压缩式热泵膜蒸馏系统的分析与实验研究

中国Ｊ：程热物理学会传热传质学术会议论文编号：０３３１９４压缩式热泵膜蒸馏系统的分析与实验研究

张踢任建勋陈泽敬

清华大学工程力学系，传热强化与过程节能教育部重点实验室．北京．１０００８４

Ｔｅｌ：ＯｌＯ一６２７８２９８２Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇＯｌ西ｎａｉｌＳ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ

摘要：本文将探索应用减压膜蒸馏技术制取纯净水，同时采用压缩式热泵圊收水蒸气冷凝潜热用于加热原料液，以提高能源的利用率的可行性．压缩式热泵系统以Ｒ１４２ｂ为工质，在热源温度（原料液）５５～６５℃、冷源温度（水蒸气）３０～５０＂Ｃ的条件下，系统的ＣＯＰ可达３．３５．系统单耗１８０ｗｈ／ｋｇ．与ＴＩＭＥＳ系统相比，不仅产水率提高而且明显降低了系统的单耗：同时系统的启动时间仅为４分钟，解决了ＴＩＭＥＳ系统产水滞后的问题．

芙键词：减压膜蒸馏单级压缩式热泵纯净水

１引言：

膜蒸馏是一种新型膜分离技术，它利用高分子膜的某些结构上的功能，来达到蒸馏的目的。在长期载人航天器的水回收与再生系统中．热电集成膜蒸馏子系统ＴＩＭＥＳ（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭｅｍｂｒｕｎｅＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎＳｕｂｓｙｓｔｅｍ）已经成功地将尿液处理成为卫生水【ｌ】。文献［２】研制的ＴＩＭＥＳ实验样机，在保证产水率基本不变的情况下降低了系统的运行单耗。但由于ＴＩＭＥＳ中的热电制冷元件成本很高，使膜蒸馏这一高效率的水处理技术的地面应用受到很大的限制。蒸汽压缩制冷技术十分成熟，而且蒸汽压缩热泵已经成功应用于油田工业废热回收［３】。因此，本文提出了用蒸汽压缩热泵代替热电制冷的热回收新方案。这一方案，一方面继承了ＴＩＭＥＳ结构简单、高效的优点，另一方面能明显降低系统的制造成本，提高系统的经济性。这里．对新方案的原理、结构、性能进行初步探讨和实验研究，为该系统今后的进一步研究和实际应用奠定基础。２系统构成及工作原理

２．１系统构成

如图１所示。从工作原理上分析，本系统包括膜蒸馏和热回收两大子系统。膜蒸馏系统由聚丙烯（ＰＰ）中空纤维膜组件５、循环泵９、真空机组８、真空集液器７和二冷凝器６构成。蒸汽压缩热回收系统包括：压缩机ｌ、蒸发器４、冷凝器２、毛细管３．系统中存在三个相互关联的流动传热回路：蒸汽压缩制冷回路Ａ、循环水加热回路Ｂ和水蒸气的冷凝和收集Ｃ．

２．２工作原理及可行性分析

循环废水在冷凝器吸收来自制冷剂的冷凝潜热。温度升高后，进入中空纤维膜组件中，在膜两侧的饱和压力差作用下．部分水在膜的外表面蒸发成饱和水蒸气．水蒸气在制冷系统的蒸发器中向制冷剂放热而冷凝成液态水、通过二次冷凝器和真空机组收集。绝大部分废水则回到制冷系统的冷凝器中再次被加热。压缩机则将来自蒸发器的制冷剂蒸汽压缩，提高温度和压力后，回到制冷系统的冷凝器中冷凝．将热量传递给循环废水，维持整个系统的正常工作．

当循环废水温度较高时，废水中的有机物容易分解，分解产物会和水蒸气一起穿过蒸馏膜的微孔，影响净水的水质。因此要求通过膜纤维的循环水温度不高于７０℃，相应的饱和蒸汽压力低于３ｌｋｐａ。系统实验所需的真空度由微型真空泵维持。水蒸气侧的绝对压力可达３．８ｋｐａ。

