熱泵膜蒸餾專用的穿流型膜組件研制及性能測試

閆贊揚 陳東 彭躍蓮 尹龍升 雷學儉 金程 謝繼紅

（1. 天津科技大學 機械工程學院，天津 300222；2. 北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124）

熱泵膜蒸餾專用的穿流型膜組件研制及性能測試

閆贊揚1陳東1彭躍蓮2尹龍升1雷學儉1金程1謝繼紅1

（1. 天津科技大學 機械工程學院，天津 300222；2. 北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124）

基于改進膜組件熱效率及與熱泵單元有良好匹配等考慮，提出了穿流型熱泵膜蒸餾專用中空纖維膜組件，給出了該膜組件的性能方程，并對其熱效率隨關鍵要素的變化規律進行了計算分析，結果表明穿流型膜組件熱效率隨料液進口溫度的升高和膜孔直徑的增大而增加，隨膜絲根數和膜絲內直徑的增加而減小。以上述分析為指導，研制了全透明穿流型中空纖維膜蒸餾組件，并對其性能進行了實驗測試，結果表明，當料液流量為1.80 g/s，冷凝水流量為1.80 g/s，料液進口溫度在45 ～ 56 ℃、冷凝水出口溫度在36 ～ 46 ℃變化時，熱效率可達43 % ～ 53 %，比傳統管殼式中空纖維膜蒸餾組件有顯著提高。

熱泵；膜蒸餾；膜組件；穿流型；熱效率

膜蒸餾是指料液中水分在疏水膜表面汽化并穿過膜孔，而料液中不揮發溶質被截留，從而實現料液濃縮分離的過程，其特點是在常壓下對熱敏料液進行低溫濃縮、便于處理中高濃度料液等[1-2]。根據對跨膜蒸汽處理方式的不同，膜蒸餾可分為直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾、真空式膜蒸餾[3]，其中，采用中空纖維的直接接觸式膜蒸餾具有結構簡單、易于產業化應用等特點，具有較好的綜合優勢[4]。

膜蒸餾組件工作時，料液側需要不斷輸入熱能使其中的水分汽化，跨膜蒸汽側需要不斷輸入冷能使蒸汽凝結；熱泵與膜蒸餾集成可實現膜蒸餾過程的低能耗[5-6]。為實現熱泵-膜蒸餾系統的高效運行，要求膜組件不但具備較高的熱效率，而且應與熱泵實現良好匹配[7]，包括料液與蒸汽冷凝側溫差宜在5 ～ 10℃、料液與冷凝水逆向流動、料液與冷凝水流量比接近。傳統的中空纖維型殼管式膜組件由于殼側存在溝流效應等問題，很難滿足上述要求。為此，本文設計了熱泵-膜蒸餾集成工藝專用的穿流型膜組件，可較好地解決上述問題。

1 穿流型膜組件的結構和工作原理

圖1 穿流型膜組件結構示意Fig.1 Schematic diagram of cross- fl ow membrane module

在圖1中，料液進入中空纖維膜絲內，在流過膜絲過程中，料液中的水分汽化并以蒸汽形式穿過膜孔進入殼側（冷凝水側）；冷凝水在中空纖維膜絲外的殼側流動，通過多次穿流過膜絲陣列，吸收料液中跨膜傳質的蒸汽，并與料液之間整體逆向流動。

2 穿流型熱泵膜蒸餾專用膜組件基本方程

2.1 膜絲內換熱系數計算方程[8]

按式（1）—式（5）進行計算。

式中αf——膜絲內換熱系數，W/（m2·℃）；

Nuf——料液側努賽爾數，無因次；

Dmi——料液側當量直徑，m；

λf——料液的導熱系數，W/（m·℃）；

Ref——料液側雷諾數，無因次；

Prf——料液普朗特準數，無因次；

ρf——料液密度，kg / m3；

uf——料液流速，m / s；

μf——料液動力黏度，Pa·s；

Cf——料液比熱容，J/（g·℃）；

dmi——膜絲內徑，m。

2.2 膜絲外換熱系數計算方程[8]

