謝繼紅　彭躍蓮　陳東　閆贊揚

應(yīng)用研究

熱泵膜蒸餾裝置的能量平衡分析

謝繼紅*1彭躍蓮2陳東1閆贊揚1

（1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院）

熱泵膜蒸餾裝置具有能耗低、可在常壓下對熱敏料液進行低溫濃縮等優(yōu)勢。針對熱泵與膜組件直接結(jié)合會導(dǎo)致料液工作溫度不易控制的問題，給出了八種解決方案，并對各方案的輔冷器面積、產(chǎn)水能耗進行了對比分析。分析結(jié)果表明：輔冷器設(shè)置在加熱器側(cè)時，其面積可較小，但產(chǎn)水能耗較大；輔冷器設(shè)置在冷卻器側(cè)時，其面積較大，但產(chǎn)水能耗較小。

熱泵膜蒸餾節(jié)能熱敏料液加熱器冷卻器

0　背景

膜蒸餾是基于疏水膜只允許水溶液中水蒸氣通過而其它非揮發(fā)成分無法通過的特性，將料液進行濃縮分離的技術(shù)，具有可在常壓下實現(xiàn)低溫濃縮、易于處理中高濃度料液等特點，在化工、環(huán)保、食品、生物、制藥等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景［1-4］。

膜蒸餾組件工作時，料液側(cè)需要熱源使其中的水分汽化；水蒸氣穿過膜壁后又需要冷源來使水蒸氣凝結(jié)為冷凝水；因此膜蒸餾組件工作時的能量消耗較大，能否減少膜蒸餾過程的能耗，是影響該技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

熱泵可消耗少量電能來同時制取多倍熱能和冷能，熱泵與膜蒸餾組件相結(jié)合構(gòu)成的熱泵膜蒸餾裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、耗能少等突出優(yōu)勢，其工作原理如圖1所示。

圖1中，壓縮機、加熱器、節(jié)流閥、冷卻器構(gòu)成熱泵，壓縮機消耗少量電能，在加熱器中為料液提供多倍熱能，同時也在冷卻器中為冷凝水提供多倍冷能，實現(xiàn)膜組件內(nèi)料液中水分的連續(xù)汽化和穿膜水蒸氣在冷凝水側(cè)的連續(xù)凝結(jié)。但熱泵工作時，其給加熱器所提供的熱能和給冷卻器提供的冷能是不等的。以料液溫度60℃、冷凝水溫度30℃為例，壓縮機消耗1 J電能可為料液提供4 J熱能，而為冷凝水提供3 J冷能，這會導(dǎo)致膜組件料液側(cè)和冷凝水側(cè)能量的不平衡，影響膜蒸餾過程在設(shè)定溫度下的穩(wěn)定運行。因此需要在加熱器側(cè)或冷卻器側(cè)引入適宜的能量平衡裝置，保證膜組件料液側(cè)的熱量與冷凝水側(cè)排熱量的平衡，從而實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定運行。

圖1　熱泵膜蒸餾裝置的工作原理

1　基于加熱器側(cè)散熱的能量平衡方法

圖2是加熱器之前料液側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖2　加熱器之前料液側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖2可見，熱泵提供給加熱器的熱量，通過料液循環(huán)，大部分用于膜組件中料液水分汽化，少部分通過輔冷器排入環(huán)境。通過調(diào)節(jié)輔冷器的散熱量，可使料液在膜組件中的耗熱量與熱泵提供給冷凝水側(cè)的冷量相平衡，實現(xiàn)一定溫度下膜組件的穩(wěn)定工作。

圖3是加熱器之后料液側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

由圖3可見，通過在加熱器之后料液側(cè)設(shè)置輔冷器，也可將熱泵提供給加熱器的富余熱量排入環(huán)境。圖3方案與圖2方案的區(qū)別是，在加熱器之后所設(shè)輔冷器中料液溫度較高，而加熱器之前所設(shè)輔冷器中料液溫度相對低，因而圖3方案中輔冷器面積可小于圖2方案中輔冷器面積。

