熱泵膜蒸餾系統(tǒng)結構及其優(yōu)化分析

趙欣慰 陳 東 謝繼紅 郝維維 劉榮輝

（1.天津科技大學機械工程學院 2.內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責任公司)

0 引言

膜蒸餾通常是料液中的水分在微孔膜表面以蒸汽形式進入膜孔通道，依靠蒸汽壓力差推動到達膜的另一面，并冷凝得到純凈水，如圖1所示。膜蒸餾具有料液不需加熱到沸騰、過程可在常壓下進行、易于處理高濃度料液等突出優(yōu)勢[1-2]。

膜蒸餾過程中，料液側為熱側，需熱源設備不斷提供熱能；水蒸氣側為冷側，需冷源設備不斷提供冷能。膜蒸餾過程不但系統(tǒng)較復雜，對能量的需求也較大[3]。

圖1 膜蒸餾過程

熱泵是一種高效能量供應裝置，一方面可供應熱能，另一方面也同時供應冷能，且消耗一份能量可獲得2～10份熱能和冷能，如圖2所示。

圖2 熱泵

熱泵與膜蒸餾技術耦合構成熱泵膜蒸餾系統(tǒng)，可很好地解決普通膜蒸餾裝置的不足。熱泵可根據(jù)料液溫度、水蒸氣冷凝溫度和驅動能源等不同而采用靈活的結構型式。

1 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的典型結構

（1）電驅動型低溫熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當水蒸氣凝結溫度低于環(huán)境溫度，料液溫度與水蒸氣凝結溫度之差在10～40℃之間時，可考慮該型結構，其示意如圖3所示。

圖3 電驅動型低溫熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

系統(tǒng)由熱泵和膜組件構成，不再需要其他人工熱源和冷源。其中壓縮機、加熱器、節(jié)流閥、冷卻器構成熱泵，內(nèi)中充注熱泵工質。系統(tǒng)中僅壓縮機消耗能量，驅動熱泵工質在加熱器中放熱，加熱料液；出加熱器的熱泵工質經(jīng)節(jié)流閥后，變?yōu)榈蜏匾后w，進入冷卻器使水蒸氣冷卻凝結；出冷卻器的熱泵工質再回到壓縮機，開始下一個循環(huán)。

該結構較適于處理熱敏性料液。

（2）電驅動型中高溫熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當水蒸氣凝結溫度高于環(huán)境溫度，料液溫度與水蒸氣凝結溫度之差在10～40℃之間時，可考慮該型結構，其示意如圖4所示。

圖4 電驅動中高溫熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

與圖3系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在冷卻水蒸氣的熱泵冷卻器后補充一個環(huán)境輔助冷卻器，利用環(huán)境冷源對水蒸氣進行補充冷卻。在料液溫度和水蒸氣凝結溫度之差相同時，其從料液中分離出單位質量分離液的能耗低于圖3所示系統(tǒng)。

（3）電驅動型雙級熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當料液溫度與水蒸氣凝結溫度之差大于40℃時，可考慮該型結構，其示意如圖5所示。

圖5 電驅動型雙級熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

該系統(tǒng)中熱泵為二級壓縮熱泵。與圖3所示系統(tǒng)相比，增加了一個壓縮機2、一個節(jié)流閥2和一個分離器。來自加熱器的熱泵工質液體經(jīng)節(jié)流閥1后形成的低溫熱泵工質，在分離器中氣液分離，工質氣體回到壓縮機1，工質液體再經(jīng)節(jié)流閥2進一步降溫后進入冷卻器，放出冷量后變?yōu)楣べ|氣體由壓縮機2送入壓縮機1；壓縮機1排出的高溫熱泵工質進入加熱器加熱料液，之后又回到節(jié)流閥1，開始下一個循環(huán)。

該結構適于水蒸氣透過膜需要較大推動力的場合，或膜較貴重，需控制膜配置面積的場合。

實際應用時，如冷卻器中水蒸氣凝結溫度高于環(huán)境溫度，也可在冷卻器后增加環(huán)境輔助冷卻器，以降低系統(tǒng)能耗。

（4）電驅動型熱泵多效膜蒸餾系統(tǒng)

當料液溫度與水蒸氣凝結溫度之差低于10℃時，可考慮該型結構，以雙效為例，其示意如圖6所示。系統(tǒng)中膜組件一中料液的加熱所需的熱能由熱泵提供，膜組件一產(chǎn)生的水蒸氣進入加熱器，加熱膜組件二中的料液，水蒸氣則變?yōu)槟Y水進入分離液容器。膜組件二冷卻器的冷卻所需的冷能由熱泵提供，水蒸氣凝結后也進入分離液容器。

圖6 電驅動型熱泵雙效膜蒸餾系統(tǒng)

該結構的膜組件通常可為2～4效，以保證首效膜組件料液加熱溫度與末效膜組件水蒸氣冷卻溫度之差不大于40℃為宜。

實際應用時，如冷卻器中水蒸氣凝結溫度高于環(huán)境溫度，也可在冷卻器后增加環(huán)境輔助冷卻器，以降低系統(tǒng)能耗。

（5）熱驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當用戶電能緊張時，可考慮熱能驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng) （熱能可來自燃料、太陽能、工業(yè)廢熱等），其示意如圖7所示。

