化工学报 ›› 2019, Vol. 70 ›› Issue (9): 3517-3526.DOI: 10.11949/0438-1157.20190315
白炳林1(),杨晓宏1,2(),田瑞1,3,史盼敬1,李达1
收稿日期:
2019-04-01
修回日期:
2019-06-21
出版日期:
2019-09-05
发布日期:
2019-09-05
通讯作者:
杨晓宏
作者简介:
白炳林(1995—),男,硕士研究生,基金资助:
Binglin BAI1(),Xiaohong YANG1,2(),Rui TIAN1,3,Panjing SHI1,Da LI1
Received:
2019-04-01
Revised:
2019-06-21
Online:
2019-09-05
Published:
2019-09-05
Contact:
Xiaohong YANG
摘要:
自主设计并搭建了太阳能光热-光电中空纤维膜蒸馏系统,太阳能光热采用面积1.82 m2真空管集热系统,光伏发电采用面积1.63 m2多晶硅电池板。实验方面,研究了不同工况下,热料液在不同流动方式时膜通量的差异;研究了在不同跟踪方式下太阳辐照度对系统性能的影响。结果表明:料液在管程流动的膜通量大于壳程的膜通量,且进口料液温度取50~70℃之间为宜;自动跟踪下膜组件入口温度比非跟踪高2~3℃,可以延长膜蒸馏系统运行时间1~2 h,且在相同的自然环境下,自动跟踪方式最大膜通量8.89 kg/(m2·h)远高于非跟踪方式时4.26 kg/(m2·h)。理论方面,分析了以水为工质的中空纤维膜蒸馏的传热和传质过程,建立了传热传质理论计算数学模型;分析了辐照强度、膜表面温差、膜丝内表面传热系数、传热与传质通量的定量关系,计算了膜面温度与理论膜通量,对比了实验值与理论值。系统运行稳定,能量综合利用效率高,性能可靠,为工程应用奠定了理论和实验基础。
中图分类号:
白炳林, 杨晓宏, 田瑞, 史盼敬, 李达. 太阳能光热-光电中空纤维真空膜蒸馏系统理论与实验研究[J]. 化工学报, 2019, 70(9): 3517-3526.
Binglin BAI, Xiaohong YANG, Rui TIAN, Panjing SHI, Da LI. Theoretical and experimental research on solar thermal-photovoltaic hollow fiber vacuum membrane distillation system[J]. CIESC Journal, 2019, 70(9): 3517-3526.
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/W | 235±3% |
额定电压/V | 30.0 |
额定电流/A | 7.84 |
短路电压/V | 36.8 |
短路电流/A | 8.35 |
正常运行温度/℃ | 45 |
表1 光伏板参数
Table 1 Parameters of PV panels
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/W | 235±3% |
额定电压/V | 30.0 |
额定电流/A | 7.84 |
短路电压/V | 36.8 |
短路电流/A | 8.35 |
正常运行温度/℃ | 45 |
参数 | 数值 |
---|---|
型号 | B-J-F-2-100/1.82/0.6 |
采光面积/ m2 | 1.82 |
容量/ L | 2.5 |
口径/ mm | 47 |
表2 全玻璃真空管集热器参数
Table 2 Parameters of all glass evacuated tube collectors
参数 | 数值 |
---|---|
型号 | B-J-F-2-100/1.82/0.6 |
采光面积/ m2 | 1.82 |
容量/ L | 2.5 |
口径/ mm | 47 |
膜丝个数 | 孔径/μm | 膜丝厚度/ mm | 膜丝内经/ mm | 膜丝长度/cm |
---|---|---|---|---|
100 | 0.15 | 0.15 | 0.8 | 24 |
表3 中空纤维膜组件参数
Table 3 Parameters of hydrophobic hollow fiber membrane module
膜丝个数 | 孔径/μm | 膜丝厚度/ mm | 膜丝内经/ mm | 膜丝长度/cm |
---|---|---|---|---|
100 | 0.15 | 0.15 | 0.8 | 24 |
温度点 | 名称 |
---|---|
1 | 集热器进口 |
2 | 集热器出口 |
3 | 保温水箱出口 |
4 | 保温水箱中层 |
5 | 保温水箱进口 |
6 | 膜组件进口 |
7 | 膜组件出口 |
表4 温度测点名称
Table 4 Name of temperature measuring point
温度点 | 名称 |
---|---|
1 | 集热器进口 |
2 | 集热器出口 |
3 | 保温水箱出口 |
4 | 保温水箱中层 |
5 | 保温水箱进口 |
6 | 膜组件进口 |
7 | 膜组件出口 |
时间 | 传热膜通量/ (kg/(m2·h)) | 传质膜通量/ (kg/(m2·h)) | 实验膜通量/ (kg/(m2·h)) |
---|---|---|---|
13:45 | 10.56 | 9.58 | 7.96 |
14:55 | 8.86 | 8.75 | 8.89 |
16:00 | 8.81 | 9.63 | 8.23 |
17:10 | 6.87 | 6.94 | 8.03 |
表5 传热膜通量、传质膜通量与实验膜通量对比
Table 5 Comparison of heat transfer membrane permeate flux, mass membrane permeate flux and experimental membrane flux
时间 | 传热膜通量/ (kg/(m2·h)) | 传质膜通量/ (kg/(m2·h)) | 实验膜通量/ (kg/(m2·h)) |
---|---|---|---|
13:45 | 10.56 | 9.58 | 7.96 |
14:55 | 8.86 | 8.75 | 8.89 |
16:00 | 8.81 | 9.63 | 8.23 |
17:10 | 6.87 | 6.94 | 8.03 |
1 | Yang H C , Zhong W , Hou J , et al . Janus hollow fiber membrane with a mussel-inspired coating on the lumen surface for direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 523: 1-7. |
2 | Khalifa A , Ahmad H , Antar M , et al . Experimental and theoretical investigations on water desalination using direct contact membrane distillation[J]. Desalination, 2017, 404: 22-34. |
3 | 邓洪玲, 杨晓宏, 田瑞, 等 . 太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统实验研究[J]. 太阳能学报, 2018, (1): 29-36. |
Deng H L , Yang X H , Tian R , et al . Experimental study on solar thermal-photovoltaic air gap membrane distillation system[J]. Journal of Solar Energy, 2018, (1): 29-36. | |
4 | Drioli E , Ali A , Simone S , et al . Novel PVDF hollow fiber membranes for vacuum and direct contact membrane distillation applications[J]. Separation Purification Technology, 2013, 115(2): 27-38. |
