1、第 26 卷第 1 期青島大學(xué)學(xué)報( 工程技術(shù)版)V ol. 26 N o. 12 0 1 1 年 3月JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY ( E&T)M ar. 2 0 1 1文章編號: 10069798(2011) 01008105熱泵驅(qū)動的兩效海水淡化裝置實驗研究劉瑞璟, 田曉亮, 王兆俊, 杜啟行, 劉春濤( 青島大學(xué)機電工程學(xué)院, 山東青島 266071)摘要: 為解決特殊場合下維生所需海水淡化設(shè)備的小型化問題, 采用熱泵驅(qū)動的低溫多效蒸餾海水淡化法建造了兩效淡化裝置, 并進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明裝置具有自平衡能力, 裝置經(jīng)過預(yù)熱階段即進入穩(wěn)定的淡水生產(chǎn)階

2、段, 海水噴淋量、真空度和熱泵工況對淡水產(chǎn)量均有影響。研究結(jié)果表明, 熱泵驅(qū)動的低溫蒸餾淡化方法可行, 為該類海水淡化方法更多效實驗裝置的建造提供依據(jù)。關(guān)鍵詞: 海水淡化; 熱泵; 低溫多效蒸餾中圖分類號: P747文獻標(biāo)識碼: A到 2009 年, 全世界已有 150 個國家應(yīng)用海水淡化技術(shù), 數(shù)億人飲用或使用淡化水, 淡化水以年增長率10% 12% 的速度增加 1 。但以上數(shù)據(jù)主要指大型的海水淡化裝置的建造規(guī)模, 對于某些特殊場合, 如海島、艦船或海上鉆井平臺等, 需要一種以維生為目的的小型海水淡化裝置, 因此海水淡化裝置小型化的要求被提上日程。小型淡化裝置的研制, 主要包括傳統(tǒng)海水淡化特

3、殊環(huán)境適應(yīng)技術(shù)、適宜環(huán)境特點的高效節(jié)能淡化技術(shù)及相關(guān)后處理技術(shù)研究, 形成不同功能、用途及能源匹配方式的海水淡化裝備, 形成小型海水淡化系列化產(chǎn)品, 滿足海島、艦船及海上石油平臺等對淡水資源的需求 2 。而在艦船上配套的小型海水淡化裝置,以低溫蒸餾為原理的將占多數(shù) 3 。熱泵技術(shù)能夠滿足低溫蒸餾這種既需要加熱, 又需要制冷的海水淡化工況要求。該技術(shù)屬高效、節(jié)能技術(shù), 它在海水淡化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 4 。由于未知熱泵驅(qū)動的低溫多效蒸餾海水淡化方法在實踐中可能出現(xiàn)的問題, 本研究建造了小型實驗裝置以進行實驗研究。1熱泵驅(qū)動的多效蒸餾淡化系統(tǒng)的提出每種海水淡化方法既有其顯著的優(yōu)點又有顯著的缺點

4、, 相關(guān)淡化法的組合既可以消除各自的缺點又可以保留各自的優(yōu)點 5 。低溫多效蒸餾淡化法利用外部熱能實現(xiàn)其高效的海水淡化, 存在預(yù)處理簡單, 結(jié)垢腐蝕輕微, 熱效率高等優(yōu)點, 但其缺點也無法克服 6 :1) 因其需要蒸汽, 必須與電廠聯(lián)合運行, 所以建廠地址受到限制。2) 末效蒸汽需要用大量的循環(huán)海水來冷卻, 一方面循環(huán)水泵消耗大量電力, 另一方面排出的海水帶走大量的熱量造成浪費。3) 末效蒸汽能量由高品位蒸汽轉(zhuǎn)化為低品位海水熱能, 可用能白白浪費, 產(chǎn)生了較大的不可逆損失。壓汽蒸餾因能回收利用最末效蒸汽, 被稱為熱功效率最高的熱法海水淡化。此方法最大的優(yōu)點是依靠電能即可造水。但因為低壓水蒸汽的

