熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算分析

1、熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算分析摘 要 ：對(duì)現(xiàn)有的熱法海水淡化方法進(jìn)行評(píng)述，并對(duì)熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)提出的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，得出結(jié)論：熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)能耗不低，相比直接壓汽蒸餾和反滲透，均無(wú)節(jié)能優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)能耗偏高的主要原因在于，兩種工質(zhì)通過(guò)間壁換熱，由于換熱溫差損失了大量的可用能。文中選擇的熱泵采用離心熱泵，R123冷媒，使本文更接近實(shí)際情況。關(guān)鍵詞 ：海水淡化；熱泵；計(jì)算經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展 ，目前的海水淡化 的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，大規(guī)模海水淡化也已經(jīng)商業(yè)化，2000年全世界淡化水生產(chǎn)能力達(dá)到 日產(chǎn)2700萬(wàn)噸，并以78的年增長(zhǎng)率攀升1。海水淡化的兩個(gè)主要方法分

2、為熱法和膜法，熱法對(duì)海水水質(zhì)要求低，出水的水質(zhì)好，系統(tǒng)工作時(shí)維護(hù)少，但是需要電廠蒸汽、工業(yè)余熱等廉價(jià)熱源；膜法只使用電能，建設(shè)周期短，隨著技術(shù)創(chuàng)新，噸水耗電不斷降低。在國(guó)內(nèi)，海水淡化剛剛興起，海水淡化公司雨后春筍般的成長(zhǎng)起來(lái)，有以自主研究起家的天津海水淡化研究所，以消化吸收國(guó)外技術(shù)起家的濱海環(huán)保裝備，以處理污水和苦咸水起家的無(wú)數(shù)反滲透裝置廠家。1 現(xiàn)有熱法海水淡化系統(tǒng)特點(diǎn)目前主要的熱法海水淡化方法有多級(jí)閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)和壓汽蒸餾(VC)。1.1 多級(jí)閃蒸 經(jīng)過(guò)加熱的海水，依次在壓力逐級(jí)降低 的多個(gè)閃蒸室中循環(huán)和蒸發(fā)，蒸發(fā)得到的蒸汽通過(guò)間壁式換熱器加熱循環(huán)的海水，收集蒸汽的冷凝

3、水做為需要的產(chǎn)品淡水。多級(jí)閃蒸在海灣國(guó)家采用較多，通常與火力發(fā)電站聯(lián)合建設(shè)與運(yùn)行，以汽輪機(jī)低壓抽汽作為熱源，其優(yōu)勢(shì)是海水結(jié)垢傾向小、運(yùn)行可靠、易于大型化。但由于海水加熱過(guò)程換熱效率低，因此換熱面積大初投資很高；閃蒸屬于相變過(guò)程，其需要的巨大熱量由海水傳遞，需要大量循環(huán)海水，動(dòng)力系統(tǒng)能耗大。1.2 多效蒸餾在蒸發(fā)器中，通過(guò)外部熱源使海水通過(guò)降膜蒸發(fā)，海水依次經(jīng)過(guò)多個(gè)串聯(lián)的蒸發(fā)器，前一效蒸發(fā)的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，并冷凝成為所需的產(chǎn)品淡水。采用這種方法蒸汽熱量經(jīng)過(guò)多次傳遞得到充分利用，換熱過(guò)程為相變換熱，換熱效率高；不同蒸發(fā)器之間熱量的傳遞通過(guò)蒸汽進(jìn)行，因此動(dòng)力系統(tǒng)能耗很小。另外該法還可利

4、用 70左右的低溫廢熱作為海水的加熱熱源，是一種可利用余熱的節(jié)能海水淡化方法。1.3 壓汽蒸餾在多效蒸餾的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)機(jī)械式壓縮機(jī)，將多效蒸餾最后一個(gè)蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮，并輸送到前面的蒸發(fā)器作為熱源循環(huán)利用。壓汽蒸餾用電或蒸汽驅(qū)動(dòng)，二次蒸汽循環(huán)利用，沒(méi)有冷凝最終二次蒸汽的冷凝器，也沒(méi)有對(duì)外的大量熱量排放，屬于節(jié)能環(huán)保的淡化方法。但由于蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)問(wèn)題難以解決，裝置規(guī)模受到限制，很難實(shí)現(xiàn)大型化。2 利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)為了利用壓汽蒸餾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免壓汽蒸餾時(shí)壓縮水蒸氣的困難，一些專(zhuān)家提出了利用熱泵循環(huán)的淡化系統(tǒng)。這里的熱泵是指空調(diào)制冷行業(yè)常用的機(jī)械壓縮式熱泵，是利

5、用逆卡諾循環(huán)的原理，利用一部分高品位能量，通過(guò)氟利昂這種中間工質(zhì)，使熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩戳鲃?dòng)。利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)，是把低溫多效海水淡化系統(tǒng)的高溫級(jí)作為熱泵的高溫?zé)嵩?，低溫?jí)作為熱泵的低溫?zé)嵩矗脽岜梦盏蜏責(zé)嵩吹臒崃?，輸送的高溫?zé)嵩?，作為海水淡化的熱源。利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)可以回收低溫效的熱量，沒(méi)有冷凝器放熱損失，具有了壓汽蒸餾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了壓汽蒸餾的技術(shù)難題壓縮水蒸汽。為了對(duì)熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，需要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，綜合考慮工質(zhì)的性能，設(shè)備的市場(chǎng)行情等因素，初步設(shè)計(jì)的主要注意事項(xiàng)和技術(shù)參數(shù)選擇如下：1）水的汽化潛熱大，海水淡化系統(tǒng)要回收的熱量很大

