热泵膜蒸馏系统及其特性分析

于福荣 陈 东 彭长章 谢继红 郝维维刘荣辉

（1.天津科技大学机械工程学院 2.内蒙古京泰发电有限责任公司)

应用研究

热泵膜蒸馏系统及其特性分析

于福荣*1,2陈 东1彭长章2谢继红1郝维维1刘荣辉1

（1.天津科技大学机械工程学院 2.内蒙古京泰发电有限责任公司)

热泵可同时提供热能和冷能，与膜技术耦合具有较好的节能效果。在介绍热泵膜蒸馏系统结构和工作原理的基础上，对膜通量、热泵制冷系数、吨水能耗、单位热泵功率产水率、热泵功率与膜面积比等参数随料液温度的变化关系进行了分析。分析结果对掌握热泵膜蒸馏系统的基本特性具有较好的指导作用。

热泵 膜 蒸馏 热能 冷能

0 膜蒸馏技术简介

膜蒸馏技术采用微孔膜将料液（热侧）和易汽化组分（冷侧）分开，料液中的易汽化组分在热侧膜表面以蒸汽形式进入膜孔通道，依靠蒸汽压力差推动到达膜的冷侧表面，并通过适当方式凝结而得到分离液；料液中的难汽化组分则难以通过微孔膜到达冷侧，从而实现料液分离或提纯。膜蒸馏技术在海水或苦咸水淡化、废水处理等领域均具有很好的应用效果[1-3]。

膜蒸馏技术具有如下基本特点[4-5]：可处理高浓度料液；料液不需要加热到沸腾，只需膜两侧维持一定的温差，膜蒸馏过程即可进行，可以利用太阳能、工业废热等低温热源提供热侧所需的热能；膜蒸馏过程可在常压下进行，设备简单；热侧的料液和冷侧的分离液被微孔膜隔开，分离液不会被料液污染；膜蒸馏过程中料液与膜直接接触，可消除不可凝气体的干扰；处理易结晶料液时，可将高浓度料液浓缩至过饱和状态，发生结晶，直接分离出结晶产物。

根据膜冷侧处理水蒸气方式的不同，膜蒸馏分为以下几类： (1)直接接触式膜蒸馏，简称DCMD，如图1（a）所示。料液与膜热侧、分离液与膜冷侧直接接触，其结构简单，蒸汽流程短，膜通量大，但通过膜的无效热损失较大（热侧通过膜直接传递到冷侧的热能）。

（2）真空膜蒸馏，简称VMD，如图1（b）所示。利用真空装置降低冷侧压力，使易汽化组分到达冷侧后为蒸汽状态，并引出膜外进行凝结。由于膜冷侧的蒸汽具有较大的热阻，从而可有效降低膜蒸馏过程的无效热传递，同时又具有较小的蒸汽凝结阻力。

（3）气隙式膜蒸馏，简称AGMD，如图1（c）所示。膜的冷侧装有冷却板，与膜之间构成气隙室，来自冷侧膜表面的蒸汽在气隙室内扩散到冷却板凝结为分离液导出。其气隙形成的热阻也可实现膜蒸馏过程较小的无效热损失，但蒸汽的凝结传质阻力较大。

（4）吹扫气膜蒸馏，简称SGMD，如图1（d）所示。膜的冷侧通常使用惰性气体作载体，将通过膜的蒸汽携带至外部冷凝，可具有较小的无效热损失，且蒸汽凝结传质阻力也可小于气隙式膜蒸馏。

图1 四类膜蒸馏

1 热泵膜蒸馏系统的结构及工作原理

实际的膜蒸馏装置除膜组件外，还需热源、冷源及其他辅助部件。以真空膜蒸馏装置为例，装置的组成如图2所示。

图2 真空膜蒸馏装置

装置在工作时，一方面需要热源加热料液，另一方面又需要冷源冷却水蒸气，不仅热源设备和冷源设备通常较复杂，而且热源和冷源的能量消耗也较大（尤其当要求的冷源温度低于环境温度时）。

热泵是一种高效节能装置，可同时提供热源和冷源，且消耗一份电能通常可获得2～10倍热能和冷能。热泵与膜蒸馏技术相耦合，不仅系统紧凑，且可大幅度降低膜蒸馏的能耗。

以热泵真空膜蒸馏系统为例，当水蒸气凝结温度低于环境温度时，其系统示意如图3所示。

图3 热泵真空膜蒸馏系统（水蒸气凝结温度低于环境温度时）

热泵膜蒸馏系统由热泵和膜组件构成，不再需要其他人工热源和冷源。其中压缩机、加热器、节流阀、冷却器构成热泵，且在热泵中充注热泵工质。系统中仅压缩机消耗能量，驱动热泵工质在加热器中放热，加热料液；出加热器的热泵工质经节流阀后变为低温液体，进入冷却器使水蒸气冷却凝结；出冷却器的热泵工质再回到压缩机，开始下一个循环。

当水蒸气凝结温度高于环境温度时，其系统示意如图4所示。

与图3系统相比，该系统在冷却水蒸气的热泵冷却器后补充一个环境辅助冷却器，利用环境冷源对水蒸气进行补充冷却，在相同的操作条件（料液温度和水蒸气凝结温度）下，其从料液中分离出单位质量分离液的能耗低于图3所示系统。

