李　敏，袁觀樑，莊　浩，謝希銳，張耿彬

( 1.廣東海洋大學 工程學院，廣東 湛江 524088；2.東莞市體育中心，廣東 東莞 523001 )

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小型吸收式太陽能熱泵海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計

李敏1，袁觀樑2，莊浩1，謝希銳1，張耿彬1

( 1.廣東海洋大學 工程學院，廣東 湛江 524088；2.東莞市體育中心，廣東 東莞 523001 )

為了有效利用太陽能解決船舶產(chǎn)淡水的高能耗問題，本文將通過利用吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢，結(jié)合真空閃蒸的制淡原理，設(shè)計了小型船用吸收式太陽能熱泵海水淡化裝置，以實現(xiàn)低溫低能耗制取船用淡水。系統(tǒng)中利用太陽能集熱器提供熱量作為吸收式制冷機的補償能，并利用吸收器和冷凝器的放熱量及余熱回收加熱海水，利用制冷蒸發(fā)器結(jié)合真空泵提供高真空，海水經(jīng)加熱后通過噴嘴噴入真空罐后閃蒸，蒸汽經(jīng)蒸發(fā)器冷凝，從而實現(xiàn)海水制淡。如果在船只靠岸不需要制淡時，裝置還可以當真空冷卻裝置使用或者生活熱水器使用，實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換。通過對一定容量的海水淡化系統(tǒng)裝置重要設(shè)備的匹配計算及設(shè)備選型計算，可為同類設(shè)備的設(shè)計與選型提供參考。

溴化鋰吸收式制冷，太陽能集熱器，熱泵，海水淡化

引言

海水淡化是將海水中的鹽分和雜質(zhì)除去后達到可以飲用和生活用水、工業(yè)用水標準的一個過程[1]。蒸餾法制取淡水[2]是將海水加熱后使之蒸發(fā)汽化,利用鹽幾乎不溶于低壓蒸汽這一性質(zhì),將鹽和水分離,然后將產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝成水,形成符合生活及工業(yè)應(yīng)用的不含鹽分或含鹽分極少的淡水。到目前為止,蒸餾法制取海水仍然是船舶海水淡化最主要的技術(shù)[3]。低溫海水蒸發(fā)是指海水在第一效的最高蒸發(fā)溫度(鹽水頂溫)不高于70℃,由此,蒸發(fā)表面鹽類結(jié)晶的速率將大為降低,顯著減少海水結(jié)垢量,從而解決多效海水蒸發(fā)時易結(jié)垢之難題[4]。

圖1　太陽能吸收式熱泵海水淡化裝置原理示意圖1-真空管太陽能集熱器　2-輔助電加熱器　3-發(fā)生器　4-冷凝器　5-液-液換熱器　6-制冷劑貯液器　7-制冷系統(tǒng)節(jié)流閥　8-吸收器　9-蒸發(fā)器　10-保溫真空罐　11-保溫隔板　12-閃蒸噴嘴　13-熱水盤管換熱器　14-濃海水排水泵　15-淡水出水泵　16-淡水柜　17-真空泵　18-海水進水泵　19-濃溶液貯液器　20-稀溶液貯液器　21-稀溶液泵　22-熱水循環(huán)泵　23-熱水循環(huán)水箱　24-供水循環(huán)水泵　25-真空調(diào)節(jié)閥　26-閃蒸溫度調(diào)節(jié)換熱器

真空系統(tǒng)是為了降低海水的沸點而保證低溫蒸發(fā)，采用低溫法不易結(jié)垢，采用蒸餾法裝置小型實用。目前海水淡化裝置及其相關(guān)的專利產(chǎn)品很多，人們研究也很熱烈，將不同的技術(shù)結(jié)合海水淡化工藝的技術(shù)特點，有真空蒸餾海水淡化裝置[5]，熱泵海水淡化裝置[6]，低溫海水淡化裝置，多級閃蒸海水淡化裝置[7]，低溫多效海水淡化裝置[8]及溴化鋰吸收式海水淡化裝置[9]，太陽能多效海水淡化裝置，真空冷卻系統(tǒng)與海水淡化結(jié)合起來的裝置等，但可以將真空冷卻系統(tǒng)，吸收式熱泵加熱功能及獨立太陽能供能系統(tǒng)聯(lián)合起來進行海水淡化的裝置還沒發(fā)現(xiàn)。本設(shè)計是利用真空冷卻的原理提供高真空，通過利用吸收式熱泵余熱加熱海水到閃蒸溫度，利用太陽能結(jié)合輔助加熱器來驅(qū)動吸收式熱泵系統(tǒng)，實現(xiàn)閃蒸和蒸餾共存的方式實現(xiàn)海水淡化的一種改進型海水淡化裝置。此太陽能吸收式熱泵海水淡化系統(tǒng)可實現(xiàn)多種技術(shù)的融合，達到節(jié)能減排，經(jīng)濟實用的多重效果。

