氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置的設(shè)計(jì)及其性能分析

張芃悅，陳 東，謝繼紅，程晉軍，胡勝威，張 旭

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

在食品、生物、制藥等領(lǐng)域有多種熱敏料液需要進(jìn)行低溫濃縮，如菠蘿汁、黃秋葵汁、乳清蛋白溶液、丹酚酸B溶液等，其濃縮溫度通常在30～45℃[1-5].常用的料液低溫濃縮方法有真空沸騰蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮、膜蒸餾濃縮等[6]．真空沸騰蒸發(fā)濃縮的特點(diǎn)是料液蒸發(fā)強(qiáng)度高，但需要真空設(shè)備，對(duì)裝置的耐壓要求高[7]．冷凍濃縮的特點(diǎn)是料液處理溫度低于冰點(diǎn)，揮發(fā)性成分保存率較高，但料液濃度較高時(shí)冰晶中溶質(zhì)夾帶較多[8-9]．膜蒸餾可在常壓下對(duì)料液實(shí)現(xiàn)低溫濃縮，易于處理中、高濃度料液，用于熱敏料液濃縮有較好的優(yōu)勢(shì)[10]．

膜蒸餾可分為直接接觸式、真空式、氣隙式和氣掃式等類型[11]．氣掃式膜蒸餾具有較高的熱效率和膜通量，且吹掃氣對(duì)膜的干燥作用可使膜有較長(zhǎng)的使用壽命，便于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[12-13]．

氣掃式膜蒸餾的性能指標(biāo)主要有膜通量、能耗等．膜通量可通過調(diào)節(jié)吹掃氣流速而方便地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化[14]，而能耗的影響因素比較復(fù)雜．Tan等[15]將熱電熱泵與氣掃式膜蒸餾耦合，利用熱電熱泵回收吹掃氣余熱，但熱電熱泵的制熱系數(shù)較低，料液濃縮能耗仍較高．楊丹等[16]采用多效膜蒸餾方法，用出膜蒸餾組件的吹掃氣余熱對(duì)進(jìn)膜蒸餾組件料液進(jìn)行預(yù)熱，該方法在處理耐高溫料液時(shí)具有較好的效果，處理熱敏料液時(shí)受到一定限制．

本文設(shè)計(jì)了一種可對(duì)熱敏料液在常壓下進(jìn)行低溫濃縮且能耗較低的氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置，并對(duì)其原理、特性方程及性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究．

1 裝置原理與特點(diǎn)

氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置的流程如圖1所示．由圖1可見，該裝置包括料液循環(huán)單元、吹掃氣循環(huán)單元以及熱泵單元3部分．料液循環(huán)單元由料液泵、膜蒸餾組件、加熱器組成，其循環(huán)介質(zhì)為熱敏料液；吹掃氣循環(huán)單元由風(fēng)機(jī)、熱管式預(yù)熱器(也可選用板翅式換熱器等，但熱管式預(yù)熱器安裝布置較方便)、冷卻器、膜蒸餾組件組成，其循環(huán)介質(zhì)為吹掃氣(通常為空氣，當(dāng)熱敏料液中含有對(duì)氧氣敏感的成分時(shí)，也可采用氮?dú)獾?；熱泵單元由壓縮機(jī)、加熱器、膨脹閥和冷卻器組成，其循環(huán)介質(zhì)是熱泵工質(zhì)．

圖1 裝置流程圖Fig. 1 Flow chart of the device

氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置的工作過程為(熱敏料液以果汁為例)：熱泵單元中，壓縮機(jī)排出的高溫高壓熱泵工質(zhì)在加熱器中放熱給料液，出加熱器的高壓液態(tài)熱泵工質(zhì)經(jīng)膨脹閥，產(chǎn)生低溫低壓熱泵工質(zhì)液體，該液體進(jìn)入冷卻器吸收吹掃氣熱能，出冷卻器的低溫低壓熱泵工質(zhì)氣體，再回到壓縮機(jī)，開始下一個(gè)循環(huán)．

