本发明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。
背景技术：
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。但是该发明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，本发明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，本发明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。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明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。
本发明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。
本发明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，本发明采取的技术方案是：
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：循环水真空泵1、气水分离器47和产水收集罐48；所述气水分离器47的进口通过温度表ⅱ45与产水/水蒸气出口53相连，所述气水分离器47的上端出口与循环水真空泵1的进口相连，所述气水分离器47的下端出口通过阀门ⅹⅲ46与产水收集罐48的进口相连。
在上述方案的基础上，所述热原料液进口52与原水箱31的底部出水口之间依次设有转子流量计44、温度表ⅰ37、保安过滤器35、隔膜泵ⅱ36和阀门ⅸ32；所述热原料液进口52与热风机33之间设有阀门ⅷ34；所述热原料液进口52与清洗水入口21、碱液清洗箱26和酸液清洗箱20的底部出口之间设有隔膜泵ⅰ25。
在上述方案的基础上，所述清洗水入口21与隔膜泵ⅰ25之间设有阀门ⅰ22，所述碱液清洗箱26的底部出口与隔膜泵ⅰ25之间设有阀门ⅲ24，所述酸液清洗箱20的底部出口与隔膜泵ⅰ25之间设有阀门ⅱ23。
在上述方案的基础上，所述热原料液出口49与原水箱31的进水口之间依次设有温度表ⅲ3和阀门ⅹ4，所述热原料液出口49与碱液清洗箱26和酸液清洗箱20的进口之间依次设有温度表ⅲ3、阀门ⅹ4和阀门ⅺ5，所述热原料液出口49通过温度表ⅲ3、阀门ⅹ4、阀门ⅺ5和阀门ⅻ6与大气相连。
在上述方案的基础上，所述碱液清洗箱26的进口与阀门ⅺ5之间设有阀门ⅴ27，所述酸液清洗箱20的进口与阀门ⅺ5之间设有阀门ⅳ28。
本发明相对于现有的膜蒸馏系统，具有以下优点：
(1)热泵的应用可实现对水蒸气相变热的高效回收，提高膜蒸馏过程的热能利用效率。
(2)利用太阳能集热管对原水进行加热，减少传统膜蒸馏过程中由于使用电加热而造成的电能消耗，可极大地改善该过程的能耗水平。
(3)优化了现有的太阳能膜蒸馏系统，降低过程整体能耗和运行费用。
(4)系统集成度较高，可节省装置的占地面积。
(5)方便对膜组件中的中空纤维膜进行清洗及更换。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是热泵-太阳能膜蒸馏系统的示意图；
图2是新型气隙多效膜蒸馏组件的示意图；
图3是热泵系统的示意图；
各图中的粗实线箭头代表液体及蒸汽的流动方向。