圖7 熱驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

圖7中發(fā)生器、吸收器、溶液閥、溶液泵、加熱器、冷卻器構成吸收式熱驅動熱泵，熱泵內(nèi)充注工質溶液。發(fā)生器中輸入驅動熱能，驅動熱泵工作，為冷卻器提供冷能，同時為加熱器提供熱能（熱管用于將熱泵吸收器中產(chǎn)生的熱能輸送到料液加熱器）。

與電驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)相比，熱驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的熱能消耗量遠大于電能消耗量，但當熱能為工業(yè)廢熱或熱能價格低廉時，實際運行的經(jīng)濟性可能優(yōu)于電驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)。

與直接利用熱能為熱源加熱料液的普通膜蒸餾裝置相比，熱驅動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)通常可節(jié)省熱能消耗30%～70%。

2 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的優(yōu)化模型

以一定工作年限內(nèi)的噸水總費用 （從料液中分離出1 t純水的總費用）為目標函數(shù)。其中總費用包括膜成本、熱泵成本、系統(tǒng)運行的能源消耗費用。以圖3所示的系統(tǒng)為例，其噸水總費用表達式為：

式中，AHPVMD為噸水總費用，元/噸；CM為膜組件的面積成本系數(shù)，元/平方米；COPC為熱泵的制冷系數(shù) （提供給水蒸氣凝結所需的冷量與壓縮機耗能量之比），無因次；LM為膜的工作壽命，年；F為膜通量，kg/(m2·h)；CHP為熱泵的壓縮機功率成本系數(shù)，元/千瓦；LHP為熱泵壽命，年；CE為電價，元/度；xW為膜的有效工作時間系數(shù) （工作時間與工作、沖洗、再生、維護時間的和之比），無因次。

對特定膜組件和工作條件，有[4]：

熱泵制冷系數(shù)COPC的計算式為[5]：

式中，tH為料液溫度，℃；tC為水蒸氣冷凝溫度，℃。

3 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的優(yōu)化分析

（1）料液溫度對噸水總費用的影響分析

取冷側水蒸氣凝結溫度為tC=20℃ （真空度0.09 MPa），膜組件面積成本系數(shù)為 CM=1000元/平方米，膜的工作壽命為LM=1年，熱泵的壓縮機功率成本系數(shù)CHP=3000元/千瓦，熱泵壽命LHP=15年，電價CE=0.5元/度，膜的有效工作時間系數(shù)xW=0.8，不同料液溫度時的噸水總費用見圖8。

圖8 噸水總費用與料液溫度的關系

由圖8可見，料液溫度由較高溫度降低時，熱泵效率提高，噸水總費用迅速下降，但當料液溫度降至較低時，膜熱側與冷側溫差變小，膜的需要量增加，膜成本上升，導致噸水總費用變化趨緩。

（2）膜組件費用對噸水總費用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，膜組件費用變化時的噸水總費用如圖9所示 （其他參數(shù)同上）。

圖9 噸水總費用與膜組件費用的關系

由圖9可見，噸水總費用與膜組件費用基本呈線性關系，降低膜成本是提高熱泵膜蒸餾經(jīng)濟性的基本措施之一。

（3）膜組件壽命對噸水總費用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，膜組件壽命變化時的噸水總費用如圖10所示 （其他參數(shù)同上）。

圖10 噸水總費用與膜組件壽命的關系

由圖10可見，膜組件壽命提高對降低噸水總費用效果明顯，但趨勢隨膜壽命增加逐漸變緩。

（4）熱泵費用對噸水總費用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，熱泵費用變化時的噸水總費用如圖11所示 （其他參數(shù)同上）。

圖11 噸水總費用與熱泵費用的關系

由圖11可見，熱泵費用與噸水總費用之間也近似呈線性關系，但因熱泵壽命較長，其在噸水總費用中占的比例不大，對噸水總費用的影響范圍不大。

（5）電價對噸水總費用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，電價變化時的噸水總費用如圖12所示 （其他參數(shù)同上）。由圖12可見，噸水總費用與電價基本呈線性關系，選擇適宜的熱泵驅動能源對熱泵膜蒸餾的經(jīng)濟性有重要影響。

圖12 噸水總費用與電價的關系

4 結論與建議

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)具有結構緊湊、能耗低等特點。實際應用中應根據(jù)料液溫度、水蒸氣凝結溫度、熱側與冷側溫差、用戶的能源供應條件等因素，合理選擇適宜的結構類型。通過各主要因素對噸水能耗指標影響的計算分析表明，能源費用是主要因素，膜費用其次。可通過合理選擇適宜的熱泵驅動能源、進一步提高熱泵效率、降低膜成本、提高膜壽命等措施，大幅度提高熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的競爭優(yōu)勢。

[1] 呂建國.國內(nèi)膜蒸餾技術應用現(xiàn)狀 [J].甘肅科技，2012，28 （19）： 71-75.

[2] 游文婷，徐振良，徐文婷，等.真空膜蒸餾法處理高濃度Na2SO4和CaCl2廢水 [J].膜科學與技術，2013，33 （1）： 92-96.

[3] El-Bourawi M S,Ding Z,Ma R,et al.A framework for betterunderstanding membrane distillation separation process[J].J Membr Sci,2006,285：4-29.

[4] 李福勤，呂曉龍.PVDF復合膜在循環(huán)冷卻排污水回用處理中的應用[J].能源環(huán)境保護，2012，26（6）：32-35.

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