料液循環(huán)單元中，在加熱器中被加熱到設(shè)定溫度的料液，在料液泵的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入膜蒸餾組件；料液在膜表面流動(dòng)過程中，料液中的水分在膜表面汽化為水蒸氣，水蒸氣穿過膜孔到達(dá)吹掃氣側(cè)；料液中水分在膜表面汽化時(shí)需要消耗熱能，因此隨著料液在膜蒸餾組件內(nèi)流動(dòng)，料液的溫度降低、水分含量逐漸減少，出膜蒸餾組件時(shí)變?yōu)闇囟冉档?、濃度升高的狀態(tài)，再進(jìn)入加熱器，開始下一個(gè)循環(huán)．

吹掃氣循環(huán)單元中，出膜蒸餾組件的溫度較高、水蒸氣含量較高的熱濕吹掃氣攜帶跨膜過來的水蒸氣，在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入熱管式預(yù)熱器的放熱側(cè)(左側(cè))，加熱進(jìn)膜蒸餾組件前的低溫吹掃氣；出熱管式預(yù)熱器的吹掃氣再進(jìn)入冷卻器，被冷卻器內(nèi)的低溫?zé)岜霉べ|(zhì)冷卻至設(shè)定溫度，并使其中的水蒸氣凝結(jié)為冷凝水；出冷卻器的冷干吹掃氣，再進(jìn)入熱管式預(yù)熱器吸熱側(cè)(右側(cè))，被升溫至設(shè)定溫度后，返回膜蒸餾組件，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)．

裝置運(yùn)行時(shí)，料液中水分能夠穿膜是由于膜表面水蒸氣壓力高于吹掃氣中水蒸氣壓力，因此，料液膜蒸餾濃縮可在常壓低溫下實(shí)現(xiàn)．膜蒸餾過程中消耗的熱能主要用于料液中水分在膜表面汽化和吹掃氣吸熱升溫，前者為有效熱負(fù)荷，后者為無效熱負(fù)荷．由于進(jìn)膜組件的吹掃氣已被熱管預(yù)熱器加熱至較高溫度，吹掃氣在膜組件中升溫耗熱很少，因此膜蒸餾過程可具有很高的熱效率．料液在膜蒸餾過程中消耗的熱能主要來自熱泵工質(zhì)回收吹掃氣中所含的余熱，壓縮機(jī)僅消耗少量能量驅(qū)動(dòng)熱泵工質(zhì)在熱泵單元中循環(huán)．通過料液?jiǎn)卧?、吹掃氣單元和熱泵單元的協(xié)調(diào)運(yùn)行，裝置可實(shí)現(xiàn)熱敏料液的常壓、低溫、低能耗濃縮．

2 裝置特性方程

裝置濃縮速率(即膜蒸餾組件中水蒸氣穿膜速率)方程為

式中：MW為裝置濃縮速率，kg/s；AM為膜蒸餾組件中膜面積，m2；pFW為料液側(cè)膜表面水蒸氣壓力，Pa；pAW為吹掃氣內(nèi)水蒸氣壓力，Pa；RMK為水蒸氣穿膜阻力系數(shù)，(m2·s·Pa)/kg；RSG為水蒸氣向吹掃氣中傳質(zhì)阻力系數(shù)，(m2·s·Pa)/kg．

膜蒸餾組件有效熱負(fù)荷(料液中水分汽化耗熱量)方程為

式中：QM1為膜蒸餾組件的有效熱負(fù)荷，W；rW為料液中水分汽化潛熱，J/kg．

膜蒸餾組件無效熱負(fù)荷(吹掃氣在膜蒸餾組件中的升溫吸熱量)為

式中：QM2為膜蒸餾組件的無效熱負(fù)荷，W；TFW為料液在膜蒸餾組件中的平均溫度，℃；TAM為吹掃氣在膜蒸餾組件中的平均溫度，℃；αF為料液側(cè)膜表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δM為膜壁厚，m；λM為膜壁熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；αA為吹掃氣側(cè)膜表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)．

