范围内的流速,不确定度为满量程的±3%。有关所选流量计的更多信息,请参见附录H.

81

前述的流量计被一个冷凝槽(25 ONF S)和平坦的板式换热器,其保持在55 F至冷凝在废气中夹带的水蒸汽。被列入这两个项目以去除可能影响流量计任何油雾或水颗粒5 s精度。此外,在考虑传感器测量不确定度时,评估了完整真空系统和真空泵泄漏对流量测量的影响。

4.7.2水蒸汽渗透  通过回收离开真空系统的所有冷凝水来测量通过膜组件到真空系统的水蒸气渗透。回收水有两个设计位置:真空冷凝器储存容器和真空泵排气。为了回收从真空泵排气装置排出的水分,在真空泵出口处放置一个集油器,然后是冷凝器。然后将从真空泵排气中回收的冷凝水与来自真空冷凝器储存容器的水混合,并在刻度上测量以测量回收的水量。

4.8测量站和配件

4.8.1渗透室渗透室设计成一个测量站,用于监测关键的膜渗透侧特性,如温度和压力; 此外,该腔室设计为与可能安装的各种配件兼容,以便将来进行部件修改或膜连接修改。

82

确定适当的膜组件性能的渗透侧真空条件要求渗透室中没有冷凝。因此,使用具有六个国家管螺纹(NPT)母连接的成本有效的钢罐作为渗透室。在这些NPT连接处连接了几个适配器,并使用氧乙炔炬将其钎焊到钢上。然后将这些适配器用于连接各种装置和阀门,包括中间压缩机,膜组件和膜组件模拟装置。

4.8.2配件和密封胶

真空系统配备了多种类型的配件,以确保与各种组件的兼容性。在整个系统中使用NPTF配件,NPT配件,倒钩软管配件,真空管和软管夹,以将诸如渗透室,中间压缩机,真空冷凝器和冷凝器存储容器之类的部件彼此连接。例如,中间压缩机入口和出口通过加工铝制法兰适用于带倒钩的软管接头,以便为带倒钩的软管接头适配器提供NPT连接; 然后使用环氧树脂将NPT带刺软管接头适配器密封到铝制法兰上。相比之下,安装的真空泵使用了各种KF真空配件,BSPT配件, 和带钩的软管接头连接到真空系统,没有任何流量限制。

Lox-8浆料用作所有BSPT,NPT,NPTF和带刺软管接头的螺纹密封剂,以防止泄漏到系统中。选择Lox-8是因为它具有在极端压力下密封螺纹的能力以及与潮湿环境的兼容性

83

它的防水性[25]。道康宁真空润滑脂也用于真空系统; 但是,它仅适用于KF真空配件的O形圈。

4.8.3真空系统绝缘

真空系统是绝缘的,以最小化环境实验室温度对真空流体的影响,特别是为了避免不希望的冷凝或再蒸发。因此,在整个真空系统中选择的绝缘材料被设计用于防止任何大于5瓦的热传递相互作用的目标,不包括瞬态热存储相互作用。为了实现这一目标,使用了各种绝缘类型。首先,渗透室周围是亚克力厚的高密度聚苯乙烯泡沫绝缘材料,其K因子为0.20 [26]。整个真空系统管道然后用1/8包裹,5厚丁基橡胶管包裹,然后包裹在厚的,柔软的丁腈橡胶/ PVC橡胶管绝缘中,其K因子为0.25 [14]。最后,真空冷凝器覆盖1/8 ,5厚布泰尔橡胶管涡卷和通过上述1英寸厚的,高密度聚苯乙烯泡沫保温包围。

4.8.4功率输入测量

使用两种方法测量真空系统设备的功耗:一种用于单相设备,一种用于三相设备。Fluke 333和Fluke 179分别用于测量单相设备的电流和电压,单相设备由真空冷凝器水泵和真空泵组成; 然后使用该数据通过获取电压和电流的乘积来计算视在功率消耗。另外,要提高准确性