按式（6）—式（11）進行計算。

式中αp——膜絲外換熱系數，W/（m2·℃）；

Nup——冷凝側努賽爾數，無因次；

Dmo——冷凝水側當量直徑，m；

λp——冷凝水的導熱系數，W/（m·℃）；

Rep——冷凝水雷諾數，無因次；

Prp——冷凝水普朗特準數，無因次；

ρp——冷凝水密度，kg / m3；

up——冷凝水流速，m/s；

μp——冷凝水動力黏度，Pa·s；

Cp——冷凝水比熱容，J/（g·℃）；

A——冷凝水過流面積，m2；

U——濕周，m；

dmi——膜絲內徑，m；

N——膜絲根數，根；

dfo——膜絲外徑，m。

2.3 膜組件熱效率計算方程

按式（12）—式（14）進行計算。

式中η——膜組件熱效率，無因次；

Qm1—— 膜熱側表面料液中水汽化消耗的熱量（有效熱負荷），W；

Qm2——跨膜壁導熱量（無效熱負荷），W；

Jm——膜通量，g /（m2·s），參見文獻[4]；

rm——水的汽化潛熱，J / g；

Afm——膜內側表面積，m2；

km—— 膜壁當量熱導率，W /（m·℃），參見文獻[4]；

Tfm——膜熱側表面溫度，℃；

Tpm——膜冷側表面溫度，℃；

δm——膜壁厚度，m。

3 穿流型熱泵膜蒸餾專用膜組件熱效率變化規律分析

利用式（12）和其它輔助方程，可得到關鍵因素對膜組件熱效率的影響規律如下。

3.1 熱效率隨料液進口溫度的變化規律

取膜組件殼體截面長度L=0.06 m，殼體截面寬度W=0.03 m，殼體高度為0.30 m；膜絲內直徑為0.000 65 m，膜絲外直徑為0.000 95 m，有效長度為0.36 m，膜孔半徑為0.11 μm，孔隙率為68 %，根數為42，膜材料熱導率為0.175 W/（m·℃）；料液和冷凝水質量流量為1.80 g / s，料液進口與冷凝水出口溫差為5 ℃，料液進口溫度在40 ～ 95 ℃之間變化時，熱效率變化如圖2所示。

圖2中，料液進口溫度升高，穿流型膜組件熱效率隨之增大。這是因為隨著料液進口溫度的升高，膜通量增加則水氣化耗熱量變大，而跨膜導熱減小，即有效熱負荷增加，而無效熱負荷減小，從而使得熱效率在料液進口溫度升高時呈現升高的趨勢。

3.2 熱效率隨膜孔直徑的變化規律

取料液進口溫度為60 ℃和90 ℃，其他參數同上，膜孔直徑在0.2 ～ 1.2 μm變化時，熱效率變化如圖3所示。

圖2 熱效率隨料液進口溫度的變化規律Fig.2 Chang of membrane thermal ef fi ciency with feed inlet temperature

圖3 熱效率隨膜孔直徑的變化規律Fig.3 Chang of membrane thermal ef fi ciency with diameter of membrane pore

圖3中，熱效率隨著膜孔直徑的升高呈現上升的趨勢，并且在膜孔直徑相同的情況下，90 ℃時的熱效率比60 ℃時的熱效率要大。這是因為隨著膜孔直徑的升高，膜通量增加則水氣化耗熱量變大，而跨膜導熱減小，即有效熱負荷增加，而無效熱負荷減小，從而使得熱效率在膜孔直徑升高時呈現升高的趨勢，并且溫度越高，熱效率越大。

3.3 熱效率隨膜絲內直徑的變化規律

取膜孔直徑為0.22 μm，其他參數同上，膜絲內直徑在0.5 ～ 1.1 mm變化時，熱效率變化如圖4所示。

圖4中，熱效率隨著膜絲內直徑的增加呈現降低的趨勢，并且在膜絲內直徑相同的情況下，90 ℃時的熱效率比60 ℃時的熱效率要大。這是因為隨著膜絲內直徑的增加，膜通量減小，則水氣化耗熱量變小，而跨膜導熱增加，即有效熱負荷減小，而無效熱負荷增大，從而使得熱效率在膜絲內直徑增加時呈現降低的趨勢，但溫度越高熱效率越大。

