一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结合热泵技术的新型太阳能膜蒸馏系统，旨在利用太阳能集热装置加热原水达到从整体上降低膜蒸馏过程能耗的目的。系统中热泵的应用实现了对水蒸气相变热的充分回收，提高了过程的热效率。尤其当处于需要使用电加热棒进行辅助加热的情况时，热泵能够达到的节能效果更加明显。该热泵‑太阳能膜蒸馏装置，将膜蒸馏组件与热泵系统的蒸发器有机整合，提高了系统的集成度，可简化操作流程和降低其它运行成本。

A solar membrane distillation system combined with heat pump technology

The invention discloses a novel solar membrane distillation system combined with heat pump technology, aiming at reducing the energy consumption of the membrane distillation process as a whole by heating raw water with a solar collector. The application of heat pump in the system realizes the full recovery of phase change heat of water vapor and improves the thermal efficiency of the process. Especially when the auxiliary heating with electric heating rod is needed, the energy saving effect of heat pump is more obvious. The heat pump solar membrane distillation unit integrates the membrane distillation module with the evaporator of the heat pump system, improves the system integration, simplifies the operation process and reduces other operating costs.

【技术实现步骤摘要】
一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统
本专利技术涉及一种太阳能膜蒸馏系统，具体涉及利用太阳能真空集热管加热原料液，并结合热泵技术充分回收水蒸气的相变热，用于补充维持原料液温度所需的热量，可使膜蒸馏过程从整体上达到节能降耗的效果。
技术介绍
太阳能是一种取之不尽且获取方便的可再生绿色能源，目前关于如何有效利用太阳能的相关研究已成为学术和工业界的关注热点。作为太阳能最为基础和直接的运用方式，使用太阳能对水进行加热，得到生活所需的热水，很早就被人类所掌握。随着材料科学及技术的进步，越来越多不同形式的太阳能集热器被开发出来，以满足工业和生活上的各种需求。膜蒸馏技术是一种将传统蒸馏法和膜技术相结合的极具潜力的新型分离技术，可被广泛应用于海水/苦咸水/工业废水的淡化、脱盐及浓缩等过程；具有脱盐率高、产水水质好和水回收率高等优势。目前膜蒸馏技术总体处于小试/中试研究阶段，鲜有工业应用案例。制约该技术进一步发展的主要问题在于：当没有工业废热作为热源加热原料液时，使用传统的电加热方式会导致膜蒸馏过程的能耗和运行成本过高。然而，膜蒸馏过程的特点在于不需要将原料液加热至沸点，通常情况下的运行温度仅在60-80℃之间；另一方面，太阳能集热器(无需电加热)可将水加热到80℃以上。由此科研人员在膜蒸馏过程与太阳能加热技术之间找到结合点，即：利用低温太阳能集热装置(即太阳能集热管)将膜蒸馏过程的原料液加热至所需温度。太阳能膜蒸馏较单一膜蒸馏技术的能耗大大降低，不产生二次污染且运行费用显著减少，可以实现节能降耗、环保和节约成本三重效益。太阳能膜蒸馏技术现仍处于研发过程中，也存在诸如当考虑管路耗散及不进行系统热量回用时，整个系统的热量流失可能达到50％以上的问题。热泵是一种可将热量从低温端转移到高温端的装置。该装置可以从自然界中的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过消耗电能做功，向人们提供可被利用的高品位热能。按低温热源种类的不同，热泵可大体分为空气源热泵，水源热泵和地源热泵。空气源及地源热泵主要用于空调和暖通系统，水源热泵目前已用于回收工业冷却循环水中的热量，提高热能利用效率。