热泵膜蒸馏装置的能量平衡分析

谢继红　彭跃莲　陈东　闫赞扬

应用研究

热泵膜蒸馏装置的能量平衡分析

谢继红*1彭跃莲2陈东1闫赞扬1

（1.天津科技大学机械工程学院2.北京工业大学环境与能源工程学院）

热泵膜蒸馏装置具有能耗低、可在常压下对热敏料液进行低温浓缩等优势。针对热泵与膜组件直接结合会导致料液工作温度不易控制的问题，给出了八种解决方案，并对各方案的辅冷器面积、产水能耗进行了对比分析。分析结果表明：辅冷器设置在加热器侧时，其面积可较小，但产水能耗较大；辅冷器设置在冷却器侧时，其面积较大，但产水能耗较小。

热泵膜蒸馏节能热敏料液加热器冷却器

0　背景

膜蒸馏是基于疏水膜只允许水溶液中水蒸气通过而其它非挥发成分无法通过的特性，将料液进行浓缩分离的技术，具有可在常压下实现低温浓缩、易于处理中高浓度料液等特点，在化工、环保、食品、生物、制药等领域均有较好的应用前景［1-4］。

膜蒸馏组件工作时，料液侧需要热源使其中的水分汽化；水蒸气穿过膜壁后又需要冷源来使水蒸气凝结为冷凝水；因此膜蒸馏组件工作时的能量消耗较大，能否减少膜蒸馏过程的能耗，是影响该技术应用和发展的关键因素之一。

热泵可消耗少量电能来同时制取多倍热能和冷能，热泵与膜蒸馏组件相结合构成的热泵膜蒸馏装置，具有结构紧凑、耗能少等突出优势，其工作原理如图1所示。

图1中，压缩机、加热器、节流阀、冷却器构成热泵，压缩机消耗少量电能，在加热器中为料液提供多倍热能，同时也在冷却器中为冷凝水提供多倍冷能，实现膜组件内料液中水分的连续汽化和穿膜水蒸气在冷凝水侧的连续凝结。但热泵工作时，其给加热器所提供的热能和给冷却器提供的冷能是不等的。以料液温度60℃、冷凝水温度30℃为例，压缩机消耗1 J电能可为料液提供4 J热能，而为冷凝水提供3 J冷能，这会导致膜组件料液侧和冷凝水侧能量的不平衡，影响膜蒸馏过程在设定温度下的稳定运行。因此需要在加热器侧或冷却器侧引入适宜的能量平衡装置，保证膜组件料液侧的热量与冷凝水侧排热量的平衡，从而实现装置的稳定运行。

图1　热泵膜蒸馏装置的工作原理

1　基于加热器侧散热的能量平衡方法

图2是加热器之前料液侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图2　加热器之前料液侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图2可见，热泵提供给加热器的热量，通过料液循环，大部分用于膜组件中料液水分汽化，少部分通过辅冷器排入环境。通过调节辅冷器的散热量，可使料液在膜组件中的耗热量与热泵提供给冷凝水侧的冷量相平衡，实现一定温度下膜组件的稳定工作。

图3是加热器之后料液侧设置辅冷器的能量平衡方法。

由图3可见，通过在加热器之后料液侧设置辅冷器，也可将热泵提供给加热器的富余热量排入环境。图3方案与图2方案的区别是，在加热器之后所设辅冷器中料液温度较高，而加热器之前所设辅冷器中料液温度相对低，因而图3方案中辅冷器面积可小于图2方案中辅冷器面积。

图3　加热器之后料液侧设置辅冷器的能量平衡方法

图4是加热器之后热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图4　加热器之后热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图4可见，利用热泵工质温度远高于环境温度的特点，通过在加热器之后热泵工质侧设置辅冷器，使热泵工质中富余的热量排入环境，保证通过加热器提供给料液的热量与通过冷却器提供给冷凝水的冷量相平衡。图4方案与图2、图3方案的主要区别是，图4方案中的辅冷器可设置在室外，而图2、图3方案中的辅冷器一般需设置在室内，以避免冬季低温天气时辅冷器内料液结冰损坏装置。

图5是加热器之前热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法。

由图5可见，在加热器之前热泵工质侧设置辅冷器也可将热泵工质中富余的热量排入环境，辅冷器也可置于室外。图5方案与图4方案的主要区别是，由于图5方案中辅冷器内的热泵工质温度高于图4方案中辅冷器内的热泵工质温度，其辅冷器换热面积可较小。

此外，由于加热器内热泵工质的温度要高于料液温度，当料液在膜组件内工作温度、环境温度、需通过辅冷器排入环境的热量相同时，图2、图3、图4、图5方案中所需辅冷器的面积大小依次为：图2方案辅冷器＞图3方案辅冷器＞图4方案辅冷器＞图5方案辅冷器。

