CN105771662A - 光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置 - Google Patents

光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置。包括光伏组件(2)、膜蒸馏组件(8)和热泵，热泵是由压缩机组件、加热器(9)、节流阀(5)和冷却器(7)通过管路依次连接组成的循环回路，回路中充装有循环工质；压缩机组件由主压缩机(3)和辅压缩机(4)并联组成，主压缩机(3)与光伏组件(2)通过导线连接；加热器(9)位于膜蒸馏组件(8)内的料液侧，冷却器(7)位于膜蒸馏组件(8)内的冷凝水侧。本发明的有益效果是料液处理的能源消耗少，且料液处理速度可不受太阳光照强弱的影响。

Description

光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置
技术领域
本发明涉及一种用于废水处理、纯水制取或生化料液浓缩的膜蒸馏装置，特别涉及一种太阳能热泵膜蒸馏装置。
背景技术
膜蒸馏是基于疏水多孔膜只允许水蒸汽通过的特性，将料液中的水分与其它成分分离的技术，可用于化工、环保、食品、生物、制药等行业的料液浓缩、纯水制取、废水处理等场合，具有可处理中高浓度料液、可在常压下进行低温浓缩或分离等特点。
膜蒸馏组件工作时，料液侧需要不断输入热能使膜表面处料液中水分汽化，冷凝水侧则需要不断输入冷能使穿膜过来的水蒸汽凝结，因此，膜蒸馏过程的能量消耗很大。
热泵是消耗少量电能可同时制取多倍热能和冷能的装置，因此可为膜蒸馏组件同时提供热能和冷能，热泵与膜蒸馏组件结合，可构成热泵膜蒸馏装置，其具有结构紧凑、运行能耗低的特点。
但热泵膜蒸馏装置工作时，压缩机仍需消耗少量电能，当电能完全取自公共电网时，运行费用仍偏高，为此，可引入太阳能光伏发电技术，由光伏组件来提供压缩机运行所需的部分电能。
发明内容
本发明的目的是将膜蒸馏、热泵和太阳能光伏发电进行集成，提供一种能耗低、运行稳定性好的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置。
本发明设计的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，包括光伏组件、膜蒸馏组件和热泵，热泵是由压缩机组件、加热器、节流阀和冷却器通过管路依次连接组成的循环回路，回路中充装有循环工质；压缩机组件由主压缩机和辅压缩机并联组成，主压缩机与光伏组件通过导线连接；加热器位于膜蒸馏组件内的料液侧，冷却器位于膜蒸馏组件内的冷凝水侧。
所述的主压缩机为直流电机驱动型压缩机。
所述的膜蒸馏组件可为直接接触式膜蒸馏组件，也可为气隙式膜蒸馏组件，也可为真空式膜蒸馏组件。
所述的膜蒸馏组件内的膜材料为疏水性膜材料。
本发明的有益效果是：当太阳光照较强时，由光伏组件提供电能的主压缩机运行，由公共电网供电的辅压缩机不运行，无需消耗公共电网电能；当太阳光照较弱、无法满足所需的料液处理速度时，由公共电网供电的辅压缩机才参与运行。这样，不但可显著降低公共电网电耗，减少运行费用，且无论太阳光照强弱，均可保证所需的料液处理速度。
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图；
图中：
1为浓液出口2为光伏组件3为主压缩机4为辅压缩机
5为节流阀6为冷凝水出口7为冷却器8为膜蒸馏组件
9为加热器10为原料液进口
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如附图所示的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，包括光伏组件2、膜蒸馏组件8和热泵。光伏组件2可为单晶硅或者多晶硅光伏电池阵列。膜蒸馏组件8可为直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件或真空式膜蒸馏组件，其中的膜材料为疏水性膜材料，具体可为聚丙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯膜，也可为无机膜；膜蒸馏组件8内的空间被膜分为两部分：料液空间和冷凝水空间；料液空间上方设置有原料液进口10，料液空间下方设置有浓液出口1，加热器9位于料液空间内；冷凝水空间下方设置有冷凝水出口6，冷却器7位于冷凝水空间内。热泵是由压缩机组件、加热器9、节流阀5和冷却器7通过管路依次连接组成的循环回路，回路中充装有循环工质，循环工质可为纯制冷剂或混合制冷剂。压缩机组件由主压缩机3和辅压缩机4并联组成；主压缩机3为直流电机与压缩机共轴的封闭式压缩机，并与光伏组件2通过导线连接(如附图中虚线所示)，由光伏组件2来为主压缩机3供电；辅压缩机4为压缩机与变频交流电动机共轴的封闭式压缩机，由公共电网供电(在没有公共电网的场所，也可由燃气或燃油发电机供电)。加热器9的型式可为盘管式换热器、立管式换热器或板式换热器，加热器9的材料可为耐料液腐蚀的铜、铝或不锈钢材料。节流阀5可为电子膨胀阀或热力膨胀阀。冷却器7的型式可为盘管式换热器、立管式换热器或板式换热器，冷却器7的材料可为铜或不锈钢材料。