图中，1、循环水真空泵，2、膜蒸馏组件，3、温度表ⅲ，4、阀门ⅹ，5、阀门ⅺ，6、阀门ⅻ，7、阀门ⅶ，8、温度表ⅳ，9、阀门ⅹⅴ，10、原水，11、温度表ⅴ，12、太阳能真空集热管，13、阳光，14、温度表ⅵ，15、隔膜泵ⅳ，16、换热盘管，17、电加热棒，18、水箱，19、隔膜泵ⅲ，20、酸液清洗箱，21、清洗水入口，22、阀门ⅰ，23、阀门ⅱ，24、阀门ⅲ，25、隔膜泵ⅰ，26、碱液清洗箱，27、阀门ⅴ，28、阀门ⅳ，29、阀门ⅹⅳ，30、阀门ⅵ，31、原水箱，32、阀门ⅸ，33、热风机，34、阀门ⅷ，35、保安过滤器，36、隔膜泵ⅱ，37、温度表ⅰ，38、膨胀阀，39、过滤器，40、储液罐，41、冷凝器，42、压缩机，43、蒸发器，44、转子流量计，45、温度表ⅱ，46、阀门ⅹⅲ，47、气水分离器，48、产水收集罐，49、热原料液出口，50、制冷剂出口，51、制冷剂入口，52、热原料液进口，53、产水/水蒸气出口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1呈现的是热泵-太阳能膜蒸馏系统的示意图。图1中，水箱18中的原水10通过太阳能真空集热管12和换热器16进行加热。当处于光照不足的阴天或夜晚时，通过水箱18中配备的电加热棒17对原水进行辅助加热。待水温达到预定温度时，原水经过隔膜泵ⅲ19进入原水箱31中。原水在原水箱31中通过隔膜泵ⅱ36和转子流量计44控制流速，在经过保安过滤器35去除悬浮物后，自下而上通过膜蒸馏组件2的中空纤维膜的管程。水蒸气透过膜表面的微孔，在温度较低的蒸发器43的表面冷凝，液化并释放出热量。原水在中空纤维膜内部流动的过程中，温度逐渐降低。之后原水流出膜蒸馏组件2并返回原水箱31中。蒸发器43中充有制冷剂，制冷剂吸收水蒸气释放的相变热后，汽化，通过压缩机42做功变成高压气体进入冷凝器41。在冷凝器41中释放热量，变为液态，之后流回储液罐40。在下一个循环周期中，制冷剂通过过滤器39和膨胀阀38后，再次进入蒸发器43的金属盘管。制冷剂在冷凝器41中释放的热量用于加热原水箱31中的原水和维持原水温度。冷凝水在膜蒸馏组件2的壳程底部产水出口53流出，在进入气水分离器47后，经循环水真空泵1的抽吸作用，最终在产水收集罐48内被收集。原水箱31中的原水水位通过水箱18进行适当补水来控制。当系统运行一段时间，膜蒸馏组件2需要清洗时，打开相应的阀门，将与清洗箱连接的隔膜泵打开，使得清洗液流经转子流量计44后进入膜蒸馏组件2。在对中空纤维膜进行清洗后，清洗液流回清洗箱。经过清洗后，膜蒸馏组件2需要干燥以恢复中空纤维膜的疏水性能。热风机33提供的热风可对系统管道及膜蒸馏组件2内的中空纤维膜进行在线干燥。
图2呈现的是本发明的新型气隙多效膜蒸馏组件的示意图，图2中，膜蒸馏组件2共有5个开口，即热原料液进口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。
图3呈现的是热泵系统的示意图，图3中，热泵系统由蒸发器43、压缩机42、冷凝器41、储液罐40、过滤器39和膨胀阀38组成。蒸发器43和冷凝器41均为中空金属盘管结构。
下面，结合图1-3和具体实施例，对本发明作进一步的说明。
操作流程：
(1)检查，确保各部件连接正确及紧密，无渗漏；将清洗及干燥管路的阀门ⅰ22、阀门ⅱ23、阀门ⅲ24、阀门ⅳ28、阀门ⅴ27、阀门ⅷ34、阀门ⅺ5和阀门ⅻ6关闭。
(2)打开原水进口处的阀门ⅹⅴ9，将水箱18内的原水加满后，关闭阀门ⅹⅴ9。通过太阳能集热装置对水箱18内的原水进行加热。所使用的太阳能集热装置为玻璃金属结构的u型管式真空管型太阳能加热器，采光面积为4m2，南北方向安装，太阳能集热管12的倾斜角度为45度，有利于接收阳光13的照射。温度表ⅴ11和温度表ⅵ14用于监测流体进/出太阳能真空管集热管12的温度，温度表ⅳ8用于监测进入原水箱31的原水水温。待水箱18中的热水温度达到所需温度时(70℃以上)，开启隔膜泵ⅲ19，打开阀门ⅶ7，关闭阀门ⅵ30和阀门ⅹⅳ29，将水箱18内的原水抽至原水箱31中。待原水箱31中的水位上升至合适位置时，关闭隔膜泵ⅲ19和阀门ⅶ7。当处于光照不足的阴天或夜晚时，则通过水箱18中配备的电加热棒17对原水进行辅助加热以达到所需温度。