5 | Liu J , Liu M , Hong G , et al . Mass transfer in hollow fiber vacuum membrane distillation process based on membrane structure[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 532: 115-123. |
6 | 杨胜男, 杨晓宏, 田瑞, 等 . 膜蒸馏与热电制冷耦合传质通量分析[J]. 工程热物理学报, 2014, (7): 1374-1377. |
Yang S N , Yang X H , Tian R , et al . Mass transfer flux analysis of membrane distillation and thermoelectric refrigeration[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, (7): 1374-1377. | |
7 | Smolders K , Franken A C M . Terminology for membrane distillation[J]. Desalination, 2017, 72(3): 249-262. |
8 | Zhu H , Wang H , Wang F , et al . Preparation and properties of PTFE hollow fiber membranes for desalination through vacuum membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2013, 446(1): 145-153. |
9 | 张春尧, 耿洪鑫, 郎庆成, 等 . 新型气隙式膜蒸馏组件脱盐过程[J]. 化工学报, 2015, 66(10): 4000-4006. |
Zhang C Y , Geng H X , Lang Q C , et al . New air gap membrane distillation module for desalination[J]. CIESC Journal, 2015, 66(10): 4000-4006. | |
10 | 刘羊九, 韩吉田, 王云山, 等 . 直接接触式膜蒸馏用于处理含盐溶液的实验研究[J]. 化工学报, 2018, 69(S2): 246-251. |
Liu Y J , Han J T , Wang Y S , et al . Experimental study on saline solution by direct contact membrane distillation[J]. CIESC Journal, 2018, 69(S2): 246-251. | |
11 | Abdallah S B , Frikha N , Gabsi S . Design of an autonomous solar desalination plant using vacuum membrane distillation, the MEDINA project[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2013, 91(12): 2782-2788. |
12 | Su C , Lu C , Cao H , et al . Fabrication and post-treatment of nanofibers-covered hollow fiber membranes for membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2018, 562: 38-46. |
13 | Liu Y , Qin Y , Li Q , et al . A reversible absorption-based supported gas membrane process for enriching bromine from brine by using thin PTFE hollow fibers[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 543: 222-232. |
14 | Li K , Yong Z , Xu L , et al . Optimizing stretching conditions in fabrication of PTFE hollow fiber membrane for performance improvement in membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 550: 126-135. |
15 | 张大帅, 李晨, 张小朋, 等 . 料液强化流动对气扫式膜蒸馏影响的实验研究[J]. 膜科学与技术, 2018, 38(3): 91-96. |
Zhang D S , Li C , Zhang X P , et, al . Research on sweeping gas membrane distillation of enhanced liquid flow [J]. Membrane Science and Technology, 2018, 38(3): 91-96. | |
16 | He X , Lie J A , Sheridan E , et al . Preparation and characterization of hollow fiber carbon membranes from cellulose acetate precursors[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(4): 2080-2087. |
17 | 杨丹, 高启君, 吕晓龙, 等 . 气扫式多效膜蒸馏过程研究[J]. 水处理技术, 2014, (8): 33-37. |
Yang D , Gao Q J , Lyu X L , et al . Process study on sweeping gas multiple-effect membrane distillation[J]. Water Treatment Technology, 2014, (8): 33-37. | |
18 | Qtaishat M R , Banat F . Desalination by solar powered membrane distillation systems[J]. Desalination, 2013, 308(1): 186-197. |
19 | Winter D , Koschikowski J , Wieghaus M . Desalination using membrane distillation: experimental studies on full scale spiral wound modules[J]. Journal of Membrane Science, 2011, 375(1): 104-112. |
20 | 李洪建 . 太阳能空气隙膜蒸馏系统的实验研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古工业大学, 2016. |
Li H J . Experimental study of solar air gap membrane distillation[D]. Hohhot: Inner Mongolia University of Technology, 2016. | |
21 | 李卜义, 王建友, 王济虎, 等 . 新型中空纤维空气隙式膜蒸馏用于海水淡化[J]. 化工学报, 2015, 66(1): 149-156. |
Li B Y , Wang J Y , Wang J H , et al . New membrane distillation module based on hollow fiber AGMD desalination[J]. CIESC Journal, 2015, 66(1): 149-156. | |
