中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)特性的實驗和理論研究

1、第43卷第5期西安交通大學(xué)學(xué)報2009年5月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVol.435May2009中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)特性的實驗和理論研究王贊社1,馮詩愚1,李云1,顧兆林2(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安)摘要:將直接接觸式膜蒸餾的概念和操作過程引入到換熱器的設(shè)計中,提出了一種既有傳熱又有傳質(zhì)的新型中空纖維膜換熱器.以水為工作介質(zhì),對采用聚偏氟乙烯膜(PVDF)的中空纖維膜換熱器進行了初步的傳熱、傳質(zhì)實驗研究,考察了逆流布置下溶液的進口溫度和流量對換熱器的傳熱、傳質(zhì)效果

2、的影響,并構(gòu)建了同樣尺寸的銅列管式換熱器進行對比研究.實驗和理論結(jié)果表明,雖然膜材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低,但膜換熱器冷熱流體之間接觸面積比傳統(tǒng)換熱器大,特別是水蒸氣從熱側(cè)向冷側(cè)進行質(zhì)量傳遞的同時還進行潛熱傳遞,流體的進出口溫差也有大幅度提高.初步研究結(jié)果顯示,、小流量下,膜換熱器的傳熱性能優(yōu)于金屬換熱器,換熱器,關(guān)鍵詞:中空纖維膜;換熱器;中圖分類號:TB61;8:02532987X(2009)0520040206StudyonHeatandMassTransferofHollowFiberMembraneHeatExchangerWANGZanshe1,FENGShiyu1,LIyun1,G

3、UZhaolin2(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China;2.SchoolofHumanSettlementandCivilEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:Anexperimentonheatandmasstransferofahollowfibermembraneheatexchangerproposedinourstudywasconductedwithwaterasaworkingmed

4、iumandPoly(vinylidenefluor2ide)(PDVF)asamembranematerial.Theinfluenceofinlettemperatureandflowrateoftheso2lutiononheatandmasstransferoftheheatexchangerwasexploredunderthecounterflowcondi2tion.Moreover,abrassshell2and2tubeheatexchangerwiththesamesizeasthemembraneonewasfabricatedtocompareitsheattransf

5、er,pressuredropandothercharacteristicswiththoseofthemembraneheatexchanger.Theexperimentalandtheoreticalstudiesindicatethatalthoughthethermalconductivityofthemembranematerialsislower,theheattransfercapabilityofthemembraneheatexchangerishigherduetoitslargercontactsurfacebetweenthehotfluidandcoldfluid,

6、especially,thelatentheatofthevaporcausedbythemasstransferfromthehotsidetothecoldside.Theexperimentalresultshowsthattheperformanceofthemembraneheatexchangerisbetterthanthatofthemetaloneatthelowflowrateundertheexperimentaloperationcondi2tions.However,whentheflowvelocityinthetubesincreases,thefrictiona

7、lresistanceinthemembraneheatexchangerisfarlargerthanthatinthemetalheatexchanger.Itseemsthatthepresentheatexchangercouldbeappliedunderlowflowrateconditions.Keywords:hollowmembrane;heatexchanger;membranedistillation;wasteheatrecovery收稿日期:2008207222.作者簡介:王贊社(1971-),男,博士生;馮詩愚(聯(lián)系人),男,博士,講師.基金項目:陜西省科技研究發(fā)展

8、計劃資助項目(2005K05-G17).http:第5期王贊社,等:中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)特性的實驗和理論研究41符號表平均孔徑,m孔隙率,%rA膜面積,mdALASFRePrutQ換熱量,kWJGL、GSv管徑,m管側(cè)截面積,m2殼側(cè)截面積,m2管外側(cè)換熱面積,m2雷諾數(shù)普朗特數(shù)流速,m/s管側(cè)進口溫度,水蒸氣的傳質(zhì)量,kg/(m2K)管側(cè)、殼側(cè)進口流量,L/h膜管內(nèi)流速,m/s平均溫差,換熱系數(shù),W/(m2K)換熱溫差,沿程阻力,Pardsd0n膜管內(nèi)半徑,m管壁厚,m膜管外半徑,m膜換熱器外徑,m膜換熱器內(nèi)徑,m膜管數(shù)量tmHfl管的有效長度,mtp在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域,大量的廢汽、廢

