(西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院 西安 710049)

我國建筑能耗在能源總消耗中約占27.6%，其中暖通空調和熱水系統(tǒng)在建筑能耗中約占60%[1]。在國家能源消耗總量的強制約束下，建筑能源使用也應實行總量控制[2]?！秶覒獙夂蜃兓?guī)劃(2014—2020)》中提出大力推進以太陽能為代表的可再生能源的開發(fā)利用。然而，由于太陽輻射的能量密度分布較低，現(xiàn)有廣泛應用的太陽能光熱集熱器中，集熱工質的溫度理論上可以達到90～100 ℃[3]，實際應用中受天氣和空氣質量的影響，集熱工質的溫度會出現(xiàn)波動。同時，太陽能的應用也存在時間上的晝夜供需矛盾。

蓄能技術是解決太陽能集熱溫度波動和能源晝夜供需矛盾的有效方法。目前主要的蓄能方法包括顯熱蓄能技術、潛熱蓄能技術、熱化學蓄能技術等。顯熱蓄能屬于溫差蓄能，潛熱蓄能屬于溫差相變蓄能。這兩種蓄能方法應用廣泛，但存在蓄能裝置需要絕熱處理、熱損失和不宜長時間存放的缺點。熱化學蓄能技術是基于可逆熱化學反應進行無熱損的太陽能熱存儲技術[4-5]，一般需要高溫聚焦型太陽能集熱器加熱至幾百攝氏度。

徐士鳴等[6-10]提出了變質量能量轉換與儲存的蓄能技術，通過改變溶液的質量濃度作為能量的轉換和儲存方式，將熱能轉化為溶液的濃度潛能，具有無熱損、無需保溫、長期穩(wěn)定存儲的優(yōu)點，適用于以溴化鋰溶液為工質的吸收式熱力系統(tǒng)。依托溴化鋰吸收式熱力系統(tǒng)，可以將熱能轉換為工作溶液潛能和制冷劑潛能。

在傳統(tǒng)溴化鋰吸收式熱力系統(tǒng)中，受冷卻水溫度、真空度和溶液濃度的限制，對熱源溫度的要求較高。單效吸收循環(huán)的發(fā)生溫度不宜過低，最佳工作溫度為80～100 ℃，熱源進出口溫差一般在10 ℃或以下；雙效及以上的吸收循環(huán)雖然熱效率較高，但對熱源溫度要求也很高，典型的雙效吸收循環(huán)的高溫熱源溫度都在120 ℃以上，已超過普通太陽能集熱器的集熱溫度，須采用特殊的集熱器才能滿足要求；二級吸收式機組與單效機組相比，分別增加了一個發(fā)生器、吸收器和溶液熱交換器，二級吸收式制冷機可以充分利用低溫熱源，最低工作溫度可低至60 ℃[11]。但相對于單效循環(huán)，COP較低，同時增加了諸多換熱器，設備結構較復雜、總投資費用增加、運行控制復雜。

對于溴化鋰吸收式熱力系統(tǒng)而言，不論循環(huán)外在形式如何，在發(fā)生器的過程就是蒸餾/精餾過程，限制發(fā)生溫度的主要因素為發(fā)生器對應壓力和濃度下的終了發(fā)生溫度(終了沸點)。因此，為了能充分利用變質量能量轉換與儲存的蓄能技術，根據(jù)對低品位熱源的利用要求，需要尋求一種結構簡單，對熱源溫度要求低的蒸餾/精餾流程或方法，可極大程度上促進能源的利用率。

膜蒸餾技術是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種新型高效分離技術[12]，利用高分子疏水微孔膜結構上的功能達到溶液蒸餾目的。不同于傳統(tǒng)蒸餾工藝，膜蒸餾過程不需要將溶液加熱至沸點狀態(tài)，只要膜兩側維持適當溫差就可實現(xiàn)蒸餾過程，因此操作溫度比傳統(tǒng)蒸餾低得多，可有效利用地熱能、太陽能、余熱等低品位能源。膜蒸餾的傳質推動力為溶液的溫差，而不是溶液本身的壓力差，故在傳質過程中無需消耗壓力能[12]，與反滲透、微濾和超濾等膜分離方法不同，膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進行，設備簡單。在非揮發(fā)性水溶液膜蒸餾過程中，只有水蒸氣能透過膜孔，蒸餾液純凈，甚至可以將溶液濃縮至飽和狀態(tài)。另外，由于膜材料的多孔結構，膜組件單位體積所能提供的膜接觸面積很大，同時膜材料采用高分子聚合材料，在體積和重量上大大減小。

綜上所述，本文以太陽能熱利用和蓄能為背景，針對變質量能量轉換與儲存蓄能技術在傳統(tǒng)溴化鋰吸收式熱力系統(tǒng)中的熱源溫度要求過高等問題，提出一種基于膜蒸餾的太陽能溶液蓄能模式，以50%溴化鋰溶液為工質，以聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜為載體，進行減壓膜蒸餾實驗，研究膜蒸餾技術在溶液蓄能和太陽能熱利用中的應用。