在电流测量中,围绕钳式电流表(Fluke 333)制作了几个线圈,这样计数不确定性将相对于电流值减小。

使用Wattson功率计(RS-485)测量中间压缩机功耗,该功率计被开发为能够测量三相设备功耗。Wattson功率计用于实时显示中间压缩机的实际功率,无功功率和总功耗。虽然记录了每条电力线和总功率的数据,但是由于可以使用传统的补偿技术平衡无功功率负载,因此对总有功功率测量给予了更高的优先级。

4.8.5温度测量注意事项

真空系统中使用的温度传感器是Pt100 A类RTD,其具有从Omega购买的6英寸探针,以及内部T型热电偶。在测试之前,所有传感器在室温下一起进行评估以进行比较,以确保内部热电偶传感器的不确定性在适当的限度内,如下所示。

选择A类电阻温度检测器(RTD)来测量临界温度测量位置的温度。由于精度的提高,这些都是通过热电偶选择的; 类A的RTD通常具有大约0.2℃下,在考虑用于该应用程序的运行范围的不确定性,而许多热电偶在此相同范围内操作具有大约1的不确定性0 C [27,28]。

85

考虑使用RTD的另一个因素是自加热。自热主要是在RTD操作期间将电能转换成热能。进行初步计算以确定自加热可能对测量产生的潜在影响。考虑到RTD的电阻为100欧姆,工作电流范围为4-20mA。假设所有这些能量都转换成热能,引入系统的最大热能是电压乘以电流的乘积,约为0.04瓦。与系统中经历的其他传热速率相比,这被认为是可以忽略的。

最后,考虑探针长度对RTD测量的影响。RTD测量值在探头的整个长度上取平均值; 因此,如果整个探头长度不暴露于所考虑的区域,则可以降低RTD的精度。为了避免沿着RTD的分布不均的任何问题,安装了具有6英寸探针长度的RTD以覆盖渗透室的直径,而不允许探针的末端接触室。这确保了大部分RTD与真空流体直接接触。

4.8.6测量的压力  在真空系统中的压力测量使用几个西特模型730个与换能器和2.7kPa 13.3kPa压力范围和精度的获取  0.5 〇 / 〇的读数; 此外,真空与全真空范围计0_101kPa 

86

安装在每个水箱上,用于监测Setra传感器超出范围时的压力。

4.8.7数据采集和传感器  使用National Instruments数据采集硬件收集原始数字数据。从National Instruments购买NI-9174,4槽机箱,将来自各种测量模块的信息传输到用作实时测量接口的Lab VIEW计算机软件。对于各种测量系统,四个机箱插槽占用了以下模块:两个NI-9217,4通道输入模块,用于测量RTD读数; 一个NI-9213,16通道热电偶模块,用于使用热电偶测量不同位置的温度; 和一个NI-9205模拟输入模块,用于测量压力传感器和流量计的数据。

4.9系统变量控制方法

有三个临界真空系统变量需要调节以进行参数冷却系统研究:渗透压力,其被调节以达到所需的膜出口条件; 冷凝器温度,调整为模拟设计环境冷却塔设定点; 和冷凝器压力,其被调节以在给定的冷凝器温度下冷凝水蒸汽。真空系统包含几种用于调节这三个变量的控制方法,这些控制方法是变频驱动,手动操作闸阀和温控热浴。

4.9.1变频器

东芝VF-S7变频器(VFD)安装在中间压缩机电机上,以调节渗透压力,并降低压缩机在此过程中的功耗。

4.9.2阀门

最初考虑使用几种类型的阀用于真空系统,包括蝶阀,闸阀,球阀和针阀。这些阀门最初是在优化成本,流量限制,控制精度和漏气限制的基础上选择的。闸阀最终具有在相同成本约束下购买的所有阀门的最佳性能,因此这些阀门被选择用于真空系统。