图5　加热器之前热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法

2　基于冷却器侧散热的能量平衡方法

图6是冷却器之前冷凝水侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图6　冷却器之前冷凝水侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图6可见，通过冷却器之前料液侧的辅冷器，把冷凝水从料液侧获得的能量部分排入环境，使辅冷器向环境的排热量与热泵工质从环境的吸热量之和等于热泵工质在加热器中给料液的加热量，实现一定料液温度下膜组件的稳定工作。

相对于在加热器侧设置辅冷器，在冷却器侧设置辅冷器的主要优势为，其相当于通过辅冷器为冷凝水侧补充了冷量，使热泵提供给料液的热量全部用于膜组件的工作，有利于降低膜蒸馏过程的能耗，但要求冷凝水侧的温度高于环境温度5℃以上。

图7是冷却器之后冷凝水侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图7　冷却器之后冷凝水侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图7可见，通过在冷却器之后冷凝水侧设置辅冷器，把冷凝水的部分热量排入环境，也相当于通过辅冷器为冷凝水侧补充了部分冷量。图7方案与图6方案的主要区别为，由于冷却器之后冷凝水的温度比冷却器之前低，所以图7方案中辅冷器的面积要大于图6方案中辅冷器的面积。

图8是冷却器之后热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图8　冷却器之后热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图8可见，在冷却器之后热泵工质侧设置辅冷器，通过辅冷器向热泵工质补充部分冷量，再通过热泵工质循环把这部分冷量带入冷却器，实现膜组件两侧能量的平衡。图8方案与图6、图7方案的主要区别为，图8方案中的辅冷器可设置在室外，而图6、图7方案中的辅冷器则一般安装在室内，以防止冬季低温时其中的冷凝水冻结。

图9是冷却器之前热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法。

图9　冷却器之前热泵工质侧设置辅冷器的能量平衡方法

由图9可见，在冷却器之前热泵工质侧设置辅冷器也可从环境中获得补充冷量，使膜组件的料液侧和冷凝水侧实现能量平衡。图9方案与图8方案的主要区别为，图9方案中的辅冷器的换热面积可较小，且该方案中冷却器的工作条件也较好。

3　八种能量平衡方案的对比分析

设料液进膜组件温度为65℃，出膜组件温度为55℃；冷凝水进膜组件温度为25℃，出膜组件温度为35℃；环境空气温度为15℃；压缩机输出功率为1000 W，热泵通过加热器给料液的加热量为4000 W，热泵通过冷却器给冷凝水的冷量为3000 W［5］；膜组件的热效率为0.4；辅冷器采用翅片管式换热器，传热系数为25 W/（m2·K）；则八种能量平衡方案的简要对比如表1所示。

表1　八种能量平衡方案的对比

4　结论

八种可实现热泵膜蒸馏装置能量平衡的方案中，图2、图3、图4、图5方案所需的辅冷器面积较小，且可用于能处理热敏料液的中低温热泵膜蒸馏装置中，但产水能耗较大；图6、图7、图8、图9方案产水能耗较小，但所需的辅冷器面积较大，且只能用于冷凝水侧温度较高的中高温热泵膜蒸馏装置中。

［1］蒋琳，马维，陈志，等.改性TiO2陶瓷膜用于膜蒸馏脱盐的研究［J］.膜科学与技术，2013，33（3）：28-32.

［2］粘立军，韩月芝，陆莹莹，等.多效膜蒸馏技术在中药提取液浓缩中的应用研究［J］.中国医药工业杂志，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］申龙，高瑞昶.膜蒸馏技术最新研究应用进展［J］.化工进展，2013，23（2）：289-295.

［5］陈东.热泵技术手册［M］.北京：化学工业出版社，2012.

分壁式塔器技术在炼油厂的应用

普莱西德（Placid）炼油公司于2016年9月9日宣布，已采用KBR公司Distill-Max DWC技术，在路易斯安那州艾伦港成功投运了新的分壁式塔器（DWC）重整生成油分离塔。该技术已被普莱西德炼油公司“移动源空气有毒污染物（MSAT）Ⅱ重整生成油分离塔项目”选用。重整生成油分离塔被设计用于从汽油物流中去除苯和产生富苯物流。将Distill-Max DWC技术应用于设计重整生成油分离塔，可进一步提高分离塔的能效，且符合MSATⅡ的规定。MSATⅡ规定限制美国汽油中的苯含量。该Distill-Max DWC设计可实现节能最少20%，与常规的3种产物塔相比可减小塔径。（钱松）

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）

*谢继红，女，1969年生，副教授，硕士。天津市，300222。