三流体膜除湿装置和方法
【专利摘要】本发明提出了一种同轴三流体膜除湿装置，该装置主要由膜管、金属套管及外壳三部分组成。三股流体由内而外依次是冷水、湿空气、热水，冷水在最内层的膜管内流动，湿空气在膜管与套管之间的环形通道内流动，热水在套管和外壳之间的环形通道内流动。冷水提供较低的水分压，与高水分压的湿空气之间形成水蒸气分压力差，水蒸气会在膜两侧水蒸气分压力差的作用下通过膜孔进入冷水，从而达到除湿的目的。三流体膜除湿装置最外侧热水的作用就在于可以维持套管内湿空气的温度，使之一直高于露点温度从而避免结露。与传统的冷凝除湿方法相比，三流体膜除湿在某些特殊的领域(例如载人航天器舱内湿度控制)有着显著的优势。
【专利说明】
三流体膜除湿装置和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种适用于航天微重力环境下的空气除湿的三流体膜除湿装置和方法。【背景技术】
[0002]目前载人航天器上，舱内空气的除湿主要采用的是冷凝除湿的技术，它是将湿空气的温度降至露点温度以下，从而冷凝出液态水达到除湿的目的。然而这种除湿技术却存在一些问题，由于冷凝除湿是一个温湿度强烈耦合的过程，湿空气除湿的同时会使温度大幅度地降低，温度和湿度难以独立控制，有时会出现无法兼顾的问题。而且在航天器失重的条件下，冷凝出的液态水不能够依靠重力自然地与空气分离，此时必须要专门设置气液分离器将液态水分离并储存。这种气液分离器会增加系统的重量，同时其复杂的内部结构会给日后的维修带来不便。
[0003]冷水膜除湿的方案则是利用冷水表面低水蒸气分压力的特点，水蒸气会在膜两侧水蒸气分压力差的作用下透过膜材料从湿空气进入冷水达到除湿的目的。在除湿原理上， 冷水膜除湿直接依靠水蒸气分压力差实现除湿，但传质的同时也会伴随着一定的传热，因此有必要实现传热与传质的进一步的解耦。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种三流体膜除湿装置，其通过湿空气外侧的热水进一步实现传热与传质的解耦，在除湿的同时实现了水蒸气与空气在气态下分离，省去了气液分离器，在失重条件下也能够很高效除湿，而且实现了密闭舱内水蒸气的完全回收。同时系统流程得到简化，重量和复杂程度降低，系统可靠性和可维护性提高。
[0005]根据本发明的一个实施例的一种三流体膜除湿装置利用冷水表面低水蒸气分压力的特点，使水蒸汽在膜两侧水蒸气分压力差的作用下透过膜材料，达到除湿的目的，最外侧金属管内的热水可以保证湿空气的温度高于露点温度，防止湿空气结露。
[0006]在根据本发明的一个实施例的三流体膜除湿装置中，冷水在膜管内流动，湿空气在膜管外反向流动，湿空气中的水蒸气和显热通过膜管壁进入冷水被带走，含湿量降低，从而达到除湿的目的，同时温度也降低。由于湿空气温度降至露点温度以下会产生结露，因此在湿空气外侧有一路热水与湿空气同向流动，热水的热量通过不锈钢套管壁向湿空气释放显热，维持湿空气温度在露点温度以上。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种三流体膜除湿装置，其特征在于包括:热水模块、湿空气模块、冷水模块，
[0008]其中，
[0009]所述冷水模块包括膜管，该膜管穿过湿空气模块并与细金属管保持同轴，
[0010]湿空气模块包括细金属管，该细金属管穿过热水模块并与粗金属管同轴。
[0011]根据本发明的另一个方面，提供了一种三流体膜除湿方法，其特征在于包括:
[0012]使热水从第一三通接头流入粗金属管内并在粗金属管内流动并通过细金属管管壁与细金属管的管内湿空气进行热量交换，