圖3　加熱器之后料液側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

圖4是加熱器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖4　加熱器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖4可見，利用熱泵工質(zhì)溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度的特點，通過在加熱器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器，使熱泵工質(zhì)中富余的熱量排入環(huán)境，保證通過加熱器提供給料液的熱量與通過冷卻器提供給冷凝水的冷量相平衡。圖4方案與圖2、圖3方案的主要區(qū)別是，圖4方案中的輔冷器可設(shè)置在室外，而圖2、圖3方案中的輔冷器一般需設(shè)置在室內(nèi)，以避免冬季低溫天氣時輔冷器內(nèi)料液結(jié)冰損壞裝置。

圖5是加熱器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

由圖5可見，在加熱器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器也可將熱泵工質(zhì)中富余的熱量排入環(huán)境，輔冷器也可置于室外。圖5方案與圖4方案的主要區(qū)別是，由于圖5方案中輔冷器內(nèi)的熱泵工質(zhì)溫度高于圖4方案中輔冷器內(nèi)的熱泵工質(zhì)溫度，其輔冷器換熱面積可較小。

此外，由于加熱器內(nèi)熱泵工質(zhì)的溫度要高于料液溫度，當(dāng)料液在膜組件內(nèi)工作溫度、環(huán)境溫度、需通過輔冷器排入環(huán)境的熱量相同時，圖2、圖3、圖4、圖5方案中所需輔冷器的面積大小依次為：圖2方案輔冷器＞圖3方案輔冷器＞圖4方案輔冷器＞圖5方案輔冷器。

圖5　加熱器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

2　基于冷卻器側(cè)散熱的能量平衡方法

圖6是冷卻器之前冷凝水側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖6　冷卻器之前冷凝水側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖6可見，通過冷卻器之前料液側(cè)的輔冷器，把冷凝水從料液側(cè)獲得的能量部分排入環(huán)境，使輔冷器向環(huán)境的排熱量與熱泵工質(zhì)從環(huán)境的吸熱量之和等于熱泵工質(zhì)在加熱器中給料液的加熱量，實現(xiàn)一定料液溫度下膜組件的穩(wěn)定工作。

相對于在加熱器側(cè)設(shè)置輔冷器，在冷卻器側(cè)設(shè)置輔冷器的主要優(yōu)勢為，其相當(dāng)于通過輔冷器為冷凝水側(cè)補充了冷量，使熱泵提供給料液的熱量全部用于膜組件的工作，有利于降低膜蒸餾過程的能耗，但要求冷凝水側(cè)的溫度高于環(huán)境溫度5℃以上。

圖7是冷卻器之后冷凝水側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖7　冷卻器之后冷凝水側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖7可見，通過在冷卻器之后冷凝水側(cè)設(shè)置輔冷器，把冷凝水的部分熱量排入環(huán)境，也相當(dāng)于通過輔冷器為冷凝水側(cè)補充了部分冷量。圖7方案與圖6方案的主要區(qū)別為，由于冷卻器之后冷凝水的溫度比冷卻器之前低，所以圖7方案中輔冷器的面積要大于圖6方案中輔冷器的面積。

圖8是冷卻器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖8　冷卻器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖8可見，在冷卻器之后熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器，通過輔冷器向熱泵工質(zhì)補充部分冷量，再通過熱泵工質(zhì)循環(huán)把這部分冷量帶入冷卻器，實現(xiàn)膜組件兩側(cè)能量的平衡。圖8方案與圖6、圖7方案的主要區(qū)別為，圖8方案中的輔冷器可設(shè)置在室外，而圖6、圖7方案中的輔冷器則一般安裝在室內(nèi)，以防止冬季低溫時其中的冷凝水凍結(jié)。

