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：10.3390/membranes11040281

微信链接：

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/membranes

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