9、熱和余熱等低品位能源以廢水的形式被直接排出,造成了能量和水資源的大量浪費.在廢水余熱回收方面,大多采用金屬制造的間壁式換熱器作為冷熱交換的中介設(shè)備,換熱器的體積、重量和初投資很大1,而且在回收了余熱的部分能量后,將回收后含有雜質(zhì)的廢水直接排空,嚴(yán)重浪費了水資源.、溶質(zhì)提純、廢水處理等領(lǐng)域223.直接接觸式膜蒸餾組件的結(jié)構(gòu)類似于管殼式換熱器,膜組件中排列了成百上千根由高分子疏水性材料制成的微細膜管,將流體分為管側(cè)和殼側(cè)兩部分,膜管大大增加了溶液與膜材料的有效接觸面積.與管殼式換熱器最大的不同在于,直接接觸式膜蒸餾過程中,有水蒸氣從熱側(cè)溶液向冷側(cè)溶液擴散,而溶液本身不發(fā)生混合,擴散的方向取決于膜兩

10、側(cè)水蒸氣的飽和分壓,擴散的通量取決于膜材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和膜兩側(cè)的水蒸氣的分壓差4.國內(nèi)外對于直接接觸式膜蒸餾過程在溶液膜分離領(lǐng)域應(yīng)用的研究較多,但研究范圍大多限于海水和苦咸水淡化、溶質(zhì)提純、溶液分離等方面528,對于既有傳熱過程又有傳質(zhì)過程的膜組件應(yīng)用于換熱器的設(shè)計研究還未見報道.因此,本文將直接接觸式膜蒸餾的概念和操作過程引入到換熱器的設(shè)計中,以能量和水資源的雙向回收或傳遞為研究目的,提出一種新型中空纖維膜式換熱器,并通過實驗和理論計算來初步研究其傳熱、傳質(zhì)過程及特性.四氟乙烯膜(PTFE).這些膜材料都是高分子疏水性微孔膜材料,其膜孔直徑和水蒸氣分子的平均自由程相當(dāng)1,只有水,.冷熱流體水蒸

11、氣傳遞的.在換熱器殼體中布置了成百上千根中空纖維膜微細膜管,熱流體在膜管內(nèi)側(cè)流動,冷流體在膜管外側(cè)流動.如圖1中的微觀放大圖所示,膜管上布置了許多微孔,在膜兩側(cè)水蒸氣的壓差的作用下,水蒸氣分子由管側(cè)擴散至殼側(cè).因此,膜兩側(cè)流體的換熱過程包括兩部分,一部分是通過膜材料的導(dǎo)熱量,一部分是透過膜孔的水蒸氣所帶走的潛熱量.本實驗中,微細膜管是由高分子疏水微孔膜PVDF材料制成,PVDF材料的導(dǎo)熱系數(shù)與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比很小,只有0114W/(mK)9.但是,微細膜管為管側(cè)和殼側(cè)的溶液提供了非常大的接觸面積,可以彌補膜材料導(dǎo)熱系數(shù)的不足,而且由于水蒸氣的潛熱量很大,從管側(cè)至殼側(cè)的水蒸氣的傳質(zhì)作用非常