膜蒸餾組件熱效率方程為

式中：ηM為膜蒸餾組件熱效率，無因次．

預(yù)熱器熱回收率方程為

式中：ηE為預(yù)熱器熱回收率，無因次；HAMI為進(jìn)膜組件吹掃氣的焓，J/kg；HACO為出冷卻器吹掃氣的焓，J/kg；HAMO為出膜組件吹掃氣的焓，J/kg；HACI為進(jìn)冷卻器吹掃氣的焓，J/kg．

熱泵制熱系數(shù)(加熱器對(duì)料液加熱量與壓縮機(jī)能耗之比)和壓縮機(jī)功率方程為

式中：COPHP為熱泵制熱系數(shù)，無因次；CHP為熱泵熱力學(xué)完善度系數(shù)，無因次；TRH為熱泵工質(zhì)冷凝溫度，TRH=TFM+ΔTH，TFM和ΔTH分別為加熱器中料液平均溫度以及加熱器傳熱溫差，℃；TRC為熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度，TRC=TAC-ΔTC，TAC和ΔTC分別為冷卻器中吹掃氣平均溫度以及冷卻器傳熱溫差，℃；PCOM為熱泵壓縮機(jī)功率，W．

裝置節(jié)能倍率(相對(duì)于單效蒸發(fā)的節(jié)能倍數(shù)，約等于多效蒸發(fā)的效數(shù)；裝置中料液泵與風(fēng)機(jī)的能耗通常不超過壓縮機(jī)能耗的5%，因此計(jì)算節(jié)能倍率時(shí)主要考慮壓縮機(jī)能耗)方程為

式中：ESR為裝置節(jié)能倍率，無因次．

裝置噸水能耗(該指標(biāo)與裝置節(jié)能倍率可一一對(duì)應(yīng)，但裝置節(jié)能倍率通用性更好)方程為

式中：ECPT是裝置噸水能耗，kW·h/t．

3 裝置性能分析

熱泵膜蒸餾裝置的主要性能指標(biāo)為膜蒸餾組件熱效率、熱泵制熱系數(shù)、裝置節(jié)能倍率、裝置濃縮速率(即膜蒸餾組件中水蒸氣穿膜速率)，影響上述性能指標(biāo)的主要因素為料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度和吹掃氣出冷卻器溫度．

應(yīng)用式(1)—式(8)，可計(jì)算分析料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度和吹掃氣出冷卻器溫度對(duì)膜蒸餾組件熱效率、熱泵制熱系數(shù)、裝置節(jié)能倍率、裝置濃縮速率的影響規(guī)律．取基準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)：料液在膜蒸餾組件中溫度降幅為5℃，空氣進(jìn)膜蒸餾組件質(zhì)量流量為0.05kg/s，空氣進(jìn)膜蒸餾組件溫度等于料液出膜蒸餾組件溫度，空氣出膜蒸餾組件溫度比料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度低2℃，空氣出膜蒸餾組件相對(duì)濕度85%，料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度為46℃，吹掃氣出冷卻器溫度為15℃，出冷卻器相對(duì)濕度為100%．

其他參數(shù)取基準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，4個(gè)性能指標(biāo)隨料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度的變化規(guī)律如圖2、圖3所示．

圖2 熱泵制熱系數(shù)和膜蒸餾組件熱效率隨料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度的變化規(guī)律Fig. 2 Variations of coefficient of performance and thermal efficiency of the membrane distillation with temperature of feed liquid into the membrane distillation