采ｆ｝Ｊ蒸气压缩制冷代替！Ｆ导体热电制冷，在保证产水率的条件下，系统的制冷系数不能太低，否则会使系统的运行成本过高而失去使用价值。ＴＩＭＥＳ中，半导体热电制冷的制冷系数在３￣４之间，对于常用的氟利昂小型蒸气压缩制冷系统，当蒸发温度为５＂Ｃ冷凝温度为４５℃时，制冷系数约为２．８～３．２。从膜蒸馏的原理讲，制冷系统的冷凝温度和蒸发温度都可以提高，制冷温差还可以减小。因此，系统的制冷系数有望再提高一些。

ｌ：压缩机

２；冷凝器

３：毛细管

４：蒸发器

５：中空纤维膜组件

６：二级冷凝器

７：真空收集嚣

８；真空泵

９：循环水泵

３实验装置

本实验采用了聚丙烯中空纤维膜［４］作为蒸馏分离膜（ＰＰｈ＇Ｍ），即保证产水质量又可降低成本。膜组件长约２００ｍｍ，空隙率２５％，长方形膜孔（０．８×０．２ｕｍ），膜管内径仅为０．３ｍｍ，表面积约为２ｍ２。

根据膜蒸馏对废水工作温度的要求，制冷系统的冷凝温度约６５～７０＂（２．属于高温制冷工况，要选择适合的高温制冷剂【５】。在制冷量为１０００ｗ的条件下，分别对几种高温制冷剂计算相应的理论排量和单位容积制冷量。理论排量大，则压缩机尺寸过大。排量过小，难找到合适的小排量压缩机。综合考虑单位容积制冷量，选用Ｒ１４２ｂ为制冷工质。并选用了全封闭滚动转子式压缩机作为实验系统的压缩机．

考虑到冷凝器制冷剂侧的高压及冷凝器循环废水侧的腐蚀性，冷凝器采用不锈钢钎焊板式换热器，换热面积约为０．７９５ｉｎ＇。蒸发器与冷凝器同型号。

实验系统的毛细管设计为可拆卸的形式。如图ｌ所示，毛细管采用机械配合连接到两端的截止阀上，关闭截至阀可更换毛细管。通过更换毛细管的长度和内径，可以改变实验系统的蒸发压力和冷凝压力。

冷凝水收集器是用高压锅改造成的真空净水容器，实验中采用小型真空泵维持该真空容器的真空度。

实验的循环水流量用浮子流量计测量，系统中布置了１６个０．２ｒａｍ的铜一缭铜热电偶测量各节点的温度，用ＨＰ３４９７０Ａ数字采集系统进行纪录。这１６个测温点为：冷凝器入、出口温度（４个）；蒸发器入、出口温度（４个）；膜体水路入、出口温度（２个）及蒸汽出口（１个）；压缩机入、出口温度（２个）。还有测量制冷剂压力的高、低压表，

净水产量由精度为Ｏ．５９的电子秤计量。

３实验结果与分析

表１是在两种工况下的系统实验结果。（通过改变毛细管的尺寸改变工况）可以看出，通过改变蒸发温度和冷凝温度，系统的性能变化较大。毛细管的节流效应增加，制冷温差增大，系统的性能系数下降，产水率下降，单耗增加。反之亦然。因此减小系统的制冷温差有利于系统性能的提高。

表２是工况２和ＴＩＭＥＳ的比较。从表２可以看出，与文【２】研制的ＴＩＭＥＳ样机相比，在单耗保持不变的同时，产水率（Ｉ．４５Ｋｇ／１１）提高了将近２０％。根据我们前期对ＴＩＭＥＳ的实验研究结果和其它研究单位公布的实验数据，ＴＩＭＥＳ的单耗指标大致在１００－－３６０ｗｈ／ｋｇ之间。因此，从目前的实验结果可以得到这样的结论，在膜蒸馏中采用蒸汽压缩制冷来回收热量，运行的经济性不会低于采用热电制冷系统。

