(西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049)

我國(guó)建筑能耗在能源總消耗中約占27.6%，其中暖通空調(diào)和熱水系統(tǒng)在建筑能耗中約占60%[1]。在國(guó)家能源消耗總量的強(qiáng)制約束下，建筑能源使用也應(yīng)實(shí)行總量控制[2]。《國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃(2014—2020)》中提出大力推進(jìn)以太陽(yáng)能為代表的可再生能源的開(kāi)發(fā)利用。然而，由于太陽(yáng)輻射的能量密度分布較低，現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能光熱集熱器中，集熱工質(zhì)的溫度理論上可以達(dá)到90～100 ℃[3]，實(shí)際應(yīng)用中受天氣和空氣質(zhì)量的影響，集熱工質(zhì)的溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。同時(shí)，太陽(yáng)能的應(yīng)用也存在時(shí)間上的晝夜供需矛盾。

蓄能技術(shù)是解決太陽(yáng)能集熱溫度波動(dòng)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(shù)、潛熱蓄能技術(shù)、熱化學(xué)蓄能技術(shù)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(yīng)用廣泛，但存在蓄能裝置需要絕熱處理、熱損失和不宜長(zhǎng)時(shí)間存放的缺點(diǎn)。熱化學(xué)蓄能技術(shù)是基于可逆熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行無(wú)熱損的太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)技術(shù)[4-5]，一般需要高溫聚焦型太陽(yáng)能集熱器加熱至幾百攝氏度。

徐士鳴等[6-10]提出了變質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的蓄能技術(shù)，通過(guò)改變?nèi)芤旱馁|(zhì)量濃度作為能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存方式，將熱能轉(zhuǎn)化為溶液的濃度潛能，具有無(wú)熱損、無(wú)需保溫、長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，適用于以溴化鋰溶液為工質(zhì)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(zhuǎn)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(duì)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(guò)低，最佳工作溫度為80～100 ℃，熱源進(jìn)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(duì)熱源溫度要求也很高，典型的雙效吸收循環(huán)的高溫?zé)嵩礈囟榷荚?20 ℃以上，已超過(guò)普通太陽(yáng)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(jí)吸收式機(jī)組與單效機(jī)組相比，分別增加了一個(gè)發(fā)生器、吸收器和溶液熱交換器，二級(jí)吸收式制冷機(jī)可以充分利用低溫?zé)嵩矗畹凸ぷ鳒囟瓤傻椭?0 ℃[11]。但相對(duì)于單效循環(huán)，COP較低，同時(shí)增加了諸多換熱器，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、總投資費(fèi)用增加、運(yùn)行控制復(fù)雜。

對(duì)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(guò)程就是蒸餾/精餾過(guò)程，限制發(fā)生溫度的主要因素為發(fā)生器對(duì)應(yīng)壓力和濃度下的終了發(fā)生溫度(終了沸點(diǎn))。因此，為了能充分利用變質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的蓄能技術(shù)，根據(jù)對(duì)低品位熱源的利用要求，需要尋求一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)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(jìn)能源的利用率。

膜蒸餾技術(shù)是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型高效分離技術(shù)[12]，利用高分子疏水微孔膜結(jié)構(gòu)上的功能達(dá)到溶液蒸餾目的。不同于傳統(tǒng)蒸餾工藝，膜蒸餾過(guò)程不需要將溶液加熱至沸點(diǎn)狀態(tài)，只要膜兩側(cè)維持適當(dāng)溫差就可實(shí)現(xiàn)蒸餾過(guò)程，因此操作溫度比傳統(tǒng)蒸餾低得多，可有效利用地?zé)崮堋⑻?yáng)能、余熱等低品位能源。膜蒸餾的傳質(zhì)推動(dòng)力為溶液的溫差，而不是溶液本身的壓力差，故在傳質(zhì)過(guò)程中無(wú)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(guò)程幾乎是在常壓下進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單。在非揮發(fā)性水溶液膜蒸餾過(guò)程中，只有水蒸氣能透過(guò)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(jié)構(gòu)，膜組件單位體積所能提供的膜接觸面積很大，同時(shí)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(yáng)能熱利用和蓄能為背景，針對(duì)變質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存蓄能技術(shù)在傳統(tǒng)溴化鋰吸收式熱力系統(tǒng)中的熱源溫度要求過(guò)高等問(wèn)題，提出一種基于膜蒸餾的太陽(yáng)能溶液蓄能模式，以50%溴化鋰溶液為工質(zhì)，以聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜為載體，進(jìn)行減壓膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，研究膜蒸餾技術(shù)在溶液蓄能和太陽(yáng)能熱利用中的應(yīng)用。