3.4 熱效率隨膜絲根數的變化規律

取膜絲內直徑為0.65 mm，其他參數同上，膜絲根數在40 ～ 140根變化時，熱效率變化如圖5所示。

圖4 熱效率隨膜絲內直徑的變化規律Fig.4 Chang of membrane thermal ef fi ciency with inner diameter of membrane tube

圖5 熱效率隨膜絲根數的變化規律Fig.2 Chang of membrane thermal ef fi ciency with the number of membrane wires

圖5中，熱效率隨膜絲根數的增加而減小，并且在膜絲根數相同的情況下，90 ℃時的熱效率比60℃時的熱效率要大。這是因為，膜絲根數從40增加到140時，水氣化耗熱量（有效熱負荷）從51.4 W增長至108.0 W，增長幅度為52.4 %而跨膜導熱（無效熱負荷）從38.0W增長至130.5 W，增長幅度為70.9 %。由此可見膜絲根數增加時，有效熱負荷和無效熱負荷均增加，但因為無效熱負荷增長較有效熱負荷增長幅度大，從而使得熱效率在膜絲根數增加時呈現下降的趨勢，并且溫度越高，熱效率越大。

4 穿流型熱泵膜蒸餾專用膜組件的制作和性能測試

穿流型膜組件如圖6所示。

4.1 膜組件參數

圖6 穿流型熱泵膜蒸餾專用膜組件實物Fig.6 Cross- fl ow and special membrane module for heat pump membrane distillation

殼體參數：膜殼截面長度L=0.06 m，殼體截面寬度W=0.03 m，殼體高度為0.3 m，膜殼材料為有機玻璃；膜絲參數：膜絲內直徑為0.000 65 m，膜絲外直徑為0.000 95 m，膜孔直徑為0.22 μm，孔隙率為68 %，膜絲有效長度為0.36 m，根數為42，膜絲材料為聚丙烯。

4.2 實驗測試裝置

實驗測試裝置流程如圖7所示。

由圖7可知，實驗測試系統包含兩個循環單元：料液循環單元和冷凝水循環單元。料液循環單元包括加熱功率調節器、料液罐（加熱器）、料液泵、調節閥和膜組件，其中循環介質為鹽水；冷側冷凝水循環單元包括冷凝水儲罐、冷卻器、調節閥、冷凝水泵和膜組件，其中的循環介質為冷凝水。

圖7 穿流型膜組件測試流程Fig.7 The fl ow chart of cross- fl ow membrane module for heat pump membrane distillation performance test

實際測試過程中，對于料液循環單元，利用功率調節器調節加熱器的加熱功率，把料液加熱到一定溫度，并利用料液泵使加熱后的料液在膜組件的料液側按照一定的流量進行循環；對于冷凝水循環單元，利用冷卻器將冷凝水冷卻至一定的溫度，并利用冷凝水泵使冷卻后的冷凝水按照與料液近似相同的流量在膜組件冷凝水側進行循環流動；系統產生的冷凝水可通過冷凝水儲罐排水口進行收集；實驗過程中利用電導率儀定時對料液和冷凝水的電導率進行監測，確保膜絲無斷裂和親水化。

4.3 測試結果及分析

專用膜組件在典型工況下運行的性能如表1所示。

如表1可見，當該組件在料液流量為1.80 g / s，冷凝水流量為1.80 g / s，料液進口溫度在45 ～ 56℃之間，冷凝出口溫度在36 ～ 46℃變化時，熱效率可達43 % ～ 53 %，可比傳統的中空纖維型殼管式膜蒸餾組件提高30 %以上[9]。

