趙 明，孫文哲，仝耀天，伏世民

( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)與制造的眾多領(lǐng)域中，產(chǎn)生的大量廢氣、廢熱、余熱等低品位能源被隨意排放，不僅破壞周圍環(huán)境，還造成能量和水資源的大量浪費(fèi)。目前，大多采用金屬材質(zhì)的溶液換熱器進(jìn)行余熱回收處理。而溶液熱交換器是溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)重要部件，對(duì)其的研究主要集中在換熱器結(jié)構(gòu)、換熱面積、流體特性和參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響等方面，大多數(shù)研究是采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)等方式[1-2]。傳統(tǒng)的溶液熱交換器采用間壁式換熱器，它具有體積大、重量大和初投資大等特點(diǎn)。并隨著使用年限的增加，在金屬的表面，產(chǎn)生溶液的腐蝕和結(jié)垢影響，使得換熱器的效率會(huì)嚴(yán)重下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷量衰減。直接接觸式膜蒸餾過程具有克服傳統(tǒng)溶液熱交器的不足和缺點(diǎn)的潛能，其應(yīng)用前景無可限量。

膜蒸餾過程是結(jié)合了膜技術(shù)與蒸發(fā)過程的膜分離過程，隨著有機(jī)高分子材料和制膜技術(shù)工藝的發(fā)展，該技術(shù)正越來越受到人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)外研究者在溶液膜分離領(lǐng)域應(yīng)用的研究較多，但研究范圍大多限于廢水處理、海水淡化、溶質(zhì)提純和溶液分離等方面[3-4]。在直接接觸膜蒸餾過程中，有水蒸氣從熱側(cè)溶液向冷側(cè)溶液擴(kuò)散，而溶液本身不發(fā)生混合，擴(kuò)散的方向取決于膜兩側(cè)水蒸氣的飽和分壓，擴(kuò)散的通量取決于膜材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和膜兩側(cè)的水蒸氣的分壓差[5]。在該過程中存在熱量與質(zhì)量同時(shí)傳遞，而對(duì)于既有傳熱過程又有傳質(zhì)過程的膜組件應(yīng)用于換熱器的設(shè)計(jì)研究少見報(bào)道。因此，本文將直接接觸式膜蒸餾的原理引入到換熱器的設(shè)計(jì)中，以回收余熱為研究目的，提出一種新型PVDF復(fù)合膜換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過簡(jiǎn)化其數(shù)值模型進(jìn)了模擬研究分析。

圖1 換熱器二維結(jié)構(gòu)示意圖

1 蒸餾膜換熱器設(shè)計(jì)

1.1 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膜組件[6]是膜蒸餾換熱器測(cè)試系統(tǒng)過程中的關(guān)鍵部件，對(duì)膜組件的優(yōu)化研究能有效提高膜的換熱效率。膜組件中換熱器一般有板式換熱器、管殼式換熱器、板框式換熱器等。其中平板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本及加工成本低，但換熱性能不如另兩種換熱器好；板框式換熱器設(shè)計(jì)加工相對(duì)于平板換熱器而言較為復(fù)雜，造價(jià)較高，但其不僅擁有良好的換熱性能且方便拆卸清洗。管殼式換熱器多用于管狀膜蒸餾系統(tǒng)中。綜合以上因素，提出了圖1顯示的環(huán)形擾流膜蒸餾換熱器，并用于后續(xù)的膜換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)中。

在設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)該保證換熱器內(nèi)部流道通暢，盡量減少由于流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來的流動(dòng)阻力，流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)死角；其次應(yīng)該保證所設(shè)計(jì)的換熱器便于拆卸清洗；最后盡量控制換熱器的加工成本并盡可能使其具有較高的裝填率。在滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足便于拆卸清洗條件，設(shè)計(jì)出如圖1所示的換熱器。