1 膜蒸餾過(guò)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(dāng)。表面的疏水特性使得只有水蒸氣才能通過(guò)膜孔，液體不能通過(guò)；膜孔的高孔隙率分布使溶液與微孔的接觸面積較大，對(duì)流體邊界層起持續(xù)微擾動(dòng)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(zhì)。

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(cè)和殼側(cè)，管側(cè)通過(guò)高溫溶液，殼側(cè)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(cè)溶液的溫度和對(duì)應(yīng)的水蒸氣壓力比殼側(cè)高，在膜兩側(cè)水蒸氣壓差的推動(dòng)下，水蒸氣由管側(cè)向殼側(cè)傳遞。其傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述如下[13-15]：

J=K(p1-p2)

(1)

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

水蒸氣的跨膜傳質(zhì)過(guò)程和膜傳質(zhì)系數(shù)K非常復(fù)雜，除了與膜材料有關(guān)外，還與流體的物性參數(shù)和實(shí)驗(yàn)工況相關(guān)，詳細(xì)的分析過(guò)程在文獻(xiàn)[16-17]中涉及，不再贅述。

2 溴化鋰溶液的減壓膜蒸餾實(shí)驗(yàn)

表1所示為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)使用的溶液為50%質(zhì)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(duì)壓力0.005～0.015 MPa)。

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

每種實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果中膜通量的計(jì)算式如下：

J=W/(St)

(2)

式中：W為餾出液(液態(tài)水)質(zhì)量，kg；S為膜面積，m2；t為時(shí)間，h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4(a)為溶液入口溫度對(duì)水蒸氣傳質(zhì)通量J的影響?？梢钥闯?，J隨著溶液入口溫度的增加幾乎呈線性增加。這是因?yàn)槟醾?cè)溫度越高，水蒸氣的飽和蒸氣壓升高，膜兩側(cè)的壓差提高，水蒸氣通過(guò)膜的傳質(zhì)推動(dòng)力增大。

圖4(b)為溶液流量對(duì)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(dòng)的擾動(dòng)性，減小了膜側(cè)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(kuò)散阻力；2)擾動(dòng)的增加提高了膜表面的換熱，膜表面的溫度升高，相應(yīng)地膜兩側(cè)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(cè)傳遞的平均驅(qū)動(dòng)力增大。而且流量的增加受限于膜材料的強(qiáng)度LEPw[18-19](Liquid Entry Pressure of water)。

圖4(c)為殼側(cè)真空度對(duì)膜通量的影響。殼側(cè)真空度的提高有效增加了J，由式(1)可知，提高了膜兩側(cè)的水蒸氣壓差，增加了傳質(zhì)推動(dòng)力；此外，當(dāng)水蒸氣通過(guò)膜壁面?zhèn)鬟f到氣體側(cè)表面時(shí)，水蒸氣分子需要在空氣擴(kuò)散才能遷移到冷凝壁面，空氣對(duì)水蒸氣的擴(kuò)散形成了氣側(cè)的傳質(zhì)阻力。當(dāng)真空度增加后，氣側(cè)傳質(zhì)阻力降低，J隨之提高。