选择用于真空系统的闸阀放置在膜之前,渗透室之后和真空冷凝器之后。这允许与膜组件隔离,以及限流能力以增加渗透压力和冷凝器压力。在完全打开的阀门位置,渗透压和冷凝器压力处于其可达到的最小压力。

88

4.9.3冷凝器冷却器/加热器  使用内部Cole Parmer温度控制浴来控制真空冷凝器温度。这种控制方法至关重要,因为冷凝器温度设计用于模拟工作冷却塔温度,该温度在环境湿球温度附近运行。此外,对于参数研究,必须有一种方法来保持恒定的冷凝器温度。

4.10完成真空系统

在结合每个组件的所有先前研究,计算和初步测试数据之后组装最终真空系统。图20中提供了显示带有样品膜组件的完整真空系统的图表; 另外,图17中所示的变量的细节包括在表17中。

89

膜组件VPE

渗透商会

中间

压缩机

真空

真空

聚光器

渗透压力

冷凝器压力

冷凝器压力

计重秤

图20:完成的真空系统90

表17:完整的真空系统变量详细信息
符号 变量名 可变细节
中间压缩机电源输入 将所有渗透流体从渗透压加压到冷凝器压力所需的功率
真空泵电源输入 拒绝所有不可冷凝气体和通过冷却塔模拟器的任何剩余水蒸汽所需的功率
P. 水泵电源输入 将冷凝水从真空系统排放到大气压所需的功率
^渗透 膜渗透体积流量 渗透通过膜组件的不可冷凝气体的体积流速
Tperm

渗透

温度

通过膜的渗透气体的温度,位于测量罐中
T cin 冷却塔入口温度 渗透气体进入冷却塔模拟器热交换器时的温度
Tc out 冷却塔出口温度 当渗透气体离开冷却塔模拟器热交换器时的温度
Pperm 膜渗透压 渗透气体通过膜的压力,位于测量罐中
c

c in

冷却塔进口压力 渗透气体进入冷却塔模拟器热交换器时的压力
c出来 冷却塔出口压力 当渗透气体离开冷却塔模拟器热交换器时的压力
^水 凝结水的质量 所有冷凝水蒸气的质量透过膜
91

膜组件在渗透侧配备NPT母连接,使用适配器将其转换为ID带刺软管接头。然后使用将模块连接到渗透室。ID加强真空管,分别使用软管夹和Lox-8浆料固定并密封在带倒钩的配件上; 这也是用于将渗透室连接到中间压缩机,将中间压缩机连接到真空冷凝器,以及将真空冷凝器连接到真空泵的方法。真空冷凝器通过铜管和压缩接头连接到水泵,以实现气密密封。另外,真空冷凝器的入口和出口处的管道组装成朝向冷凝器的向下倾斜,以捕获在管中冷凝的任何潜在的水蒸气。上面示意图中显示的所有阀门均为V.管道尺寸闸阀,并在测试期间手动操作。最后,水泵和真空泵出口热交换器将水引导到储存容器,然后将储存容器放置在体重秤的顶部以测量它们的内容物。

在安装膜组件之前,使用一系列测试来评估真空系统性能,以隔离诸如系统漏气和水蒸气回收方法之类的变量; 这些测试的结果将在下面的部分中讨论。

92

4.11初步真空系统测试

4.11.1系统泄漏测量为膜组件排空开发的真空系统的构造是为了防止实验室空气泄漏到水蒸气回收系统中。对进入系统的最大允许空气泄漏率的约束设定为通过膜组件的总理想空气渗透的1%。为了测量该范围内的空气泄漏率而不产生额外的设备成本,使用理想的气体定律相关性将测量的系统压力随时间增加转换成质量流量。这种压力的增加被认为是由于空气泄漏,因为真空系统在测试之前通过连续抽空被隔离和干燥。有关所用计算的更多信息可在不确定性分析部分找到。