在圖中蒸餾膜換熱器分為高溫側(cè)、換熱面、低溫側(cè)三大部分組成。其中高溫側(cè)由4-高溫料液入口、5-高溫料液出口、6-高溫料液環(huán)形流道三小部分組成；換熱面由7-換熱器密封圈、8-蒸餾膜及支撐結(jié)構(gòu)兩小部分組成；低溫側(cè)由1-低溫料液入口、2-低溫料液出口、3-低溫料液環(huán)形流道三小部分組成。

為了直觀形象地反映蒸餾膜換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及換熱機(jī)理，換熱器一半的的正面圖能夠清楚展示其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流道示意圖

從圖2中可以看出，換熱器內(nèi)部主要由1-料液流道、2-膜及支撐結(jié)構(gòu)安裝位置、5-擾流環(huán)形隔板三部分組成。換熱器的四個(gè)進(jìn)出口采用法蘭形式，便于采用軟管連接這樣能有效隔絕循環(huán)泵帶來的機(jī)械振動(dòng)，為膜換熱組件提供相對(duì)穩(wěn)定的換熱環(huán)境。同時(shí)，軟管連接的方式可方便將圖1顯示的兩種流體順流布置方式改成逆流布置。

1.2 換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的膜蒸餾換熱器的換熱效果，特意設(shè)計(jì)了如圖3所示的性能測(cè)試系統(tǒng)三維圖。它主要包括熱側(cè)料液循環(huán)系統(tǒng)、冷側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)以及蒸餾膜換熱器三部分。其中熱側(cè)循環(huán)系統(tǒng)由料液箱、溫度控制器、換熱器熱容腔室、管道、泵、溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量表等組成；冷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)由水箱、冷凝器、管道、泵、溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量表等組成。

圖3 膜換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三維圖

熱側(cè)流體從換熱器出口流出時(shí)溫度減小，并在循環(huán)泵的壓力作用下回到高溫溶液箱中；冷卻水流出換熱器時(shí)溫度升高，在循環(huán)泵的壓力作用下先經(jīng)過冷凝器降溫后再流回冷水箱。其中，冷凝器的目的就是將冷卻水在換熱器中獲得的熱量冷凝掉，便可維持冷卻水箱中液體溫度恒定。同時(shí)，由于膜換熱器的傳質(zhì)作用，所以冷卻水箱中水的質(zhì)量會(huì)增多，兩個(gè)料液箱會(huì)存在液位差。在液位壓差作用下，冷卻水箱中多余的水會(huì)通過單向閥流回高溫料液箱。這樣，可以通過兩料液箱間連接管上的流量計(jì)的讀數(shù)，來計(jì)算出換熱器中蒸餾膜的膜通量。

2 換熱器傳熱傳質(zhì)機(jī)理分析

2.1 PVDF復(fù)合膜換熱器傳熱傳質(zhì)原理

在膜蒸餾技術(shù)中，常用的膜材料有聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚偏氟乙烯膜(PVDF)和聚四氟乙烯膜(PTFE)。這些都是高分子疏水性微孔膜材料[7]，其膜孔直徑與水蒸氣分子的平均自由程相當(dāng)。這些膜材料具有良好的疏水性，只有水蒸氣能夠透過膜孔，溶液以及溶液中的分子和離子均不能通過，因此透過的水蒸氣非常純凈。冷熱流體在膜兩側(cè)形成的水蒸氣的壓差是水蒸氣傳遞的動(dòng)力。