1 膜蒸餾過程的基本原理

圖1所示為單根PVDF中空纖維膜膜管的微觀電鏡剖面圖，可知度膜表面的孔隙率很高，均勻分布著直徑約為0.16 μm的微孔，孔徑尺寸與水蒸氣分子平均自由程相當。表面的疏水特性使得只有水蒸氣才能通過膜孔，液體不能通過；膜孔的高孔隙率分布使溶液與微孔的接觸面積較大，對流體邊界層起持續(xù)微擾動作用，有利于降低膜表面的溫度極化和濃度極化現(xiàn)象，有利于水蒸氣的跨膜傳質。

圖1 中空纖維膜微觀圖Fig.1 Micrograph of hollow fiber membrane

圖2所示為中空纖維膜組件，在組件中裝填著成百上千根膜管，將組件分為管側和殼側，管側通過高溫溶液，殼側根據(jù)水蒸氣的處理方式不同，分為直接接觸膜蒸餾(DCMD)、氣隙式膜蒸餾(AGMD)、吹掃氣膜蒸餾(SGMD)和真空膜蒸餾(VMD)。

圖2 中空纖維膜組件Fig.2 Hollow fiber membrane module

管側溶液的溫度和對應的水蒸氣壓力比殼側高，在膜兩側水蒸氣壓差的推動下，水蒸氣由管側向殼側傳遞。其傳質過程的數(shù)學描述如下[13-15]：

J=K(p1-p2)

(1)

式中：J為水蒸氣傳質通量，kg/(m2·h)；p1，p2為膜兩側水蒸氣分壓力，Pa；K為膜傳質系數(shù)，kg/(m2·h·Pa)。

水蒸氣的跨膜傳質過程和膜傳質系數(shù)K非常復雜，除了與膜材料有關外，還與流體的物性參數(shù)和實驗工況相關，詳細的分析過程在文獻[16-17]中涉及，不再贅述。

2 溴化鋰溶液的減壓膜蒸餾實驗

表1所示為實驗中采用的膜材料(PVDF)參數(shù)和中空纖維膜組件(300膜管)參數(shù)。

表1 膜材料參數(shù)和中空纖維膜組件參數(shù)Tab.1 Parameters of membrane material andhollow fiber membrane module

圖3所示為實驗原理，實驗使用的溶液為50%質量濃度的溴化鋰溶液，溶液溫度范圍為65～90 ℃，流量范圍為40～120 L/h，冷卻水溫度為15 ℃，真空度為0.085～0.095 MPa(絕對壓力0.005～0.015 MPa)。

1恒溫水??；2磁力泵；3流量計；4中空纖維膜組件；5水冷式冷卻管；6冷卻水流量計；7冷凝水收集器；8真空度調節(jié)器；9真空泵。圖3 實驗原理Fig.3 Experimental principle

每種實驗工況進行3次實驗，取算數(shù)平均值，最大程度上消除人為讀數(shù)造成的誤差。實驗結果中膜通量的計算式如下：

J=W/(St)

(2)

式中：W為餾出液(液態(tài)水)質量，kg；S為膜面積，m2；t為時間，h。

3 實驗結果與分析

圖4(a)為溶液入口溫度對水蒸氣傳質通量J的影響。可以看出，J隨著溶液入口溫度的增加幾乎呈線性增加。這是因為膜熱側溫度越高，水蒸氣的飽和蒸氣壓升高，膜兩側的壓差提高，水蒸氣通過膜的傳質推動力增大。

圖4(b)為溶液流量對膜通量的影響?？芍狫隨著溶液流量的提高而增加。原因是：1)流量增加提高了溶液的流速，加大了溶液流動的擾動性，減小了膜側的熱邊界層厚度，消減了膜表面的溫度邊界層和濃度邊界層，也減小了水蒸氣在膜孔的擴散阻力；2)擾動的增加提高了膜表面的換熱，膜表面的溫度升高，相應地膜兩側的水蒸氣壓力差提高，有利于提高膜通量；3)入口溫度不變，溶液流量增加后，出口溫度升高，流經(jīng)中空纖維膜管的溶液平均溫度增加，水蒸氣在膜兩側傳遞的平均驅動力增大。而且流量的增加受限于膜材料的強度LEPw[18-19](Liquid Entry Pressure of water)。

圖4(c)為殼側真空度對膜通量的影響。殼側真空度的提高有效增加了J，由式(1)可知，提高了膜兩側的水蒸氣壓差，增加了傳質推動力；此外，當水蒸氣通過膜壁面?zhèn)鬟f到氣體側表面時，水蒸氣分子需要在空氣擴散才能遷移到冷凝壁面，空氣對水蒸氣的擴散形成了氣側的傳質阻力。當真空度增加后，氣側傳質阻力降低，J隨之提高。

