基于机械热泵的海水淡化零排放理论研究

李佳佳,韩东

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏省航空动力系统重点实验室，江苏 南京 210016)

基于机械热泵的海水淡化零排放理论研究

李佳佳,韩东

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏省航空动力系统重点实验室，江苏 南京 210016)

本文为解决海水淡化中存在的高能耗高污染问题，提出了基于机械热泵的海水淡化零排放的多级系统。采用夹点分析技术，热流图、分析等方法，优化改进系统。计算结果表明，二级海水淡化零排放系统中不同的一级海水出口浓度对系统损有较大影响，以一级海水出口浓度作为自变量，可拟合出有效的系统损函数。最终，根据拟合出的系统损函数可得出最具节能效果的一级海水出口浓度为10%，此时可实现系统损最小的海水淡化的零排放。所做工作为海水淡化的性能分析和优化提供了新的参考。

机械热泵；海水淡化；零排放；分析；节能

0 引言

海水淡化技术作为解决淡水资源严重匮乏的重要手段之一，近年来受到国内外学者的广泛关注[1]。倪晓理[2]等将核能应用在海水淡化系统中，将海水淡化、发电、供热三者有效的结合起来。该系统可节约大量的化石能源,具有安全、清洁等效果。但核能海水淡化系统的建立受条件所限还未普及。伍联营[3]等，设计了水电联产进行优化的模拟计算。郑宏飞[4]等设计的管式太阳能海水淡化装置，利用太阳能或是其它余热均可驱动。通过对装置进行定功率和定温度的性能分析和实验研究，优化后的系统产水率得到了较大的提高。但管式太阳能海水淡化系统只适用于淡水需求量较小的散户，对于大量的淡水短缺问题仍不能有效的解决。对现有的最常见的海水淡化系统研究分析发现，传统的海水淡化系统通常是将海水盐度浓缩至6%即直接排入大海，忽略了长此以往浓盐度的海水对周围海域的生态环境产生的较大影响。因此麻省理工大学的Gina[5]等提出的海水淡化零排放的概念，对节能和环保均具有重要意义。传统的机械蒸汽压缩(MVC：Machine Vapor Compress)热泵[3]海水淡化技术将饱和蒸汽压缩成过热蒸汽后利用其潜热加热浓海水，达到节能效果。机械热泵技术因其较强的节能效果及较强的适用性在诸多领域已得到非常广泛的应用[6-7]。本文中所采用机械压缩热泵理论设计的海水淡化零排放系统，在利用夹点技术[8]及T-Q图[9]分析优化后，过程中利用压缩机和热交换器实现对工质的潜热和显热的充分利用，最终达到无需外界热源，实现系统正常运行的效果。此外，在多级机械热泵系统中，各级处理的海水浓度不同，对整个系统的损也有较大影响，本文针对两级机械热泵系统，通过损计算，拟合出系统损与一级闪蒸海水出口浓度的关系函数，由此得出最具节能效果的两级系统中各级海水淡化的浓度分配。

1 基于机械热泵设计的海水淡化零排放系统模型

本文基于机械热泵理论设计了海水淡化的一级系统图和热流图如图1，二级系统如图2，海水经过预热器预热，与从闪蒸器中流出的高温高浓度的海水混合后经过加热器，混合海水经加热后进入闪蒸器，闪蒸出的蒸汽经过压缩机加压，将温度及压力提高，并在加热器中将蒸汽潜热传递给需加热的海水，蒸汽冷凝为液态淡水，进入集液器。闪蒸器内的另一产物是盐度较高的海水，经过料泵送入结晶器，结晶成盐，以达到零排放的效果。

二级系统与一级系统相比，区别在于海水在一级与二级闪蒸器内浓度不同，海水在一级闪蒸器中蒸出部分淡水，达到设定好的一级海水出口浓度，再送入二级闪蒸器中，经闪蒸后达到盐浓度为25%的浓海水再送入结晶器。

从系统热流图中可以看出，预热器中，初始海水与液化的淡水交换热量，利用其潜热。加热器中，海水与过热蒸汽换热，利用淡水蒸汽的潜热。系统所需热量由系统内提供，无需外界热源。

图1 一级机械热泵海水淡化系统

图2 二级机械热泵海水淡化系统

2 火用分析及结果分析

计算条件如下：

(1)环境温度：299.15 K，压力为1.01×105Pa，环境空气为饱和湿空气；

(2)选择计算的海水初始盐分质量浓度为3%，设计需要达到的结晶盐浓度为25%，进料质量流量为1 000 kg/h。

对于气体物流，本系统中温度不太高，压力不太低，可视为理想物流，根据理想气体的性质，气体物流的计算模型为[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——为所取环境温度。

对于溶液物流来说，由于液体基本不具有可压性，可作为不可压流体，因此有[13-14]

(2)

式中xi0——摩尔分数；

αi0——活度；

(3)

海水中含有盐分，其定压比热容与海水盐度和温度有关，具体采用下列公式计算[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。

本文针对一级海水淡化系统，为比较出口浓度对系统耗能的影响，选取了6%，8%，10%，15%，20%和25%六个海水出口盐度。系统损的比较如图3。

图3 一级海水淡化系统出口浓度与损关系曲线

E损=2E2-E1-2E3+E7+E10+E17+E19

(5)

式中 E2=E3，所以有式(6)

E损=-E1+(E7+E17+E19)+E10

(6)

又因为E7+E17+E19和E1为常数,令其分别为A和B,由此，系统损就只与E10相关。根据公式(2)可知其决定因素为状态10点(一级海水出口流向过料泵的点)的T，cp及m。海水随盐浓度变化沸点也会有所变化，具体表现为盐度越大，海水沸点升高。海水盐度与沸点的关系，通过实验测得，本文将数据拟合，得出三个拟合结果，如图4。

图4 海水盐度与海水沸点关系图

由图可见，在海水盐度3%～15%之间，第三条曲线接近真实值，在15%～25%之间，则第二条曲线更接近真实值。

因此在盐度为15%之前取第三条曲线关系式，15%以后取第二条曲线关系式，结果为

(7)

设定输入的海水质量流量为m0,当一级出口的海水盐浓度s10确定时，10点的质量流量也可通过计算得到即

(8)

将式(4)、式(7)、式(8)以及常数A和B分别带入式(3)，可得系统损与一级海水出口盐浓度的关系函数式(9)

(9)

图5 两级机械热泵海水淡化零排放系统损与一级闪蒸海水出口浓度的关系曲线

3 结论

本文基于机械热泵设计了一种机械热泵海水淡化系统。利用热流图和分析的方法对系统进行了优化分析，使系统在完全不需要外界热源的基础下完成海水淡化过程，拟合出两级机械热泵系统中一级海水出口浓度对整个系统损影响的关系函数，得出其关系曲线。结果显示，在一级出口海水浓度为10%时，系统损最小。目前，海水淡化技术还有待深入研究，影响系统损的其他因素也还存在，今后会继续努力加强相关技术的实验研究，为大规模以及更多级的海水淡化技术提供更有利的技术支持。

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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修订稿日期2014-06-17

江苏省产学研联合创新资金(BY2013003-07)

李佳佳(1988～)，女，硕士研究生,研究方向为制冷低温、机械热泵、海水淡化零排放。

TQ051.5

A

1002-6339 (2014) 06-0492-04