圖2顯示了換熱器內(nèi)部熱側(cè)料液的流動(dòng)方向。而料液由膜蒸餾系統(tǒng)中的循環(huán)泵使料液從料液進(jìn)入到換熱器中，在圖中1處料液分為兩路流入到2處匯合，經(jīng)2處混合的料液進(jìn)入下一流道又分為兩路流向3處，料液逐漸流向內(nèi)環(huán)中心，在內(nèi)環(huán)中心出口處流回到料液箱。在膜兩側(cè)表面的水蒸氣壓差的作用下，水蒸氣分子由高溫側(cè)通過膜孔擴(kuò)散至低溫側(cè)，接觸到低溫料液后冷凝，放出潛熱。因此，在膜兩側(cè)的冷熱流體間的換熱過程包括兩部分，一部分是通過膜材料的導(dǎo)熱量，一部分是透過膜孔擴(kuò)散的水蒸氣所帶走的潛熱量。水蒸氣的傳質(zhì)量(指的是在單位時(shí)間單位面積下水蒸氣通過膜的質(zhì)量)與膜材料的特性和流體操作參數(shù)有很大關(guān)系。膜材料的特性包括孔隙率、壁厚和膜管的彎曲因子等，流體操作參數(shù)包括流體溫度、流速和流動(dòng)方式等。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)分析了影響膜蒸餾系數(shù)的影響因素，但鑒于其復(fù)雜性，膜蒸餾系數(shù)大多需要通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定。由以上分析可知，除了通過膜壁的導(dǎo)熱量和傳統(tǒng)換熱器相同以外，另外一部分通過潛熱傳遞的熱量可由傳質(zhì)量的大小控制。

2.2 傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型

這種將直接接觸式膜蒸餾過程引入到設(shè)計(jì)中的換熱器，其特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)料液直接與蒸餾膜接觸，其換熱過程不僅存在傳熱而且還有傳質(zhì)過程。研究蒸餾膜的傳質(zhì)換熱機(jī)理是膜換熱器研究的核心，因此，對(duì)蒸餾膜的傳質(zhì)過程的研究顯得尤為重要。為驗(yàn)證這種蒸餾膜換熱器的換熱比傳統(tǒng)換熱器換熱好，鑒于所設(shè)計(jì)的換熱器內(nèi)部設(shè)置有擾流擋板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于研究蒸餾膜板是否比傳統(tǒng)的金屬板換熱效果好，可簡(jiǎn)化模型：假設(shè)冷、熱流域均為為正方體且冷熱流體均為L(zhǎng)iBr溶液。其微觀傳熱傳質(zhì)示意圖如圖4所示。

圖4 蒸餾膜換熱器簡(jiǎn)化模型的微觀傳熱傳質(zhì)示意圖

圖4以逆流布置為例，并假設(shè)兩側(cè)流動(dòng)均處于穩(wěn)態(tài)，膜長(zhǎng)度方向無導(dǎo)熱，整個(gè)過程無熱量損失，而且只有水蒸氣能通過膜板。鑒于蒸餾膜兩側(cè)溫差對(duì)傳質(zhì)的影響遠(yuǎn)大于濃度差對(duì)傳質(zhì)的影響，可以不考慮膜兩側(cè)的濃度極化現(xiàn)象。同時(shí)可認(rèn)為傳質(zhì)和傳熱阻力都集中在膜兩側(cè)的邊界層內(nèi)。

2.2.1 換熱器簡(jiǎn)化模型參數(shù)

膜材料和蒸餾膜換熱器的簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，熱流體采用高溫的60%LiBr溶液，冷流體采用常溫50%LiBr溶液，換熱器進(jìn)口參數(shù)見表2。根據(jù)圖4可建立數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 膜材料和蒸餾膜換熱器簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)

表2 蒸餾膜換熱器熱側(cè)與冷測(cè)的進(jìn)口參數(shù)

2.2.2 膜換熱器傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)描述

在流動(dòng)方向取一微元段dx，對(duì)其建立能量、質(zhì)量、傳熱和傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述。由于此微元段中存在溶液質(zhì)量和溶質(zhì)質(zhì)量守恒，那么有：

mi=mi+1+dm

(1)

(2)

miωi=mi+1ωi+1

(3)

(4)

在微元段中存在著能量守恒定律，即：

mihi=mi+1hi+1+dQ

(5)

(6)

式中，m表示流體質(zhì)量，kg；h表示流體的焓值，kJ/kg；Q表示熱量。

在蒸餾膜兩側(cè)的邊界層內(nèi)，發(fā)生對(duì)流換熱，由于微元段dx很小，則在該微元段內(nèi)冷熱流體的溫度分別采用微元段進(jìn)出口溫度代替，則有：

dQi=αiTi-Tm,iLdx

(7)

