熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾裝置及其性能研究

劉榮輝

陳 東1

謝繼紅1

閆贊揚(yáng)1

彭躍蓮2

(1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾裝置及其性能研究

劉榮輝1

陳 東1

謝繼紅1

閆贊揚(yáng)1

彭躍蓮2

(1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

研制了熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾試驗(yàn)裝置，對(duì)其性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，裝置可在常壓下實(shí)現(xiàn)料液的低溫濃縮，且通過調(diào)節(jié)輔冷器等部件，實(shí)現(xiàn)裝置在設(shè)定工況下穩(wěn)定運(yùn)行；膜組件的膜通量和熱效率隨料液溫度的升高而大幅提高，裝置的造水比受膜組件熱效率和熱泵制熱系數(shù)的共同影響，在66 ℃時(shí)，可達(dá)1.58。

膜蒸餾；熱泵；多效；直接接觸式；濃縮

膜蒸餾是利用疏水微孔膜只允許蒸汽通過而不允許水通過的特性，將料液中水分與非揮發(fā)性溶質(zhì)分離的技術(shù)，具有常壓下低溫分離，易于處理中高濃度料液等優(yōu)勢(shì)，因而在食品、生物、制藥、化工等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

在膜蒸餾過程中，膜的一側(cè)是溫度較高的熱料液，料液中水分在膜表面汽化，蒸汽穿過膜孔到達(dá)膜的另一側(cè)。根據(jù)對(duì)穿過膜的蒸汽處理方式的不同，膜蒸餾可分為直接接觸式膜蒸餾、真空式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾等形式[2]。不管哪種膜蒸餾型式，在膜組件工作時(shí)，料液側(cè)均需不斷提供熱能使水分汽化，蒸汽側(cè)則需不斷提供冷能使蒸汽凝結(jié)。如何降低熱能和冷能消耗是影響膜蒸餾產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，目前研究的能耗降低方法主要是多效膜蒸餾[3-4]，通過回收蒸汽凝結(jié)熱來(lái)預(yù)熱料液，但仍需配置獨(dú)立的料液加熱裝置和蒸汽冷卻裝置，造水比的提高受到一定限制。

熱泵是消耗少量電能即可同時(shí)制取多倍熱能和冷能的裝置[5]，熱泵與膜蒸餾集成，是實(shí)現(xiàn)膜蒸餾過程低能耗的基本方向[6]。于福榮等[7]對(duì)影響熱泵—膜蒸餾系統(tǒng)性能的主要因素進(jìn)行了探討，趙欣慰等[8]對(duì)熱泵—膜蒸餾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程進(jìn)行了分析，謝繼紅等[9]給出了熱泵—膜蒸餾系統(tǒng)的能量平衡方案，張旸等[10]研制了熱泵—真空式膜蒸餾試驗(yàn)裝置并取得了較好的節(jié)能效果。熱泵—多效直接接觸式膜蒸餾系統(tǒng)是一種新型膜蒸餾過程，一方面利用多效蒸發(fā)原理實(shí)現(xiàn)蒸汽潛熱回用；另一方面利用熱泵制取的熱能驅(qū)動(dòng)料液相變，制取的冷能驅(qū)動(dòng)水蒸汽冷凝；同時(shí)還具有常壓下工作和易于產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)。但是目前，將熱泵技術(shù)應(yīng)用于多效膜蒸餾過程的試驗(yàn)研究還很少，基于此背景，本研究研制了直接接觸式膜蒸餾組件的熱泵—兩效膜蒸餾試驗(yàn)裝置，并對(duì)其性能進(jìn)行較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1 熱泵—兩效膜蒸餾試驗(yàn)裝置的構(gòu)成及工作過程

由圖1可知，試驗(yàn)裝置由5個(gè)相互耦合的循環(huán)單元構(gòu)成：熱泵循環(huán)單元、一效料液循環(huán)單元、一效冷凝水循環(huán)單元、二效料液循環(huán)單元、二效冷凝水循環(huán)單元。熱泵循環(huán)單元通過加熱器與一效料液循環(huán)單元耦合，通過冷卻器與二效冷凝水循環(huán)單元耦合；一效料液循環(huán)單元通過一效膜組件與一效冷凝水循環(huán)單元耦合；一效冷凝水循環(huán)單元通過中間換熱器與二效料液循環(huán)單元耦合；二效料液循環(huán)單元通過二效膜組件與二效冷凝水循環(huán)單元耦合。本試驗(yàn)裝置的特色有兩個(gè)：① 影響裝置性能的工況參數(shù)可調(diào)；② 一效料液罐和二效料液罐中可放置不同的料液，一套裝置中可同時(shí)進(jìn)行兩種料液的濃縮分離處理。