1　設(shè)計原理和設(shè)計方案的簡介

利用太陽能驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng)工作，以實現(xiàn)低真空并為海水沸騰汽化提供能量，達到低成本運行的目的。本設(shè)計的吸收式太陽能熱泵海水淡化系統(tǒng)由四部分組成：太陽能集熱系統(tǒng)、吸收式熱泵海水淡化系統(tǒng)、輔助電熱水器及自控系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

太陽能集熱系統(tǒng)是由真空管式太陽能集熱器、熱水箱、換熱器及必要的循環(huán)水泵及閥門組成；溴化鋰吸收式熱泵海水淡化系統(tǒng)是由發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、換熱器、稀溶液儲罐、濃溶液儲罐、制冷劑儲罐、雙開式真空罐及必要的循環(huán)水泵、真空泵和閥門組成；輔助電熱水器主要是避免集熱器供熱不足，自控系統(tǒng)對系統(tǒng)的溫度、真空度及運行條件進行適時控制調(diào)整，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作。

如圖1所示，系統(tǒng)有幾種不同的運行模式。

白天陽光充足時，輔助電加熱器不工作，高效真空太陽能集熱器收集太陽輻射能產(chǎn)生熱水并儲存于熱水循環(huán)水箱中，當熱水出口溫度達到溴化鋰吸收式熱泵機啟動所需的最低溫度時，稀溶液泵將稀溶液儲罐中的稀溶液經(jīng)液-液換熱器輸送至發(fā)生器中，溴化鋰溶液經(jīng)真空管太陽能集熱器出口熱水的加熱后產(chǎn)生水蒸氣并在冷凝器內(nèi)冷凝，冷凝水進入制冷劑貯液器中。與此同時，發(fā)生水蒸氣后的溴化鋰濃溶液則經(jīng)液-液熱交換器換熱并輸送至濃溶液貯液器，經(jīng)溶液節(jié)流閥后回到吸收器中。同時，制冷劑貯液器中的制冷劑經(jīng)主節(jié)流閥節(jié)流進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)后也流入吸收器內(nèi)，被來自濃溶液貯液器的濃溶液吸收形成稀溶液進入稀溶液貯液器，完成溶液工作循環(huán)。此時，吸收式熱泵系統(tǒng)所需的驅(qū)動熱全部來自真空管太陽能集熱器，海水淡化裝置所需的熱量來自集熱器產(chǎn)生的熱海水經(jīng)閃蒸溫度調(diào)節(jié)換熱器和熱水盤管換熱器、吸收器的吸收熱和冷凝器的冷凝熱的加熱。海水由海水進水泵引入經(jīng)吸收器和冷凝器加熱后，再經(jīng)閃蒸溫度調(diào)節(jié)換熱器進一步加熱后，由噴嘴噴入真空罐右側(cè)罐體，海水閃蒸，并在盤管換熱器的供熱下繼續(xù)蒸發(fā)，濃海水從真空罐罐體右側(cè)經(jīng)濃海水排水泵排出。蒸汽通過真空罐中間隔板上部通道進入左側(cè)罐體，經(jīng)左側(cè)罐體內(nèi)蒸發(fā)器的盤管冷凝為淡水后經(jīng)淡水泵泵入淡水柜。真空罐內(nèi)的真空度由真空度調(diào)節(jié)閥和真空泵進行調(diào)節(jié)，完成海水淡化過程。

白天陽光不充足時，若真空管太陽能集熱器的熱水出口溫度達不到吸收式熱泵啟動所需的最低溫度，則需開啟輔助電加熱器輔助加熱，使熱水溫度達到系統(tǒng)運行要求。夜間，可采用少量蓄能供熱，同時啟動輔助電加熱器，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)工作。當不需要海水制淡時，經(jīng)真空管太陽能集熱器加熱的熱水蓄存在熱水循環(huán)水箱中，可用于供應(yīng)生活熱水，整個裝置還可以啟動作為真空預(yù)冷裝置使用，來冷卻食品。

2　實例設(shè)計過程及簡介

2.1以一定容量的制淡水容量為設(shè)計條件來進行主要設(shè)備的匹配計算

淡水生產(chǎn)量：10 t/d

蒸汽閃蒸溫度：35～40℃

2.2溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的設(shè)計

(1)設(shè)計條件及相關(guān)參數(shù)的選定見表1所示。

表1　設(shè)計條件及相關(guān)設(shè)計參數(shù)的選定表

(2)制冷量及蒸發(fā)器的計算及設(shè)計

淡水生產(chǎn)量qf：10T/d，若取太陽能集熱器的有效工作時間為8h，則制淡量為1.25T/h=1250 kg/h。

海水含鹽濃度：3.5%，制淡后排出的濃海水濃度為5.2%，那么100kg這種含鹽濃度的海水，可產(chǎn)32kg淡水，所以參與閃蒸的海水量qc為：

理論制冷量：

=838.61kW

冷量損失：Ql=5%Q0=41.93kW

實際制冷量(蒸發(fā)器熱負荷)：

QE=Q0+Ql=880.54kW

按此負荷匹配蒸發(fā)器的面積，蒸發(fā)器的型式可采用盤管式，可參照文獻[6]的結(jié)構(gòu)及設(shè)計。

(3)吸收式系統(tǒng)其他主要設(shè)備的計算及選型設(shè)計：

表2　吸收式熱泵機組循環(huán)參數(shù)值

① 制冷機中冷劑水流量

q0=h1′-h3=2924.48-146.63=2777.85kJ/kg

② 冷凝器熱負荷

Qc=qmd(h3′-h3)