5、密度很小而比容很大, 對壓縮機的設(shè)計與技術(shù)問題提出了問題, 因此裝置規(guī)模小, 效數(shù)少, 使造水比低, 能耗相對較高。作者所在的能源工程研究所提出將熱泵技術(shù)應(yīng)用于低溫多效海水淡化的方案, 即利用封閉式熱泵循環(huán)提供能量的低溫多效海水淡化系統(tǒng) 7 , 系統(tǒng)原理如圖 1 所示。收稿日期: 2010-12-06作者簡介: 劉瑞璟( 1980-) , 男, 碩士研究生, 實驗師, 主要研究方向為高效節(jié)能等。通訊作者: 田曉亮( 1963-) , 男, 教授, 博士, 從事高效節(jié)能技術(shù)方面的研究。Em ail: txl6666 163. com82青島大學(xué)學(xué)報( 工程技術(shù)版)第 26 卷1海水供給泵; 2熱

6、泵系統(tǒng)壓縮機; 3 真空泵; 4 循環(huán)鹽水泵; 5 第 1 效蒸發(fā)室; 6 第 2 效蒸發(fā)室;7 冷凝器; 8 蒸發(fā)室鹽水罐; 9 淡水水泵; 10 蒸發(fā)室淡水罐; 11 濃鹽水泵; 12 淡水、濃鹽水、補充海水換熱器;13 系統(tǒng)啟動過程蒸發(fā)器; 14 熱泵系統(tǒng)儲液罐; 15 熱泵系統(tǒng)干燥過濾器; 16 熱泵系統(tǒng)節(jié)流閥; 17 系統(tǒng)啟動海水泵圖 1 利用熱泵循環(huán)的節(jié)能海水淡化系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)運行原理為: 將熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器作為低溫多效海水淡化系統(tǒng)的冷凝器, 吸收從末效蒸發(fā)器來的低壓蒸汽的熱量, 將其冷凝為淡水, 同時回收其熱能; 熱泵的冷凝器放置在海水淡化系統(tǒng)的第 1 效蒸發(fā)器中作為熱源, 將

7、較高溫度的熱能提供給低壓海水, 使第 1 效蒸發(fā)器的循環(huán)海水汽化, 所產(chǎn)生的較高壓力的蒸汽又被輸送到第 2 效作為蒸發(fā)器的熱源, 在該效蒸發(fā)器中冷凝為淡水, 同時使該效的循環(huán)海水汽化, 產(chǎn)生了新的蒸汽, 被輸送到第 3 效作為第 3 效蒸發(fā)器的熱源。如此逐效相連, 直到低溫多效海水淡化系統(tǒng)的冷凝器,將熱量再次傳遞給熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器, 形成循環(huán), 使海水淡化過程一直進行下去。該系統(tǒng)利用熱泵回收多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)末效蒸汽的熱量 , 既可繼承壓汽蒸餾法可回收利用最末效蒸汽熱能的優(yōu)點 , 又可保留多效蒸餾法蒸汽熱量多次使用、實現(xiàn)效數(shù)多的特點 , 因而可實現(xiàn)節(jié)能的淡水生產(chǎn); 同時, 所選用熱泵壓縮機的

8、容量大小可決定海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水量和體積大小。2 兩效海水淡化實驗裝置的設(shè)計建造利用封閉式熱泵循環(huán)的低溫多效海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)點是: 選用不同型號的壓縮機, 即可設(shè)計不同淡水產(chǎn)量的裝置。由此選用 1 匹壓縮機建造了兩效裝置, 以期在最短時間內(nèi)以最小投資獲取建造淡化設(shè)備所需經(jīng)驗。具體方案如圖 2 所示。裝置工作流程: 熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器 2 放置在低溫多效海水淡化系統(tǒng)的冷凝室內(nèi), 吸收來自中間效 7 的低壓蒸汽的可用能, 并將蒸汽冷凝為淡水; 制冷劑獲得該熱量汽化后, 被吸入熱泵系統(tǒng)的壓縮機 4, 實現(xiàn)升壓增能后, 被送入熱泵系統(tǒng)的冷凝器 3 中, 將較高溫度的高品位熱能提供給低壓下的噴淋海水, 使