22 | 胡俊虎, 郭枭, 杨晓宏, 等 . 太阳能膜蒸馏淡化水系统运行优化[J]. 农业工程学报, 2017, (6): 171-176. |
Hu J H , Guo X , Yang X H , et al . Optimization of operation of solar membrane distillation desalination water system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, (6): 171-176. | |
23 | 庄黎伟, 戴干策 . 中空纤维膜外压全量过滤动态过程的数值模拟[J]. 化工学报, 2016, 67(7): 2841-2850. |
Zhuang L W , Dai G C . Numerical simulation of dynamic process during outside-in dead-end filtration in hollow fiber membrane module[J]. CIESC Journal, 2016, 67(7): 2841-2850. | |
24 | Yin J , Deng B . Polymer-matrix nanocomposite membranes for water treatment[J]. Journal of Membrane Science, 2015, 479: 256-275. |
25 | Yang X , Wang R , Fane A G . Novel designs for improving the performance of hollow fiber membrane distillation modules[J]. Journal of Membrane Science, 2011, 384(1): 52-62. |
26 | Peng W , Chung T S . Design and fabrication of lotus-root-like multi-bore hollow fiber membrane for direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2012, 421/422(3): 361-374. |
27 | 薛喜东, 王建友, 刘红斌, 等 . 太阳能中空纤维空气隙膜蒸馏海水淡化性能研究[J]. 膜科学与技术, 2016, 36(4): 126-133. |
Xue X D , Wang J Y , Liu H B , et al . Air gap membrane distillation process based on hollow fiber powered by solar energy for seawater desalination[J]. Membrane Science and Technology, 2016, 36(4): 126-133. | |
28 | Mulder M . Basic Principles of Membrane Technology[M]. Netherlands: Springer, 1996. |
29 | 陈华艳, 李欢, 吕晓龙 . 气扫式膜蒸馏传质传热过程[J]. 化工学报, 2009, 60(2): 304-309. |
Chen H Y , Li H , Lyu X L . Heat and mass transfer of sweeping gas membrane distillation[J]. CIESC Journal, 2009, 60(2): 304-309. | |
30 | 阎建民, 马润宇 . 用于膜蒸馏的中空纤维膜组件优化[J]. 化工学报, 2000, 51(6): 827-831. |
Yan J M , Ma R Y . Optimal design of hollow fiber module for membrane distillation[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2000, 51(6): 827-831. |
[1] | 叶展羽, 山訸, 徐震原. 用于太阳能蒸发的折纸式蒸发器性能仿真[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 132-140. |
[2] | 张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静. R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 165-171. |
[3] | 张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静. 超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 183-190. |
[4] | 陈爱强, 代艳奇, 刘悦, 刘斌, 吴翰铭. 基板温度对HFE7100液滴蒸发过程的影响研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 191-197. |
[5] | 刘明栖, 吴延鹏. 导光管直径和长度对传热影响的模拟分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 206-212. |
[6] | 王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强. 基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 223-234. |
[7] | 晁京伟, 许嘉兴, 李廷贤. 基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的供热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 302-310. |
[8] | 程成, 段钟弟, 孙浩然, 胡海涛, 薛鸿祥. 表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 74-86. |
[9] | 李艺彤, 郭航, 陈浩, 叶芳. 催化剂非均匀分布的质子交换膜燃料电池操作条件研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3831-3840. |
[10] | 王玉兵, 李杰, 詹宏波, 朱光亚, 张大林. R134a在菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3797-3806. |
[11] | 李科, 文键, 忻碧平. 耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3786-3796. |
[12] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
[13] | 杨越, 张丹, 郑巨淦, 涂茂萍, 杨庆忠. NaCl水溶液喷射闪蒸-掺混蒸发的实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3279-3291. |
[14] | 陈天华, 刘兆轩, 韩群, 张程宾, 李文明. 喷雾冷却换热强化研究进展及影响因素[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3149-3170. |
[15] | 傅予, 刘兴翀, 王瀚雨, 李海敏, 倪亚飞, 邹文静, 雷月, 彭永姗. F3EACl修饰层对钙钛矿太阳能电池性能提升的研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3554-3563. |
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