热泵辅助的露点蒸发海水淡化装置初步研究

王宇辰,江 斌

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

面对当前淡水资源匮乏的问题,海水淡化无疑是一个较好的解决方法。目前应用最广泛的方法主要是热法和膜法,热法主要有多级闪蒸法和多效蒸馏法,膜法主要是反渗透法[1-2]。多效蒸馏法是最古老的淡化方法之一,但因为蒸发过程一般在受热面上或其附近发生,所以在淡化过程中会有结垢和腐蚀的问题[3]。多级闪蒸法是目前技术最成熟、淡水产量最多的淡化方法,该方法克服了多效蒸馏法易结垢、腐蚀的缺点,运行安全性高、弹性大,适用于大型和超大型淡化装置,但多与火力发电站联合运行[4]。反渗透法则是近20年来迅速发展起来的淡化方法,目前反渗透膜与组件的生产已相当成熟,全世界海水淡化装置中,反渗透法所占比例高达67.5%[5],然而虽然投资费用在稳定下降,但降低成本依旧是要解决的问题。

上述淡化方法淡水产量可观,但产水成本都与工厂规模密切相关,适合集中供水,而对于小规模地利用低位热源并不方便,且对于淡水需求相对分散的地区并不合适。在这种情况下，露点蒸发淡化技术逐渐受到人们的关注。露点蒸发淡化技术是一种基于载气増湿-去湿淡化原理的海水淡化方法,其优点主要在于其将蒸发侧与冷凝侧结合在一起,使冷凝过程中产生的冷凝潜热可以被高效地回收利用[6]。然而正是由于2种过程的耦合,使得换热过程较为复杂,如何通过优化方案来提高淡化过程的效率,则是露点蒸发淡化技术发展过程中需要着重研究的部分。

一些研究发现,在淡化过程中,海水进口温度和流量均会影响系统的淡水产量,而且设计二级淡化系统,可以对海水进行预热的同时,回收载气中未冷凝的淡水[7]。然而普通二级淡化系统对载气的冷凝效果有限,对海水的预热也无法达到主体装置的进口温度,需额外的热量进行加热。而热泵系统由于工作特性,可以消耗较少的能量来产生较多的热量,这符合二级淡化系统的要求[8]。但关于热泵辅助的露点蒸发淡化系统性能的相关研究较少,因此本文在建立淡化过程数学模型的基础上,通过改变海水流量和温度来探究系统性能的变化,并对普通海水淡化系统和热泵辅助的海水淡化系统性能进行对比和讨论。

1 工作原理

露点蒸发海水淡化系统示意图如图1所示。主体淡化柱以立式管壳式换热器为基础,管内为蒸发侧,海水在管内沿管壁呈膜状流下,载气在管内和海水进行逆流传热传质;管外为冷凝侧,载气在冷凝侧内进行冷凝去湿。

图1 淡化系统示意图

由载气流程来看,载气由a处被风机鼓入主体淡化柱底部进入蒸发侧,在蒸发侧经过加热増湿到达b处离开淡化柱,然后在加热器中略微加热増湿后,由c处回到淡化柱顶部进入冷凝侧,在冷凝侧内载气逐渐冷凝去湿,产生淡水,淡水由淡化柱底部离开,进入d处淡水槽,未被冷却完全的载气则由e处离开主体淡化柱,在之后的系统中进一步被冷却。

载气的进一步冷凝去湿分为Ⅰ和Ⅱ 2个方案。Ⅰ方案为普通二级淡化系统,载气由f处进入二级淡化装置预热海水并进一步冷凝去湿,冷凝出的淡水经g处进入淡水槽;Ⅱ方案以热泵系统代替二级淡化系统,载气由h处进入热泵系统,在蒸发器内辅助蒸发,温度下降,冷凝出淡水,淡水由i处进入淡水槽。

由海水流程来看,海水从海水槽由水泵压出。对于Ⅰ方案,海水由j处进入二级淡化装置,经过预热从k处离开进入加热器,在加热器内加热至指定温度后,由l处进入主体淡化柱;对于Ⅱ方案,海水由m处进入热泵系统的冷凝器,被加热至指定温度后,由l处进入主体淡化柱。热海水在主体淡化柱内蒸发出水分,温度逐渐下降,最后产生的浓盐水由主体淡化柱底部排出。