9、之汽化產(chǎn)生較高壓力的水蒸汽; 該水蒸汽被輸送到中間效 7, 作為中間效 7 的熱源, 在管內(nèi)冷凝為淡水, 同時管外的循環(huán)噴淋海水吸熱汽化, 產(chǎn)生二次蒸汽, 被輸送到低溫多效海水淡化系統(tǒng)的最末效中, 將熱量再次傳遞給熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器 2, 熱量形成循環(huán), 系統(tǒng)即可穩(wěn)定運行。各效排放的濃鹽水和產(chǎn)品淡水分別依次通過多股流換熱器 11 和 12, 將熱量傳遞給補充海水以實現(xiàn)能量的逐級回收, 同時避免了熵增損失。在各效鹽水循環(huán)罐91 節(jié)流閥; 2 熱泵蒸發(fā)器; 3 熱泵冷凝器;4 壓縮機; 5 真空泵; 6 真空表; 7 中間效;8 鹽水循環(huán)泵; 9 鹽水罐; 10 淡水罐;11 套管式多股流換熱器;

10、12 套管式多股流換熱器; 13 海水箱; 14 濃鹽水箱; 15 淡水箱圖 2 熱泵驅(qū)動的兩效低溫蒸餾海水淡化實驗裝置結(jié)構(gòu)圖第 1 期劉瑞璟, 等: 熱泵驅(qū)動的兩效海水淡化裝置實驗研究83和淡水罐 10 上設(shè)置了排氣管與各效主桶體相連, 避免了氣堵現(xiàn)象又回收了閃蒸汽。熱泵系統(tǒng)的冷凝器為水平放置的紫銅管所制, 蒸發(fā)器為螺旋狀紫銅管所制。中間效采用薄壁不銹鋼管制作, 管排呈轉(zhuǎn)角三角形排列。內(nèi)部構(gòu)造如圖 3 所示。圖 3 中, 管排水平放置于圓柱形筒體內(nèi), 筒體上部設(shè)置噴嘴對管排外部噴淋海水, 管內(nèi)水蒸汽凝結(jié)為淡水后在圖中下方的淡水槽內(nèi)聚集, 并流出至筒體外即淡化水。3實驗數(shù)據(jù)分析3. 1淡水產(chǎn)量

11、隨時間的變化規(guī)律實驗裝置搭建后, 圖 2 中 3, 8, 9 和 7, 8, 9 分別構(gòu)成兩組噴淋系統(tǒng)。對海水圖 3中間效內(nèi)部構(gòu)造噴淋流量分別為 100, 230, 260, 290, 320 L/ h 的 5 種工況進行實驗研究, 其中, 瞬時產(chǎn)水量隨運行時間的變化規(guī)律如圖 4 所示。因熱惰性, 起始 1 h 內(nèi)無淡水產(chǎn)生, 這段時間為裝置預(yù)熱時間。裝置經(jīng)過啟動過程后, 除 100 L/ h 工況外其他工況下產(chǎn)水量均呈線性增長, 產(chǎn)水穩(wěn)定; 同一工況下, 相同時間段里淡水產(chǎn)量相同, 總產(chǎn)量隨時間逐漸增大。由此可知, 噴淋量對產(chǎn)水量有較大影響。3. 2淡水產(chǎn)量隨海水噴淋流量的變化規(guī)律在上述 5

12、種工況的實驗中, 平均產(chǎn)水量隨噴淋流量的變圖 4淡水產(chǎn)量與運行時間的關(guān)系化規(guī)律如圖 5所示。平均產(chǎn)水量即總產(chǎn)水量與運行時間的比值。流量為 100 L/ h 時淡水產(chǎn)量最小, 流量為 260 L/ h 時淡水產(chǎn)量最大。由此可知, 隨噴淋流量的增加淡水產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。因為流量增加導(dǎo)致噴淋密度增大, 管外液體的流動加速,液膜波動加劇, 液膜底層減薄, 熱阻減少, 所以對流換熱得到增強; 噴淋密度繼續(xù)增大, 管外的液膜增厚, 使熱阻增大, 反而不利于對流換熱。在噴淋密度較小時, 隨著噴淋密度的增大,管外液體流速增大的強化作用大于液膜增厚的不利傳熱的阻礙作用, 使傳熱系數(shù)增大從而淡水量增大。

