于福榮 陳 東 彭長章 謝繼紅 郝維維劉榮輝

（1.天津科技大學機械工程學院 2.內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責任公司)

應(yīng)用研究

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)及其特性分析

于福榮*1,2陳 東1彭長章2謝繼紅1郝維維1劉榮輝1

（1.天津科技大學機械工程學院 2.內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責任公司)

熱泵可同時提供熱能和冷能，與膜技術(shù)耦合具有較好的節(jié)能效果。在介紹熱泵膜蒸餾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，對膜通量、熱泵制冷系數(shù)、噸水能耗、單位熱泵功率產(chǎn)水率、熱泵功率與膜面積比等參數(shù)隨料液溫度的變化關(guān)系進行了分析。分析結(jié)果對掌握熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的基本特性具有較好的指導作用。

熱泵 膜 蒸餾 熱能 冷能

0 膜蒸餾技術(shù)簡介

膜蒸餾技術(shù)采用微孔膜將料液（熱側(cè)）和易汽化組分（冷側(cè)）分開，料液中的易汽化組分在熱側(cè)膜表面以蒸汽形式進入膜孔通道，依靠蒸汽壓力差推動到達膜的冷側(cè)表面，并通過適當方式凝結(jié)而得到分離液；料液中的難汽化組分則難以通過微孔膜到達冷側(cè)，從而實現(xiàn)料液分離或提純。膜蒸餾技術(shù)在海水或苦咸水淡化、廢水處理等領(lǐng)域均具有很好的應(yīng)用效果[1-3]。

膜蒸餾技術(shù)具有如下基本特點[4-5]：可處理高濃度料液；料液不需要加熱到沸騰，只需膜兩側(cè)維持一定的溫差，膜蒸餾過程即可進行，可以利用太陽能、工業(yè)廢熱等低溫熱源提供熱側(cè)所需的熱能；膜蒸餾過程可在常壓下進行，設(shè)備簡單；熱側(cè)的料液和冷側(cè)的分離液被微孔膜隔開，分離液不會被料液污染；膜蒸餾過程中料液與膜直接接觸，可消除不可凝氣體的干擾；處理易結(jié)晶料液時，可將高濃度料液濃縮至過飽和狀態(tài)，發(fā)生結(jié)晶，直接分離出結(jié)晶產(chǎn)物。

根據(jù)膜冷側(cè)處理水蒸氣方式的不同，膜蒸餾分為以下幾類： (1)直接接觸式膜蒸餾，簡稱DCMD，如圖1（a）所示。料液與膜熱側(cè)、分離液與膜冷側(cè)直接接觸，其結(jié)構(gòu)簡單，蒸汽流程短，膜通量大，但通過膜的無效熱損失較大（熱側(cè)通過膜直接傳遞到冷側(cè)的熱能）。

（2）真空膜蒸餾，簡稱VMD，如圖1（b）所示。利用真空裝置降低冷側(cè)壓力，使易汽化組分到達冷側(cè)后為蒸汽狀態(tài)，并引出膜外進行凝結(jié)。由于膜冷側(cè)的蒸汽具有較大的熱阻，從而可有效降低膜蒸餾過程的無效熱傳遞，同時又具有較小的蒸汽凝結(jié)阻力。

（3）氣隙式膜蒸餾，簡稱AGMD，如圖1（c）所示。膜的冷側(cè)裝有冷卻板，與膜之間構(gòu)成氣隙室，來自冷側(cè)膜表面的蒸汽在氣隙室內(nèi)擴散到冷卻板凝結(jié)為分離液導出。其氣隙形成的熱阻也可實現(xiàn)膜蒸餾過程較小的無效熱損失，但蒸汽的凝結(jié)傳質(zhì)阻力較大。

（4）吹掃氣膜蒸餾，簡稱SGMD，如圖1（d）所示。膜的冷側(cè)通常使用惰性氣體作載體，將通過膜的蒸汽攜帶至外部冷凝，可具有較小的無效熱損失，且蒸汽凝結(jié)傳質(zhì)阻力也可小于氣隙式膜蒸餾。

