来源:Membranes 发布时间:2021/12/31 13:12:02
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大连理工大学郭飞教授团队——脱盐用空气冷却膜蒸馏装置的传质分析 | MDPI Membranes

论文标题:Mass Transfer Analysis of Air-Cooled Membrane Distillation Configuration for Desalination

期刊:Membranes

作者:Shuo Cong, Qingxiu Miao and Fei Guo

发表时间:10 April 2021

DOI:10.3390/membranes11040281

微信链接:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzEzNjgxMQ==&mid=2650014041&idx=1&sn=

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/membranes

原文作者简介

郭飞 教授

大连理工大学

从硕 博士生

大连理工大学

文章概述

中国大连理工大学能源与动力学院膜蒸馏课题组近期于Membranes期刊发表题目为“Mass Transfer Analysis of Air-Cooled Membrane Distillation Configuration for Desalination”的文章。该文章研究了空气冷却式膜蒸馏装置的传质过程,同时提出一种实用的膜蒸馏性能评价模型,包含性能参数 (B) 和冷凝参数 (σ),用以表征和评估膜蒸馏的固有传质能力和冷却能力。

膜蒸馏是热-膜耦合的分离技术,通常具有两个液体循环,即料液循环和冷却水循环,料液循环是必不可少的,但是冷却水循环会产生额外的能量需求并增加系统复杂性,增加操作成本。空气冷却用于气隙式膜蒸馏是简化系统设计和能源需求的有效方法,可为工业规模的膜蒸馏的实际应用提供潜力。然而,如何界定膜蒸馏技术在工程应用中的性能标准仍是一个巨大挑战。

实验过程

该研究以空气冷却式膜蒸馏构型为切入点 (如图1),分析了冷凝板导热系数、料液温度、空气流速、冷凝板表面积比等条件对渗透通量性能的影响,并与传统的水冷式膜蒸馏装置进行对照。在水冷装置的冷却侧,冷却水通过水泵通过冷却水通道循环到冷却水箱,然后通过冷却器冷却到所需温度。在空冷装置的冷却侧,采用自然对流或者强制对流 (风扇) 将水蒸气冷凝释放的热量传递到环境中,冷凝板由各种导热系数的平板或者翅片制成。

图1.本文研究概况图

不限于冷却方式,该论文提出性能参数 (B) 和冷凝参数 (σ) 两个特征参数指标,用以评估和判定膜蒸馏的性能表现。

B值用以表征MD过程的固有传质能力,与装置的性能条件 (如料液侧、膜、气隙侧参数) 有关,σ值用以表征MD过程的冷却能力,与装置的冷却侧条件有关。通过该传质模型,将性能条件和冷却侧条件对MD渗透通量的影响剥离开来。

模型分析显示,冷凝板导热系数是影响性能参数B的主要因素之一。如图2所示,在相同条件下,具有较高导热系数的冷凝板会产生较大的B值,从而导致更高的渗透通量。对于自然对流条件下的空冷构型,B值与相应的水冷构型相同,而σ值约为后者的12%。基于这样的模型,渗透通量的理论估计值与实验结果非常吻合。

图2.WCMD 配置和ACMD 配置使用具有不同热导率的冷凝板的渗透通量

在强制对流装置中,空气流速对冷凝参数σ有重要影响。如图3所示,σ值随空气流速的增加而增加,从而提高渗透通量。当空气流速从0 m/s增加至1.0 m/s时,σ值从0.12增加至0.45,装置达到传热的极限,更高的空气流速不会增加σ值。以铜板作为冷凝板为例,B值是固定的,而σ值随空气流速变化而变化。基于核心公式计算得到的渗透通量与实验结果相一致。该传质模型对预测各种强制对流条件下的渗透通量是有效的。

图3.左图为使用各种冷凝板在不同气流下进行对流换热的ACMD 配置的特定校正系数值。右图是在气流下使用铜作为冷凝板的 ACMD 系统的渗透通量的理论估计 (线) 和实验结果 (实线标记)

对于使用翅片式冷凝板和强制对流的空冷装置,其最大的σ值接近于1 (图4)。这表明空冷装置有达到与水冷装置传质相近的潜力。以使用铝制翅片式冷凝板的装置为例,在相同条件下,其渗透通量与水冷构型渗透通量相当。通过核心公式计算得到的渗透通量理论估计值与实验结果相一致。

图4.散热片对 ACMD 配置渗透通量的影响示意图

实验结论

针对膜蒸馏性能的评价与表征,该研究引入了性能参数B和冷凝参数σ概念,分别表征膜蒸馏固有传质能力和冷却能力,它很好地评估和预测了渗透通量,推动了膜蒸馏技术在工程应用中的性能标准的界定。

Membranes期刊介绍

主编:Spas D. Kolev, The University of Melbourne, Australia

期刊研究范围涵盖非生物膜和生物膜科学和技术,包括膜动力学,膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向,包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。

2020 Impact Factor:4.106

2020 CiteScore:3.7

Median Publication Time:31

Average Publication Time:36

 
 
 
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