泄漏测试结果

在监测压力和温度的同时进行82小时的泄漏测试,以计算系统中的质量变化。与计算的空气渗透率相比,该试验的漏气结果如表18所示,完整的结果可在附录I中找到。

表18:与模块空气渗透相比的系统泄漏
模块尺寸(SCFM) ˚F^ 9air \

^空气渗透\ ^ J

f kg空气M泄漏\ s 泄漏率(%)
1 1.97E-06 5.14E-09 0.2605
10 1.97E-05 5.14E-09 0.0260

93

结果表明,进入系统的泄漏量低于膜组件透气率l〇/〇的容许极限。此外,随着模块尺寸的增加,这种泄漏百分比将会降低。

不确定

进行了Kline和McClintock不确定性分析,以评估泄漏结果的不确定性。坦克中的质量正在评估使用

公式26中所示的理想气体定律。

PVm = —

RspecificT

(26)

将理想气体定律方程代入Kline和McClintock不确定性分析坦克质量的等式产生以下结果。

其中1表示给定时间间隔内罐中的质量。各种测量不确定度值显示在下面的等式中。

(31)

进入罐的质量流量如下。

(32)

•     2 -m 1m = –

该方程的相应Kline和McClintock不确定性分析得出下面的等式。

(33)

假设由于数据采集系统的精度,6t = 0,公式33

/ 3m \ 2    / 3m \

6mi+ t 6m2

(34)6米=简化为以下内容。

将适当的值代入上述Kline和McClintock方程,导致总泄漏不确定度约为7%; 有关EES的详细分析,请参见附录I.

重要的是要提到,在该泄漏测试的持续时间内,系统中的压力增加大约9kPa。其结果是环境系统和真空系统之间的空气泄漏的驱动压力差正在变化,但对于101kPa的大气压力仅为约10%; 但是,在评估泄漏不确定性时,仍然必须考虑到这一点。

95

4.11.2膜组件模拟

在接收膜组件之前,使用构造的组件评估真空系统性能,以模拟一系列潜在进料空气流速的膜组件空气和水蒸气渗透速率。下面讨论这些膜模拟器部件的开发和初步真空系统测试结果。

水蒸汽渗透模拟器

使用水蒸发装置模拟通过膜组件的水蒸气渗透。该装置是通过将带倒钩的配件和400瓦浸入式加热器安装到透明的储存容器中而开发的,然后使用粘合剂将其真空密封。插入水后,通过真空管和带倒钩的软管接头将容器连接到真空装置。在操作期间,使用PID控制器控制罐内的水温,该PID控制器接收来自插入到浸没在水下的热电偶套管中的热电偶的反馈。另外,通过手动调节将蒸发装置连接到真空系统的闸阀来控制蒸发装置中的压力。在手术前 将蒸发装置保持在粗真空下数小时,以除去夹带在水中的大部分空气。通过观察在进行测试之前和之后以及在真空操作期间在大气压下的水的体积差来计算从蒸发装置中除去的水量。通过使用储存容器上的刻度标记来测量体积差异以测量高度变化然后将它们相乘

96

通过已知的横截面积改变高度,该横截面积能够提供小于3mL的精度的体积差异。

空气渗透模拟器

使用将真空系统连接到环境空气的手动可调节阀模拟通过膜组件的空气渗透。在阀门入口处安装转子流量计,以测量进入真空系统的空气流量; 它安装在阀门的环境压力侧,以确保流量计在其校准环境中运行。

膜模拟测试结果

通过使用水蒸气渗透模拟器进行了两次测试以确定真空系统的储水能力和瞬态响应。第一个测试包括将0.05scfm的水蒸气引入系统,没有气流; 在测试之前,将水蒸气模拟器抽空过夜以除去水中捕获的任何空气。真空冷凝器温度和水收集容器设定为21℃,冷凝器压力设定为3kPa,而真空泵排气冷凝器温度设定为13℃,以回收未在真空冷凝器中冷凝的水蒸气。试验在4.75小时的时间内进行,并且在3.25小时的试验后冷凝水开始从冷凝器中排出。试验结果如表19所示。

