熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的研制及性能測試

閆贊揚(yáng)陳東謝繼紅金程彭躍蓮

（1. 天津科技大學(xué)，天津 300222；2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的研制及性能測試

閆贊揚(yáng)1陳東1謝繼紅1金程1彭躍蓮2

（1. 天津科技大學(xué)，天津 300222；2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、可在常壓下實(shí)現(xiàn)料液的低溫濃縮、能耗低等特點(diǎn)，在對膜蒸餾技術(shù)進(jìn)行簡要介紹的基礎(chǔ)上，分析了該集成裝置的構(gòu)成、工作原理和工況參數(shù)，并給出了該裝置的典型實(shí)測數(shù)據(jù)，即當(dāng)料液進(jìn)一效膜組件溫度在53～73 ℃變化時，裝置的造水比為0.98～1.56，熱泵制熱系數(shù)為3.0～3.5，膜組件的平均熱效率為20.8 %～49.6 %，膜組件的平均膜通量為1.13～2.54 kg/( m2·h )，表明裝置造水比和熱泵制熱系數(shù)均較好，對膜組件的熱效率和膜通量偏低，則需要進(jìn)一步對膜組件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

膜蒸餾；直接接觸式；兩效；熱泵

在食品、生物、化工、制藥等行業(yè)中均有多種類型的熱敏性料液需要濃縮處理，傳統(tǒng)的低溫濃縮方法一般采用真空濃縮[1]，需配置專用的真空裝置，對系統(tǒng)的密封和管理要求很高，從而投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。膜蒸餾可以實(shí)現(xiàn)常壓下低溫濃縮[2-3]，其中直接接觸式膜蒸餾的基本原理如圖1所示。

圖1 直接接觸式膜蒸餾的原理Fig. 1 Principle of direct-contact membrane distillation

由圖1可見，膜蒸餾的疏水膜具有只允許水蒸氣通過的特性，料液中的水分在疏水微孔膜壁汽化后，穿過膜孔進(jìn)入冷凝水側(cè)，而料液中的不揮發(fā)溶質(zhì)被截留，從而實(shí)現(xiàn)料液的濃縮分離[4]。膜蒸餾過程中，料液側(cè)需要不斷消耗熱能使水分汽化，同時冷凝水側(cè)又需要不斷消耗冷能對透過膜孔的蒸汽進(jìn)行冷凝。

熱泵是消耗少量電能可同時制取多倍熱能和冷能的裝置[5]，將熱泵與膜蒸餾過程集成，利用熱泵將冷側(cè)蒸汽釋放的潛熱用來加熱料液，實(shí)現(xiàn)熱能的回收利用。所以，該集成裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等優(yōu)勢[6]。

基于此，研制了熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置，膜組件采用結(jié)構(gòu)簡單的直接接觸式膜組件，膜組件所需熱能和冷能由熱泵提供，并通過兩效膜組件的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)熱能和冷能的梯級利用。

1 集成裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的基本構(gòu)成如圖2所示。

由圖2可見，熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置由五個循環(huán)單元構(gòu)成：熱泵循環(huán)單元，包括壓縮機(jī)、加熱器、節(jié)流閥、冷卻器，其中的循環(huán)介質(zhì)為熱泵工質(zhì)；一效料液循環(huán)單元，包括一效料液罐、一效料液泵、調(diào)節(jié)閥、加熱器、一效膜組件，其中的循環(huán)介質(zhì)為一效料液；一效冷凝水循環(huán)單元，包括一效冷凝水罐，一效冷凝水泵、調(diào)節(jié)閥、中間換熱器、一效膜組件，其中的循環(huán)介質(zhì)為一效膜組件產(chǎn)生的冷凝水；二效料液循環(huán)單元，包括二效料液罐、二效料液泵、調(diào)節(jié)閥、中間換熱器、二效膜組件，其中的循環(huán)介質(zhì)為二效料液；二效冷凝水循環(huán)單元，包括二效冷凝水罐、二效冷凝水泵、調(diào)節(jié)閥、冷卻器、輔冷器、二效膜組件，其中的循環(huán)介質(zhì)為二效膜組件產(chǎn)生的冷凝水。

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的工作過程如下：當(dāng)料液需要濃縮時，熱泵循環(huán)單元工作，壓縮機(jī)啟動，高溫的熱泵工質(zhì)在加熱器中加熱一效料液， 一效料液循環(huán)單元工作，一效膜組件中一效料液中的水分汽化后，穿過膜孔冷卻為冷凝水，形成一效冷凝水循環(huán)，當(dāng)一效冷凝水罐充滿后，冷凝水通過純凈水采集口連續(xù)排出，并可通過電子秤連續(xù)測量產(chǎn)水量。一效膜組件工作過程中，由于蒸汽放出的潛熱逐漸將一效冷凝水加熱，熱的一效冷凝水通過中間換熱器加熱二效料液循環(huán)單元中的料液，驅(qū)動二效膜組件工作，形成二效料液和冷凝水的循環(huán)，二效膜組件生產(chǎn)的冷凝水通過純凈水采集口連續(xù)排出并測量；二效冷凝水在冷卻器和輔冷器中被連續(xù)冷卻，提供跨膜蒸汽凝結(jié)所需要的冷量。

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置主要有如下特點(diǎn)：在常壓下即可實(shí)現(xiàn)熱敏料液的低溫濃縮；裝置的一效料液罐和二效料液罐可以放置不同的料液，即一套裝置可以同時實(shí)現(xiàn)不同料液的濃縮；整套裝置的主要部件為膜組件和熱泵，不再需要冷卻塔、燃料加熱器等輔助設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；只需要給熱泵提供少量電能就能生產(chǎn)多倍冷能和熱能，再通過中間換熱器在一效膜組件和二效膜組件之間實(shí)現(xiàn)冷能和熱能的梯級利用，能源效率高。