图4 热泵真空膜蒸馏系统（水蒸气凝结温度高于环境温度时）

2 热泵膜蒸馏系统的基本性能方程

以热泵真空膜蒸馏系统为例，当膜材料、尺寸、料液等条件确定后，膜组件的基本性能方程如下。

当冷侧水蒸气凝结温度为20℃、真空度为0.09 MPa时，膜通量与热侧料液温度的关系方程为（料液温度变化范围40～70℃）[6]：

式中 F——膜通量，kg/(m2·h)；

tH——料液温度，℃。

热泵的基本性能方程为[7]：

式中 COPH——热泵的制热系数（提供给料液的加热量与压缩机耗能量之比），无因次；

COPC——热泵的制冷系数（提供给水蒸气凝结所需的冷量与压缩机耗能量之比）， 无因次；

tH——料液温度，℃；

tC——水蒸气凝结温度，℃。

系统的吨水能耗（从料液中分离1 t分离液压缩机消耗的能量）为：

式中 PHPVMD——吨水能耗，MJ/t；

QC——水蒸气的相变潜热，MJ/t。

系统单位热泵压缩机功率的产水速率（每1 kW热泵功率的产水速率）为：

式中 mR——单位热泵压缩机功率的产水速率，（kg/h）/kW；

QC——水蒸气的相变潜热，kJ/kg。

系统单位面积膜组件需匹配的热泵压缩机功率（每1 m2膜组件所需配套的热泵压缩机功率，即热泵功率与膜面积比）为：

式中 PCOMF——单位膜面积需匹配的热泵压缩机功率，kW/m2；

F——膜通量，kg/(m2·h)。

3 热泵膜蒸馏系统的特性分析

3.1 能耗分析

以从料液中分离出1 t纯水为例。设计工况为料液温度tH=55℃，水蒸气凝结温度tC=20℃；取冷源温度为tCR=15℃，环境温度为t0=30℃。

普通真空膜蒸馏装置从料液中分离出1 t纯水时热源（按电加热设备考虑）需提供热能约为QH= 2400 MJ/t；冷源需提供的冷量约为QC=2400 MJ/t，冷源设备耗电约PC=400 MJ；热源与冷源总耗能量为PVMD=2800 MJ。

热泵真空膜蒸馏系统在上述工况下的制冷系数为：

从料液中分离出1 t纯水压缩机消耗的能量为：

即不计真空装置耗能时，热泵膜蒸馏耗能约为普通膜蒸馏的27%。

3.2 变工况性能分析

当水蒸气凝结温度为20℃，真空度为 0.09MPa，物料温度为40～70℃时，图3所示的热泵真空膜蒸馏系统的主要性能参数变化规律如图5～图9所示。

膜通量的变化规律如图5所示。料液温度升高时，水蒸气穿过膜的推动力增加，膜通量也增加，且料液温度越高，膜通量的增加越显著。

图5 膜通量随料液温度的变化

热泵制冷系数的变化规律如图6所示。料液温度升高时，热泵加热温度也需升高，热泵需提供的热能温度与冷能温度之差增加，热泵的制冷系数减小。

图6 热泵制冷系数随料液温度的变化

吨水能耗的变化规律如图7所示。料液温度上升时，由于热泵制冷系数下降，吨水能耗增加，且近似与料液温度呈线性变化。

单位热泵压缩机功率的产水速率变化规律如图8所示。料液温度升高时，单位热泵功率产水速率下降，这是由于热泵制冷系数下降，单位热泵功率可提供的冷能和热能均下降。

单位面积膜组件匹配的热泵压缩机功率的变化规律如图9所示。料液温度升高时，热泵功率与膜面积比增加。这是由于此时膜通量增加，热泵制冷系数下降，单位产水速率所需的热泵功率增加，热泵功率与膜面积之比增加。

图7 吨水能耗随料液温度的变化

图8 单位热泵功率产水速率随料液温度的变化

图9 热泵功率与膜面积比随料液温度的变化

4 结论与建议

热泵膜蒸馏系统具有系统紧凑、能耗低等特点，与采用独立电热源和冷源的普通膜装置相比，其能耗仅约为普通膜装置的1/3。热泵膜蒸馏系统的性能受热侧和冷侧温度的影响很大，随热侧料液温度的升高，膜通量增加而热泵制冷系数下降，导致吨水能耗、单位膜面积需配置的热泵功率增加，而单位热泵功率的产水速率则下降。实际应用中，应根据料液特性，对膜组件、热泵、系统结构、操作参数等进行综合优化，以获得良好的技术和经济性能。

[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.

[2]李文明，吕建国.苦咸水淡化技术现状与展望 [J].甘肃科技，2012，28（17）：77-81.

[3]高虹，殷文琦，等.太阳能膜蒸馏淡化系统试验及热性能分析 [J].可再生能源，2013，31（3）：7-10.

[4]王滔，姚金凤.膜蒸馏技术发展现状 [J].山西建筑，2012，38（4）：144-146.

[5]环国兰，杜启云，等.膜蒸馏技术研究现状 [J].天津工业大学学报，2009，28（4）：12-18.

[6]李福勤，吕晓龙.PVDF复合膜在循环冷却排污水回用处理中的应用 [J].能源环境保护，2012，26（6）：32-35.

[7]陈东.热泵技术手册 [M].北京：化学工业出版社，2012.

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）

*于福荣，男，1975年生，硕士研究生，助理工程师。天津市，300222。