12、有利于傳熱過程.1中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)原理在膜蒸餾技術(shù)中,常用的膜材料有聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚偏氟乙烯膜(PVDF)和聚圖1直接接觸式膜蒸餾組件示意圖水蒸氣的傳質(zhì)量(單位時間、單位面積下水蒸氣通過膜的膜通量)與膜材料的特性和流體操作參數(shù)http:42西安交通大學(xué)學(xué)報第43卷有關(guān),膜材料的特性包括孔隙率、壁厚和膜管的彎曲因子等,流體操作參數(shù)包括流體溫度、流速和流動方式等.水蒸氣跨膜傳質(zhì)過程非常復(fù)雜,其傳質(zhì)方程可以用下式表示10J=K(pf,m-pp,m)(1)式中:pf,m為膜內(nèi)側(cè)水蒸氣飽和壓力,Pa;pp,m為膜外側(cè)水蒸氣飽和壓力,Pa;K為膜蒸餾系數(shù),與膜材料本身的特性和

13、冷熱側(cè)流體的操作參數(shù)有關(guān).文獻11詳細分析了影響膜蒸餾系數(shù)的影響因素,但鑒1:恒溫水浴;2:冷側(cè)溶液收集器;3:管側(cè)溶液泵;4:流量于各種因素的復(fù)雜性,膜蒸餾系數(shù)大多需要通過實驗的方法來確定.由以上分析可見,膜換熱器除了通過膜壁的導(dǎo)熱量和傳統(tǒng)換熱器相同以外,另外一部分通過潛熱傳遞的熱量由傳質(zhì)量的大小控制.計;5:膜換熱器;6:殼側(cè)溶液泵;7:冷凝器;8:溫度壓力傳感器圖2膜換熱器實驗流程圖213實驗過程實驗中,逆.,在管側(cè)流體中加,可以通.首先記錄冷側(cè)溶液收集器的液位刻度,調(diào)整恒溫水浴箱的加熱溫度直至達到實驗所需溫度,同時調(diào)整冷側(cè)溶液收集器的溫度使其達到實驗所需的溫度.開啟管側(cè)溶液泵和殼側(cè)溶液

14、泵,調(diào)整流量計使管側(cè)流量和殼側(cè)流量達到實驗所需值.調(diào)整冷凝器的冷凝水流量使得進入冷側(cè)溶液收集器的流體溫度達到所需的溫度,每組實驗穩(wěn)定運行時間不少于60min(實驗工況范圍見表2).表2實驗工況范圍tL/tS/GL,GS/(Lh-1)2實驗裝置與方法211膜材料以及膜換熱器參數(shù)實驗中采用的膜材料為PVDF.表1/m/%r/mm膜換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)0116850180115111d0/mml/mmn/根A/m24240060001641116/mmr/mm/%注:為膜管總截面面積與換熱器截面面積之比.212實驗系統(tǒng)裝置6588334240140膜換熱器實驗流程如圖2所示,恒溫水浴箱采用501A型超級恒

15、溫器,由于其加熱功率不能滿足熱量的供給,對恒溫器進行了改造,添加了3kW的電加熱熱源,加熱裝置可達到的最高溫度為99,溫度波動度小于等于0105.溫度測量采用Pt100/A級溫度傳感器,溫度誤差為(0115+01002|t|).壓力測量采用014級的精密壓力表.流注:tL為管側(cè)進口溫度;tS為殼側(cè)進口溫度.3實驗結(jié)果及分析311不同進口溫度時膜換熱器的傳熱傳質(zhì)性能量計為LZJ玻璃轉(zhuǎn)子流量計.溶液泵為磁力循環(huán)泵.冷凝器為自制的水冷式冷凝器,可調(diào)節(jié)保持冷側(cè)溶液收集器內(nèi)的溫度.管側(cè)溶液進口溫度由501A超級恒溫器控制,溶液流量由調(diào)節(jié)閥門和流量計控制.殼側(cè)溶液進口溫度由冷凝器控制,溶液流量由調(diào)節(jié)閥和流