=0.32×(2640.57-146.63)=798.06kW

③ 吸收器熱負荷

QA=qmd[(α-1)h8+h1′×αh2]

=0.32×[(17.14-1)×293.86+2924.48

-17.14×265.81]=995.32kW

④ 發(fā)生器熱負荷

QG=qmd[(α-1)h4+h3′-ah7]

= 0.32×[(17.14-1)×351.62+2640.57

-17.14×319.20] = 910.28kW

⑤ 溶液熱交換器熱負荷

Qex=qmd[(α-1)(h4-h8)]

=0.32×[(17.14-1)×(351.62

-293.86)]=298.32kW

吸收式熱泵機熱泵循環(huán)的熱平衡方程：

QG+QE=QC+QA

經(jīng)核驗，上式誤差：

將上述計算出設(shè)備熱負荷匯總?cè)绫?所示。

表3　設(shè)備熱負荷

經(jīng)過相應(yīng)的傳熱計算，各換熱器的面積分析如表4所示。

(4)太陽能集熱器設(shè)計計算

按照發(fā)生器所需驅(qū)動負荷的要求和熱泵驅(qū)動的溫度條件，選擇相應(yīng)的太陽能集熱裝置如表5所示。

表4　所需換熱器的換熱面積

表5　太陽能吸收式熱泵系統(tǒng)集熱器選取

本系統(tǒng)采用真空管集熱器，集熱器集熱器采光面積為：

本系統(tǒng)其他設(shè)備：真空系統(tǒng)設(shè)備，盤管換熱器，輔助加熱器及管道和閥門的設(shè)計計算和選擇可參考文獻[6]。

3　結(jié)束語

本系統(tǒng)首次將太陽能集熱系統(tǒng)、吸收式熱泵系統(tǒng)及真空系統(tǒng)進行有機集成，應(yīng)用于海水淡化；利用太陽能驅(qū)動吸收式熱泵裝置及提供海水加熱熱量，節(jié)約能源，吸收式熱泵冷凝器放熱為海水閃蒸提供能量，蒸發(fā)器一方面將蒸氣冷凝，另一方面結(jié)合真空泵提供高真空，裝置可真正實現(xiàn)低能耗真空閃蒸無結(jié)垢海水淡化。

[1] 鄔曉齡，黃肖容，鄧堯.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].當代化工，2012，41(9)：964-966，1002

[2] 宮兵,張永生,趙成綱,船舶余熱用于海水淡化[J].石油化工設(shè)備,2009,38(1):50-52

[3] 高玉紅，丁忠偉，劉麗英.直接接觸式膜蒸餾活化能的研究[J].北京化工大學學報(自然科學版),2016,43(2):1-5

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Design of the Small Absorption-type Solar Energy Heat Pump Seawater Desalination System

LI Min1,YUAN Guanliang2,ZHuang hao1，XIE Xirui1,ZHANG Gengbin1

(1.Engineering College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088；2.Dongguan Sports Centre,Dongguan 523000，Guangdong,China )

In order to effectively utilize solar energy to solve the high energy consumption of freshwater ship production problems,this paper will make use of the advantages of solar absorption heat pump system,combined with the principle of vacuum flash Evaporated system,design solar heat absorption of small marine desalination unit.System using solar collectors provide as compensation for heat absorption chillers,and take advantage of the heat releasing from absorber and condenser.using a cooling evaporator combination with vacuum pump offers high vacuum.After heating the sea water is injected into the vacuum flash tank through a nozzle,flashed steam through the evaporator condensate and achieve the seawater desalination.If the system does not require to dock desalination,the device also can be vacuum cooling device or life water heater,and achieve functional conversion.By a certain volume of seawater desalination system matching calculation and equipment selection,these can provide reference for the design and selection of similar equipment.

LiBr absorption-type refrigerator；Solar collectors；Heat pumps；Desalination

2016-5-16

廣東省教育廳項目(2014KTSCX076),廣東省創(chuàng)新訓練項目(CXXL2015116)

李敏(1967-)，女，碩士，副教授，從事制冷及貯藏工程與相關(guān)工藝的開發(fā)研究。Email：limin2080@163.com

ISSN1005-9180(2016)03-065-05

TB61+6；TQ051.5 文獻標示碼：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.012