(3)打开阀门ⅸ32、阀门ⅹ4、阀门ⅹⅲ46，开启隔膜泵ⅱ36，原水箱31的原水通过转子流量计44控制流速，在进入膜蒸馏组件2前先经过保安过滤器35过滤掉水中的悬浮物，保安过滤器35的滤芯孔径为0.5μm。温度表ⅰ37用于监测原水进入膜蒸馏组件2中空纤维膜前的温度。温度表ⅲ3用以监测原水流出膜蒸馏组件2后的温度。膜蒸馏组件2内的金属盘管(热泵系统的蒸发器43)及原水箱31内的热泵系统的冷凝器41的横截面外径为60mm，匝数为110。膜蒸馏组件2使用自制聚丙烯(pp)中空纤维疏水膜，内径为1.8mm，外径为2.7mm，孔隙率为73.9％，平均孔径为0.238μm，膜表面接触角为148°。中空纤维膜两端使用环氧树脂密封，并将固化后的膜两端的多余部分切掉，制成膜丝束备用。膜蒸馏组件2的外壳材料为有机玻璃，长度为450mm，内径为70mm，厚4mm。膜丝束、金属盘管(热泵系统的蒸发器43)和膜壳经组装后制成膜蒸馏组件2，膜蒸馏组件2内膜的总面积为0.25m2。为避免热量散失，膜蒸馏组件2、水箱18、热泵系统及所有管路外均使用保温材料包裹。原水流出膜蒸馏组件2后，最终流回原水箱31。运行稳定后，启动压缩机42。透过中空纤维膜的水蒸气与膜蒸馏组件2内的蒸发器43的外表面接触，释放热量后被冷凝成产水。此时蒸发器43内的液态制冷剂吸收水蒸气的热量变为气态。气态制冷剂进入压缩机42内经过压缩后变为高压蒸汽，之后进入冷凝器41内液化并释放热量，该热量可用于维持原水箱31内的原水温度。冷凝后的液态制冷剂流回储液罐40，再一次流经过滤器39和膨胀阀38后进入蒸发器43，至此完成一个周期的热量回收循环。系统稳定运行一段时间后，开启循环水真空泵1。冷凝后形成的产水在循环水真空泵1的抽吸作用下首先进入气水分离器47，后通过产水收集罐48收集。温度表ⅱ45用于监测膜蒸馏产水的温度。系统产水一段时间后，发现原水箱31内的液位下降且水温降低时，开启阀门ⅶ7对原水箱31进行补水。当发现原水箱31内的原水电导过高开始析出晶体时，应打开阀门ⅵ30和阀门ⅹⅳ29将所剩原水排尽，并通过水箱18补充原水。
(4)关闭膜蒸馏系统。关闭太阳能集热系统中的隔膜泵ⅲ19、隔膜泵ⅳ15和阀门ⅶ7，同时关闭阀门ⅸ32、阀门ⅹ4和隔膜泵ⅱ36。当膜蒸馏组件2不再产水时，关闭热泵系统的压缩机42，并依次关闭产水端的循环水真空泵1以及阀门ⅹⅲ46。
(5)膜蒸馏组件2的清洗。在酸液清洗箱20中配制ph为2左右的盐酸洗液。打开阀门ⅱ23、阀门ⅳ28、阀门ⅹ4和阀门ⅺ5，其他阀门保持关闭。打开隔膜泵ⅰ25，使用酸液对系统冲洗30分钟后，将酸液清洗箱20内的酸液排尽。在碱液清洗箱26中配制ph为11.5左右的氢氧化钠碱液。打开阀门ⅲ24、阀门ⅴ27、阀门ⅹ4和阀门ⅺ5，其他阀门保持关闭。打开隔膜泵ⅰ25，使用该碱液对系统冲洗30分钟后，将碱液清洗箱26内的碱液排尽。之后打开阀门ⅰ22、阀门ⅹ4、阀门ⅺ5和阀门ⅻ6，其他阀门保持关闭。打开隔膜泵ⅰ25，使用清水对系统进行冲洗，直至洗出液的ph回复至7左右。
(6)膜蒸馏组件2的干燥。打开阀门8、阀门ⅹ4、阀门ⅺ5和阀门ⅻ6，其他阀门保持关闭。启动热风机33，鼓入热风对系统进行烘干，烘干时间为15分钟左右。
实施例一：
