李佳佳,韓東

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，江蘇 南京 210016)

基于機械熱泵的海水淡化零排放理論研究

李佳佳,韓東

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，江蘇 南京 210016)

本文為解決海水淡化中存在的高能耗高污染問題，提出了基于機械熱泵的海水淡化零排放的多級系統(tǒng)。采用夾點分析技術(shù)，熱流圖、分析等方法，優(yōu)化改進系統(tǒng)。計算結(jié)果表明，二級海水淡化零排放系統(tǒng)中不同的一級海水出口濃度對系統(tǒng)損有較大影響，以一級海水出口濃度作為自變量，可擬合出有效的系統(tǒng)損函數(shù)。最終，根據(jù)擬合出的系統(tǒng)損函數(shù)可得出最具節(jié)能效果的一級海水出口濃度為10%，此時可實現(xiàn)系統(tǒng)損最小的海水淡化的零排放。所做工作為海水淡化的性能分析和優(yōu)化提供了新的參考。

機械熱泵；海水淡化；零排放；分析；節(jié)能

0 引言

海水淡化技術(shù)作為解決淡水資源嚴重匱乏的重要手段之一，近年來受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[1]。倪曉理[2]等將核能應用在海水淡化系統(tǒng)中，將海水淡化、發(fā)電、供熱三者有效的結(jié)合起來。該系統(tǒng)可節(jié)約大量的化石能源,具有安全、清潔等效果。但核能海水淡化系統(tǒng)的建立受條件所限還未普及。伍聯(lián)營[3]等，設(shè)計了水電聯(lián)產(chǎn)進行優(yōu)化的模擬計算。鄭宏飛[4]等設(shè)計的管式太陽能海水淡化裝置，利用太陽能或是其它余熱均可驅(qū)動。通過對裝置進行定功率和定溫度的性能分析和實驗研究，優(yōu)化后的系統(tǒng)產(chǎn)水率得到了較大的提高。但管式太陽能海水淡化系統(tǒng)只適用于淡水需求量較小的散戶，對于大量的淡水短缺問題仍不能有效的解決。對現(xiàn)有的最常見的海水淡化系統(tǒng)研究分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的海水淡化系統(tǒng)通常是將海水鹽度濃縮至6%即直接排入大海，忽略了長此以往濃鹽度的海水對周圍海域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的較大影響。因此麻省理工大學的Gina[5]等提出的海水淡化零排放的概念，對節(jié)能和環(huán)保均具有重要意義。傳統(tǒng)的機械蒸汽壓縮(MVC：Machine Vapor Compress)熱泵[3]海水淡化技術(shù)將飽和蒸汽壓縮成過熱蒸汽后利用其潛熱加熱濃海水，達到節(jié)能效果。機械熱泵技術(shù)因其較強的節(jié)能效果及較強的適用性在諸多領(lǐng)域已得到非常廣泛的應用[6-7]。本文中所采用機械壓縮熱泵理論設(shè)計的海水淡化零排放系統(tǒng)，在利用夾點技術(shù)[8]及T-Q圖[9]分析優(yōu)化后，過程中利用壓縮機和熱交換器實現(xiàn)對工質(zhì)的潛熱和顯熱的充分利用，最終達到無需外界熱源，實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行的效果。此外，在多級機械熱泵系統(tǒng)中，各級處理的海水濃度不同，對整個系統(tǒng)的損也有較大影響，本文針對兩級機械熱泵系統(tǒng)，通過損計算，擬合出系統(tǒng)損與一級閃蒸海水出口濃度的關(guān)系函數(shù)，由此得出最具節(jié)能效果的兩級系統(tǒng)中各級海水淡化的濃度分配。

1 基于機械熱泵設(shè)計的海水淡化零排放系統(tǒng)模型

本文基于機械熱泵理論設(shè)計了海水淡化的一級系統(tǒng)圖和熱流圖如圖1，二級系統(tǒng)如圖2，海水經(jīng)過預熱器預熱，與從閃蒸器中流出的高溫高濃度的海水混合后經(jīng)過加熱器，混合海水經(jīng)加熱后進入閃蒸器，閃蒸出的蒸汽經(jīng)過壓縮機加壓，將溫度及壓力提高，并在加熱器中將蒸汽潛熱傳遞給需加熱的海水，蒸汽冷凝為液態(tài)淡水，進入集液器。閃蒸器內(nèi)的另一產(chǎn)物是鹽度較高的海水，經(jīng)過料泵送入結(jié)晶器，結(jié)晶成鹽，以達到零排放的效果。

二級系統(tǒng)與一級系統(tǒng)相比，區(qū)別在于海水在一級與二級閃蒸器內(nèi)濃度不同，海水在一級閃蒸器中蒸出部分淡水，達到設(shè)定好的一級海水出口濃度，再送入二級閃蒸器中，經(jīng)閃蒸后達到鹽濃度為25%的濃海水再送入結(jié)晶器。

從系統(tǒng)熱流圖中可以看出，預熱器中，初始海水與液化的淡水交換熱量，利用其潛熱。加熱器中，海水與過熱蒸汽換熱，利用淡水蒸汽的潛熱。系統(tǒng)所需熱量由系統(tǒng)內(nèi)提供，無需外界熱源。

圖1 一級機械熱泵海水淡化系統(tǒng)

圖2 二級機械熱泵海水淡化系統(tǒng)

