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1、基于电解质膜的精密除湿技术基于电解质膜的精密除湿技术及及室内环境技术团队研究简介室内环境技术团队研究简介传热强化与过程节能教育部重点实验室,化学与化工学院,华南理工大学建筑能耗建筑能耗20-40%用用于除湿于除湿潮湿引发潮湿引发超超1/4的设的设备故障备故障除湿的重要性除湿的重要性2研究背景:除湿在生产和生活中有重大需求 大湾区大湾区近一成近一成总能耗总能耗用于室内、工业生产用于室内、工业生产及物品储存中的除湿;及物品储存中的除湿;精密仪器设备、电池精密仪器设备、电池等电子产品生产车间等电子产品生产车间湿度要求极为严格;湿度要求极为严格;冰箱高湿度损害所储冰箱高湿度损害所储存的物品或引发细菌存
2、的物品或引发细菌滋生;药品、疫苗低滋生;药品、疫苗低温储存应避免高湿及温储存应避免高湿及凝水;凝水;催化剂(催化剂(IrO2,RuO2)H+水分子水分子电解水蒸气电解水蒸气,无需冷热源,无需冷热源,紧凑可靠、小巧灵敏,是狭小紧凑可靠、小巧灵敏,是狭小空间除湿的新方向空间除湿的新方向*运行电压:运行电压:3V*常规尺寸:常规尺寸:331cm3电解质膜除湿电解质膜除湿或或H2催化剂(催化剂(IrO2,RuO2)H+水分子水分子研究背景还适合于光伏等可再生能源还适合于光伏等可再生能源结合结合,实现无外加能源供应实现无外加能源供应的独立除湿的独立除湿,应用前景广泛应用前景广泛。太阳能溶液除湿及中空纤维
3、太阳能溶液除湿及中空纤维膜除湿也有丰富的研究基础膜除湿也有丰富的研究基础及经验及经验。2021/5/154研究背景基础理论多层膜结构热-质-电耦合传递理论模型除湿组件CFD模拟及不可逆传递分析除湿老化行为及在线性能预测建模微介观 nm-m组件尺度mm系统尺度m电解质膜除湿理论建模与仿真建立了可考虑微介观电化学反应微介观电化学反应、多层膜多孔介质传热传质多层膜多孔介质传热传质及真真实膜电极三维结构实膜电极三维结构的电解质膜除湿理论仿真模型电解质膜除湿理论仿真模型,并针对工程应用开发了无需迭代的电化学快速预测模型电化学快速预测模型电解质膜除湿:组件电解质膜除湿:组件CFD模拟及不可逆传递分析模拟及
4、不可逆传递分析建立了建立了考虑真实空气流道考虑真实空气流道、集流层结集流层结构的除湿膜组件构的除湿膜组件CFD数值模型;数值模型;3-D非稳态有限元建模及数值求解;非稳态有限元建模及数值求解;阐明流动阐明流动、传热传质传热传质、活化极化及欧活化极化及欧姆热等内部不可逆传递过程;姆热等内部不可逆传递过程;分析了多种工况下的分析了多种工况下的稳态运行稳态运行及及动动态启动态启动特性;特性;明确了操作条件及结构设计的影响;明确了操作条件及结构设计的影响;不可逆损失集中在不可逆损失集中在阳极侧阳极侧,其中活其中活化局部熵产最剧烈化局部熵产最剧烈(催化层催化层),特特别是启动阶段;别是启动阶段;除湿膜电
5、极内的水分含量分布除湿膜电极内的水分含量分布除湿膜电极内的除湿膜电极内的温度温度分布分布6 电化学零维模型,实现在线预测电化学零维模型,实现在线预测基于极化曲线的半经验模型建立电解除湿的老化模型,并采用非线性拟合及遗传算法获取模型参数;解耦传递过程与电化学互动规律,即解耦传递过程与电化学互动规律,即时预测除湿量及电流密度;并以除湿时预测除湿量及电流密度;并以除湿运行电流作为评价指标,实现老化趋运行电流作为评价指标,实现老化趋势预测及寿命评估。势预测及寿命评估。全工况预测精度与理论模型误差在全工况预测精度与理论模型误差在10%以内以内caTacohmln()-ln()RTRTURHRHUZFZF
