538 一体型热泵气扫式膜蒸馏实验装置-性能测试
背景
实验装置概要及调试操作等请参见“冷热平台”第536篇、第537篇。
典型运行数据
实验料液为热物性与水相近的浆果原汁，充装质量24.6kg，要求浓缩温度40℃左右。
热泵与膜蒸馏联合工作、近稳态运行阶段的一组典型数据如下：
料液升温速率为0.6℃/5分钟（0.002℃/s），料液浓缩温度39.6℃（料液在敞口罐内，压力为常压），装置环境温度24.2℃，压缩机功率80.4W，压缩机转速2931rpm，热泵工质冷凝压力10.7bar，热泵工质蒸发压力3.7bar，电子膨胀阀开度110P，吹扫气流量（空气）3.55m3/h，吹扫气进膜组件温度23.3℃，相对湿度47.8%，出膜组件温度37.1℃，相对湿度99.8%。
膜组件性能
无效热负荷
吹扫气流过膜组件升温消耗的热能。
Q1=maca(Tamo-Tami)
式中，Q1为膜组件无效热负荷，W；ma为吹扫气（实验中为空气）质量流量g/s；ca为吹扫气的定压比热，J/(g.℃)；Tamo为吹扫气出膜组件温度，℃；Tami为吹扫气进膜组件温度，℃。
由典型运行数据，可得吹扫气质量流量为：
ma=3.55m3/h*1200g/m3/3600s/h
=1.183g/s
空气定压比热
ca=1.005J/(g.℃)
代入实验数据得：
Q1=1.183g/s*1.005J/(g.℃)*(37.1℃-23.3℃)
=16.4J/s=16.4W
有效热负荷
料液中水分汽化消耗的热能。
Q2=rwma(d2-d1)
式中，Q2为膜组件的有效热负荷，W；rw为料液中水分的汽化潜热，J/g（40℃时约为2407 J/g）；d2为吹扫气出膜组件的含湿量，g(水蒸气)/g(干空气)；d1为吹扫气进膜组件的含湿量，g(水蒸气)/g(干空气)。
37.1℃时饱和湿空气的含湿量约为0.0415 g(水蒸气)/g(干空气)，23.3℃时饱和湿空气的含湿量约为0.0182 g(水蒸气)/g(干空气)。
根据实验数据，近似有：
d2=0.0415*0.998=0.0414 g(水蒸气)/g(干空气)
d1=0.0182*0.478=0.0087 g(水蒸气)/g(干空气)
代入上式得：
Q2=2407J/g*1.183g/s*(0.0414-0.0087)
=93.1W
膜组件的总热负荷
无效热负荷与有效热负荷之和，即
Qm=Q1+Q2
=16.4+93.1=109.5W
膜组件热效率
有效热负荷与总热负荷之比，即：
ηm=Q2/Qm=93.1/109.5=0.85
膜通量
单位时间、单位面积膜从料液中分离出水的质量，即：
J= ma(d2-d1)/Am
式中，为膜组件中膜管的内表面积，m2。
实验装置中，膜管311根，长0.385m，内直径0.001m，因此：
Am=311*3.14*0.001*0.385
=0.376m2
因而
J=1.183*(0.0414-0.0087)/0.376
=0.103g/(s.m2)
=0.37kg/(h.m2)
热泵性能
料液升温耗热量：
QHP1=McwdT
式中，QHP1为料液升温耗热量，W；M为料液质量，g（实验装置中24600g）；cw为料液比热，J/(g.℃)；dT为料液升温速率，℃/s.
代入实验数据得：
QHP1=24600g*4.2J/(g.℃)*0.002℃/s
=206.6W
膜组件热负荷：
QHP2=Qm=109.5W
热泵制热量
近似计算式为：
QHP=QHP1+QHP2
=206.6+109.5=316.1W
热泵制热系数
热泵制热量与压缩机功率之比，即：
COPHP=QHP/W
=316.1/80.4=3.93
实验装置总体性能
节能倍率
相对于料液单效蒸发浓缩的节能倍数，近似计算式为：
ESR=ηm * COPHP
=0.85*3.93=3.34
浓缩速率
单位时间内从料液中分离出水分的速率，即：
mc=ma(d2-d1)
=1.183*(0.0414-0.0087)
=0.03868g/s
=0.14kg/h
小结
实验装置能在常压下对热敏料液在低于40℃的温度下进行低温浓缩。
除热泵单元主要采用金属材料外，膜蒸馏组件、吹扫气单元等主要采用高分子材料，在耐腐蚀、降成本方面有一定潜力。
在浓缩温度40℃左右时，节能倍率3.34，约与3～4效多效真空蒸发相当，对膜组件、热泵、吹扫气流程及参数等综合优化后，节能倍率预计可达5.0以上。
实验装置所需料液样品量偏多，浓缩时间也偏长，进一步通过优化膜管排列、膜管长度、料液与吹扫气流程等，预计可把实验所需料液样品量降至5000g以下，料液浓缩时间缩短至30min以内。
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