圖1 四類膜蒸餾

1 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

實際的膜蒸餾裝置除膜組件外，還需熱源、冷源及其他輔助部件。以真空膜蒸餾裝置為例，裝置的組成如圖2所示。

圖2 真空膜蒸餾裝置

裝置在工作時，一方面需要熱源加熱料液，另一方面又需要冷源冷卻水蒸氣，不僅熱源設(shè)備和冷源設(shè)備通常較復雜，而且熱源和冷源的能量消耗也較大（尤其當要求的冷源溫度低于環(huán)境溫度時）。

熱泵是一種高效節(jié)能裝置，可同時提供熱源和冷源，且消耗一份電能通常可獲得2～10倍熱能和冷能。熱泵與膜蒸餾技術(shù)相耦合，不僅系統(tǒng)緊湊，且可大幅度降低膜蒸餾的能耗。

以熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)為例，當水蒸氣凝結(jié)溫度低于環(huán)境溫度時，其系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)（水蒸氣凝結(jié)溫度低于環(huán)境溫度時）

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)由熱泵和膜組件構(gòu)成，不再需要其他人工熱源和冷源。其中壓縮機、加熱器、節(jié)流閥、冷卻器構(gòu)成熱泵，且在熱泵中充注熱泵工質(zhì)。系統(tǒng)中僅壓縮機消耗能量，驅(qū)動熱泵工質(zhì)在加熱器中放熱，加熱料液；出加熱器的熱泵工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥后變?yōu)榈蜏匾后w，進入冷卻器使水蒸氣冷卻凝結(jié)；出冷卻器的熱泵工質(zhì)再回到壓縮機，開始下一個循環(huán)。

當水蒸氣凝結(jié)溫度高于環(huán)境溫度時，其系統(tǒng)示意如圖4所示。

與圖3系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在冷卻水蒸氣的熱泵冷卻器后補充一個環(huán)境輔助冷卻器，利用環(huán)境冷源對水蒸氣進行補充冷卻，在相同的操作條件（料液溫度和水蒸氣凝結(jié)溫度）下，其從料液中分離出單位質(zhì)量分離液的能耗低于圖3所示系統(tǒng)。

圖4 熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)（水蒸氣凝結(jié)溫度高于環(huán)境溫度時）

2 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的基本性能方程

以熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)為例，當膜材料、尺寸、料液等條件確定后，膜組件的基本性能方程如下。

當冷側(cè)水蒸氣凝結(jié)溫度為20℃、真空度為0.09 MPa時，膜通量與熱側(cè)料液溫度的關(guān)系方程為（料液溫度變化范圍40～70℃）[6]：

式中 F——膜通量，kg/(m2·h)；

tH——料液溫度，℃。

熱泵的基本性能方程為[7]：

式中 COPH——熱泵的制熱系數(shù)（提供給料液的加熱量與壓縮機耗能量之比），無因次；

COPC——熱泵的制冷系數(shù)（提供給水蒸氣凝結(jié)所需的冷量與壓縮機耗能量之比）， 無因次；

tH——料液溫度，℃；

tC——水蒸氣凝結(jié)溫度，℃。

系統(tǒng)的噸水能耗（從料液中分離1 t分離液壓縮機消耗的能量）為：

式中 PHPVMD——噸水能耗，MJ/t；

QC——水蒸氣的相變潛熱，MJ/t。

系統(tǒng)單位熱泵壓縮機功率的產(chǎn)水速率（每1 kW熱泵功率的產(chǎn)水速率）為：

式中 mR——單位熱泵壓縮機功率的產(chǎn)水速率，（kg/h）/kW；

QC——水蒸氣的相變潛熱，kJ/kg。

系統(tǒng)單位面積膜組件需匹配的熱泵壓縮機功率（每1 m2膜組件所需配套的熱泵壓縮機功率，即熱泵功率與膜面積比）為：

式中 PCOMF——單位膜面積需匹配的熱泵壓縮機功率，kW/m2；

F——膜通量，kg/(m2·h)。

3 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的特性分析

3.1 能耗分析

以從料液中分離出1 t純水為例。設(shè)計工況為料液溫度tH=55℃，水蒸氣凝結(jié)溫度tC=20℃；取冷源溫度為tCR=15℃，環(huán)境溫度為t0=30℃。