5 結論和建議

基于熱泵膜蒸餾系統的要求，設計了穿流型膜組件，對其熱效率隨關鍵要素的變化規律進行了分析，表明穿流型熱泵膜蒸餾專用膜組件熱效率隨料液進口溫度的升高和膜孔直徑的增大而增加，隨膜絲根數和膜絲內直徑的增加而減??；以某熱敏性料液的熱泵膜蒸餾濃縮為背景，制作了穿流型膜蒸餾專用膜組件樣品，并對其性能進行了實驗測試，結果表明當料液流量為1.80 g / s，冷凝水流量為1.80 g / s，料液進口溫度在45 ～ 56℃之間，冷凝出口溫度在36 ～ 46℃變化時，熱效率可達43 % ～ 53 %，較傳統的中空纖維型殼管式膜蒸餾組件有顯著提高。下一步可考慮對專用膜蒸餾組件的膜絲填充率、殼側流場進行深入研究，為膜組件的放大和產業化應用提供參考。

表1 典型工況下的專用膜組件性能Tab.1 Performance of special module for membrane distillation under typical working conditions

[1]郝維維，陳東，謝繼紅，等. 直接接觸式膜蒸餾的技術方案分析[J]. 化工裝備技術，2015，36（3）：5-8.

[2]Alkhudhiri A，Darwish N，Hilar N. Membrane distillation：A comprehensive review[J]. Desalination，2012，287：2-18

[3]Khayet M，Matsuura T.Membrane Distillation：Principles and Applications[M] . Elsevier， 2011， The Netherlands.

[4]賈曉敏. 熱泵多效膜蒸餾系統的研究[D]. 天津：天津科技大學，2016.

[5] 張旸，任建勛，陳澤敬. 壓縮式熱泵膜蒸餾系統的分析與實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2005，26（1）：107-109.

[6]韓懷遠，高啟君，呂曉龍. 減壓膜蒸餾過程與熱泵耦合技術研究[J]. 天津工業大學，2011，30（1）：1-4.

[7] 于褔榮，陳東，彭長章，等. 熱泵膜蒸餾系統及其特性分析[J].化工裝備技術，2013，34（6）：1-5.

[8]陳東，謝繼紅. 熱泵技術手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2012.

[9]閆贊揚，陳東，謝繼紅，等. 熱泵-兩效直接接觸式膜蒸餾裝置的研制及性能測試[J]，化工與醫藥工程，2017，38（2）：37-40.

Development and Performance Test of Cross- fl ow Membrane Module Specially Used for Membrane Distillation in Using Heat Pump

Yan Zanyang1, Chen Dong1, Peng Yuelian2, Yin Longsheng1, Lei Xuejian1, Jin Cheng1, Xie Jihong1
（1. College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin300222;2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University and Technology, Beijing100124）

On account of improving the thermal ef fi ciency of the device and matching with heat pump, a cross- fl ow hollow fi ber membrane module for heat pump membrane distillation was proposed. In addition, its performance equation was presented, and the in fl uence of the key factors to the thermal ef fi ciency was analyzed. The results showed that the thermal ef fi ciency increases with the increase in feed inlet temperature and diameter of membrane pore, and declines with increase in the number of membrane wires and inner diameter of membrane tube. Regarding the above research as guidance, a cross- fl ow hollow fi ber membrane module for membrane distillation was designed and its properties were also tested. The experimental results showed that when rate of feed fl ow was 1.8 g/s and rate of condensate fl ow was 1.8 g/s, feed inlet temperature changed from 45 ℃ to 56 ℃, condensate outlet temperature changed from 36℃ to 46℃, the thermal efficiency was within the scope of 43% to 53%, and its performance was improved obviously compared with shell and tube hollow fi ber membrane module.

heat pump; membrane distillation; membrane module; cross- fl ow; thermal ef fi ciency

TQ 028.8

A

2095-817X（2017）06-0031-005

2017-07-21

國家自然科學基金項目（21576004）。

閆贊揚（1992—），男，碩士研究生，從事熱泵膜蒸餾研究。