13、當(dāng)液體噴淋密度 圖 5 淡水產(chǎn)量與噴淋流量的關(guān)系達(dá)到一定值后, 膜厚的阻礙作用占主導(dǎo)地位, 總傳熱系數(shù)將隨著噴淋密度的增大而減小, 因而淡水產(chǎn)量也隨之減少 8 。所以海水噴淋流量為 100 L/ h 時, 系統(tǒng)產(chǎn)水不穩(wěn)且產(chǎn)量較低。3. 3海水噴淋流量對熱泵工況的影響在上述 5 種工況的實驗中, 熱泵蒸發(fā)壓力與冷凝壓力隨噴淋流量的變化規(guī)律分別如圖 6 和圖 7 所示。圖 6熱泵蒸發(fā)壓力與流量的關(guān)系圖 7 熱泵冷凝壓力與流量的關(guān)系84青島大學(xué)學(xué)報( 工程技術(shù)版)第 26 卷由圖 6 可知, 熱泵蒸發(fā)壓力不隨噴淋流量的變化而變化, 說明蒸發(fā)器中水蒸汽的冷凝效果穩(wěn)定。由圖 7 可知, 系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)定工況后

14、, 流量 100 L/ h 時高壓側(cè)壓力為 2 1 M Pa, 而流量為 230, 260, 290, 320 L/ h 時高壓側(cè)壓力均為 1 8 MPa 左右。這是因為在流量為 230, 260, 290, 320L/ h 時, 換熱系數(shù)基本相同, 帶走的熱量也相同, 所以冷凝壓力相同。而在流量 100 L/ h 時, 噴淋密度過低使換熱系數(shù)小, 帶走熱量較少, 所以冷凝壓力較高。3. 4真空度與熱泵冷凝壓力的對應(yīng)關(guān)系將所有實驗記錄點繪制在真空度與熱泵冷凝壓力關(guān)系圖中( 見圖 8 所示) , 以考察兩者變化規(guī)律。由圖 8 可知, 熱泵冷凝壓力隨真空度的降低而升高。這是因為真空度的降低即蒸發(fā)室

15、殼側(cè)壓力升高導(dǎo)致水蒸汽相變溫度升高, 熱泵冷凝溫度和冷凝壓力隨之升高。所以真空度對熱泵系統(tǒng)的高效平穩(wěn)運行有較大影響。3. 5 熱泵系統(tǒng)熱力膨脹閥開度與淡水產(chǎn)量的關(guān)系膨脹閥由僅開 2 圈改為全開后關(guān) 1 圈, 噴淋流量 260 L/ h,圖 8熱泵冷凝壓力與真空度的關(guān)系圖單效產(chǎn)量提高至 5 88 kg/ h; 膨脹閥全開后關(guān) 3 圈, 噴淋流量260 L/ h, 單效產(chǎn)量提高至 7 38 kg/ h。說明熱泵系統(tǒng)工況對淡水產(chǎn)量有較大影響。4 結(jié)論由以上數(shù)據(jù)分析, 可得出如下結(jié)論。1) 經(jīng)過約 1 h 的預(yù)熱階段, 裝置即進入穩(wěn)定的淡水生產(chǎn)階段, 系統(tǒng)具有自平衡能力。2) 熱泵工況和噴淋海水流量對

16、淡水產(chǎn)量有較大影響, 存在最佳流量使產(chǎn)水量最大。3) 熱泵冷凝壓力隨噴淋流量降低而升高, 隨真空度降低而升高。熱泵驅(qū)動的低溫多效蒸餾淡化法在技術(shù)上可行, 在兩效裝置實驗中發(fā)現(xiàn)的問題與所得經(jīng)驗為更多效實驗裝置的設(shè)計和參數(shù)設(shè)定提供了依據(jù)。參考文獻: 1王世昌. 海水淡化及其對經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的作用 J . 化學(xué)工業(yè)與工程, 2010, 27( 2) : 95- 102. 2M aidment G G, Eames I W , P salt. Potential A pplication of a F lash- T y pe Ba rometr ic Desalination Plant P ow e

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