基于热泵膜蒸馏的海水淡化系统热力性能分析

发布时间：2020-04-22 15:38

【摘要】：淡化海水是目前解决水资源短缺问题的重要举措,但是目前海水淡化技术普遍存在能耗高、难以处理高浓度盐水的问题。而膜蒸馏技术是一种新型的膜分离技术,具有常压中低温的操作的特点,在处理高浓度盐水方面具有很大的优势,膜蒸馏过程中需要外界同时提供热能与冷能,在这样的背景下,本文提出了一种液隙式膜蒸馏技术与热泵相结合的海水淡化系统,并对系统进行了改进设计和热力学分析。首先,本文根据常规的热泵膜蒸馏设计思路,设计了常规的液隙式热泵膜蒸馏系统,然后针对液隙式膜蒸馏组件的特点,又先后提出了新型的单效自回热式热泵膜蒸馏海水系统和双效自回热式热泵膜蒸馏系统,并分别构建了系统的物理模型和数学模型,利用Matlab与Refprop软件进行编程计算。其次,分别研究了单效与双效自回热式热泵膜蒸馏系统的膜通量、热效率、热泵制热系数、造水比和吨水能耗随着热侧料液进口温度、料液流量、膜组件的封装率和冷凝管导热率的变化规律,结果表明,两种系统随工况的变化规律基本一致。在自回热式热泵膜蒸馏系统中,当热侧料液进口温度升高后,系统的膜通量和热效率增加,造水比与热泵制热系数减小,吨水能耗增加;当料液的流量增加时,系统的膜通量和热泵的制热系数增加,造水比减小,吨水能耗增加;当膜组件的封装率增加时,系统的膜通量减少,热泵制热系数变化很小,热效率与造水比增加,吨水能耗减少;一定范围内,膜通量、热效率和造水比随着冷凝管的导热率的增加而增加,热泵制热系数和吨水能耗减少,而当导热率大于一定值时,各个性能指标的变化幅度接近于0。研究中还发现,除了热侧料液进口温度对单效系统中的热泵制热系数影响比较大,其他参数对热泵制热系数几乎没有什么影响,而在双效系统中的影响却很显著。接着,对比了常规单效热泵膜蒸馏系统与单效自回热式热泵膜蒸馏系统的性能,结果表明,在相同的操作条件下,单效自回热式系统的能耗较常规式系统的热效率、造水比提高60.5%和52.8%,吨水能耗减少了35.4%,但是热泵的制热系数较低。同样对比了单效自回热式热泵膜蒸馏系统与双效自回热式热泵膜蒸馏系统的性能,结果表明,双效系统比单效系统的热效率提升了57.80%,造水比提高了41.62%,吨水能耗减少了28.55%,但是热泵的制热系数较低。最后,为了改善料液与热泵工质在换热过程中的温度匹配,使用R22/R141b混合工质作为热泵工质,结果表明使用混合工质可以减少压缩机压比,提高系统的造水比和热泵制热系数。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P747

【参考文献】