强吸收性盐类溶液跨膜蒸馏的传质传热机理研究

膜蒸馏作为一种简单高效节能的新型分离技术，可应用于利用溶液蒸馏和吸收原理的热量转换和传递的热工装置中，例如替代吸收式制冷和热泵、盐溶液化学蓄能等系统中的发生器和溶液热交换器。但是，为了提高单位质量下溶液的能量转换密度，宜采用对蒸汽有强烈吸收作用的盐类溶液作为工作介质。目前，对于这种强吸收性盐溶液通过膜壁的传热传质研究还不充分，特别是由于能量转换装置大多处于密闭空间中，系统及溶液中所含惰性气体极少，这也将直接影响到传热传质的效果。本研究以两种典型的强吸收性盐类溶液-溴化锂和氯化锂水溶液为研究对象，在综合考虑膜材料、膜结构、溶液的流动组织方式、操作工况变化等诸多影响因素下，通过实验方法测量通过膜壁传质传热量，并从膜的微观结构特点出发，在已有膜蒸馏传热传质模型的基础上，建立适合本项目溶液体系的数学模型，并根据实验结果加以修正完善。本研究有助于推动膜蒸馏技术从化工环境向热工领域的扩展。

本项目以太阳能、地热能等可再生能源利用以及余热和废热等低品位热能再利用为研究背景，针对热工学领域中存在的大量的以传热、传质过程为代表的典型能量转换过程，结合膜分离领域中近年来出现的新型膜蒸馏技术，将其引入热工领域中，目的是为了提高能量转换过程的效率、降低热源所需要的温度及扩大能量利用的温度范围。结果表明，膜蒸馏技术以其低温操作特性以及可以提供巨大的比接触面积的结构特性完全可以应用于热工领域中的溶液解吸过程和溶液热交换器中，据此可以推广应用到到热工领域中的溴化锂吸收式制冷系统、溶液蓄能系统、溶液除湿系统中的溶液再生过程中。. 为了高效地采用膜蒸馏技术完成能量的转换，对具有强吸收水蒸气作用的盐类溶液进行膜蒸馏实验和理论分析计算，特别是对LiBr-H2O和LiCl-H2O溶液作为一种被广泛应用于吸收式能量交换装置的工质对进行实验研究，有望在基于膜蒸馏技术能量装换装置中继续发挥重要的作用。. 有鉴于此，提出采用真空膜蒸馏组件代替传统的溶液发生器/解吸器，并进行了基于中空纤维膜组件的真空膜蒸馏实验，实验结果显示水蒸气的膜通量随着料液温度的升高而提高，随着料液流速的增加而提高，并且随着冷侧真空度的提高而提高。同时，料液驱动温度大大低于溶液的沸点温度，这为低品位热能的大温差利用提供了很大的利用空间。. 同时，将直接接触式膜蒸馏技术引入到溶液热交换器的设计中，提出了既有传热又有传质过程的新型溶液热交换器，可望应用于溴化锂吸收式能量装换装置中的溶液热交换器中。对55%的溴化锂浓溶液和50%的碘化锂稀溶液进行了直接接触式膜蒸馏实验，并建立了中空纤维膜溶液热交换器的分布参数法模型，实验和求解结果表明，由于水蒸气的潜热传递作用，换热器的效率大大提升，潜热传递量占总换热量最高可达40%。膜蒸馏式溶液热交换器不但可以减小发生器和吸收器的热负荷近10%，而且还可以使系统的放气范围由4%提高到5%%，提高幅度达20%，系统的COP可以提高10%。.本项目构造了基于膜蒸馏技术的纯水和热量双重回收的膜换热器，并以水为工质，对膜换热器进行了纯水和热量回收的实验，实验结果表明，水蒸气的潜热传递量可以达到总换热量的近70%。