我国大部分地区属于3类及3类以上日照区(太阳能可利用地区)，每年的日照时间在2000小时以上。因此，该热泵-太阳能膜蒸馏系统应用前景较为广阔，尤其在淡水资源缺乏但苦咸水丰富的地区，可以采用该系统来制备饮用水及生活用水。此外，使用热泵-太阳能膜蒸馏系统处理工业高盐废水，产水可用作循环水及工业用水，而经浓缩后的浓水能够进入蒸发结晶单元，达到对高盐废水近零排放的处理要求。
在我国3类日照区某城市，典型的夏季晴朗天气情况下。太阳辐射强度从上午8时起逐渐变大，到午间12点至14点间达到最强，之后逐渐变弱，平均总辐照度超过900w·m2，日太阳辐射总量可达到20mj·m2·d-1。此时，真空管集热器的日平均效率和瞬时效率大致分别为45％和70％。室外环境温度在29-35℃之间，在午间达到最高。
水箱18中的水温随太阳辐射强度变化而变化，午间可以达到80℃以上。使用电导为26000μs/cm的nacl盐溶液作为原水，通过转子流量计44控制原水箱内的原水流量为200l·h-1，进入蒸发区前原料液温度为80℃左右，每天连续运行8小时，得到的最大膜通量为35lm-2·h-1，平均膜通量为28lm-2·h-1；产水电导率保持在90～130μs·cm-1左右，脱盐率高于99.5％。
注意事项：
(1)在膜蒸馏装置运行一段时间后，当产水电导率高于600μs·cm-1时，需要对膜蒸馏组件2进行清洗。
(2)太阳能集热系统中水箱内的水温变化与太阳辐射强度的变化并不同步，而是有一段迟滞时间。
(3)注意对膜蒸馏组件2、管道和水箱18等进行保温，减少热量流失。
(4)每隔一段时间对过滤器中的滤芯进行更换。
实施例二：
在我国3类日照区某城市，典型的夏季阴天情况下。太阳辐射强度很低，日太阳辐射总量小于8mj·m2·d-1。室外环境温度在30-34℃之间。
水箱18中的水温随太阳辐射强度变化而变化，温度范围在50-60℃之间。此时需要使用电加热棒17对原水进行辅助加热。使用电导为80000μs/cm的反渗透浓水作为原水，待原水温度升至80℃时，通过转子流量计44控制原水箱31内的原水流量为250l·h-1，进入蒸发区前原料液温度在70～80℃之间，每天连续运行12小时，得到的最大膜通量为32lm-2·h-1，平均膜通量为29.6lm-2·h-1；产水电导率保持在120～190μs·cm-1左右，脱盐率高于99.7％。热泵的使用使得电加热棒17的开启频率降低，经计算后的理论节能效率为13.14％。
注意事项：
(1)由于原水电导较高，当原水被浓缩至一定程度时(电导>200000μs/cm)，易发生盐析出结晶及产水量衰减等现象。
(2)当系统存在较大热量损耗时，损耗越多，热泵系统能够达到的节能效果就越好，如当热损失比例为系统总热量的40％时，节能效率能够提高到20.33％。
实施例三：
在我国3类日照区某城市，典型的夏季夜晚情况下。室外环境温度在26-29℃之间。
夜晚需要完全使用电加热棒17对原水进行加热。使用电导为80000μs/cm的反渗透浓水作为原水，待原水温度升至80℃时，通过转子流量计44控制原水箱31内的原水流量为250l·h-1，进入蒸发区前原料液温度在75～80℃之间，连续运行10小时，得到的最大膜通量为32lm-2·h-1，平均膜通量为30.1lm-2·h-1；产水电导率保持在130～200μs·cm-1左右，脱盐率高于99.6％。热泵的使用使得电加热棒17的开启频率大大降低，经计算后的理论节能效率为22.57％。当系统存在较大热量损耗时，损耗越多，热泵系统能够达到的节能效果就越好，如当热损失比例为系统总热量的40％时，节能效率能够提高到41.79％。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。