圖9是冷卻器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法。

圖9　冷卻器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器的能量平衡方法

由圖9可見，在冷卻器之前熱泵工質(zhì)側(cè)設(shè)置輔冷器也可從環(huán)境中獲得補充冷量，使膜組件的料液側(cè)和冷凝水側(cè)實現(xiàn)能量平衡。圖9方案與圖8方案的主要區(qū)別為，圖9方案中的輔冷器的換熱面積可較小，且該方案中冷卻器的工作條件也較好。

3　八種能量平衡方案的對比分析

設(shè)料液進膜組件溫度為65℃，出膜組件溫度為55℃；冷凝水進膜組件溫度為25℃，出膜組件溫度為35℃；環(huán)境空氣溫度為15℃；壓縮機輸出功率為1000 W，熱泵通過加熱器給料液的加熱量為4000 W，熱泵通過冷卻器給冷凝水的冷量為3000 W［5］；膜組件的熱效率為0.4；輔冷器采用翅片管式換熱器，傳熱系數(shù)為25 W/（m2·K）；則八種能量平衡方案的簡要對比如表1所示。

表1　八種能量平衡方案的對比

4　結(jié)論

八種可實現(xiàn)熱泵膜蒸餾裝置能量平衡的方案中，圖2、圖3、圖4、圖5方案所需的輔冷器面積較小，且可用于能處理熱敏料液的中低溫?zé)岜媚ふ麴s裝置中，但產(chǎn)水能耗較大；圖6、圖7、圖8、圖9方案產(chǎn)水能耗較小，但所需的輔冷器面積較大，且只能用于冷凝水側(cè)溫度較高的中高溫?zé)岜媚ふ麴s裝置中。

［1］蔣琳，馬維，陳志，等.改性TiO2陶瓷膜用于膜蒸餾脫鹽的研究［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2013，33（3）：28-32.

［2］粘立軍，韓月芝，陸瑩瑩，等.多效膜蒸餾技術(shù)在中藥提取液濃縮中的應(yīng)用研究［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2013，44（1）：76-80.

［3］Quist-Jensen C A，Macedonio F，Conidi C，et al.Direct contact membrane distillation for the concentration of clarified orange juice［J］.Journal of Food Engineering，2016，187：37-43.

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

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

分壁式塔器技術(shù)在煉油廠的應(yīng)用

普萊西德（Placid）煉油公司于2016年9月9日宣布，已采用KBR公司Distill-Max DWC技術(shù)，在路易斯安那州艾倫港成功投運了新的分壁式塔器（DWC）重整生成油分離塔。該技術(shù)已被普萊西德煉油公司“移動源空氣有毒污染物（MSAT）Ⅱ重整生成油分離塔項目”選用。重整生成油分離塔被設(shè)計用于從汽油物流中去除苯和產(chǎn)生富苯物流。將Distill-Max DWC技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計重整生成油分離塔，可進一步提高分離塔的能效，且符合MSATⅡ的規(guī)定。MSATⅡ規(guī)定限制美國汽油中的苯含量。該Distill-Max DWC設(shè)計可實現(xiàn)節(jié)能最少20%，與常規(guī)的3種產(chǎn)物塔相比可減小塔徑。（錢松）

Analysis of Energy Balance of Heat Pump Membrane Distillation Equipment

Xie JihongPeng YuelianChen DongYan Zanyang

Heat pump membrane distillation（HPMD）has many advantages，such as the low energy consumption，the cryoconcentration of the thermal-sensitive material at the atmospheric pressure，etc.Since its running temperature is hard to control when the heat pump and the membrane module are directly bonded，8 solutions are given.Moreover，the auxiliary cooler area and HPMD energy consumption of each solution is calculated and compared.The results show that the low auxiliary cooler area and hight HPMD energy consumption is obtained when the auxiliary cooler is beside the heater，while the outcome is converse when the auxiliary cooler is beside the cooler.

Heat pump；Membrane distillation；Energy saving；Thermal-sensitive material；Heater；Cooler

TQ 028.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.005

2016-07-15）

*謝繼紅，女，1969年生，副教授，碩士。天津市，300222。