李戀，陳志，楊進(jìn)飛，王計(jì)輝，李建明

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065）

在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，能源危機(jī)已成為全人類的共識。在眾多的制冷方法中，蒸汽吸收式制冷較于壓縮式制冷系統(tǒng)來說，采用環(huán)保型制冷劑具有更低的功耗，因而具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，日益受到關(guān)注[1]。傳統(tǒng)的蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器4 個(gè)部分組成。對于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，在發(fā)生器中利用工作熱源加熱由溶液泵從吸收器輸送來的具有低濃度的溶液，使溶液中大部分水分蒸發(fā)出來。因此，發(fā)生器的性能對溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的制冷量和性能系數(shù)（COP）有著重要的影響。傳統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)存在體積大、成本高以及能源利用率低等諸多不足之處，而且在發(fā)生器中由于水溶液的自由表面存在于發(fā)生蒸發(fā)的區(qū)域，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其正常的工作狀態(tài)將會受到干擾，系統(tǒng)的抗穩(wěn)定性能差，從而限制了吸收式制冷系統(tǒng)在車載空調(diào)等移動(dòng)環(huán)境的應(yīng)用[2-3]。

近些年來，微孔疏水膜逐漸應(yīng)用于從混合氣體和二元水溶液中進(jìn)行氣或水的蒸餾過程[4]。膜蒸餾（MD）因所需的操作溫度、操作壓力、截留率高及占地面積小等優(yōu)勢，被認(rèn)為是現(xiàn)有商業(yè)海水淡化技術(shù)的低成本替代品[5-6]。在膜材料的選用方面，MD中最常研究的疏水膜一般由高分子聚合物制成，例如聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）等[7-9]，然而聚合物膜的熱穩(wěn)定性卻不如陶瓷膜[10]。目前，嘗試用于MD 的陶瓷膜大多數(shù)由金屬氧化物制成，例如Al2O3、ZrO2及SiO2等，但由于其表面均具有羥基（—OH），具有親水性，因而無法直接用于MD 過程。然而，眾多研究表明，氟代烷基硅烷可有效改性陶瓷膜表面，使其呈現(xiàn)疏水特性[11-13]。

膜蒸餾技術(shù)用于LiBr/H2O溶液的分離過程已有研究。Sudoh 等[14]采用PTFE 疏水膜對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～55%的LiBr/H2O 溶液的直接接觸式膜蒸餾（DCMD）過程進(jìn)行了研究，認(rèn)為濃度邊界層和熱邊界層對膜蒸餾過程中有重要影響。但是，文中沒有提及進(jìn)料流量和進(jìn)料溫度等對滲透通量的影響。Kim 等[15]提出將疏水膜用于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)以使系統(tǒng)小型化，并且提出可利用廢熱或其他可用熱源加熱。Wang 等[16]提出一種通過真空膜蒸餾工藝分離質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的LiBr/H2O 溶液，并論證了其用于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的可行性，但其并未研究不同濃度的LiBr/H2O溶液對于結(jié)果的影響。

本研究選用管式Al2O3陶瓷膜作為支撐體，使用1H, 1H, 2H, 2H- 全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）進(jìn)行疏水改性，制備疏水管式復(fù)合膜（PFDTES-Al2O3）。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜的新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，即用制得的PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中的發(fā)生器，從而克服傳統(tǒng)的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)體積大、效率低及穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。為了研究水蒸氣在PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜上的滲透性，對制得的PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜對于LiBr/H2O 溶液的膜蒸餾性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，基于膜蒸餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過使用Aspen Plus軟件，對該制冷系統(tǒng)的制冷性能作了模擬研究，探索了將PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜用于單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 藥品與儀器

1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）、無水乙醇、濃鹽酸、異丙醇等均為分析純，溴化鋰，阿拉丁試劑（99%）。

儀器裝置包括：自制膜蒸餾組件，自制膜反應(yīng)器，電熱恒溫干燥箱（202-100 型），超聲波清洗儀（KH5200E 型），電導(dǎo)率儀（DDS-307 型），紅外分析儀（IRPrestige-21 型）， 掃描電鏡儀（TM3030plus型）等。