从淡化系统示意图可以看出,对于普通淡化系统,海水在二级淡化装置中进行预热后仍需再次加热,而且对于二级淡化装置中的换热,载气冷凝后的温度极限情况下也不会低于海水进口温度。而对于热泵系统,海水可以直接被加热至指定温度,载气的冷凝也不再受海水温度限制。因此本文尝试以热泵系统来代替普通的二级淡化系统,并对2种系统整体的性能参数进行模拟计算。

2 模型建立

2.1 主体淡化柱

假设淡化系统的典型条件为：海水进口流量250 kg/h、温度75 ℃；环境温度25 ℃；载气进口流量250 kg/h、温度35 ℃；载气进入冷凝侧前加热増湿温度提高2 ℃。淡化系统换热过程如图2所示。

图2 换热模型示意图

取淡化过程中一个微元段进行模型的建立。图2中:从左到右依次为蒸发侧增湿载气、蒸发侧海水、冷凝侧淡水和冷凝侧载气;Z为自下而上的方向;G为干载气流量;T为温度;D为含湿量,单位kg/kg干;H为焓值,单位kJ/kg;L为海水流量kg/h;F为淡水流量;Q为传热量;脚标e代表蒸发侧,w代表海水,d代表冷凝侧。

根据蒸发侧的传热平衡和传质平衡,可得:

d(GHe)=d(LCPTw)+dQ

(1)

dL=GdDe

(2)

同样,冷凝侧传热和传质平衡也可得到:

d(GHd)+d(FCPTd)=dQ+dQloss

(3)

dF=-GdDd

(4)

蒸发侧海水与载气的传热传质过程较为复杂,这里采用以湿度差为推动力进行传质[9],在海水与载气传热传质的临界面,其含湿量可看作当前海水温度下的饱和含湿量[10],因此可以得出:

GdDe=kH(Dw-De)dAH

(5)

其中:kH为传质系数,单位kg/(m2·s);AH为传质界面面积。

蒸发侧与冷凝侧之间的传热以及壳程与环境之间的传热,则以温度差为推动力,其换热过程为:

dQ=K(Td-Tw)dA

(6)

dQloss=Kloss(Td-Tet)dAloss

(7)

其中:K、A为蒸发侧与冷凝侧之间的总换热系数和换热面积;Tet为环境温度;Kloss、Aloss为壳程与环境之间的换热系数和换热面积。

(1)～(7)式经过推导与变换,以中间量代替部分项之后可整理为:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中

x1=Kn1(Td-Tw)；

x2=Klossn3(Td-Tet)；

y=kHn2(Dw-De)。

(8)～(12)式描述了主体淡化柱淡化过程传热传质过程,根据此模型运用四阶龙格-库塔法进行计算,可求出淡化过程中各点温度和流量。

2.2 普通的二级淡化系统

二级淡化装置也采用立式管壳式换热器,其中只有传热过程,没有传质过程,换热模型如下：

(13)

(14)

(15)

其中

(13)～(15)式中:下标g代表载气侧;w代表海水侧。

2.3 热泵二级淡化系统

由于本文主要关注系统产生的热量和冷量,对于热泵系统,这里只给出主要的系统参数和热泵系统的lgP-h图。

热泵给定工况及其参数见表1所列。

表1 热泵给定工况及其参数

根据主体淡化柱海水的进口流量及温度求出加热海水所需要的热负荷;再根据表1中所给的工况条件得出各个状态点参数,以此选择合适的压缩机;根据压缩机的名义工况和实际工况求出系统的热负荷和冷负荷,最终得出在完成加热海水的情况下将载气冷却到的程度。典型条件下热泵系统的lgP-h图如图3所示。

图3 典型条件下热泵系统的lg P-h图

3 数据分析

从淡化系统的工作原理和数学模型来看,主体淡化柱海水的进口温度和进口流量对系统的各个参数均有影响。因此，为了得到不同的温度和流量对整个系统性能的影响,本文利用Matlab数值模拟软件对淡化过程进行模拟,绘制相应曲线来探究海水的流量和温度对淡水产量的影响,并对普通淡化系统和热泵辅助淡化系统的性能进行对比讨论。