97

表19:冷凝器冷却能力测试#1
零件 水蒸气恢复
真空冷凝器回收容器 93克
真空冷凝器存储 92克
真空泵排气冷凝器 18克
总系统恢复 3克
系统总水蒸汽输入 227克

表19中的结果表明水蒸气的总责任率约为89%。假定未计入的剩余水蒸气在压缩过程中在真空泵中冷凝并且仍然夹带在真空泵油中。

表20:冷凝器冷却能力测试#2
零件 水蒸气恢复
真空冷凝器回收容器 137克
真空冷凝器存储
真空泵排气冷凝器 17克
总系统恢复 244克
系统总水蒸汽输入 3克

第二个测试包括将0.05scfm的水蒸气引入系统,没有空气流动,但是在较高的冷凝器压力和温度下。冷凝器温度设定为26℃,冷凝器压力设定为4.5kPa,而真空泵排气冷凝器温度保持在13℃。测试结果如下表20所示。

98

值得注意的是,虽然该试验的水蒸气总责任率约为81%,但在稳态运行期间,水回收率高达96%。由于调节冷凝器参数所花费的时间,整个系统恢复较低。此外,假设剩余的水被困在真空泵油中; 后来通过去除泵油含量和发现冷凝水来加强这种假设。

4.12真空系统总结

真空系统的设计和开发具有使用新型膜除湿功能的冷却系统设计抽空膜组件的渗透侧的能力。为该系统选择的真空泵是Pfeiffer DUO 10双级旋片式真空泵,泵送能力为7 cfm,之前是Oerlikon-Leybold WA 250罗茨鼓风机,它被选为中间压缩机。在这两个正排量泵之间是一个60板式换热器,其有效面积为2.05m,温度控制在一个完整的冷却系统中模拟真空冷凝器的运行。所开发的真空系统中的空气泄漏计算为小于通过膜组件的理论空气渗透的1%,

99

5.完整的系统测试

一旦测试设备的设计和构造完成,在模拟的真实操作条件下使用由PNNL提供的面积为0.024m的膜组件评估新型膜式除湿使能的冷却系统。从这些测试中获得的数据提供了膜组件性能特征以及全功能膜组件冷却系统的概念验证,但尚未针对最小化能耗进行优化。此外,初步结果用于评估测试设备的局限性和潜在的改进。

5.1完整的测试仪器

将进料空气系统和真空系统组合以完成测试设备的开发。下面的图21中的示意图显示了完整的膜组件测试系统,其具有标记的关键测量点和新型膜除湿使能的冷却系统工作输入要求; 另外,图21中所示的变量的细节包括在表21中。

100

HBTO

空气过滤器流量计风扇加湿器膜组件

明智的冷却器热交换器

^饲料

图21:系统原理图101

Ť [R

表21:系统原理图图例
符号 变量名 可变细节
F. 风扇电源输入 当前风扇尺寸过大以处理加湿系统流量限制
^冷却

系统

明智的冷却系统电源输入 包括制冷系统和水循环泵的工作输入
%C 中间压缩机电源输入 将所有渗透流体从渗透压加压到冷凝器压力所需的功率
WY 真空泵电源输入 拒绝所有不可冷凝气体和通过冷却塔模拟器的任何剩余水蒸汽所需的功率
WP 水泵电源输入 将冷凝水从真空系统排放到大气压所需的功率
供气热输入 受控加热器用于在饱和时离开加湿器后调节干球温度
▽饲料 进料空气体积流量 通过膜组件的进料空气的体积流速
^渗透 膜渗透体积流量 渗透通过膜组件的不可冷凝气体的体积流速
RHT ÑÈ 进气的相对湿度 使用与温度传感器耦合的数据记录器测量入口相对湿度
RH ou ti e t 出口空气的相对湿度 使用与温度传感器耦合的数据记录器测量出口相对湿度
TWB 湿球温度 刚通过加湿器部分后的空气温度处于饱和状态
Troom 室内温度 这连续测量室温
Tmlet 进气温度 这是进入膜组件的空气的RTD测量值
t出口 出口空气温度 这是离开膜组件的空气的RTD测量值
TS,出 明显的冷却空气出口温度 空气离开显热交换器时的温度
Ť

