王為術(shù), 閆 廣, 李帥帥

(華北水利水電學(xué)院, 河南 鄭州 450011)

NaCl溶液閃蒸效率特性數(shù)值研究

王為術(shù), 閆 廣, 李帥帥

(華北水利水電學(xué)院, 河南 鄭州 450011)

鹽水閃蒸技術(shù)廣泛應(yīng)用于海水淡化及海洋溫差能發(fā)電, 含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給鹽液溫度和閃蒸壓力對(duì)閃蒸汽化率和熱效率有很大影響。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%～20%、給鹽液溫度為30～95℃和閃蒸壓力為1～30 kPa的范圍內(nèi), 對(duì)NaCl溶液閃蒸汽化率和熱效率等閃蒸效率特性進(jìn)行了定量計(jì)算研究, 研究得到了鹽水含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給鹽液溫度和閃蒸壓力對(duì)閃蒸汽化率以及熱效率影響的規(guī)律。結(jié)果表明, 降低含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù), 提高給鹽液溫度, 降低閃蒸壓力可提高閃蒸汽化率與熱效率; 含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,造成的熱損失越大, 而提高給鹽液溫度會(huì)增大熱損失。

海洋溫差能; 海水淡化; 閃蒸效率; 熱效率

海洋面積占地球面積的 71%, 占地球總水量的97%, 蘊(yùn)含巨大能量及水資源, 海洋溫差能有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[1], 而海水淡化是解決人類水資源困境最現(xiàn)實(shí)的方法[2]。鹽水閃蒸工藝在海洋溫差能利用和海水淡化技術(shù)中至關(guān)重要, 鹽水閃蒸是將鹽溶液排向低壓空間, 因壓力突降鹽溶液達(dá)到過飽和而發(fā)生水快速蒸發(fā), 鹽水閃蒸的主要產(chǎn)物為低壓水蒸氣和濃縮鹽水。顯然鹽水閃蒸效率決定海洋溫差發(fā)電和海水淡化工藝技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。

目前, 針對(duì)鹽水閃蒸的研究主要集中在鹽溶液物性參數(shù)、工藝流程、閃蒸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和鹽水綜合利用評(píng)價(jià)等方面。Bendaoud[3]設(shè)計(jì)了核能海水淡化閃蒸蒸發(fā)系統(tǒng), 劉振華[4]和吳靜波[5]研究了鹽水換熱器強(qiáng)化換熱特性, 為海水淡化和余熱綜合技術(shù)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 鄧潤亞[6]、沈勝強(qiáng)[7]、阿迪爾[8]等對(duì)海水淡化系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了定量分析, 張寧[9]、崔樹軍[10]和王戰(zhàn)軍[11]主要討論了海水淡化方案和經(jīng)濟(jì)性比較。鹽水閃蒸效率可用鹽水閃蒸汽化率和熱效率來衡量。海水中, Na鹽超過75%, 筆者針對(duì)NaCl溶液閃蒸效率的特性, 計(jì)算分析了鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù),給鹽液溫度和閃蒸壓力對(duì)閃蒸汽化率和熱效率的影響規(guī)律, 研究結(jié)果對(duì)鹽水閃蒸優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有指導(dǎo)意義。

1 NaCl溶液閃蒸的計(jì)算方法

典型的閃蒸器結(jié)構(gòu)如圖 1所示, 鹽水由給水管5, 經(jīng)閥門6進(jìn)入閃蒸室1, 低壓蒸汽經(jīng)由閥門4進(jìn)入

凝結(jié)裝置。

圖1 閃蒸器結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Structure sketch of the flash evaporator

相同壓力下, 鹽溶液的沸點(diǎn)(飽和溫度)高于水的沸點(diǎn), 兩者的沸點(diǎn)之差稱為溶液的沸點(diǎn)升高, 鹽溶液沸點(diǎn)升高的數(shù)值隨溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及蒸發(fā)器中溶液的液柱高度而變, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高, 液柱越高, 沸點(diǎn)升高數(shù)值也越大。在閃蒸器中, 鹽溶液在閃蒸室上部噴淋, 不存在液柱高度對(duì)沸點(diǎn)的影響。

水的物性由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)開發(fā)的Refprop軟件計(jì)算, NaCl溶液的比熱由Coolpack軟件計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的數(shù)據(jù)擬合出NaCl溶液在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)升高與NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系式(1):