4 太陽(yáng)能膜蒸餾式溶液蓄能分析

由于全國(guó)氣象條件差異性，以西安為例，圖5所示為西安市太陽(yáng)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(dá)到11.68 MJ/m2。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results

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

1太陽(yáng)能集熱器；2換熱器；3太陽(yáng)能儲(chǔ)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(chǔ)液箱；11真空泵。圖6 太陽(yáng)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(yáng)能膜蒸餾式溶液蓄能系統(tǒng)。太陽(yáng)能出口工質(zhì)通過(guò)換熱器2加熱溴化鋰溶液，在中空纖維膜組件5中進(jìn)行減壓膜蒸餾，蒸餾出的水蒸氣在冷凝器9中進(jìn)行冷凝并保存在冷凝水儲(chǔ)液箱10中。真空泵11在系統(tǒng)啟動(dòng)前抽真空以形成中空纖維膜組件殼側(cè)的負(fù)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(guò)控制太陽(yáng)能集熱器單位面積的流量，使太陽(yáng)能集熱器出口高溫溶液與膜蒸餾溶液在換熱器2中進(jìn)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(dá)到105m2/m3數(shù)量級(jí)，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(shí)現(xiàn)溴化鋰溶液的蒸餾和蓄能具有極大的優(yōu)勢(shì)。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(pán)管的表面，雖然傳質(zhì)阻力較小，但其接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中空纖維膜組件的接觸面積。對(duì)于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的膜蒸餾式溶液蓄能流程，具有長(zhǎng)時(shí)間、高接觸面積、裝置緊湊小型化、操作簡(jiǎn)單化的優(yōu)勢(shì)，也是區(qū)別于傳統(tǒng)吸收式熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖6，對(duì)膜蒸餾式溶液蓄能過(guò)程進(jìn)行蓄能密度估算，溴化鋰溶液的蓄能密度計(jì)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(chǔ)能設(shè)備的體積大大減小。此外，溴化鋰溶液進(jìn)行濃縮后，不需要任何的絕熱處理，可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，這為太陽(yáng)能的利用和新型吸收式熱力系統(tǒng)構(gòu)建創(chuàng)造了前提條件。例如，可以利用存儲(chǔ)的溴化鋰濃溶液構(gòu)建開(kāi)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(yáng)能進(jìn)行膜蒸餾式溶液蓄能濃縮。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以現(xiàn)有太陽(yáng)能集熱器為基礎(chǔ)，針對(duì)50%的溴化鋰溶液，采用PVDF中空纖維膜組件的進(jìn)行膜蒸餾式溶液蓄能，溶液溫度為70～75 ℃，流量為80 L/h，殼側(cè)真空度為0.09 MPa，水蒸氣的傳質(zhì)通量為0.40～0.60 kg/(m25h)，計(jì)算每平方米的膜面積可以產(chǎn)生0.27～0.40 kW的蓄能量。對(duì)于中空纖維膜而言，最大的優(yōu)勢(shì)是比表面積和接觸面積較高，還可以通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式進(jìn)行流程的布置和優(yōu)化。因此，利用膜蒸餾式溶液蓄能技術(shù)不僅降低了熱源溫度，靈活配置系統(tǒng)流程，還以變質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的方式進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，無(wú)需絕熱處理，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，為吸收式熱力系統(tǒng)提供了一種新型應(yīng)用方法。

5 結(jié)論

本文基于膜蒸餾的基本原理，利用膜兩側(cè)水蒸氣壓差為驅(qū)動(dòng)力的水蒸氣傳質(zhì)機(jī)理，對(duì)吸收式熱力系統(tǒng)中的溴化鋰溶液進(jìn)行了膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，期望應(yīng)用于太陽(yáng)能溶液蓄能過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溶液溫度為70～75 ℃，流量為80 L/h，殼側(cè)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(dá)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(wú)需絕熱處理，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，適合于新型開(kāi)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(shù)提供了一種新方法。

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