1烫发

膜渗透温度 通过膜的渗透气体的温度,位于测量罐中
T cin 冷却塔入口温度 渗透气体进入冷却塔模拟器热交换器时的温度
T c out 冷却塔出口温度 当渗透气体离开冷却塔模拟器热交换器时的温度
P

[R烫发

膜渗透压 渗透气体通过膜的压力,位于测量罐中
P cin 冷却塔进口压力 渗透气体进入冷却塔模拟器热交换器时的压力
Pc出来 冷却塔出口压力 当渗透气体离开冷却塔模拟器热交换器时的压力
^水 凝结水的质量 所有冷凝水蒸气的质量透过膜

5.2膜组件性能表征

5.2.1性能测试条件进行了一系列测试,以使用设计用于1scfm进料空气流量的膜组件 = 0.024 m 2)对新型膜式除湿冷却系统进行初步性能评估。)。为了隔离变量依赖性,几个控制变量保持不变,而其他控制变量则变化; 用于评估膜组件性能的控制变量被确定为渗透压,流速,干球温度和湿度比。膜中的空气速度分布被确定为与流速相结合的参数,因为膜模块入口配件被指定,并且在该规格之下没有进行面积减小。另外,通过进料空气侧和渗透侧的水蒸气分压来解决膜组件上的对数平均压差。测试的给定变量参数如下表22所示。

表22:测试控制变量
控制变量
体积流量 1 scfm
渗透压力 0.3-0.4千帕
干球温度 见图22
湿度比 见图22

干球温度和湿度比的分布设定点

表22中引用的条件显示在下面的图22中。

D.UUt-VJZ。

2.50E-02

2.00E-02

1.50E-02

1.00E-02

5.00E-03

55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0

入口温度(F)

图22:温度和湿度测试条件

对于几个测试,入口湿度比设定为保持恒定,以便可以单独评估干球温度。然而,偶尔湿度比值确实偏离了设定点。所有后续计算都考虑了这种偏差。下面的图23显示了各种设定点的测量入口湿度比。

入口温度(F)

入口湿度比设定点:■0.007#0.01 X0.014 i 0.019> 0.026

图23:设定点的湿度比变化

如图23中的图例所示,入口湿度比设定点选择为0.007至0.026,温度设定点选择在70°F至100°F之间。选择该范围包含各种常见的环境操作条件以及不太实际的极端测试条件,以强调任何膜性能对温度和湿度比的依赖性。在测试期间,入口湿度比与设定点的偏差不超过0.0016,并且测量的入口湿度比值与结果一起制成表格。

5.2.2 膜组件性能结果  表23列出了各种上述控制变量操作条件下膜的水蒸汽渗透性的列表测试结果。

105

表23:列表测试 结果
饲料空气流量[CFM] 膜入口温度[F] 进口

湿度

渗透压力[KPA] 水蒸气渗透率[KMOL / KPA-M 2-S]
1.0 69 0.009 0.35 3.93E-06
1.0 71 0.009 0.35 4.23E-06
1.0 80 0.015 0.36 4.72E-06
1.0 81 0.019 0.34 4.70E-06
1.0 81 0.008 0.35 4.29E-06
1.0 81 0.009 0.35 4.84E-06
1.0 85 0.019 0.36 5.18E-06
1.0 89 0.007 0.35 4.71E-06
1.0 89 0.015 0.35 5.19E-06
1.0 89 0.010 0.35 5.33E-06
1.0 90 0.011 0.34 5.13E-06
1.0 91 0.020 0.37 5.58E-06
1.0 95 0.026 0.42 5.41E-06
1.0 96 0.019 0.40 5.79E-06
1.0 99 0.026 0.44 5.75E-06
1.0 100 0.011 0.36 5.88E-06
1.0 101 0.007 0.35 5.67E-06
1.0 101 0.018 0.42 5.76E-06