由圖2和圖3可見，隨著料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度的升高，膜蒸餾組件熱效率和裝置濃縮速率增加，而熱泵制熱系數(shù)和裝置節(jié)能倍率減小．這是由于：料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度升高時(shí)，料液側(cè)膜表面水蒸氣壓力顯著增加，水蒸氣穿膜速率增加，因而裝置濃縮速率增加；水蒸氣穿膜速率增加會(huì)使膜蒸餾組件的有效熱負(fù)荷增加，從而使膜蒸餾組件熱效率增加，熱效率最高可達(dá)0.976；但料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度升高時(shí)，會(huì)使熱泵工質(zhì)的冷凝溫度上升，導(dǎo)致熱泵工質(zhì)冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之差增大，使熱泵制熱系數(shù)下降、熱泵壓縮機(jī)功率增加，從而使裝置節(jié)能倍率下降．

圖3 裝置節(jié)能倍率和裝置濃縮速率隨料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度的變化規(guī)律Fig. 3 Variations of energy saving ratio and concentration rate of the device with temperature of feed liquid into the membrane distillation

其他參數(shù)取基準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，4個(gè)性能指標(biāo)隨空氣出冷卻器溫度的變化規(guī)律如圖4、圖5所示．

圖4 熱泵制熱系數(shù)和膜蒸餾組件熱效率隨空氣出冷卻器溫度的變化規(guī)律Fig. 4 Variations of coefficient of performance and thermal efficiency of the membrane distillation with temperature of air out of the cooler

由圖4和圖5可見，隨著吹掃氣出冷卻器溫度的升高，膜蒸餾組件熱效率和裝置濃縮速率降低，熱泵制熱系數(shù)和裝置節(jié)能倍率增加．這是由于：當(dāng)吹掃氣出冷卻器溫度上升時(shí)(相對(duì)濕度100%)，進(jìn)入膜蒸餾組件的吹掃氣中水蒸氣含量增加，使吹掃氣在膜蒸餾組件中吸收水蒸氣的能力下降，導(dǎo)致料液中水蒸氣穿膜速率下降，從而使裝置濃縮速率降低；料液中水蒸氣穿膜速率下降使膜蒸餾組件的有效熱負(fù)荷降低，從而使膜蒸餾組件的熱效率降低，但熱效率最低值高于0.95；出冷卻器的吹掃氣溫度升高時(shí)，熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)溫度升高，熱泵工質(zhì)的冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之差減小，熱泵制熱系數(shù)上升，進(jìn)而導(dǎo)致熱泵壓縮機(jī)功率降低，使裝置節(jié)能倍率增加．

圖5 裝置節(jié)能倍率和裝置濃縮速率隨空氣出冷卻器溫度的變化規(guī)律Fig. 5 Variations of energy saving ratio and concentration rate of the device with temperature of air out of the cooler

由上述計(jì)算分析可知，氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置具有較高的節(jié)能倍率；以基準(zhǔn)參數(shù)工況為例，裝置的節(jié)能倍率可達(dá)4.9，裝置能耗約為真空單效蒸發(fā)濃縮的1/5．

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的氣掃式預(yù)熱型熱泵膜蒸餾裝置可在常壓下實(shí)現(xiàn)熱敏料液的低溫、低能耗濃縮，通過預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入膜蒸餾組件的吹掃氣進(jìn)行預(yù)熱，可使膜蒸餾組件的熱效率達(dá)0.95以上．對(duì)裝置性能指標(biāo)的分析計(jì)算表明，熱泵制熱系數(shù)和裝置節(jié)能倍率隨料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度的升高而減小，隨著吹掃氣出冷卻器溫度的升高而增加．膜蒸餾組件熱效率和裝置濃縮速率隨料液進(jìn)膜組件溫度的升高而增加，隨吹掃氣出冷卻器溫度的升高而降低．在基準(zhǔn)參數(shù)工況下，裝置節(jié)能倍率可達(dá)4.9，約為真空單效蒸發(fā)濃縮的1/5．