1.2 PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜的制備

選用某公司生產(chǎn)的φ12mm×2mm、長150mm、平均孔徑為1.2μm 的商品Al2O3陶瓷膜作為疏水改性的基體。先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%稀鹽酸浸泡24h，使陶瓷基體表面的羥基（ OH）增多，取出后用乙醇水溶液超聲波清洗2 次，每次15min，置于恒溫干燥箱中烘干待用。然后，在干燥環(huán)境中配置0.01mol/L 的PFDTES-異丙醇改性溶液，備用。再將經(jīng)稀鹽酸浸泡后的膜管置于膜反應(yīng)器中，倒入已經(jīng)配制好的PFDTES-異丙醇改性溶液，30℃反應(yīng)72h 后取出，用乙醇水溶液超聲波清洗2 次，每次15min，置于干燥箱中烘干，制得PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜。

1.3 復(fù)合膜的表征

通過紅外光譜表征疏水改性前后PFDTESAl2O3管式復(fù)合膜內(nèi)表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成。通過場發(fā)射掃描電鏡表征膜的表面形貌，分析改性處理后膜表面的元素組成。由于管式膜內(nèi)表面為曲面，相對于平板膜來說，水接觸角難以測量，且測量結(jié)果不準(zhǔn)確，故采用純水滲透性能實(shí)驗(yàn)來表征PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜內(nèi)表面的疏水性。

1.4 復(fù)合膜的膜蒸餾性能測試

選取所制的超疏水PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜，用LiBr/H2O 溶液進(jìn)行氣隙式膜蒸餾（AGMD）實(shí)驗(yàn)，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，測試復(fù)合膜對于LiBr/H2O 溶液的膜蒸餾性能。AGMD 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 AGMD實(shí)驗(yàn)裝置

熱側(cè)LiBr/H2O 溶液經(jīng)原液槽加熱至指定溫度后，由泵輸送，先后經(jīng)過壓力表P1及溫度表T1后到達(dá)膜組件熱側(cè)，再經(jīng)閥門、流量計(jì)F1 返回至原液槽；冷卻水（大量）在冷水槽由泵輸送，經(jīng)壓力表P2及溫度表T2后到達(dá)膜組件冷側(cè)，換熱后經(jīng)閥門、流量計(jì)F2 返回至冷水槽，從而建立起氣隙式膜蒸餾（AGMD）的熱側(cè)、冷側(cè)循環(huán)。熱側(cè)LiBr/H2O 溶液在經(jīng)過PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜時(shí)，水分蒸發(fā)形成水蒸氣，穿過膜孔后在冷卻管內(nèi)壁被冷卻水冷卻，形成滲透液。由于膜蒸餾實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)出蒸汽量相對較小，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)循環(huán)溶液的濃度最多增加2%，因此溶液濃度的變化的影響可忽略不計(jì)。同理，冷凝蒸汽所需要帶走的熱量相對很小，最大時(shí)只能將冷卻水的出口溫度上升0.05℃，故其影響也可以忽略不計(jì)。

膜蒸餾性能主要通過滲透通量以及LiBr 的截留率來衡量，用式(1)和式(2)計(jì)算。

式中，W為滲透液液質(zhì)量，kg；A為有效面積，m2；t為時(shí)間，h；ch為原溶液LiBr 濃度；cp為滲透液LiBr濃度。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，LiBr/H2O溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖2所示，通過曲線擬合，發(fā)現(xiàn)LiBr/H2O溶液濃度與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，故LiBr 的截留率可通過式(3)計(jì)算。

式中，kh為原溶液電導(dǎo)率；kp為滲透液電導(dǎo)率。

1.5 基于復(fù)合膜的新型制冷系統(tǒng)性能

圖2 LiBr/H2O溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系

圖3 傳統(tǒng)單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)流程

如圖3，傳統(tǒng)的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器4個(gè)部分組成。LiBr/H2O稀溶液在發(fā)生器中被加熱，水分在一定壓力下沸騰，產(chǎn)生制冷劑蒸氣，稀的LiBr/H2O溶液被濃縮，形成濃溶液。由發(fā)生器產(chǎn)生的制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器，被冷凝器中的冷卻水冷凝形成制冷劑水。制冷劑水通過節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器內(nèi)壓力很低，制冷劑水在吸收了冷媒水的熱量后蒸發(fā)，形成制冷劑蒸氣，而冷媒水溫度降低，即達(dá)到了制冷的目的。為使蒸發(fā)器中制冷劑水的蒸發(fā)過程持續(xù)進(jìn)行，蒸發(fā)過程形成的制冷劑蒸氣必須及時(shí)被吸收。發(fā)生器形成的濃溶液進(jìn)入吸收器，并被冷卻水冷卻，溫度降低。而這種高濃度、低溫度的溶液具有強(qiáng)烈吸濕性，用它來吸收蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷劑蒸氣，從而又形成LiBr/H2O 稀溶液，經(jīng)溶液熱交換器加熱后可進(jìn)入發(fā)生器循環(huán)利用，從而形成制冷循環(huán)[17]。

溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在工作過程中，若將過程中每小時(shí)供給發(fā)生器的熱量表示為Qg，制冷劑水在蒸發(fā)器中吸取冷媒水的熱量表示為Q0，制冷機(jī)工作過程中輸送流體的泵消耗功為P0，則將所獲得的冷量Q0與輸入制冷系統(tǒng)的總能量Qg+P0的比值稱為性能系數(shù)（COP），用式(4)計(jì)算。

又在制冷機(jī)工作中，輸送流體的泵類的消耗功很少，可忽略不計(jì)，因此，COP 的計(jì)算式可簡化為式(5)。

COP表示消耗單位熱量所獲得的冷量，是衡量溴化鋰吸收式制冷機(jī)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，在一定條件下，性能系數(shù)越大，制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性就越好。

根據(jù)復(fù)合膜LiBr/H2O 溶液的膜蒸餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮用PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)生器，設(shè)計(jì)出新型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，再利用Aspen Plus 軟件進(jìn)行制冷過程模擬，探究LiBr/H2O稀溶液的濃度、溫度及流量對于COP 的影響，并探索將該復(fù)合膜應(yīng)用于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改性機(jī)理與紅外光譜分析

經(jīng)稀鹽酸處理后的Al2O3陶瓷膜表面羥基（ OH）數(shù)增多，而選用的改性劑有三個(gè)烷氧基官能團(tuán)（C2H5O ），在改性條件下發(fā)生縮聚反應(yīng)[圖1中 R為含氟長鏈 (CH2)2(CF2)7CF3]，從而在陶瓷膜內(nèi)表面嫁接上如圖4 所示的一層含氟長鏈的有機(jī)層。由于該層具有很強(qiáng)的疏水性，使得改性后的Al2O3陶瓷膜呈現(xiàn)超疏水特性[10]，改性過程如圖4所示。

經(jīng)PFDTES疏水改性前后的紅外光譜分析結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯觯?jīng)PFDTES 改性后，在波數(shù)1295cm-1處出現(xiàn)了新的C F 鍵伸縮峰，在波數(shù)1180cm-1處出現(xiàn)了為Si O Si鍵的反對稱伸縮峰，說明PFDTES已成功接枝到Al2O3陶瓷膜表面[18-19]。

圖4 PFDTES疏水改性Al2O3陶瓷膜過程

圖5 Al2O3陶瓷膜改性前后紅外光譜圖

2.2 掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析

經(jīng)PFDTES疏水改性前后的Al2O3陶瓷膜表面的SEM圖見圖6(a)與(b)。

圖6 2000倍率Al2O3陶瓷內(nèi)膜表面的SEM圖

從圖6 中可以看出，經(jīng)PFDTES 改性前后，膜表面的形態(tài)并未發(fā)生顯著的變化，這與Fang等[10]的研究結(jié)果一致。為弄清表面修飾層的物質(zhì)成分，對改性后的Al2O3陶瓷膜進(jìn)行能譜（EDS）分析，分析結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，改性后的陶瓷膜表面存在一定量的F、Si元素，這些元素在改性前是沒有的，由此可以推斷，PFDTES已成功接枝到膜表面。

圖7 改性后的Al2O3陶瓷膜表面EDS元素分析

2.3 疏水性分析

膜的疏水性是衡量膜蒸餾用膜性能的重要參數(shù)。在20℃下對PFDTES-Al2O3復(fù)合膜進(jìn)行純水滲透性能測試并與改性前進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8 所示。改性前Al2O3陶瓷膜的純水通量隨著操作壓力的升高基本呈直線上升，而改性后Al2O3陶瓷膜在低于0.12MPa壓力下仍沒有水滲透通過，當(dāng)壓力繼續(xù)增加至0.14MPa時(shí)，開始有較小的滲透通量，說明經(jīng)PFDTES疏水性能良好，且改性后的Al2O3陶瓷膜的穿透壓力（LEP）在0.12～0.14MPa之間。

