基于复合微孔膜的空气减焓除湿及水蒸汽回收机理和试验研究

载人航天器因重力缺失，导致舱内湿空气冷却除湿时气液分离非常困难。为此，本项目研究一种基于亲水-疏水复合微孔膜、兼具空气减焓除湿、气液分离和水蒸汽冷凝回收三重作用的新方法及其传热和传湿机理。对于复合微孔膜亲水侧是热湿空气、疏水侧是冷水的工况，建立此方法的跨膜微介观传热传湿物理和数学模型。通过理论分析、数值计算和试验相结合的方法，探索水蒸汽在复合膜的亲水膜层表面冷凝、在其微孔中渗流，汽化后进入疏水性膜层微孔、然后扩散至冷水表面并最终被冷水吸收的特殊热、湿耦合传输规律。重点考虑亲水膜层微孔内毛细力、压力和重力共同作用下液态水的渗流特性；疏水膜层微孔内水蒸汽在压差、重力共同作用下的气体扩散特性。厘清影响此复合膜传热传湿过程的关键因素和环节，并针对此类膜在不同重力场条件下的减焓除湿过程，提出系统完整的理论分析和试验方法，为解决微重力条件下空气除湿所遇到的气液分离难题提供新的思路和理论基础。

湿度控制是载人航天器环控生保系统的重要组成部分，航天器传统的空气冷凝除湿方法，先利用低温冷水将空气温度降至露点以下，使水蒸气凝结成液态水，从而达到空气除湿目的。然而在航天失重条件下，凝结出的液态水和空气无法自然分离，因此需要额外的、耗功的气液分离过程和装置。鉴于此，本项目提出一种基于冷水、亲水-疏水复合膜的空气除湿新方法，利用航天器舱内湿空气与冷水表面之间的水蒸气分压力差，产生水蒸气传质势差，推动水蒸气通过膜内微孔实现跨膜传质传热，除湿过程因此避免了气液分离难题，同时实现了空气中水份的完全回收，对长期载人航天器具有极为重要的应用价值。.本项目首先对膜除湿技术进行了全面的调研，从膜除湿机理、膜材料、膜组件结构、传热传质模型等方面做了系统性综述。基于调研结果，选择了一种PVDF-PVA亲水-疏水复合微孔膜，建立了水蒸气在亲水-疏水复合微孔膜内的传质传热模型、研究了其传质机理，分析了膜表面特性和微观结构特性对传质过程的影响，研究表明，本项目对水蒸气膜内扩散系数的理论计算结果与实验结果吻合很好，分别为6.28×10-6 m2/s和6.44×10-6 m2/s。.在此基础上，建立了冷水-膜除湿组件传热传质模型，传热传质过程包括膜内导热、扩散和边界层的对流传热传质两部分，模型揭示了传热传质的耦合关系。在理论研究的同时，制作了一个叉流式中空纤维膜空气除湿组件，并进行了实验研究，实验验证了冷水-膜除湿的原理及技术可行性。.针对叉流式膜组件除湿实验中所出现的膜管外结露现象进行了理论分析，提出了逆流式的解决方案，对膜材料表面特性和微观结构、膜组件结构、工况等参数的影响进行了全面的研究，为膜材料选型、膜组件结构设计、工况设计提供了理论指导依据。.最后，分别从理论和实验两方面分析了膜除湿的重力无关性，对于膜内扩散，重力影响远小于膜内微孔对水分子的毛细力及膜两侧传质驱动力，而对于边界层对流传质，格拉晓夫数远小于雷诺数，两者比值在10-4~10-3量级，两个过程都说明重力对水蒸气跨膜传质几乎没有影响。.基于以上研究内容和结果，目前，本项目已发表全国性学术会议论文2篇、SCI期刊论文3篇，另有1篇SCI期刊论文在审、2篇EI论文在撰写中，已申请国家发明专利2项，其中1项已获授权。