在整个试验过程中,控制进料空气流量和渗透压力以保持恒定值; 从表格数据中可以明显看出,虽然控制进料空气流量的尝试是成功的,但渗透压力存在一些变化。此外,重要的是要注意表23中所示的渗透压是由压力传感器测量的总渗透压而不是水蒸气渗透压; 然而,这两个值之间的差异是通过使用理想气体定律和道尔顿定律来计算的,以将空气和水蒸气渗透数据与气体的分压相关联,然后将气体分压。

纳入分析表现。最后,重要的是要提到这一点

用于计算水蒸汽渗透率值的水蒸气渗透率是使用来自进料 – 空气流湿度比变化而不是水蒸气回收系统的测量值来确定的。

表23中显示的结果表明水蒸汽渗透性与温度的关系; 这种与其他变量分离的关系在下面的图24中更清楚地说明。

7.00E-06

6.00E-06

5.00E-06

4.00E-06

3.00E-06

2.00E-06

1.00E-06

4岁> 一个ia
.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0

入口温度(F)

入口湿度R________________

tioSet点数:■0.007♦0.01 X0.014 A0.019 X 0.026

图24:水蒸气渗透率与温度的关系

图24表示进料空气温度升高时水蒸汽渗透率的比例增加; 然而,除了进料空气流速之外,还考虑了其​​他控制变量的依赖性,因为在整个测试过程中它保持不变。湿度比和水蒸汽渗透率之间的关系如下图25所示。

107

7.00E-06 6.00E-06 5.00E-06 4.00E-06 3.00E-06 2.00E-06 1.00E-06 O.OOE + OO

■ <

卜伞>

%k t X
v >
O.OOE + OO 5.00E-03 1.00E-02 1.50E-02 2.00E-02 2.50E-02 3.00E-02

进口湿度比

{sz <E-ed> l / IOE> l} cuuuruajuuajd JOQ.ru> JaJ + JruM

进口湿度比设定点:B0.007♦0.0!X0.014 AO.019> 0.026

图25:水蒸汽渗透率与湿度比的关系

图25中的数据支持图24中所示的结果,并且还表明在给定的测试条件下水蒸气渗透性对温度的依赖性比入口湿度比更强。

水蒸气渗透率和渗透压之间的关系绘制在下面的图26中。

1087.00E-06

5.00E-06

4.00E-06

3.00E-06

2.00E-06

1.00E-06

nnnc nn

一个NNC NC

4

。♦x A. X
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

渗透压(kPa)

{s-ZVE-ed> l / IOE> l} ouruajouajd JoQ.re> JajlruM

进口湿度比设定点:■0.007     0.01 X0.014▲0.019 X0.026

图26:不同渗透压力下的水蒸汽渗透率

图26中的数据并未表明水蒸气渗透性对渗透压的明显依赖性。相对于更多变量绘制的水蒸汽渗透率见附录J.

还研究了控制变量对水蒸气渗透速率的影响。下面的图27说明了水蒸汽渗透与膜入口温度和湿度比的关系。

109

4.00E-07

>

ķ – 
X
~~¥〜
55.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0

入口温度(F)

Q)

§3.50E-07

o 3.00E-07 ro

^ ^ 2.50E-07 1 1.00E-07 1.50E-07      1.00E-07

Q)

| 5.00E-08

O.OOE + OO

进口湿度比设定点:■0.007#0.01 X0.014▲0.019 X0.026

图27:给定温度下的水蒸汽渗透率

如图27所示,水蒸气渗透速率随入口湿度比增加,但似乎没有相对于入口温度的总体趋势。

最后,考虑了入口温度条件范围内的分离因子; 分离因子和入口温度之间关系的结果如图28所示。

110

500

Ø

ro 400

| 300 ro

200

(U

100 0

55.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0

入口温度(F)