圖8 Al2O3陶瓷膜改性前后純水通量

2.4 膜蒸餾性能分析

2.4.1 操作壓力對滲透通量以及LiBr 截留率的影響

實(shí)驗(yàn)熱側(cè)LiBr/H2O溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，溫度為65℃、流量為12L/h，冷側(cè)冷卻水流量為120L/h、溫度為20℃。在該操作條件下，操作壓力對滲透通量以及LiBr截留率的影響見圖9。

從圖9 可知，隨著操作壓力從0.05MPa 增加到0.08MPa，PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜滲透通量明顯增加，而截留率呈現(xiàn)下降的趨勢，但始終保持在99.99%以上。這主要是因?yàn)槟蓚?cè)壓差是由原料液在該溫度下的飽和蒸汽壓以及操作壓力提供[20]，操作壓力的升高使得膜蒸餾熱側(cè)的傳質(zhì)推動(dòng)力——水蒸氣分壓增加，從而滲透通量增加。另一方面，操作壓力的升高可能使得一小部分膜孔被潤濕，從而使得很小部分溶液混入滲透液使后者被污染，截留率稍有下降。

圖9 操作壓力對滲透通量以及LiBr截留率的影響

2.4.2 進(jìn)料濃度對滲透通量以及LiBr 截留率的影響

實(shí)驗(yàn)操作壓力為0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O 溶液溫度為65℃、流量為12L/h，冷側(cè)冷卻水流量為120L/h、溫度為20℃。在該實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)料濃度對滲透通量以及LiBr截留率的影響見圖10。

圖10 進(jìn)料濃度對滲透通量以及LiBr截留率的影響

從圖10 可知，隨著進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從45%增加到60%，PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜滲透通量逐漸減小，而對于LiBr 的截留率略有下降的趨勢，但仍在99.99%以上。當(dāng)LiBr/H2O溶液的濃度上升時(shí)，根據(jù)拉烏爾定律可知，水的飽和蒸汽壓會下降，從而使得膜蒸餾過程的傳質(zhì)推動(dòng)力減小。另外，LiBr濃度的升高，容易引起膜附近產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，造成膜污染[21]，因此造成復(fù)合膜滲透通量逐漸減小，LiBr截留率略有下降。

2.4.3 進(jìn)料溫度對滲透通量以及LiBr 截留率的影響

實(shí)驗(yàn)操作壓力為0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、流量為12L/h，冷側(cè)冷卻水流量為120L/h、溫度為20℃。在該實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)料溫度對滲透通量以及LiBr截留率的影響見圖11。

圖11 進(jìn)料溫度對滲透通量以及LiBr截留率的影響

從圖11 可以看出，隨著進(jìn)料溫度的上升，滲透通量逐漸增大。對曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)呈指數(shù)增加趨勢，與Banat 等[22]的研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)樵跐B透側(cè)的壓力恒定時(shí)，進(jìn)料溫度的上升使得LiBr/H2O溶液側(cè)蒸氣壓增大，從而疏水膜兩側(cè)蒸氣壓差增加，即傳質(zhì)推動(dòng)力增加。在此過程中，LiBr截留率基本無變化，始終保持在99.99%左右，說明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，進(jìn)料溫度對于LiBr 截留率的影響不大。

2.4.4 進(jìn)料流量對滲透通量以及LiBr 截留率的影響

實(shí)驗(yàn)操作壓力為0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，冷側(cè)冷卻水流量為120L/h、溫度為20℃。由于滲透流量相對于進(jìn)料流量很小，可以忽略不計(jì)，因此選用流量計(jì)F2 的讀數(shù)近似為進(jìn)料流量。在該實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)料流量對滲透通量以及LiBr截留率的影響見圖12。

圖12 表明，隨著進(jìn)料流量的增加，滲透通量逐漸增大，通過曲線擬合，還可以發(fā)現(xiàn)呈線性趨勢增加，在此過程中LiBr 截留率始終保持在99.99%左右。產(chǎn)生此現(xiàn)象原因可能是在膜管通道截面積一定的情況下，進(jìn)料流量提高使管流速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)料溶液的擾動(dòng)增強(qiáng)和膜表面的熱邊界層厚度減小，可有效緩解溫差極化現(xiàn)象。另外，管流速度加快，還可以緩解運(yùn)行過程中的膜污染及減小傳質(zhì)過程中的邊界層阻力，因此導(dǎo)致滲透通量增加。

