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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 |
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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：
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期刊链接：
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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