[0013]使湿空气从第二三通接头流入细金属管并在细金属管内流动并通过膜管的管壁与膜管内的冷水发生热湿交换，其中冷水在膜管内与膜管之外的湿空气反向流动，
[0014]其中，
[0015]膜管穿过包括细金属管的湿空气模块，并与细金属管同轴，
[0016]细金属管穿过包括粗金属管的热水模块，并与粗金属管同轴，
[0017]膜管采用单向透湿性膜材料制成，
[0018]膜管外侧的湿空气中的水蒸气通过单向透湿性膜材料上的膜孔进入膜管内的冷水从而被所述冷水带走，
[0019]湿空气的部分热量经过所述热湿交换进入所述冷水，而所述冷水不能透过膜渗入到湿空气侧。
[0020]本发明的有益效果包括:
[0021]相比于目前冷凝除湿模式依靠大温差的作用将湿空气的温度降至露点温度以下使水蒸气液化并分离达到除湿的传统方案，三流体膜除湿主要依靠膜两侧的水蒸气分压力差造成水蒸气的跨膜传质，使水蒸气直接在气态下与空气分离，避免了额外的气液分离过程，在一定程度上简化了除湿系统的流程，使系统的重量降低，可靠性和可维护性提高。另夕卜，三流体膜除湿装置一定程度上实现了传热和传质的解耦，使得温度和湿度可以相对独立控制。【附图说明】
[0022]图1是本发明的一个实施例的系统整体示意图。
[0023]图2是本发明的一个实施例的热水模块示意图。
[0024]图3是本发明的一个实施例的湿空气模块示意图。
[0025]图4是本发明的一个实施例的冷水模块示意图。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】具体说明本发明的技术方案。
[0027]如图1 一 4所示，根据本发明的一个具体实施例包括:热水模块A，湿空气模块B，冷水模块C，在图1所示的实例中，冷水模块C的膜管(9)被设置在湿空气模块B的细金属管(5) 内部并保持同轴，膜管(9)与接头(8)之间密封以将湿空气与冷水隔离开来;该密封是例如通过灌封胶的密封。湿空气模块B的细金属管(5)被设置在热水模块A的粗金属管(1)内部， 细金属管(5)与粗金属管(1)保持同轴并通过第二卡套接头(4)将热水与冷水隔离开来。在一个具体实施例中，细金属管(5)和第二卡套接头(4)之间通过灌封胶密封以防止外界杂质进入装置内部。
[0028]如图2所示，在根据本发明的一个实施例中，热水模块(A)包括粗金属管(1)，第一卡套接头(2)，第一三通接头(3 )，第二卡套接头(4)。在如图2所示的一个具体实例中，粗金属管(1)与第一卡套接头(2)之间通过卡套接头内部的卡套螺母锁紧，抵触卡套，切入管子而密封。第一卡套接头(2)和第二卡套接头(4)与第一三通接头(3)之间均通过螺纹紧密连接。
[0029]如图3所示，根据本发明的一个【具体实施方式】，湿空气模块(B)包括细金属管(5)， 第三卡套接头(6)，第二三通接头(7)，普通接头(8)。在如图3所示的一个具体实例中，细金属管(5)与第三卡套接头(6)之间通过卡套接头内部的卡套螺母锁紧，抵触卡套，切入管子而密封。第三卡套接头(6)和普通接头(8)与第二三通接头(7)之间均通过螺纹紧密连接。
[0030]如图4所示，根据本发明的一个【具体实施方式】，冷水模块(C)包括膜管(9)。在本发明的一个【具体实施方式】中，膜管(9)采用PVDF膜制成。
[0031]根据本发明的三流体膜除湿装置运行时，热水从第一三通接头(3)流入，在粗金属管(1)内流动并通过细金属管(5)管壁与管内湿空气进行热量交换。湿空气从第二三通接头 (7)流入，在细金属管(5)内流动并通过膜管(9)的管壁与膜管(9)内的冷水发生热湿交换， 冷水在膜管(9)内与膜管(9)之外的湿空气反向流动。[〇〇32]根据本发明的三流体膜除湿装置依靠水蒸气分压力差造成水蒸气跨膜传质，实现了水蒸气和空气在气态下的直接分离，达到除湿的目的，并且在除湿过程不发生结露，避免了额外的气液分离过程，解决了航天失重条件下气液分离难的问题，而且实现了密闭舱内水蒸气的完全回收。