圖12 進(jìn)料流量對滲透通量以及LiBr截留率的影響

2.5 制冷系統(tǒng)的性能分析

圖13 新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)

圖14 Aspen Plus中新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)模擬流程圖

參考圖3所示的傳統(tǒng)單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出如圖13 所示的基于復(fù)合膜組件的新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)相比，用膜蒸餾組件取代發(fā)生器與冷凝器，使新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊。在Aspen Plus軟件中對該系統(tǒng)進(jìn)行換熱過程的數(shù)值模擬，Aspen Plus 中模擬流程見圖14?？紤]到Aspen Plus中的分離單元無法模擬膜蒸餾的真實(shí)過程，且前述實(shí)驗(yàn)已有膜蒸餾過程數(shù)據(jù)，因而在Aspen Plus中不再關(guān)心AGMD的內(nèi)部過程，僅考慮進(jìn)出口參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)僅采用單根φ12mm×2mm、長150mm的膜管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于制冷劑水產(chǎn)量數(shù)據(jù)過小而無法在工業(yè)計(jì)算級別的Aspen Plus 中進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算?？紤]實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過膜管并聯(lián)來增加制冷劑水產(chǎn)量，故在模擬時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)增大AGMD 進(jìn)出口參數(shù)，以便能夠在軟件中進(jìn)行計(jì)算。此外，制冷循環(huán)模擬所采用的參數(shù)見表1。

表1 制冷循環(huán)模擬參數(shù)

對上述新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行傳熱過程數(shù)值模擬，需作出如下幾個(gè)假設(shè)：

（1） 膜蒸餾實(shí)驗(yàn)LiBr 截留率始終保持在99.99%以上，故膜組件滲透物為純組分蒸氣；

（2）流體在流動(dòng)過程中無任何阻力，即忽略流動(dòng)過程中的壓力損失；

（3）不存在吸收不足的情況，即由吸收器出來的稀溶液是對應(yīng)溫度、壓力下的飽和溶液；

（4）蒸發(fā)器無冷量損失，其余各換熱設(shè)備也無熱量損失，即忽略整個(gè)過程中與周圍環(huán)境的熱量交換。

由于閉環(huán)系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)迭代結(jié)果不易收斂，故將系統(tǒng)設(shè)置為開環(huán)，即有一個(gè)進(jìn)口（INLET）和一個(gè)出口（OUTLET）。在模擬計(jì)算中不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，如果使開環(huán)系統(tǒng)INLET的輸入?yún)?shù)值與OUTLET相應(yīng)參數(shù)值的相對誤差均小于1‰，則認(rèn)為其與實(shí)際的閉環(huán)系統(tǒng)等效。

2.5.1 LiBr/H2O稀溶液濃度對COP的影響

根據(jù)操作壓力0.07MPa 及0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O 稀溶液溫度為80℃、流量12L/h，冷側(cè)冷卻水流量120L/h、溫度20℃下的膜蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Aspen Plus 中設(shè)置AGMD 單元的進(jìn)出口參數(shù)，再進(jìn)行各單元換熱過程的數(shù)值模擬，得出LiBr/H2O稀溶液濃度與蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP 之間的關(guān)系，如圖15所示。

圖15 LiBr/H2O稀溶液濃度對蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP的影響

通過圖15 所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，新型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP 隨著LiBr/H2O 稀溶液濃度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，但在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)變化較小。一方面可能是因?yàn)長iBr/H2O 稀溶液濃度升高，膜污染加劇，導(dǎo)致制冷劑水的產(chǎn)量減少，從而使得蒸發(fā)器冷負(fù)荷減小，另一方面稀溶液濃度升高，其定壓比熱容減小，使得發(fā)生器熱負(fù)荷減小，但影響相對較小，因而根據(jù)定義式(5)可知，COP 會小幅度下降。此外，在給定濃度范圍內(nèi)，0.08MPa操作壓力下系統(tǒng)COP 均達(dá)到0.75 以上，滿足目前單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的要求。但是，傳統(tǒng)的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中LiBr/H2O稀溶液加熱溫度一般在85℃以上[23]，新系統(tǒng)的加熱溫度為80℃，從低品位能源利用角度來說所設(shè)計(jì)的新型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的具有一定的優(yōu)勢。