16、量計控制.水蒸氣的傳質(zhì)量由冷側(cè)溶液收集器的刻度讀出.實驗中管側(cè)和殼側(cè)進口流量恒定,均為60L/h,殼側(cè)進口溫度維持在37.5.由本文第1節(jié)所述可知,膜換熱器的換熱量由潛熱和顯熱兩部分組成,故可根據(jù)水蒸氣的傳質(zhì)量計算出顯熱和潛熱在總傳熱量所占的比重.從圖3可見,膜換熱器的總傳熱量、顯熱、潛熱和水蒸氣的傳質(zhì)量均隨著管側(cè)進口溫度增加而增加,且基本保持線性關(guān)系.在實驗的溫度范圍內(nèi),通過膜壁面的潛熱傳熱量約為顯熱傳熱量的2倍.傳熱量增加的原因主要是由于膜兩側(cè)換熱溫差提高,而管側(cè)進口溫度的增加,提高了膜兩側(cè)的http:第5期王贊社,等:中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)特性的實驗和理論研究43水蒸氣壓差,因此傳質(zhì)動

17、力提高,水蒸氣的傳質(zhì)量加大,水蒸氣通過膜兩側(cè)蒸發(fā)和冷凝過程中,攜帶了更多的潛熱從管側(cè)向殼側(cè)傳遞.表3兩種換熱器的參數(shù)對比換熱器材料PVDFnd,/mmAL/cm2AS/cm2F/m260012018,0115610,110031023139811571820182901121黃銅從表3中可見,相同外形尺寸和體積下膜換熱器所提供的換熱面積約是銅換熱器的7倍.運用效能2傳熱單元數(shù)法對銅管換熱器進行模擬計算,銅換熱器的管側(cè)和殼側(cè)的進口參數(shù)取值與膜換熱器相同.圖3管側(cè)不同進口溫度下膜換熱器的傳熱傳質(zhì)特性312不同進口流量時膜換熱器的傳熱傳質(zhì)性能實驗中管側(cè)和殼側(cè)的流量相同.從圖4可見,膜換熱器的總傳熱量

18、和傳質(zhì)量隨著流量的增加而增加,潛熱和顯熱的傳遞同時也增加,其中顯熱量增加的主要原因是由于流量增加后,熱系數(shù)增加所致,邊界層,從,因此增加了水蒸氣傳質(zhì)和潛熱傳熱量.在本文實驗和計算中,2種換熱器都處于低流速、小流量工況,管側(cè)和殼側(cè)流體的流動為層流方式,效能212uf001Pr43fPrw0125l014(2)f表示管內(nèi),w表示管壁1從圖5可見,2種換熱器管側(cè)和殼側(cè)流速基本相同,在實驗的流量范圍內(nèi),流速較低.隨著流量增加,2種換熱器的換熱量都增加,但膜換熱器換熱量增加的幅度遠大于銅換熱器,其原因除了膜換熱器實際換熱面積比銅換熱器大7倍以外,主要原因在于膜換熱器在換熱過程中發(fā)生了水蒸氣的傳質(zhì)作用,將

19、潛熱從管側(cè)向殼側(cè)傳遞,由于水蒸氣的潛熱量較大,因此換熱效果要遠高于金屬換熱器.從圖5還可以看出,在同等體積的相似結(jié)構(gòu)尺寸下,銅換熱器的對數(shù)平均溫壓大于膜換熱器,這說明膜換熱器中管側(cè)和殼側(cè)流體的進出口溫差大于銅換熱器,這也是由于潛熱的傳遞極大地加劇了膜兩側(cè)熱量的交換所致.圖4不同流量下膜換熱器的傳熱傳質(zhì)特性4膜換熱器與金屬換熱器的比較411相似結(jié)構(gòu)尺寸的金屬換熱器與膜換熱器比較為了和金屬換熱器的換熱效果進行對比,構(gòu)建了與膜換熱器結(jié)構(gòu)和外形尺寸相近的銅換熱器,參數(shù)見表3.在同樣外殼尺寸下構(gòu)建管程為1、殼程為1、無折流板的銅管殼式換熱器,即在長度為400mm、直徑為42mm的殼體內(nèi)布置 6mm1mm