4 太陽能膜蒸餾式溶液蓄能分析

由于全國氣象條件差異性，以西安為例，圖5所示為西安市太陽日總輻射年變化[20]，可知西安市每年的日平均總輻射可以達到11.68 MJ/m2。

圖4 實驗結果Fig.4 Experimental results

圖5 西安市太陽日總輻射年變化Fig.5 The total solar radiation in Xi′an

1太陽能集熱器；2換熱器；3太陽能儲液箱；4循環(huán)泵；5中空纖維膜組件；6溶液蓄能器；7循環(huán)泵；8輔助加熱器；9冷凝器；10冷凝水儲液箱；11真空泵。圖6 太陽能膜蒸餾式溶液蓄能系統(tǒng)Fig.6 Solar-driven membrane distillation solution storage system

圖6所示為太陽能膜蒸餾式溶液蓄能系統(tǒng)。太陽能出口工質通過換熱器2加熱溴化鋰溶液，在中空纖維膜組件5中進行減壓膜蒸餾，蒸餾出的水蒸氣在冷凝器9中進行冷凝并保存在冷凝水儲液箱10中。真空泵11在系統(tǒng)啟動前抽真空以形成中空纖維膜組件殼側的負壓條件，若有空氣滲入，再次抽真空使系統(tǒng)保持真空狀態(tài)。

為了獲取較高的溶液溫度，可以通過控制太陽能集熱器單位面積的流量，使太陽能集熱器出口高溫溶液與膜蒸餾溶液在換熱器2中進行充分熱量交換。由于中空纖維膜的比表面積和單位體積的接觸面積較高，可以達到105m2/m3數(shù)量級，因此，利用膜材料微觀上的高比表面積和單位體積的高接觸面積為載體，實現(xiàn)溴化鋰溶液的蒸餾和蓄能具有極大的優(yōu)勢。且在傳統(tǒng)吸收式熱力系統(tǒng)中，溴化鋰溶液的自由界面僅在加熱盤管的表面，雖然傳質阻力較小，但其接觸面積遠遠小于中空纖維膜組件的接觸面積。對于太陽能驅動的膜蒸餾式溶液蓄能流程，具有長時間、高接觸面積、裝置緊湊小型化、操作簡單化的優(yōu)勢，也是區(qū)別于傳統(tǒng)吸收式熱力系統(tǒng)的關鍵因素。

因此根據(jù)實驗結果和圖6，對膜蒸餾式溶液蓄能過程進行蓄能密度估算，溴化鋰溶液的蓄能密度計算公式如下[21]：

Es=L/(f-1)

(3)

式中：Es為溶液蓄能密度，kJ/kg；L為制冷劑潛熱，kJ/kg；f為溴化鋰溶液的循環(huán)倍率。

水制冷劑的潛熱一般為2 450 kJ/kg，如果將50%的溴化鋰溶液濃縮至55%，其循環(huán)倍率f=(55%-50%)/50%=11，溴化鋰溶液的蓄能密度Es=2 450/10=245 kJ/kg，該蓄能密度與冰蓄冷的蓄能密度110～295 kJ/kg相比也很大，因此，所需儲能設備的體積大大減小。此外，溴化鋰溶液進行濃縮后，不需要任何的絕熱處理，可以長時間存儲，這為太陽能的利用和新型吸收式熱力系統(tǒng)構建創(chuàng)造了前提條件。例如，可以利用存儲的溴化鋰濃溶液構建開式循環(huán)的吸收式熱力系統(tǒng)，將循環(huán)后的稀溶液充分利用太陽能進行膜蒸餾式溶液蓄能濃縮。

根據(jù)實驗結果，以現(xiàn)有太陽能集熱器為基礎，針對50%的溴化鋰溶液，采用PVDF中空纖維膜組件的進行膜蒸餾式溶液蓄能，溶液溫度為70～75 ℃，流量為80 L/h，殼側真空度為0.09 MPa，水蒸氣的傳質通量為0.40～0.60 kg/(m25h)，計算每平方米的膜面積可以產(chǎn)生0.27～0.40 kW的蓄能量。對于中空纖維膜而言，最大的優(yōu)勢是比表面積和接觸面積較高，還可以通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式進行流程的布置和優(yōu)化。因此，利用膜蒸餾式溶液蓄能技術不僅降低了熱源溫度，靈活配置系統(tǒng)流程，還以變質量能量轉換與儲存的方式進行能量儲存，無需絕熱處理，可長期儲存，為吸收式熱力系統(tǒng)提供了一種新型應用方法。

5 結論

本文基于膜蒸餾的基本原理，利用膜兩側水蒸氣壓差為驅動力的水蒸氣傳質機理，對吸收式熱力系統(tǒng)中的溴化鋰溶液進行了膜蒸餾實驗，期望應用于太陽能溶液蓄能過程，實驗結果表明，在溶液溫度為70～75 ℃，流量為80 L/h，殼側真空度為0.09 MPa的操作條件下，膜蒸餾式溶液蓄能的蓄能密度可達到245 kJ/kg，單位面積的膜組件可以產(chǎn)生蓄能量0.27～0.40 kW。因此，膜蒸餾式溶液蓄能可以降低熱源溫度，蓄能無需絕熱處理，可長期儲存，適合于新型開式循環(huán)等吸收式熱力系統(tǒng)，膜蒸餾式溶液蓄能為吸收式熱力系統(tǒng)和蓄能技術提供了一種新方法。

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