[0033]以上仅是本发明的一个;具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
【主权项】
1.一种三流体膜除湿装置，其特征在于包括:热水模块(A)，湿空气模块(B)，冷水模块(C)，其中，所述冷水模块(C)包括膜管(9)，该膜管(9)穿过湿空气模块(B)并与细金属管(5)同轴， 湿空气模块(B)包括细金属管(5)，该细金属管(5)穿过热水模块(A)并与粗金属管(1) 同轴。2.根据权利要求1所述的三流体膜除湿装置，其特征在于:所述热水模块(A)包括粗金属管(1)、第一卡套接头(2)、第一三通接头(3)、第二卡套接 头⑷，所述湿空气模块(B)还包括第三卡套接头(6)、第二三通接头(7)、普通接头(8)。3.根据权利要求2所述的三流体膜除湿装置，其特征在于所述三流体膜除湿装置工作 时:热水由第一三通接头(3)流入，经过第二卡套接头(4)进入粗金属管(1)，第二卡套接头(4)将热水与湿空气隔离开来，湿空气由第二三通接头(7)流入，经过第三卡套接头(6)进入细金属管(5)，第二三通接头(7)与膜管(9)之间密封，将湿空气与膜管(9)内的冷水隔离开来。4.根据权利要求2或3所述的三流体膜除湿装置，其特征在于:膜管(9)采用单向透湿性膜材料制成，膜管(9)外侧的湿空气中的水蒸气通过单向透湿性膜材料上的膜孔进入膜管(9)内的 冷水从而被所述冷水带走，湿空气部分热量经过热传导和热对流进入所述冷水，而所述冷 水不能透过膜渗入到湿空气侧。5.根据权利要求2或3所述的三流体膜除湿装置，其特征在于:粗金属管(1)中的热水将热量传递给细金属管(5)中的湿空气，从而保持所述湿空气的 温度处于露点温度以上。6.根据权利要求2或3所述的三流体膜除湿装置，其特征在于:第二三通接头(7)与膜管(9)之间在普通接头(8)内的密封是通过在普通接头(8)内灌 封胶的密封。7.—种三流体膜除湿方法，其特征在于包括:使热水从第一三通接头(3)流入粗金属管(1)内并在粗金属管(1)内流动并通过细金属 管(5)管壁与细金属管(5)的管内湿空气进行热量交换，使湿空气从第二三通接头(7)流入细金属管(5)并在细金属管(5)内流动并通过膜管 (9)的管壁与膜管(9)内的冷水发生热湿交换，其中冷水在膜管(9)内与膜管(9)之外的湿空 气反向流动，其中，膜管(9)穿过包括细金属管(5)的湿空气模块(B)，并与细金属管(5)同轴，细金属管(5)穿过包括粗金属管(1)的热水模块(A)，并与粗金属管(1)同轴，膜管(9)采用单向透湿性膜材料制成，膜管(9)外侧的湿空气中的水蒸气通过单向透湿性膜材料上的膜孔进入膜管(9)内的 冷水从而被所述冷水带走，湿空气的部分热量经过所述热湿交换进入所述冷水，而所述冷水不能透过膜渗入到湿空气侧。8.根据权利要求7所述的三流体膜除湿方法，其特征在于:第二三通接头(7)与膜管(9)之间通过在普通接头(8)内灌封胶而得到密封。9.根据权利要求7所述的三流体膜除湿方法，其特征在于:粗金属管(1)中的热水将热量传递给细金属管(5)中的湿空气，从而保持所述湿空气的 温度处于露点温度以上。10.根据权利要求7所述的三流体膜除湿方法，其特征在于:所述热湿交换包括通过热传导和热对流的热交换。
【文档编号】F24F5/00GK105972724SQ201610170275
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】袁卫星, 尉斌, 杨波, 任柯先
【申请人】北京航空航天大学