结合热泵技术对膜蒸馏过程中水蒸气相变热和冷却水包含的低温热量进行有效利用，可以克服传统膜蒸馏过程能耗高，能量利用效率较低的问题。中国专利CN203155103U涉及一种结合太阳能的膜组件和膜蒸馏系统。膜组件包括了设有冷壁的冷工质容腔和设有膜的热工质容腔，膜的渗透侧与冷壁之间有间隙，相当于一种气隙膜蒸馏组件。这套膜蒸馏装置需使用太阳能发电系统，利用热电制冷技术让冷工质容腔保持低温状态，设备复杂且投入较高；同时，也没有回用产生水蒸汽的相变热，热能利用效率较低。中国专利CN104261608A公布了一种太阳能膜蒸馏海水淡化方法，包括一种中空纤维膜和中空纤维冷凝管呈交错编制填充的膜蒸馏组件，以及配套的太阳能集热系统。该专利中膜组件的设计实现了冷凝潜热的回收，提高了热能利用率。但是膜组件的制备过程较为复杂，且在膜组件表面被污染导致分离性能下降后，交错式的中空纤维膜和中空纤维冷凝管不易清洗与更换。中国专利CN103663590A公布了一种能够回收热量的真空膜蒸馏污水处理装置，该装置将热泵和真空膜蒸馏组件进行了整合，其特征在于利用制冷剂回收水蒸气相变散发的热量，并用来加热蒸发器(膜组件)中的污水以达到热量回收利用的效果，具有回收用水、浓缩废液和节约能源的三大功能。但是该专利技术中使用的膜组件为柱型膜管，膜有效面积不大，故膜通量不会太高。此外，该装置仍然需要通过电加热的方式对原水进行加热，因此整体能耗仍然较高。和上述专利相比，本专利技术涉及一种将太阳能集热系统、热泵装置及膜蒸馏过程结合的复合系统，充分发挥了各自技术的优势。首先可以利用太阳能集热管代替传统的电加热，将膜蒸馏中的原料液升温至所需温度，减少因加热原料液对电能的消耗。其次，本专利技术通过将热泵系统与膜组件进行整合，具有较高的集成度，能够实现对水蒸气相变热的充分回收，提高了膜蒸馏过程中热能的利用效率。此外，中空纤维膜的使用保证了该装置拥有足够的有效膜面积，可以得到较高的膜通量。膜组件的设计可方便对组件内的中空纤维膜进行更换。同时，该申请能够方便地对系统进行在线清洗及干燥，可降低操作难度，减少维护费用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，利用太阳能集热管代替传统膜蒸馏过程中的电加热方式对原料液进行加热，有效降低了膜蒸馏的能耗和运行费用。本专利技术的另一个目的是基于热泵系统，高效回收利用水蒸气的相变热，用于辅助加热原料液，提高膜蒸馏过程的热能整体利用效率。本专利技术的第三个目的是有机整合热泵、太阳能集热系统和膜蒸馏过程，充分发挥各自技术的优势，提高系统的集成度，方便对膜组件进行更换及清洗；同时实现清洗干燥过程的在线操作，降低操作难度。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，包括：原水箱31、酸液清洗箱20、碱液清洗箱26、膜蒸馏组件2、产水收集装置、太阳能集热系统和热泵系统；所述膜蒸馏组件2包括：热原料液进口52、热原料液出口49、制冷剂入口51、制冷剂出口50和产水/水蒸气出口53；所述热泵系统包括：蒸发器43、压缩机42、冷凝器41、储液罐40、过滤器39和膨胀阀38；所述蒸发器43位于膜蒸馏组件2中，蒸发器43的上端为制冷剂出口50，蒸发器43的下端为制冷剂入口51，所述冷凝器41位于原水箱31中，所述制冷剂出口50与压缩机42的进口相连，压缩机42的出口与冷凝器41的进口相连，冷凝器41的出口与储液罐40的进口相连，储液罐40的出口与过滤器39的一端相连，过滤器39的另一端通过膨胀阀38与制冷剂入口51相连；所述热原料液进口52分别与清洗水入口21、酸液清洗箱20和碱液清洗箱26的底部出口、原水箱31的底部出水口和热风机33相连；所述热原料液出口49分别与原水箱31的进水口、酸液清洗箱20和碱液清洗箱26的进口相连，所述热原料液出口49还与大气相连；所述产水/水蒸气出口53与产水收集装置的进口相连；所述太阳能集热系统的侧部下出水口与原水箱31的进水口相连；所述太阳能集热系统的中部进水口与原水箱31的侧部上出水口和侧部下出水口相连。在上述方案的基础上，所述太阳能集热系统包括：太阳能真空集热管12、换热盘管16和水箱18；所述太阳能真空集热管12的一端通过温度表Ⅴ11与换热盘管16的进口相连，所述换热盘管16的出口通过隔膜泵Ⅳ15和温度表Ⅵ14与太阳能真空集热管12的另一端相连；所述换热盘管16位于水箱18内。在上述方案的基础上，所述水箱18内配备有电加热棒17，水箱18的原水进口处设有阀门ⅩⅤ9，水箱18的侧部下出水口通过隔膜泵Ⅲ19、温度表Ⅳ8和阀门Ⅶ7与原水箱31的进水口相连；水箱18的中部进水口通过阀门Ⅵ30与原水箱31的侧部下出水口相连，水箱18的中部进水口与原水箱31的侧部上出水口相连。