3.1 不同系统的淡水产量

在典型操作条件下,不同系统的淡水产量随着主体淡化柱蒸发侧海水进口流量变化的曲线如图4所示。

图4 海水流量影响的淡水产量

从图4可以看出,随着海水流量的增加,淡水产量先增加后减小。其原因是流量的增加使海水自身所携带的热量增加,这对水分蒸发是有利的,蒸发量的增加意味着载气携带的水分量的增加,在冷凝去湿过程中可以得到更多的淡水；但热量的增加会使各个物料的温度上升,当海水流量过大时,过多的热量会使冷凝侧载气的出口温度升高,从而使载气的冷凝去湿效果下降,而二级淡化系统虽然可以对载气进一步冷凝去湿,但是效果有限,最终表现为淡水产量少量减少。而相比于普通的淡化系统,热泵系统的淡水产量高出约6.6 kg/h,其原因在于相较于普通系统利用海水对载气进行冷凝去湿,热泵系统在蒸发器内对载气的冷却效果更加显著,冷凝去湿更为完全。

在典型操作条件下,不同系统的淡水产量随着主体淡化柱蒸发侧海水进口温度变化的曲线如图5所示。

从图5可以看出,随着海水进口温度的增加,淡水产量随之增加。其原因在于当海水温度增加时,所携带的热量也会增加,促进了海水的蒸发,提高了载气的増湿效果,使载气在冷凝去湿过程中产生更多的淡水；虽然海水温度的增加也会导致各个物料温度的升高,但是由于二级淡化系统的存在,可以对载气更进一步的冷凝去湿,整个系统的淡水产量呈增加的趋势。而相较于普通的淡化系统，热泵系统辅助的淡化系统淡水的产量更多,增加更快,产量最多可增加10.4 kg/h。

图5 海水进口温度影响的淡水产量

3.2 不同系统的造水比

虽然提高海水的进口温度和流量在一定程度上均可使淡水产量增加,但是随着流量和温度的增加,需要投入系统的热量也会逐渐增加。对于消耗和收益的问题,本文引入造水比来衡量淡水产量和消耗热量之间的关系。

造水比是指淡化系统的淡水产量与加热所消耗的蒸汽量之比,是衡量淡化系统性能的重要参数,其计算公式如下:

在典型操作条件下,不同系统和不同条件的造水比变化曲线如图6所示。

图6 流量和温度影响的造水比

由图6a可以看出,随着海水流量的增加,造水比先增加后减小。当海水流量过大时,投入系统的热量换来淡水产量增加的性价比越来越低,当海水流量增加到260～270 kg/h时,造水比达到最大。对于热泵系统,可将热泵消耗的能量换算成蒸汽流量,换算后经过计算可以得出热泵辅助的海水淡化系统的造水比。由图6a可知,热泵淡化系统的造水比比普通系统的造水比高出约1.1～1.3。

从图6b可以看出,随着海水进口温度的增加,造水比逐渐下降。在模拟过程中发现,当海水温度升高时,蒸发侧载气温度随之升高,而在较高温度时对载气加热増湿消耗的热量比温度较低时要多,因此随着温度增加,将载气加热至指定温度所消耗的热量会大幅增加,造水比逐渐下降。由图6b可知，热泵系统的造水比依旧高于普通系统,高出约0.67～1.15。

4 结 论

(1) 对于露点蒸发海水淡化系统,当其他条件一定时,在一定范围内增加海水流量会增加系统的淡水产量,但不宜过大。当海水流量过大时,会使各物料的温度上升,导致载气冷凝去湿不完全,淡水产量和造水比均会降低。

(2) 当其他条件一定时,增大海水的进口温度能增加系统的淡水产量,而过高的温度则会带来更高的能耗,虽然产量增加,但系统的造水比会降低。

(3) 相比于普通系统,热泵辅助的海水淡化系统无论是在淡水产量上还是系统的造水比上均优于普通系统,因此可以用热泵系统取代普通的二级系统来提高淡化系统的整体性能。