本实施例中主要部件的典型参数如下：
光伏组件2：单晶硅光伏电池阵列，5m2。
主压缩机3：额定功率600W，光伏组件供电。
辅压缩机4：额定功率600W，变频范围10～60Hz，公共电网供电。
节流阀5：电子膨胀阀，通流直径0～3mm。
冷却器7：紫铜盘管式换热器，换热面积0.8m2。
膜蒸馏组件8：聚丙烯平板膜，膜孔平均直径0.2μm，孔隙率75％，膜厚0.2mm，膜面积1.5m2。
加热器9：不锈钢盘管式换热器，换热面积0.6m2。
本实施例的工作过程为：
由主压缩机3或辅压缩机4并联组成的压缩机组件开始运行时，热泵循环工质被压缩机组件压缩为高温高压气体状态，进入加热器9的管内，由于热泵循环工质的温度高于加热器9管外的料液的温度，热泵循环工质在加热器9的管内放热凝结，变为中温高压液体状态，中温高压液体状态的热泵循环工质经节流阀5降压膨胀闪蒸后，热泵循环工质变为温度低于冷凝水的低温低压液体状态，低温低压液体状态的热泵循环工质进入冷却器7的管内，由于热泵循环工质的温度低于冷凝器7管外的冷凝水的温度，低温低压的热泵循环工质在冷却器7的管内吸热蒸发，变为低温低压气体状态，再进入压缩机组件开始下一个循环；随着热泵循环工质在热泵内的循环运行，热泵循环工质连续通过冷凝器7冷却冷凝水，也连续通过加热器9加热料液。
压缩机组件开始运行前，膜蒸馏组件8内的料液温度和冷凝水温度是相同的。压缩机组件开始运行后，热泵循环工质开始加热料液和冷却冷凝水，料液的温度逐渐升高，冷凝水的温度逐渐降低，膜蒸馏组件8内温度较高的料液侧膜表面处料液产生的水蒸汽压力较高，温度较低的冷凝水侧膜表面处冷凝水产生的水蒸汽压力较低，使膜两侧产生水蒸汽压力差，水蒸汽穿过膜孔，由料液侧进入冷凝水侧，穿膜过来的水蒸汽在冷凝水侧膜表面处被冷却为冷凝水，从而实现料液中水分与其它成分的分离和冷凝水侧的冷凝水不断增加；当料液侧料液浓度升高到一定程度时，从原料液进口10处补充原料液，同时从浓液出口1处排出浓缩液；与此同时冷凝水侧增加的冷凝水也及时通过冷凝水出口6排出。
压缩机组件运行初期，膜蒸馏组件8内的料液温度与冷凝水温度之差较小，此时由于热泵给料液提供的热能和给冷凝水提供的冷能分别大于膜蒸馏组件8内料液侧水分汽化所需的热能和冷凝水侧水蒸汽凝结所需的冷能，料液温度会不断上升，冷凝水温度则不断下降，料液和冷凝水温差不断加大；随着料液温度和冷凝水温度之差的不断增大，料液侧膜表面水蒸汽压力与冷凝水侧膜表面水蒸汽压力之差迅速增大，水蒸汽穿过膜的速度也迅速增加，从而使膜蒸馏组件8内料液侧水分汽化所需的热能和冷凝水侧水蒸汽凝结所需的冷能也迅速增加，当料液温度和冷凝水温度达到某一值时，热泵给料液提供的热能和给冷凝水提供的冷能等于膜蒸馏组件8内料液侧水分汽化所需的热能和冷凝水侧水蒸汽凝结所需的冷能，热泵所提供的热能和冷能与膜蒸馏组件8所需的热能和冷能之间达到动态平衡，进入稳定运行状态。
当太阳光照较强时，由光伏组件2产生的电功率足够大，主压缩机3运行使稳定运行状态下料液处理速度或冷凝水生产率满足要求时，辅压缩机4不运行，也不消耗公共电网电能；当太阳光照较弱时，由光伏组件2产生的电功率不够大，主压缩机3运行无法使稳定运行状态下料液处理速度或冷凝水生产率满足要求时，辅压缩机4参与运行，并根据太阳光照的强弱和料液处理速度或冷凝水生产率的大小，调节辅压缩机4的运行频率和功率，此时需消耗少量公共电网电能；当夜晚或雨雪天气无太阳光照、且又需要处理料液或生产冷凝水时，主压缩机3不运行，辅压缩机4单独运行，所消耗的电能全部来自公共电网。
典型运行参数：
原料液：质量浓度为3％的氯化钠水溶液，初始温度35℃。
产品：纯净水(冷凝水)，初始温度35℃。
光伏组件2发电功率(主压缩机3运行功率)：560W。
辅压缩机4运行功率：120W。
膜蒸馏组件8内料液温度：48℃。
膜蒸馏组件8内冷凝水温度：22℃。
冷凝水电导率：12μs/cm。
产水速率：2.3kg/h。

Claims (4)

1.一种光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，包括光伏组件(2)、膜蒸馏组件(8)和热泵，其特征在于，热泵是由压缩机组件、加热器(9)、节流阀(5)和冷却器(7)通过管路依次连接组成的循环回路，回路中充装有循环工质；压缩机组件由主压缩机(3)和辅压缩机(4)并联组成，主压缩机(3)与光伏组件(2)通过导线连接；加热器(9)位于膜蒸馏组件(8)内的料液侧，冷却器(7)位于膜蒸馏组件(8)内的冷凝水侧。
2.如权利要求1所述的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，其特征在于，主压缩机(3)为直流电机驱动型压缩机。
3.如权利要求1所述的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，其特征在于，膜蒸馏组件(8)可为直接接触式膜蒸馏组件，也可为气隙式膜蒸馏组件，也可为真空式膜蒸馏组件。
4.如权利要求1所述的光伏型太阳能热泵膜蒸馏装置，其特征在于，膜蒸馏组件(8)内的膜材料为疏水性膜材料。
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