536 一体型热泵气扫式膜蒸馏实验装置-研制

背景

膜蒸馏是基于疏水微孔膜允许蒸气通过而不允许液体通过的特性，可实现热敏料液（果汁、药液等）在常压下低温浓缩（20～60℃），与真空低温蒸发浓缩相比，膜蒸馏可能显著降低低温浓缩设备的费用。

气扫式膜蒸馏易于获得高的热效率，且少量膜管亲水化或破裂时可不影响料液浓缩运行，便于产业化应用。

热泵膜蒸馏是应用热泵提供膜蒸馏过程所需的热能，可实现料液浓缩的低能耗。

一体型热泵气扫式膜蒸馏装置是把热泵加热器与膜管均布置在料液罐内，可省去料液泵，有利于简化装置和提高运行可靠性。

基于上述考虑，研制了一体型热泵气扫式膜蒸馏实验装置，并对耐温40℃左右的一种浆果原汁进行了常压低温浓缩实验。

实验装置流程与样机

实验装置基本流程

实验装置样机

部件和材料

实验装置中的主要部件和材料如下。

直流变频压缩机

广东高品ZH2024A，24V，转速1800～6000rpm，工质R134a，吸气压力通常在0.2～0.5MPa之间，排气压力通常不大于1.6MPa（详见“冷热平台”第184篇）。

电子膨胀阀

三花DPF（Q）1.3C，公称通径1.3mm（详见“冷热平台”第532篇）。

吸热器

铜管铝翅片型，风机强制对流从空气中吸热。

加热器

紫铜盘管型，布置在料液罐底部，通过热泵工质加热料液。

疏水微孔膜管

膜管布置在料液罐的中上部（料液罐内直径300mm，外直径310mm，长度385mm）。

膜管材料为聚丙烯，外直径1.8mm，内直径1.0mm，膜孔直径0.12μm，膜孔隙率0.68，膜管长度385mm，膜管根数311根，膜管排列方式为正方形，膜管间距10mm。

研制小结

膜管

膜管较佳间距与料液特性、浓缩温度等均有关。

膜管间距较密时，有利于在较小空间内布置较多膜管，可用较少料液样品获得实验数据，但不利于料液在膜管之间、膜管与加热器之间的自然对流，样机设计时需要根据具体料液进行模拟分析和优化。

膜管直径、膜孔直径等也需要根据料液特性和浓缩温度进行优化。

热泵

实验样机中，常压低温浓缩热敏料液时膜组件热负荷通常不大（如100W左右），满足这一热负荷的适宜压缩式热泵有一定难度（半导体热泵便于实现，但其制热系数可能偏低）；压缩式热泵的各部件中，除压缩机、电子膨胀阀外，加热器、吸热器等通常均需要自制，且需做好热泵各部件之间的匹配，尤其是压缩机可能对系统内工质充注量有一定限制，设计和运行调控时均需要谨慎处理；此外，料液浓缩时的热泵运行工况也可能偏离压缩机的较佳运行区域。

电气

样机中电气部件类型较多，要求的电源参数也各有不同，如5V直流、24V直流、220V交流等，接线时需要仔细核对（样机研制过程中就因为接线错误损坏了丙组温湿度传感器及显示器）。

致谢

文中的样机流程图由桂大李、秦彦沛协助绘制。

参考素材