(8)

式中，α表示對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；T表示各處溫度，K。

本文假設(shè)所有的相變過程都在氣體穿越膜的微孔時(shí)發(fā)生，所以通過膜壁的傳熱由導(dǎo)熱和相變熱兩部分組成，即：

(9)

其中，微元段內(nèi)發(fā)生傳質(zhì)量與其膜通量的關(guān)系為：

dm=dm′=JiLdx

(10)

式中，λm為膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于PVDF復(fù)合膜，可取0.18W/(m·K)；Ji為該微元段的傳質(zhì)膜通量，kg/(m2·K)；Hv,i表示在溫度Ti下氣化潛焓，kJ/kg。

由傳熱傳質(zhì)相關(guān)知識(shí)理論，可知：

(11)

由于已假定膜兩側(cè)的流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)表1和2參數(shù)計(jì)算克制，膜兩側(cè)都處于穩(wěn)定的層流，而且流動(dòng)方向長(zhǎng)度為0.3m，兩側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：

(12)

式中，α為對(duì)流換熱系數(shù)，l為特征長(zhǎng)度，m；λ為膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由于流動(dòng)方向的長(zhǎng)度是膜厚度的150倍，可以看出兩流體流過平板的流動(dòng)，取Nu=4.36

在膜兩側(cè)發(fā)生局部傳質(zhì)過程，即微元段內(nèi)發(fā)生的膜通量：

(13)

蒸餾膜傳質(zhì)的平均膜通量：

(14)

(15)

由于流速較小，處于層流流動(dòng)，計(jì)算流體沿程阻力損失可按下式計(jì)算：

(16)

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)上述的簡(jiǎn)化模型的數(shù)學(xué)方程，以溴化鋰溶液為模擬對(duì)象，參考研究資料[10]和AHSRAE標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)并通過Matlab對(duì)模型進(jìn)行了模擬分析計(jì)算。由圖5可知，在逆流布置下，熱側(cè)與冷測(cè)LIBr溶液的濃度變化近似直線，這是由于在流程300mm上，膜兩側(cè)濃度變化總體不大造成的。實(shí)際計(jì)算結(jié)果中，熱側(cè)入口和冷測(cè)的出口的微元段的流體濃度變化緩慢，原因是在微元段內(nèi)兩側(cè)水蒸氣壓差變小，水蒸氣透過膜孔的傳質(zhì)速率降低。

圖5 逆流布置下溴化鋰溶液濃度分布

根據(jù)表1和表2的參數(shù)，采用2mm銅板也進(jìn)行模擬計(jì)算(限于篇幅，具體計(jì)算過程不再贅述)，其熱導(dǎo)率為401W/(m·K)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表中可知，在換熱面積及冷熱流體進(jìn)口參數(shù)都相同的情況，以銅板為隔板的換熱器的總換熱量要小于膜換熱器。

表3 逆流布置下?lián)Q熱器的總換熱量(kW)

4 結(jié)論

(1)提出了一種基于膜蒸餾原理的換熱器，其目的是為了提高溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的效能。值得注意的是，這種換熱器并不適用于所有的換熱器應(yīng)用，它只適用在可以發(fā)生傳質(zhì)的換熱過程。

(2)換熱與傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生，傳質(zhì)進(jìn)一步提高濃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步稀釋稀溶液，這樣就可以減小發(fā)生器的加熱負(fù)荷，降低吸收器的冷卻負(fù)荷。

(3)對(duì)膜換熱器簡(jiǎn)化模型的數(shù)值模擬結(jié)果分析，在逆流布置下，膜換熱器的傳質(zhì)作用能夠提高換熱效果。

(4)由于換熱器內(nèi)部流道及膜的傳熱傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，所以本文簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型，并做了一些假設(shè)。為了驗(yàn)證所模擬的結(jié)果，將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行展開。

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