式中:c為溶液中 NaCl占溶液總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù), 以下簡稱質(zhì)量分?jǐn)?shù);θ為NaCl溶液在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)升高, ℃。式(1)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差不超過±1%。

其他壓力下的NaCl溶液沸點(diǎn)升高由吉辛科式計(jì)算[12]:

式中θ′為所求壓力下的沸點(diǎn)升高;θ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溶液沸點(diǎn)升高,f為校正系數(shù),T′為所求壓力下飽和蒸汽溫度,r為所求壓力下水的汽化潛熱, kJ/kg。

閃蒸汽化率定義為單位質(zhì)量溶液經(jīng)閃蒸得到的蒸汽質(zhì)量。根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)閃蒸過程的能量方程為:

據(jù)此可得閃蒸汽化率x:

式中,h0為原溶液的比焓, kJ/kg;h1為閃蒸排液比焓, kJ/kg;h2為閃蒸蒸汽比焓, kJ/kg。

閃蒸熱效率η定義為閃蒸蒸汽焓與原溶液比焓的比值, 則熱效率的計(jì)算式:

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 NaCl溶液閃蒸汽化率特性分析

NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)溶液閃蒸汽化率和熱效率存在較大影響, 其主要原因是NaCl溶液的沸點(diǎn)升高和比熱降低, 沸點(diǎn)升高致使傳熱溫差降低和閃蒸熱量損失, 圖 2給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同壓力下的沸點(diǎn)升高。分析圖可見, 在相同壓力下NaCl溶液沸點(diǎn)升高隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而增大, 特別是NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 10%～20%范圍內(nèi), 其沸點(diǎn)升高隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高; 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下, 壓力越高沸點(diǎn)升高值越大。

圖2 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶液沸點(diǎn)升高的關(guān)系Fig. 2 The boiling point elevation of NaCl solution

NaCl溶液沸點(diǎn)升高會(huì)導(dǎo)致閃蒸汽化率的下降,圖3給出了4 kPa壓力下不同給水溫度不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的閃蒸汽化率。分析圖可見, 閃蒸汽化率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而降低, 給水溫度越高, 閃蒸汽化率越高, 且汽化率與給鹽水溫度呈線性關(guān)系。因此,如何提高閃蒸器進(jìn)口海水溫度是提高海水閃蒸淡化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與給鹽液溫度對(duì)閃蒸汽化率的影響Fig. 3 The influences of mass fraction and feed salt solution temperature to the flash evaporation rate

壓力是溶液飽和溫度的決定因素, 對(duì)閃蒸汽化率有很大影響, 圖 4給出了不同給鹽液溫度, 7%NaCl溶液在1～30 kPa閃蒸壓力下的汽化率。分析圖可見, 隨著閃蒸壓力的升高, 閃蒸汽化率迅速下降。因此, 在閃蒸、多級(jí)閃蒸海水淡化機(jī)組運(yùn)行中,負(fù)壓的建立與維持是保證海水淡化順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

圖4 閃蒸壓力與給水溫度對(duì)汽化率的影響Fig. 4 The influences of flash evaporation pressure and feed salt solution temperature to the flash evaporation rate

2.2 NaCl溶液閃蒸熱效率特性分析

提高閃蒸器入口海水溫度可提高閃蒸汽化率,從而提高了閃蒸的熱效率。開式海洋溫差發(fā)電的熱源為海洋表面的熱海水, 溫度約 30℃, 其閃蒸汽化率為 0.12%, 熱效率為 2.5%, 當(dāng)將入口水溫提高至70℃時(shí), 熱效率升高至61.06%, 圖5為4kPa閃蒸壓力下各質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的閃蒸熱效率。分析圖可見, 隨著給鹽液溫度的升高, 熱效率升高明顯, 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液閃蒸熱效率較高, 超過 60℃, 各質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的閃蒸熱效率趨于相同。因此, 提高閃蒸器進(jìn)口海水溫度以擴(kuò)大溫差是海洋溫差發(fā)電能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與給鹽液溫度對(duì)熱效率的影響Fig. 5 The influences of mass fraction and feed salt solution temperature to the thermal efficiency