在上述方案的基础上，所述原水箱31的侧部上出水口通过阀门ⅩⅣ29与大气连接，所述原水箱31的侧部下出水口通过阀门Ⅵ30和阀门ⅩⅣ29与大气连接。在上述方案的基础上，所述太阳能真空集热管12呈45度角摆放。在上述方案的基础上，所述产水收集装置包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，包括：原水箱(31)、酸液清洗箱(20)、碱液清洗箱(26)、膜蒸馏组件(2)、产水收集装置、太阳能集热系统和热泵系统；所述膜蒸馏组件(2)包括：热原料液进口(52)、热原料液出口(49)、制冷剂入口(51)、制冷剂出口(50)和产水/水蒸气出口(53)；所述热泵系统包括：蒸发器(43)、压缩机(42)、冷凝器(41)、储液罐(40)、过滤器(39)和膨胀阀(38)；所述蒸发器(43)位于膜蒸馏组件(2)中，蒸发器(43)的上端为制冷剂出口(50)，蒸发器(43)的下端为制冷剂入口(51)，所述冷凝器(41)位于原水箱(31)中，所述制冷剂出口(50)与压缩机(42)的进口相连，压缩机(42)的出口与冷凝器(41)的进口相连，冷凝器(41)的出口与储液罐(40)的进口相连，储液罐(40)的出口与过滤器(39)的一端相连，过滤器(39)的另一端通过膨胀阀(38)与制冷剂入口(51)相连；所述热原料液进口(52)分别与清洗水入口(21)、酸液清洗箱(20)和碱液清洗箱(26)的底部出口、原水箱(31)的底部出水口和热风机(33)相连；所述热原料液出口(49)分别与原水箱(31)的进水口、酸液清洗箱(20)和碱液清洗箱(26)的进口相连，所述热原料液出口(49)还与大气相连；所述产水/水蒸气出口(53)与产水收集装置的进口相连；所述太阳能集热系统的侧部下出水口与原水箱(31)的进水口相连；所述太阳能集热系统的中部进水口与原水箱(31)的侧部上出水口和侧部下出水口相连。...

【技术特征摘要】
1.一种结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，包括：原水箱(31)、酸液清洗箱(20)、碱液清洗箱(26)、膜蒸馏组件(2)、产水收集装置、太阳能集热系统和热泵系统；所述膜蒸馏组件(2)包括：热原料液进口(52)、热原料液出口(49)、制冷剂入口(51)、制冷剂出口(50)和产水/水蒸气出口(53)；所述热泵系统包括：蒸发器(43)、压缩机(42)、冷凝器(41)、储液罐(40)、过滤器(39)和膨胀阀(38)；所述蒸发器(43)位于膜蒸馏组件(2)中，蒸发器(43)的上端为制冷剂出口(50)，蒸发器(43)的下端为制冷剂入口(51)，所述冷凝器(41)位于原水箱(31)中，所述制冷剂出口(50)与压缩机(42)的进口相连，压缩机(42)的出口与冷凝器(41)的进口相连，冷凝器(41)的出口与储液罐(40)的进口相连，储液罐(40)的出口与过滤器(39)的一端相连，过滤器(39)的另一端通过膨胀阀(38)与制冷剂入口(51)相连；所述热原料液进口(52)分别与清洗水入口(21)、酸液清洗箱(20)和碱液清洗箱(26)的底部出口、原水箱(31)的底部出水口和热风机(33)相连；所述热原料液出口(49)分别与原水箱(31)的进水口、酸液清洗箱(20)和碱液清洗箱(26)的进口相连，所述热原料液出口(49)还与大气相连；所述产水/水蒸气出口(53)与产水收集装置的进口相连；所述太阳能集热系统的侧部下出水口与原水箱(31)的进水口相连；所述太阳能集热系统的中部进水口与原水箱(31)的侧部上出水口和侧部下出水口相连。2.如权利要求1所述的结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述太阳能集热系统包括：太阳能真空集热管(12)、换热盘管(16)和水箱(18)；所述太阳能真空集热管(12)的一端通过温度表Ⅴ(11)与换热盘管(16)的进口相连，所述换热盘管(16)的出口通过隔膜泵Ⅳ(15)和温度表Ⅵ(14)与太阳能真空集热管(12)的另一端相连；所述换热盘管(16)位于水箱(18)内。3.如权利要求2所述的结合热泵技术的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述水箱(18)内配备有电加热棒(17)，水箱(18)的原水进口处设有阀门ⅩⅤ(9)，水箱(18)的侧部下出水口通过隔膜泵Ⅲ(19)、温度表Ⅳ(8)和阀门Ⅶ(7)与原水箱(31)的进水口相连；水箱(18)的中部进水口通过阀门Ⅵ(30)与原水箱(31)的侧部...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭智，张新妙，栾金义，章晨林，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11