2.5.2 LiBr/H2O稀溶液溫度對COP的影響

根據(jù)操作壓力0.07MPa 及0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O 稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、流量12L/h，冷側(cè)冷卻水流量120L/h、溫度20℃下的膜蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Aspen Plus中設(shè)置AGMD單元的進(jìn)出口參數(shù)，再進(jìn)行各單元換熱過程的數(shù)值模擬，得出LiBr/H2O稀溶液溫度與對蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP 之間的關(guān)系，如圖16所示。

如圖16 中所示，新型制冷系統(tǒng)的COP 隨著LiBr/H2O稀溶液溫度的增大而逐漸增大。這主要是由于LiBr/H2O稀溶液溫度增加，復(fù)合膜兩側(cè)的溫差增大，膜蒸餾的傳質(zhì)推動(dòng)力增加，從而制冷劑水的產(chǎn)量增加，蒸發(fā)器的冷負(fù)荷隨之增加。在0.08MPa的操作壓力下，當(dāng)LiBr/H2O 稀溶液溫度達(dá)到70℃時(shí)，系統(tǒng)的COP就開始達(dá)到0.7左右，而傳統(tǒng)單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)熱源溫度為85～150℃，COP 一般在0.65～0.70[23]。因此，在相近的COP 下新型單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)所需的熱源溫度低，可充分利用太陽能、低品位廢熱等作為熱源，經(jīng)濟(jì)性更好。

圖16 LiBr/H2O稀溶液溫度對蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP的影響

2.5.3 LiBr/H2O稀溶液流量對COP的影響

根據(jù)操作壓力0.07MPa 及0.08MPa，熱側(cè)LiBr/H2O稀溶液溫度80℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%和流量12L/h，冷側(cè)冷卻水流量120L/h、溫度20℃下的膜蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Aspen Plus中設(shè)置AGMD單元的進(jìn)出口參數(shù)，再進(jìn)行各單元換熱過程的數(shù)值模擬，得出LiBr/H2O稀溶液流量與蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP之間的關(guān)系，如圖17所示。

圖17 LiBr/H2O稀溶液流量對蒸發(fā)器冷負(fù)荷及COP的影響

圖17表明，隨著LiBr/H2O稀溶液流量的增加，新型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP 逐漸減小。在0.08MPa 的壓力下，稀溶液流量從86L/h 增加到138L/h，蒸發(fā)器的制冷量增加了約14%。雖然流量的增加會使膜管滲透通量增大，導(dǎo)致制冷劑水的流量增大，但稀溶液流量的增大將會使加熱器的熱負(fù)荷大大增加，消耗更多的能量，同時(shí)吸收器需要冷卻水帶走的熱量增大，根據(jù)COP的計(jì)算式(5)易知，制冷系統(tǒng)的COP 將會大幅度減小。因此，新型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)所需的LiBr/H2O稀溶液流量不宜過大，這也可以減小流體輸送泵的消耗功，更加經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

（1）1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）可以成功應(yīng)用于Al2O3管式陶瓷膜的疏水改性，F(xiàn)TIR 表征說明PFDTES 已成功接枝到Al2O3陶瓷膜內(nèi)表面。通過純水滲透性能測試，發(fā)現(xiàn)改性前后Al2O3陶瓷膜的純水通量變化明顯，改性后復(fù)合膜的穿透壓力在0.12～0.14MPa 之間，表明疏水改性效果良好。

（2）將經(jīng)PFDTES疏水改性后的Al2O3陶瓷膜用于LiBr/H2O 溶液的膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著操作壓力的升高，滲透通量快速增加；隨著進(jìn)料濃度的增加，滲透通量逐漸減??；隨著進(jìn)料溫度的增加，滲透通量迅速增加；隨著稀溶液流量的增加，滲透通量呈線性增加；PFDTES-Al2O3管式復(fù)合膜對LiBr的截留率始終保持在99.99%以上。

（3）將PFDTES-Al2O3陶瓷復(fù)合膜用于單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，通過在Aspen Plus中進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)將PFDTES-Al2O3陶瓷復(fù)合膜用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的發(fā)生器，其理論COP 可以達(dá)到0.7 以上，滿足單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的要求。因此，將PFDTES-Al2O3膜用于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，不僅可以使得整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，還可以充分利用太陽能、低品位廢熱等作為熱源，經(jīng)濟(jì)性更好，具有可行性。