1. 一效料液罐 2. 一效料液泵 3. 一效料液閥 4. 一效膜組件 5. 一效冷凝水罐 6. 一效冷凝水泵 7. 一效冷凝水收集器 8. 一效冷凝水閥 9. 中間換熱器 10. 加熱器 11. 壓縮機(jī) 12. 節(jié)流元件 13. 冷卻器 14. 二效冷凝水收集器 15. 二效冷凝水泵 16. 二效冷凝水罐 17. 二效冷凝水閥 18. 輔冷器 19. 二效膜組件 20. 二效料液閥 21. 二效料液泵 22. 二效料液罐

圖1 熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾試驗(yàn)裝置流程圖

Figure 1 Flow chart of the heat pump two-effect direct contact membrane distillation system

試驗(yàn)裝置的工作過程為：熱泵壓縮機(jī)和一效料液泵、一效冷凝水泵、二效料液泵、二效冷凝水泵啟動(dòng)，一效料液溫度被熱泵的加熱器10加熱而升高，二效冷凝水溫度被熱泵的冷卻器13冷卻而降低，一效膜組件工作使一效冷凝水溫度也逐漸升高，一效冷凝水通過中間換熱器使二效料液溫度也逐漸升高，二效膜組件也開始工作。當(dāng)一效料液溫度和二效料液溫度升高到設(shè)定溫度附近時(shí)，啟動(dòng)輔冷器并調(diào)整輔冷器散熱量，使裝置穩(wěn)定在設(shè)定工況，開始測(cè)量膜組件產(chǎn)水量和熱泵能耗等指標(biāo)。

2 熱泵—兩效膜蒸餾試驗(yàn)裝置的部件特性

試驗(yàn)樣機(jī)的部件布置，見圖2。

樣機(jī)中各主要部件的簡(jiǎn)況見表1。

1. 一效膜組件 2. 一效料液罐 3. 二效料液罐 4. 輔冷器 5. 一效冷凝水罐 6. 二效冷凝水罐 7. 一效冷凝水收集器 8. 二效冷凝水收集器 9. 二效膜組件 10. 熱泵組件

圖2 熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾試驗(yàn)樣機(jī)

Figure 2 The experimental prototype of the heat pump two-effect direct contact membrane distillation system

表1 各部件參數(shù)Table 1 Component state

3 熱泵—兩效膜蒸餾裝置性能試驗(yàn)

3.1 性能指標(biāo)

(1) 膜組件的膜通量JM：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位膜面積(對(duì)中空纖維膜組件一般是指中空纖維的內(nèi)表面積總和)的冷凝水產(chǎn)量。

(2) 膜組件的熱效率ηM：膜組件工作時(shí)，料液側(cè)消耗的總熱能分為兩部分：① 有效熱能;② 分為無(wú)效熱能。有效熱能是指用于料液中水分汽化的熱能，無(wú)效熱能是指通過膜壁由料液直接傳遞給冷凝水的熱能(忽略膜組件對(duì)環(huán)境的熱損失)。膜組件的熱效率是指有效熱能與總熱能之比。

(3) 熱泵的制熱系統(tǒng)COPH：熱泵通過加熱器供給料液的熱能與壓縮機(jī)消耗的電能之比。

(4) 試驗(yàn)裝置的造水比GOR：試驗(yàn)裝置產(chǎn)水量汽化的耗熱量與壓縮機(jī)耗電量之比，即熱泵—兩效膜蒸餾裝置相對(duì)于單效蒸發(fā)裝置的節(jié)能倍率。

3.2 工作溫度調(diào)控性能

工作溫度指4個(gè)進(jìn)口溫度，即一效膜組件的進(jìn)料液溫度和冷凝水進(jìn)口溫度，二效膜組件的進(jìn)料液溫度和冷凝水進(jìn)口溫度。

裝置運(yùn)行前，料液及冷凝水均為環(huán)境溫度。由于熱泵的制熱量隨加熱器內(nèi)料液溫度和冷卻器內(nèi)冷凝水溫度之差增大而減小，而膜組件的耗熱量則隨膜兩側(cè)的溫差(料液與冷凝水)增大而增大。裝置剛啟動(dòng)時(shí)，熱泵的制熱量很大，而膜組件的耗熱量很小，料液溫度升高較快；一段時(shí)間后，加熱器與冷卻器之間的溫差逐漸增大，膜組件兩側(cè)的溫差也逐漸增大，即熱泵的制熱量逐漸減小，膜組件的耗熱量則逐漸增大，當(dāng)熱泵的制熱量與膜組件的耗熱量相等時(shí)，裝置達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

通過調(diào)整一效料液閥、一效冷凝水閥、二效料液閥、二效冷凝水閥、輔冷器等，可調(diào)節(jié)和穩(wěn)定裝置的工作溫度，工作溫度的典型調(diào)穩(wěn)過程曲線見圖3。

圖3 工作溫度的調(diào)穩(wěn)過程Figure 3 The temperature adjusting process of the device

由圖3可知，4個(gè)代表性工作溫度中，除二效冷凝水溫度在裝置啟動(dòng)后10 min左右有輕微波動(dòng)外，其他參數(shù)平穩(wěn)變化，未出現(xiàn)明顯震蕩，并在90 min左右達(dá)到穩(wěn)定工況，表明裝置具有較好的調(diào)控性能。