普通真空膜蒸餾裝置從料液中分離出1 t純水時熱源（按電加熱設(shè)備考慮）需提供熱能約為QH= 2400 MJ/t；冷源需提供的冷量約為QC=2400 MJ/t，冷源設(shè)備耗電約PC=400 MJ；熱源與冷源總耗能量為PVMD=2800 MJ。

熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)在上述工況下的制冷系數(shù)為：

從料液中分離出1 t純水壓縮機消耗的能量為：

即不計真空裝置耗能時，熱泵膜蒸餾耗能約為普通膜蒸餾的27%。

3.2 變工況性能分析

當水蒸氣凝結(jié)溫度為20℃，真空度為 0.09MPa，物料溫度為40～70℃時，圖3所示的熱泵真空膜蒸餾系統(tǒng)的主要性能參數(shù)變化規(guī)律如圖5～圖9所示。

膜通量的變化規(guī)律如圖5所示。料液溫度升高時，水蒸氣穿過膜的推動力增加，膜通量也增加，且料液溫度越高，膜通量的增加越顯著。

圖5 膜通量隨料液溫度的變化

熱泵制冷系數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。料液溫度升高時，熱泵加熱溫度也需升高，熱泵需提供的熱能溫度與冷能溫度之差增加，熱泵的制冷系數(shù)減小。

圖6 熱泵制冷系數(shù)隨料液溫度的變化

噸水能耗的變化規(guī)律如圖7所示。料液溫度上升時，由于熱泵制冷系數(shù)下降，噸水能耗增加，且近似與料液溫度呈線性變化。

單位熱泵壓縮機功率的產(chǎn)水速率變化規(guī)律如圖8所示。料液溫度升高時，單位熱泵功率產(chǎn)水速率下降，這是由于熱泵制冷系數(shù)下降，單位熱泵功率可提供的冷能和熱能均下降。

單位面積膜組件匹配的熱泵壓縮機功率的變化規(guī)律如圖9所示。料液溫度升高時，熱泵功率與膜面積比增加。這是由于此時膜通量增加，熱泵制冷系數(shù)下降，單位產(chǎn)水速率所需的熱泵功率增加，熱泵功率與膜面積之比增加。

圖7 噸水能耗隨料液溫度的變化

圖8 單位熱泵功率產(chǎn)水速率隨料液溫度的變化

圖9 熱泵功率與膜面積比隨料液溫度的變化

4 結(jié)論與建議

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、能耗低等特點，與采用獨立電熱源和冷源的普通膜裝置相比，其能耗僅約為普通膜裝置的1/3。熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的性能受熱側(cè)和冷側(cè)溫度的影響很大，隨熱側(cè)料液溫度的升高，膜通量增加而熱泵制冷系數(shù)下降，導致噸水能耗、單位膜面積需配置的熱泵功率增加，而單位熱泵功率的產(chǎn)水速率則下降。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)料液特性，對膜組件、熱泵、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)等進行綜合優(yōu)化，以獲得良好的技術(shù)和經(jīng)濟性能。

[1]Hassan E S F，Samy M E.PV and thermally driven small-scale,standalone solar desalination systems with verylow ma intenanceneeds [J] .Desalination，2008，225：58-69.

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[3]高虹，殷文琦，等.太陽能膜蒸餾淡化系統(tǒng)試驗及熱性能分析 [J].可再生能源，2013，31（3）：7-10.

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Analysis of Heat Pump Membrane Distillation System and Its Characteristics

Yu Furong Chen Dong Peng Changzhang Xie Jihong Hao Weiwei Liu Ronghui

Heat pumps could provide both heat energy and cold energy,and has good energy saving effect coupled with membrane technology.Based on the production to the structure and working principle of the heat pump membrane distillation system,analyzed the variation of the membrane flux,heat pump refrigeration coefficient, energy consumption per ton water,water production rate of unit power,ratio of heat pump power and membrane area with feed temperature.The results could play guiding role in mastering the basic characteristics of the heat pump membrane distillation system.

Heat pump;Membrane;Distillation;Heat energy;Cold energy

TQ 026

2013-09-09）

*于福榮，男，1975年生，碩士研究生，助理工程師。天津市，300222。