2 火用分析及結(jié)果分析

計算條件如下：

(1)環(huán)境溫度：299.15 K，壓力為1.01×105Pa，環(huán)境空氣為飽和濕空氣；

(2)選擇計算的海水初始鹽分質(zhì)量濃度為3%，設(shè)計需要達到的結(jié)晶鹽濃度為25%，進料質(zhì)量流量為1 000 kg/h。

對于氣體物流，本系統(tǒng)中溫度不太高，壓力不太低，可視為理想物流，根據(jù)理想氣體的性質(zhì)，氣體物流的計算模型為[12]

e=(h-h0)-T0·(s-s0)

(1)

式中e——物流值；

h——物流焓值；

s——物流熵值；

T0——為所取環(huán)境溫度。

對于溶液物流來說，由于液體基本不具有可壓性，可作為不可壓流體，因此有[13-14]

(2)

式中xi0——摩爾分數(shù)；

αi0——活度；

(3)

海水中含有鹽分，其定壓比熱容與海水鹽度和溫度有關(guān)，具體采用下列公式計算[15]

cp=(A+BT+CT2+DT3)×10-3

(4)

式中

A=4206.8-6×10-4s+1.8906×10-6s2；

B=-1.1262+5.4178×10-2s-2.2719×10-4s2;

C=1.2026×10-2-5.3566×107×10-6s-

4.4268×10-9s2；

D=6.8777×10-7+1.516197s+1.2288×10-2s2。

本文針對一級海水淡化系統(tǒng)，為比較出口濃度對系統(tǒng)耗能的影響，選取了6%，8%，10%，15%，20%和25%六個海水出口鹽度。系統(tǒng)損的比較如圖3。

圖3 一級海水淡化系統(tǒng)出口濃度與損關(guān)系曲線

E損=2E2-E1-2E3+E7+E10+E17+E19

(5)

式中 E2=E3，所以有式(6)

E損=-E1+(E7+E17+E19)+E10

(6)

又因為E7+E17+E19和E1為常數(shù),令其分別為A和B,由此，系統(tǒng)損就只與E10相關(guān)。根據(jù)公式(2)可知其決定因素為狀態(tài)10點(一級海水出口流向過料泵的點)的T，cp及m。海水隨鹽濃度變化沸點也會有所變化，具體表現(xiàn)為鹽度越大，海水沸點升高。海水鹽度與沸點的關(guān)系，通過實驗測得，本文將數(shù)據(jù)擬合，得出三個擬合結(jié)果，如圖4。

圖4 海水鹽度與海水沸點關(guān)系圖

由圖可見，在海水鹽度3%～15%之間，第三條曲線接近真實值，在15%～25%之間，則第二條曲線更接近真實值。

因此在鹽度為15%之前取第三條曲線關(guān)系式，15%以后取第二條曲線關(guān)系式，結(jié)果為

(7)

設(shè)定輸入的海水質(zhì)量流量為m0,當一級出口的海水鹽濃度s10確定時，10點的質(zhì)量流量也可通過計算得到即

(8)

將式(4)、式(7)、式(8)以及常數(shù)A和B分別帶入式(3)，可得系統(tǒng)損與一級海水出口鹽濃度的關(guān)系函數(shù)式(9)

(9)

圖5 兩級機械熱泵海水淡化零排放系統(tǒng)損與一級閃蒸海水出口濃度的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文基于機械熱泵設(shè)計了一種機械熱泵海水淡化系統(tǒng)。利用熱流圖和分析的方法對系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析，使系統(tǒng)在完全不需要外界熱源的基礎(chǔ)下完成海水淡化過程，擬合出兩級機械熱泵系統(tǒng)中一級海水出口濃度對整個系統(tǒng)損影響的關(guān)系函數(shù)，得出其關(guān)系曲線。結(jié)果顯示，在一級出口海水濃度為10%時，系統(tǒng)損最小。目前，海水淡化技術(shù)還有待深入研究，影響系統(tǒng)損的其他因素也還存在，今后會繼續(xù)努力加強相關(guān)技術(shù)的實驗研究，為大規(guī)模以及更多級的海水淡化技術(shù)提供更有利的技術(shù)支持。

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TheTheoreticalStudyonDesalinationofZero-emissionSystemBasedonMechanicalHeatPump

LIJia-jia,HANDong

(JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystems,CollegeofEnergy&PowerEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016,China)

In order to solve the problem of high energy consumption and high pollution in seawater desalination, we proposed the primary and the secondary systems of zero-emission desalination based on the mechanical heat pump. Pinch analysis technique, T-Q map and exergy analysis are used to optimized and improved the systems. The results show that different salt concentration outlet from the first flasher in the double desalination systems has a great influence on the exergy loss of the system. Take the salt concentration outlet from the first flasher as an independent variables S, and fitting an effective system function about exergy loss. Finally, we get the best S is 10%, which means that when the salt concentration outlet from the first flasher is 10%, the system could be realized minimum exergy loss of the zero-emission desalination. The work provides a new reference to desalination system performance analysis and optimization.

mechanical heat pump;desalination;zero-emission;exergy analysis；energy-saving

2014-04-02修訂稿日期2014-06-17

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金(BY2013003-07)

李佳佳(1988～)，女，碩士研究生,研究方向為制冷低溫、機械熱泵、海水淡化零排放。

TQ051.5

A

1002-6339 (2014) 06-0492-04