20、的黃銅管12根,使得管側(cè)和殼側(cè)的截面積與膜換熱器類似,以便在相同結(jié)構(gòu)尺寸和進口流量下進行換熱效果的對比.圖5相似結(jié)構(gòu)下膜換熱器和金屬換熱器的比較http:44西安交通大學(xué)學(xué)報第43卷412相同換熱面積下膜換熱器與金屬換熱器比較為了進一步比較2種換熱器的換熱面積,以表3中銅換熱器的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),保持銅換熱器截面不變,將銅管長度由014m增大到2175m,這樣2種換熱器的換熱面積均為01829m2,而銅換熱器的體積約為膜換熱器的7倍.同樣采用效能2傳熱單元數(shù)法對銅管換熱器進行模擬計算,并將結(jié)果和膜換熱器實驗數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果如圖6所示.管換熱器的制作成本遠高于膜換熱器.413膜換熱器的阻力分析由

21、于實驗中流量范圍較小,管側(cè)和殼側(cè)流速很小,而影響換熱器的另外一個重要參數(shù)為換熱器阻力損失.換熱器管程阻力由3部分組成,即沿程阻力、回彎阻力和進出口連接管阻力,其中又以前二者為主.本研究中構(gòu)造的換熱器為I2I型換熱器,無回彎阻力問題,因此重點對比2種換熱器的沿程阻力.假設(shè)膜管和銅管均為光管,由于管內(nèi)流速較小,計算得到的管內(nèi)流體的最大Re小于1200,因此換熱器的沿程阻力損失按下式來計算2p=(3)Red2g從圖7可見,在400mm長度下,2種換熱器的管內(nèi)流速基本相等,隨著流速增.考慮到膜壁表,如果考圖6從圖6可見,優(yōu)于銅管換熱器,于銅換熱器,但由于本例中兩者的換熱面積相同,故圖6和圖5相比,2種

22、換熱器的換熱量差別有所減小.由于膜換熱器存在傳質(zhì)現(xiàn)象,不能用傳統(tǒng)意義上的換熱系數(shù)表達方式來進行評價,為了和金屬換熱器進行比較,利用實驗測量得到的膜換熱器的總換熱量、換熱面積以及由進出口溫差得到的對數(shù)平均溫壓來回歸膜換熱器的當(dāng)量換熱系數(shù),并將回歸得到的膜換熱器總換熱系數(shù)和由式(2)計算得到的銅換熱器換熱系數(shù)進行對比,結(jié)果見圖6.由圖6可見,由于膜換熱器潛熱傳遞作用,在相同溫差下,單位面積內(nèi)膜換熱器的換熱量要大于銅換熱器.限于實驗條件,銅換熱器換熱特性采用效能2傳熱單元數(shù)法進行了計算,未對其進行實驗對比,顯然這會造成一定的誤差,但鑒于管殼式換熱器計算方法的成熟性,以及從圖5和圖6的對比結(jié)果來看,在

23、限定的工況范圍內(nèi),同體積下的膜換熱器傳熱特性遠好于銅換熱器,即使將銅換熱器體積擴大,使其換熱面積和膜換熱器相同,其換熱量仍然小于膜換熱器.本例中選用 6mm1mm的銅管,若將銅管直徑減小,則同外形尺寸和體積下?lián)Q熱面積將增加,其與膜換熱器的換熱量差別將會減少,但小直徑銅,實際情況下膜換熱器的沿7計算的情況更高.過高的沿程阻力不僅直接影響到換熱器的流阻特性,同時當(dāng)膜兩側(cè)的壓差達到膜材料的液體擠入壓力時,高壓側(cè)液體將被壓入膜孔,形成溶液之間的交叉污染13.從圖7可知,與銅換熱器相比,膜換熱器一般適用于低流量、小流速工況,在溶液處理量較大的工況下,一般都采用組件串聯(lián)或并聯(lián)的方式進行.圖7膜換熱器和銅換