6、，為了滿足大熱量的要求，熱泵選擇離心壓縮機(jī)。相對(duì)于熱泵的常用領(lǐng)域空調(diào)系統(tǒng)，海水淡化要求的熱泵工作溫度比較高，本文中計(jì)算分析時(shí)選擇R123冷媒。2）系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖和主要參數(shù)選擇如下：7066.763.460.156.856.8冷凝冷凝蒸發(fā)蒸發(fā)節(jié)流閥多效蒸發(fā)器壓縮機(jī)淡水鹵水海水換熱器1換熱器2換熱器3換熱器455換熱器57460海水圖1：利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖和主要參數(shù)選擇多效蒸發(fā)器：多效蒸發(fā)海水淡化裝置壓縮機(jī)：熱泵系統(tǒng)的離心壓縮機(jī)，用來(lái)壓縮R123冷媒節(jié)流閥：熱泵系統(tǒng)的節(jié)流元件換熱器1：熱泵將水加熱成蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽作為多效蒸發(fā)的熱源換熱器2：熱泵回收多效蒸發(fā)蒸發(fā)后的熱量換熱器3：回收鹵水

7、中的熱量換熱器4：回收淡水中的熱量換熱器5：熱泵中冷媒的過(guò)冷器設(shè)定運(yùn)行參數(shù)：熱泵蒸發(fā)溫度： 53過(guò)熱度： 2熱泵冷凝溫度： 74過(guò)冷度： 14壓縮機(jī)等熵效率：0.7查圖2得到的結(jié)果：圖2：熱泵工作的壓焓圖熱泵吸氣焓： 413.44kJ/kg熱泵吸氣熵： 1.688 kJ/(kg·K)熱泵排氣焓： 430kJ/kg節(jié)流時(shí)的焓： 260kJ/kg3）根據(jù)空調(diào)廠家提供的數(shù)據(jù)，目前熱泵機(jī)組的最大制冷容量在4500kW左右，即單臺(tái)熱泵回收熱量的最大功率。4）海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為100噸/日，第一效管內(nèi)蒸汽溫度70，效間溫差3.3。3 利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算通過(guò)對(duì)多效蒸發(fā)設(shè)備進(jìn)行

8、物質(zhì)和能量平衡計(jì)算，多效蒸發(fā)設(shè)備需要的蒸汽量為1.15噸/小時(shí)，末效需要冷凝的二次蒸汽量1.02噸/小時(shí)，熱泵蒸發(fā)器的負(fù)荷為671kW。根據(jù)查圖的結(jié)果，熱泵消耗功率為72.5kW，熱泵冷凝器的負(fù)荷為743.5kW。據(jù)此可以計(jì)算出，熱泵冷凝器產(chǎn)生的70蒸汽量為1.15噸/小時(shí)，等于多效蒸發(fā)設(shè)備需要的蒸汽量，設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行。根據(jù)熱泵機(jī)組容量估算，目前最大的熱泵機(jī)組可以滿足700噸/日的造水量。熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)的動(dòng)力泵消耗取1.5kWh/m33，熱泵消耗為17.4 kWh/m3，總耗電量為18.9kWh/m3。4 結(jié)果與討論在進(jìn)行利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)效數(shù)、效間溫差、首效溫

9、度、熱泵工質(zhì)等進(jìn)行了對(duì)比分析，最后選擇的初步設(shè)計(jì)方案是筆者認(rèn)為在各種方案中比較合適的一種。根據(jù)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)效數(shù)對(duì)噸水電耗有一定影響，隨著效數(shù)增多，噸水電耗有一個(gè)最低值，如圖3所示。效數(shù)主要決定于熱泵的冷源和熱源溫差。效數(shù)不宜太多，主要是冷源溫度不能太低，冷源溫度低造成蒸汽密度小，維持真空度困難，換熱系數(shù)不高。圖3：噸水電耗和蒸發(fā)器總效數(shù)的關(guān)系效間溫差對(duì)系統(tǒng)性能影響極大，其確定主要是進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較和權(quán)衡。效間溫差減少時(shí)，噸水耗電降低，但是換熱面積增加，初投資增加。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較和對(duì)國(guó)內(nèi)外工程的分析，取3.3。為了防止結(jié)垢、減少腐蝕，同時(shí)考慮到熱泵采購(gòu)的方便，取第一效管內(nèi)蒸汽為70。根據(jù)以上對(duì)多效蒸發(fā)部分的選擇，對(duì)國(guó)內(nèi)外主要空調(diào)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行分析，最終選用特靈的R123冷媒的離心機(jī)作為熱泵。5 結(jié)論本文根據(jù)對(duì)熱泵機(jī)組的選型，目前可以采購(gòu)的常見(jiàn)的最大熱泵機(jī)組只能滿足100噸/日的海水淡化產(chǎn)量，因此裝置大型化困難，從規(guī)模上，相對(duì)壓汽蒸餾沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。對(duì)100噸/日熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得出噸水耗電量為18.9kWh/m3，相比壓汽蒸餾11.43kWh/m33，耗電偏高，而且系統(tǒng)更加復(fù)雜。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析，得出能耗偏高的主要原因是：R123和水這兩種工質(zhì)通過(guò)間壁換熱，由于換熱溫差損失了大量的可用能。從設(shè)備規(guī)模和設(shè)備能耗考慮，利用熱泵循環(huán)