6、=+GcmcaacGcm(ln()-ln()/()RTRTiURHRHZFZF=+2H OrereremovelaAaA,outaA,ine db dwmAA*()2MiAiACmmmmmnDeNeNx=+=+活化过电势等不可逆传递除湿量计算电阻等模型参数3wCwA0.01042.1A0wC0.0w0590.767.2 1 (for 1,0t20%,耐久性提升耐久性提升58倍倍。指导双极板设计及催化剂喷涂指导双极板设计及催化剂喷涂,降低不可逆传递损失降低不可逆传递损失。夹具PEM2021/5/1514电解质膜除湿:装置开发及性能调控电解质膜除湿:装置开发及性能调控高吸水高吸水PEMPEM膜膜一
7、维复合载体催化剂一维复合载体催化剂太阳辐射强度对系统除湿速率的影响 光伏驱动电解质膜除湿光伏驱动电解质膜除湿削峰填谷,缓解电压及组件温度频繁波动导致的不可恢复老化,使用寿命可提升30%;适于精密仪器、机房等间断性除湿需求,节能效果达50%以上。稳压前稳压前稳压后稳压后稳压后除湿量稳压后除湿量电解质膜除湿:装置开发及性能调控电解质膜除湿:装置开发及性能调控16室内环境技术团队室内环境技术团队基于膜技术基于膜技术、界面技术界面技术、传热传质学传热传质学、室内环境技术等室内环境技术等的多学科交叉的多学科交叉,二十年来专注于膜式热质传递研究二十年来专注于膜式热质传递研究。发发表表SCI论文论文250多
8、篇多篇,获授权国家发明专利获授权国家发明专利20多项多项、国外国外专利专利3项项,并积极与国内外企业进行产学研结合并积极与国内外企业进行产学研结合。张立志张立志 教授教授(团队负责人、国家(团队负责人、国家杰青、教育部重点实杰青、教育部重点实验室主任)验室主任)綦戎辉綦戎辉教授教授蔡容容蔡容容副教授副教授董传帅董传帅副教授副教授成果一:膜式除湿机理及性能调控 瓶颈问题:瓶颈问题:膜内传质能力弱,组件膜内传质能力弱,组件(交换器交换器)效率低效率低现有模型现有模型不能不能揭示膜结构和物化性质的影响揭示膜结构和物化性质的影响 研究思路:研究思路:从介观层面揭示了膜结构和亲水性的影响机理从介观层面揭
9、示了膜结构和亲水性的影响机理明晰了膜组件参数影响规律,首次得出效率解析解明晰了膜组件参数影响规律,首次得出效率解析解复合膜内部断面结构m尺度宏观黑箱模型宏观黑箱模型De=f(总,d平均,)膜组件(膜交换器)宏观尺度精度提高精度提高成果二:膜式海水淡化机理及技术开发 研究思路:研究思路:瓶颈问题:瓶颈问题:现有传热传质理论不适用于“软物质”膜传递现有传热传质理论不适用于“软物质”膜传递。膜式海水淡化运行机理不清,余热驱动效果不佳膜式海水淡化运行机理不清,余热驱动效果不佳流道三维湍流(3D low Re k-)模型多尺度、多物理场的软物质传热传质理论建模多尺度、多物理场的软物质传热传质理论建模传热
10、传质粗粒化分子动力学模拟成果二:膜式海水淡化机理及技术开发开发了开发了柴油机柴油机余热驱动海水淡化系统余热驱动海水淡化系统并并实现了实现了示范运行示范运行额定工况下,余热利用率余热利用率71%,淡水产量淡水产量41L/h,尾气PM颗粒净化率颗粒净化率达74.52%中空纤维膜组件抗有机污染膜柠檬酸根与Ca2+形成络合物近海渔船示范运行成果三:室内环境材料及装置研发调控理论依据,调控理论依据,发明高效透湿膜,使得传质系发明高效透湿膜,使得传质系数提高数提高倍倍复合支撑复合支撑液膜液膜开发了高强度、低厚度、管径可调控开发了高强度、低厚度、管径可调控的中空纤维膜,优化组件结构,推进实的中空纤维膜,优化
11、组件结构,推进实际应用际应用套管内冷型中空纤维膜快装式中空纤维膜组件成品成果三:室内环境材料及装置研发开发了亲水开发了亲水 超疏水双极膜,提高耐久性超疏水双极膜,提高耐久性倍以上倍以上开发了亲疏水可逆转换的吸附凝胶,开发了亲疏水可逆转换的吸附凝胶,实现微湿度利用实现微湿度利用基体二级超疏水膜表面成果三:室内环境材料及装置研发图1 室温86%RH下的48h吸湿曲线图2 35下加热22h的解吸曲线图3 PNIPAM-柠檬酸钠-CaCl2凝胶吸湿后(左)和解吸后(右)图片图4 所制备的转轮5.开发了低温再生的转轮用吸湿材料23綦戎辉(綦戎辉()感谢感谢各位专家各位专家敬请敬请批评批评指正指正