3.3 典型工況綜合性能

當(dāng)一效料液流量142.7 g/s，一效冷凝水流量129.3 g/s；二效料液流量96.6 g/s，二效冷凝水流量123.4 g/s；一效膜組件料液進(jìn)口溫度62.5 ℃，冷凝水進(jìn)口溫度49.5 ℃；二效膜組件料液進(jìn)口溫度50.3 ℃，冷凝水進(jìn)口溫度40.2 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功率為968 W，一效膜組件20 min冷凝水產(chǎn)量410 g，二效膜組件20 min冷凝水產(chǎn)量263 g。

此時(shí)，裝置的各性能指標(biāo)分別為：一效膜組件膜通量JM1=0.621 g/(m2·s)=2.24 kg/(m2·h)，二效膜組件膜通量JM2=0.456 g/(m2·s)=1.64 kg/(m2·h)；一效膜組件熱效率ηM1=29.8%，二效膜組件熱效率ηM2=24.7%；熱泵制熱系數(shù)COPH=3.3，裝置的造水比GOR=1.37。

與賈曉敏等[11]用膜組件理論模型算得的膜組件性能相比，本試驗(yàn)裝置中一效膜組件和二效膜組件的膜通量偏小，熱效率偏低，導(dǎo)致裝置的造水比偏低。可能與所采用膜組件的膜絲在組件殼內(nèi)的分布不均有關(guān)，如圖4所示(以一效膜組件為例)。

由圖4可知，由于制作工藝的原因，膜絲成束集中在組件殼內(nèi)中心區(qū)域，未能在殼內(nèi)截面均勻分布，冷凝水進(jìn)入殼內(nèi)后難以均勻流動(dòng)至各膜絲周圍，存在嚴(yán)重的溝流效應(yīng)，不能及時(shí)冷凝跨膜蒸汽，從而大大降低了膜組件的產(chǎn)水量和膜通量。

3.4 不同工況下裝置性能的變化規(guī)律

當(dāng)料液進(jìn)口溫度不同時(shí)，膜組件的膜通量及熱效率(以一效膜組件為例)、熱泵的制熱系數(shù)、裝置造水比的變化規(guī)律見圖5。

由圖5可知，隨著料液進(jìn)口溫度的上升，膜組件的膜通量可大幅提高；而熱泵的制熱系數(shù)則由于加熱器和冷卻器之間的溫差加大而有所減??；造水比則由于受膜組件熱效率和熱泵制熱系數(shù)的共同影響，在66 ℃左右達(dá)到最大值(1.58)。

4 結(jié)論

對(duì)所研制的熱泵—兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的性能試驗(yàn)表明，該裝置可在常壓下實(shí)現(xiàn)料液的低溫濃縮分離，且通過調(diào)節(jié)輔冷器等，可使裝置在設(shè)定工況下穩(wěn)定運(yùn)行；料液

1. 膜組件外殼 2. 密封膠 3. 膜絲圖4 試驗(yàn)用膜組件內(nèi)膜絲分布Figure 4 The distribution of membrane filaments in the membrane module

圖5 裝置性能指標(biāo)隨料液進(jìn)口溫度的變化Figure 5 The variation of performance index with the inlet liquid temperature

溫度升高時(shí)，膜組件的膜通量和熱效率均可大幅提高，而熱泵制熱系數(shù)則有所減小，裝置造水比在66 ℃左右達(dá)到最大值。實(shí)際應(yīng)用中宜根據(jù)料液和膜組件耐溫特性選取適宜的工作溫度。膜組件性能與理論值還有一定差距，可通過改善膜組件殼側(cè)冷凝水流動(dòng)狀態(tài)，有望使裝置綜合性能更佳。

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Investigation on the performance for the heat pump two-effect direct contact membrane distillation system

LIURong-hui1

CHENDong1

XIEJi-hong1

YANZan-yang1

PENGYue-lian2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China;2.CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityandTechnology,Beijing100124,China)

The experimental heat pump two-effect direct contact membrane distillation system was developed, and its performance was alsostudied systematically. The results showed that the device could concentrate thermal-sensible liquid under low temperature at atmospheric pressure and run under setting conditions by regulating the auxiliary cooler. The membrane flux and thermal efficiency could be greatly increased with the increasing of material temperature. Under the influence of the combined effect of the membrane component thermal efficiency and the heat pump coefficient, the gained output ratio could achieve 1.58 at 66 ℃.

membrane distillation; heat pump; multi-effect; direct contact; concentration

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：21576004)

劉榮輝，女，天津科技大學(xué)在讀博士研究生。

陳東(1968—)，男，天津科技大學(xué)教授，博士。 E-mail：chendong@tust.edu.cn

2017—02—09

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.021