圖6給出了50～90 ℃, 7%NaCl 溶液在1～30 kPa閃蒸壓力下的熱效率。分析圖可見, 隨著閃蒸壓力的升高, 閃蒸熱效率迅速下降, 在相同的閃蒸壓力下提高給水溫度, 閃蒸熱效率有明顯的提高。開式海洋溫差發(fā)電機(jī)組的蒸汽壓力越低, 則設(shè)備越龐大, 造價(jià)越高昂, 降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可行性, 所以存在最佳壓力, 一般取4 kPa為開式海洋溫差發(fā)電的運(yùn)行壓力。

圖6 閃蒸壓力與給鹽液溫度對(duì)熱效率的影響Fig. 6 The influences of flash evaporation pressure and feed salt solution temperature to the thermal efficiency

2.3 NaCl溶液閃蒸系統(tǒng)熱損失分析

由圖3和圖5可知, NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高對(duì)閃蒸效率存在不良影響。圖7比較了4 kPa壓力下1kg水與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) NaCl溶液經(jīng)閃蒸得到的蒸汽焓。

圖7 閃蒸蒸汽焓Fig. 7 The enthalpy of flash evaporation steam

閃蒸熱損失Qlose定義為 1kg水與鹽溶液在相同的入口溫度與閃蒸壓力下得到的閃蒸蒸汽焓值之差, kJ/kg:

hw、hs為相同入口溫度水與NaCl溶液的比焓,xw、xs為同工況下水與NaCl溶液的閃蒸汽化率。

圖8給出了4 kPa壓力下不同入口溫度不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的閃蒸熱損失。分析圖可見, 相同給鹽液溫度下, 熱損失隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大;相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液閃蒸熱損失隨給水溫度升高而增大。

圖8 熱損失Fig. 8 The thermal loss

3 結(jié)論

通過對(duì)NaCl溶液閃蒸效率特性計(jì)算與研究, 可以得到以下結(jié)論:

(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給鹽液溫度與閃蒸壓力是閃蒸汽化率的決定因素。保持較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù), 提高給鹽液溫度, 維持較低的閃蒸壓力可保證較高的鹽水閃蒸汽化率。

(2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給鹽液溫度與閃蒸壓力是閃蒸熱效率的決定因素。質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低, 給鹽液溫度越高,閃蒸壓力越低則閃蒸熱效率越高。

(3)閃蒸熱損失隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和給鹽液溫度的提高而增大。

[1] 王迅, 李赫, 谷琳. 海水溫差能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[J]. 海洋科學(xué), 2008, 32(11): 84-87.

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(本文編輯:康亦兼)

Numerical study on the characteristics of flash evaporation efficiency of NaCl solution

WANG Wei-shu, YAN Guang, LI Shuai-shuai
(North China Institute of water conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China)

Sep., 20, 2011

Ocean thermal energy; Desalination of seawater; Flash evaporation rate; Thermal efficiency

Flash evaporation technology is widely used in desalination of seawater and ocean thermal power generation. Mass fraction of solution, feed salt solution temperature and flash evaporation pressure have great influence on the flash evaporation rate and thermal efficiency. Within the range of salt mass fraction from 3.5% to 20%, feed salt solution temperature from 30℃ to 95℃, and flash evaporation pressure from 1 to 30 kPa, flash evaporation efficiency characteristics of flash evaporation rate and thermal efficiency were calculated and analyzed. The influences of salt mass fraction, feed salt solution temperature and flash evaporation pressure on the efficiency characteristics were discussed. The results showed that the flash evaporation rate and thermal efficiency were increased with the decrease of salt mass fraction. The flash evaporation rate and thermal efficiency were increased with the increase of feed salt solution temperature. However, the decrease of flash evaporation pressure can increase the flash evaporation rate and thermal efficiency. Salt mass fraction and thermal loss were increased with the increase of feed salt solution temperature.

P747+.11

A

1000-3096(2012)10-0068-05

2011-09-20;

2011-12-26

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAA05B03); 河南省高校骨干教師資助計(jì)劃(2009GGJS-062)

王為術(shù)(1972-), 男, 四川省萬縣人, 碩士生導(dǎo)師, 主要研究方向: 多相流傳熱, 熱工水力, 低質(zhì)熱發(fā)電, Email: wangweishu@ncwu.edu.cn