24、熱器沿程阻力理論計算比較需要說明的是,本次實驗中采用的膜組件最初的用途是進行高濃度溴化鋰水溶液的膜蒸餾分離,在膜蒸餾技術(shù)中,增加膜管管壁的熱阻,可以減小膜表面的溫度極化現(xiàn)象,有利于傳質(zhì)的進行.因此,實驗中膜組件的膜管壁制作得較厚,而將該膜組件應(yīng)用于膜換熱器時,過厚的膜壁在一定程度上對傳熱過程不利.同時,該膜組件的設(shè)計也未能完全按照換熱器設(shè)計方法進行優(yōu)化,例如殼側(cè)缺少合適的折流板,進出口接管管徑較細,極大地增加了局部阻力損http:第5期王贊社,等:中空纖維膜換熱器傳熱傳質(zhì)特性的實驗和理論研究45失,液體分配器對流體分配不均勻,導(dǎo)致部分膜管出現(xiàn)短流現(xiàn)象,等等1進一步的工作將圍繞這些環(huán)節(jié)展開.me

25、mbranedistillationmechanismforhighconcentra2tionNaClsolutionsJ.Desalination,2006,188(1/3):2512262.4吳庸烈.膜蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進展J.膜科學(xué)與技5結(jié)論(1)將膜分離理論中的直接接觸式膜蒸餾技術(shù)術(shù),2003(4):67279.WUYonglie.Advanceofmembranedistillationtech2nologyandtheapplicationJ.MembraneScienceandTechnology,2003(4):67279.5CATHTY,ADAMSVD,CHILDRESSAE

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27、nedistil2(MD):theeffectofmembranephysicalproper2tiesJ.JournalofMembraneScience,2005,262(1/2):1172128.8LAGANF,BARBIERIG,DRIOLIE.Directcontactmembranedistillation:modellingandconcentrationex2perimentsJ.JournalofMembraneScience,2000,166(1):1211.9贠延濱,劉麗英,馬潤宇,等.濃鹽溶液的膜蒸餾機及其操作過程引入到換熱器的設(shè)計中,提出了一種既有傳質(zhì)又有傳熱過程的換

28、熱器,該換熱器可應(yīng)用于含雜質(zhì)的余熱水的熱量和水量回收,以及溴化鋰吸收式制冷機溶液熱交換器等領(lǐng)域.(2)采用PVDF中空纖維膜構(gòu)建了一個換熱器,并對其進行了初步實驗研究.研究結(jié)果表明,膜換熱器熱側(cè)溫度的提高和流量的增加會提高膜換熱器的傳熱和傳質(zhì)量.與相同尺寸的黃銅管殼式換熱器比較后可見,在實驗流量下,膜換熱器的總換熱量大于銅管殼式換熱器,其原因在于膜換熱器的實際流體換熱面積較銅管殼式換熱器大,熱側(cè)向冷側(cè)的轉(zhuǎn)移,.(3)從2,程的充分進行,對于流量較大的工況,可通過組件的串聯(lián)和并聯(lián)滿足.(4)限于實驗條件和設(shè)備,實驗中所采用的PVDF膜換熱器存在一定的設(shè)計缺陷,同時與銅換熱器的對比以理論分析為主,實驗中流量范圍也較窄.以后我們將根據(jù)本次實驗結(jié)果對膜換熱器的膜管和膜組件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,同時加工同尺寸的銅換熱器并進一步提高流速,來進行對比實驗研究.參考文獻:1吳雙應(yīng),蘇芬仙,李友榮.余熱回收換熱器投資的熱技理研究J.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,2002(4):3892395.YUNYanbin,LIULiying,MARunyu,etal.Studyofmembranedistillationmechanismforhighconcentra2tionN