圖2 熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置原理Fig. 2 Principle of the heat pump two-effect direct contact membrane distillation system

2 集成裝置的性能參數(shù)

（1）造水比GOR

造水比GOR（gained output ratio）是表征集成裝置能源效率的指標(biāo)，是膜組件產(chǎn)水汽化消耗的熱能與熱泵壓縮機(jī)消耗電能之比，其含義為相對于料液直接蒸發(fā)濃縮的節(jié)能倍率，其計算式見式（1）。

式中 GOR——裝置的造水比，無因次；

mWT——裝置的產(chǎn)水速率，kg/s；

rW——料液濃縮溫度下水的汽化潛熱，kJ/kg；

P——壓縮機(jī)功率，kW。

（2）熱泵制熱系數(shù)COPH

熱泵制熱系數(shù)COPH（coef fi cient of performance of heat pump）是表征熱泵循環(huán)單元能源效率的指標(biāo)，其含義為熱泵制熱量與熱泵壓縮機(jī)消耗功率之比，其計算式見式（2）：

式中 COPH——熱泵制熱系數(shù)，無因次；

mHM——一效料液質(zhì)量流量，kg/s；

cW——一效料液比熱容，kJ/（kg·℃）；

THM2——一效料液出加熱器的溫度，℃；

THM1——一效料液進(jìn)加熱器的溫度，℃。

（3）膜組件熱效率ηM

膜組件熱效率是表征膜組件在膜蒸餾過程中熱能利用率的性能指標(biāo)，其含義為膜組件產(chǎn)水汽化熱能與膜組件料液側(cè)放出的熱能之比，其計算式見式（3）：

式中 ηM——膜組件熱效率，無因次；

mW——膜組件產(chǎn)水速率，kg/s；

mMM——膜組件中料液質(zhì)量流量，kg/s；

cM——料液比熱容，kJ/（kg·℃）；

TMM1——料液進(jìn)膜組件的溫度，℃；

TMM2——料液出膜組件的溫度，℃。

（4）膜通量JM

膜通量是表示膜組件產(chǎn)水能力的性能指標(biāo)，其含義為單位面積的膜組件在單位時間內(nèi)的產(chǎn)水量，其計算式見式（4）：

式中 JM——膜通量，kg/(m2·s )；

mW——裝置產(chǎn)水速率，kg/s；

A——膜面積，m2。

3 實(shí)驗結(jié)果及分析

本實(shí)驗用集成裝置的關(guān)鍵部件配置如下。

熱泵：膜蒸餾專用轉(zhuǎn)子式中溫機(jī)組，額定功率1.5 HP。

一效膜組件：聚丙烯中空纖維膜組件，平均孔徑0.2 μm，膜面積0.550 m2。

二效膜組件：聚丙烯中空纖維膜組件，平均孔徑0.2 μm，膜面積0.480 m2。

中間換熱器：套管式換熱器，材質(zhì)為紫銅，換熱面積0.15 m2。

當(dāng)一效料液和冷凝水流量分別為0.143 kg/s和0.129 kg/s，二效料液和冷凝水流量分別為0.097 kg/s和0.123 kg/s時，裝置不同工作溫度下的性能如表1所示。

表1 不同工況下的裝置性能Tab. 1 Performance of equipment under different working conditions

由裝置的實(shí)測性能和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相對比，膜組件的熱效率和膜通量偏低（膜組件的實(shí)測膜通量僅約為理論值的1/5，熱效率約為理論值的1/2）[7]，熱泵制熱系數(shù)較好（實(shí)測制熱系數(shù)與理論值相近）[8]，造水比受膜組件熱效率和熱泵制熱系數(shù)的共同影響，也相對較好，但隨著膜組件性能的改進(jìn)，還有很大的提升空間。下一步主要可通過膜材料和膜組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來改進(jìn)膜組件的性能，從而使裝置的造水比得到進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論和建議

熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、可在常壓下實(shí)現(xiàn)料液的低溫濃縮、能耗低等優(yōu)勢，通過所研制裝置的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，造水比和熱泵制熱系數(shù)較好，膜組件的熱效率和膜通量偏低，應(yīng)重點(diǎn)對膜組件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，研制適于直接接觸式熱泵多效膜蒸餾裝置的專用膜組件。

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[4]申龍，高瑞昶. 膜蒸餾技術(shù)最新研究應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2013，23（2）：289-295.

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[8]陳東，謝繼紅. 熱泵技術(shù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

Development of Heat Pump Two-effect Direct Contact Membrane Distillation Equipment and Test of Its Performance

Yan Zanyang, Chen Dong, Xie Jihong, Jin Cheng, Peng Yuelian
（1. Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222; 2. Beijing University and Technology, Beijing 100124）

Heat pump two-effect direct contact membrane distillation equipment has characteristics such as simple structure, low concentration temperature under normal pressure and low energy consumption. In this article, with the introduction of membrane distillation technology, the structure, working principle and operating parameters for this equipment were analyzed. In addition, a group of experimental data of this equipment were presented. When the feed solution temperature of the fi rst effect membrane module changed from 53 to 73 °C , the changes of GOR, COPH, ηMA, JMAwere 0.98 to 1.56, 3.0 to 3.5, 20.8% to 49.6% and 1.13 to 2.54 kg/(m2·h) respectively. It was shown that the GOR and COPHwere at reasonable level. but the ηMand JMwere relatively low. so the material and structure of the membrane module should be further optimized.

membrane distillation; direct contact; two-effect; heat pump

TQ 028.8

：A

：2095-817X（2017）02-0037-004

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金項目（21576004）

閆贊揚(yáng)（1992—），男，碩士研究生，從事熱泵膜蒸餾研究。