进口湿度比设定点:■0.007♦0.01 X0.014▲0.019 X 0.026

图28:各种入口温度的分离因

图28中显示的结果表明分离因子随温度的潜在增加,以及数百的分离因子。

5.3新型膜式除湿冷却系统测试

使用相同的膜组件进行完整的系统测试,以确定系统是否能够达到ARPA-E操作条件,即90°RH,90°F和50%RH,55°F的入口和出口条件,分别。该试验的结果如表24所示。

表24:ARPA-E条件测试结果
变量 单位
进料空气流量 0.16 CFM
入口干球温度 90 F
入口相对湿度 88
进口湿度比 0.0272 IBW / LBA
出口干球温度 76 F
出口相对湿度 13
出口湿度比 0.00241 IBW / LBA
明智的冷却器出口温度 55 F
明智的冷却器出口相对湿度 26
水蒸气渗透 2.82E-06 千摩尔/ kPa-

 2-S

结果表明,现有系统能够达到并超过ARPA-E建立的冷负荷要求; 这对于建立新型膜式除湿冷却系统的初步除湿性能具有重要意义。

表25:膜系统的功耗
设备 电机额定值 MEAS。V MEAS。一个 MEAS。w ^ 计算器。w ^
风扇 650瓦 见应用程序。 见应用程序。 157
冷却系统泵 115瓦 122.3 0.3 41
冷却系统制冷 122.5 0.3 35
真空泵 550 W 119.3 4.5 537
水泵 115瓦 0 0 0
中间压缩机 1000瓦 见应用程序。 见应用程序。 867

测量整个冷却系统的各个部件的功耗; 这些结果如下表25所示。

112

中间压缩机和风扇都有三相电动机和连接它们的变频装置; 因此,在VFD之前和每条电力线测量功耗。上表25仅列出了这两件设备的实际功率部件。对于视在功率和单个线路负载,请参见附录M.

从表25中可以明显看出,大部分系统功耗来自中间压缩机和真空泵,两者都没有针对效率进行优化; 例如,通过用较小容量的间歇负载真空泵替换现有的真空泵,可以降低系统功耗。此外,其余的系统组件,例如风扇电源,冷却系统循环泵和制冷系统,对于当前的需求而言显着超大。

113

6。结论

设计和构造的测试设施具有隔离关键变量的能力,以控制新型膜除湿使能的冷却系统的操作参数以及获得初步的膜和冷却系统性能测量。完成的测试设施包括两个系统:

1.进料空气系统,模拟进气条件并进行进料空气除湿和显热冷却

2.真空系统,其抽空膜组件的渗透侧以实现进料 – 空气除湿。

所构造的进料空气系统能够在一定温度和相对湿度条件下提供高达10 scfm的膜入口流量,包括90°F和90%RH,这是项目发起人指定的。此外,进料空气系统部件包括用于除湿的膜组件安装位置以及用于将膜出口空气冷却至由赞助商再次指定的55°F和50%RH条件的显热冷却系统。将测量站放置在膜入口,膜出口和显热冷却器出口处,以测量这些关键位置处的温度和相对湿度。所建造的真空系统使用Pfeiffer DUO 10真空泵,泵送能力为7 cfm,之前是60板式换热器,有效面积为2。05米和Oerlikon-Leybold WA 250罗茨鼓风机。计算出真空系统中的空气泄漏小于通过膜的理论空气渗透的1%

114

模块。最后,该装置的构造能够测量用于除湿和显热冷却过程的设备的功耗。

通过膜组件的初步测试和整个冷却系统的操作,证明了测试设备的功能。结果表明,膜材料在70至100°F的温度下表现出水蒸汽渗透性增加,渗透值范围从

3.93■10 -6至5.88■10 -6 km〇 ; •此外,结果表明这部小说

kPa-m 2 -s

通过使用0.024m 2的膜组件面积,能够使膜除湿的冷却系统能够在0.16scfm的进料空气流速下达到规定的操作条件。

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