表１蒸汽压缩静ｊ冷膜蒸馏循环实验结果

：［况毛细酣循环水流量蒸发温度℃冷凝温度℃压力

Ｌ／ｒａｉｎ（饱和压力）（饱和压力）比

ｌ６００×０．５５．３２３ｆ３．２ｂａｒ）７３（１２．２ｂａｒ）３．８１２５

２４００×１．５５．０２６ｒ３．５ｂａｒ）５８ｆ８．５ｂａｒ）２．４２８

表Ｉ（续）蒸汽压缩制冷膜蒸馏循环实验结果

工况压缩机输入功率制冷量热泵性能系数净水产量单耗

ＷＣＯＰ№伪ｗｈ／ｋｇ

ｌ２９０６５２．２２．２４０．９５８３０２．７２２５０．８８３９．７３．３５１．４５１７３．０

表２与ＴＩＭＥＳ系统性能比较

性能指标Ｂｏｅｉｎｇ＆ＮＡＳＡＴＩＭＥＳ样机本文系统

电功耗ｗ３８５．７２１５．３２５０．８

产水率ｋｇｍ１．３２Ｉ．２ｌ１．４５

单耗Ｗ?ｂＪｋｇ２９２．２１７７．９１７３

下面据工况２的实验数据分析制冷温差产生的原因。此时制冷温差有２８＂Ｃ之多，而从膜蒸馏的工作过程看，实验系统完全能够在ＩＯ＇Ｃ以下的小温差正常工作。绘制系统节点温度及温差示意图如图３。

Ｔｈ：制冷剂冷凝温度５８℃

Ｔｃ：制冷剂蒸发温度２６℃

Ｔｓ：膜组件壁面处水蒸气温度４６．１℃

Ｔｓ△Ｔ：制冷温差３２℃

△Ｔｌ：冷凝器传热温差ｌ８℃

△Ｔ２：蒸发器传热温差４７℃

△Ｔｍ：膜组件循环水侧和水蒸气侧温差８ｌ℃

△Ｔｓ：水蒸气冷凝温差１４４℃

图３系统节点温度及温差示意图表３系统节点温度及温差值

从图３可知，膜管壁面两侧循环废水与水蒸气的温差△Ｔｍ和水蒸气的冷凝温差△Ｔｓ占的比例很大。膜管壁面两侧的温差△Ｔｍ，主要是由于膜组件的蒸发面积不足所致。水

Ｐ＝６ｋＰａ（１０—４ｋＰａ），造成较火的节流效应。因此设法减小这一阻力对提

通过实验验证了蒸汽压缩制冷系统应用于膜蒸馏热回收的可行性；与ＴＩＭＥＳ系统相比，不仅产水率提高而且能够降低系统的单耗；减少水蒸气的流动阻力、增大膜组件的

ＪＨ。ＳｈａｈＢＨ，ＭｃＧｒｉｆｆＣＦＷａｓｔｅＷａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＳｐａｃｅ

Ｆｒｅｅｄｏｍ：ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＴｅｓｔＤａｔｅＡｎａ［ｙｓｉｓ．Ｓ＾ＥＰａｐｅｒ．１９９１。ｔ００（１）：１１２９～１１４０

空闻站环控生保系统热管理研究．博士论文，２００１

Ｖ０１．１７Ｎｏ．３

２００２．２，Ｖ０１．２２Ｎｏ．１１２～１６

Ｎｏ．３３２～３６蒸气的冷凝温差△Ｔｓ是指膜组件出口水蒸气的饱和温度与制冷系统蒸发器出口水蒸气的冷凝温度（Ｔｃ＋△Ｔ２）之差。这一温差值有１４度，说明从膜组件到蒸发器之间的流动阻力很大，Ａ高系统的经济性有重要意义。４结论蒸发面积都有利于系统经济性的提高。参考文献［１］ＭｉｅｒｎｉｋＳｔａｔｉｏｎ［２］张信荣［３］张永贵．冯晓久．用热泵回收原油集输过程余热的试验，油气田地面工程．１９９８，［４］任建勋．张信荣．中空纤维式减压膜蒸馏组件的温度压力分布及通量特性研究，膜科学与技术，［５］李东明，王志国．热泵室内模拟试验及数据处理方法研究，制冷学报，２００２，９，Ｖ０１．２３