热泵循环海水淡化系统的计算分析.doc

热泵循环海水淡化系统的计算分析

摘要：对现有的热法海水淡化方法进行评述，并对《热泵循环海水淡化系统》提出的海水淡化系统进行详细计算，通过对此系统的设计计算，得出结论：热泵循环海水淡化系统能耗不低，相比直接压汽蒸馏和反渗透，均无节能优势。系统能耗偏高的主要原因在于，两种工质通过间壁换热，由于换热温差损失了大量的可用能。文中选择的热泵采用离心热泵，R123冷媒，使本文更接近实际情况。

关键词：海水淡化；热泵；计算

经过半个世纪的发展，目前的海水淡化的技术已经比较成熟，大规模海水淡化也已经商业化，2000年全世界淡化水生产能力达到日产2700万吨，并以7％～8％的年增长率攀升[1]。海水淡化的两个主要方法分为热法和膜法，热法对海水水质要求低，出水的水质好，系统工作时维护少，但是需要电厂蒸汽、工业余热等廉价热源；膜法只使用电能，建设周期短，随着技术创新，吨水耗电不断降低。在国内，海水淡化刚刚兴起，海水淡化公司雨后春笋般的成长起来，有以自主研究起家的天津海水淡化研究所，以消化吸收国外技术起家的滨海环保装备，以处理污水和苦咸水起家的无数反渗透装置厂家。

1现有热法海水淡化系统特点
目前主要的热法海水淡化方法有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)和压汽蒸馏(VC)。
1.1多级闪蒸
经过加热的海水，依次在压力逐级降低的多个闪蒸室中循环和蒸发，蒸发得到的蒸汽通过间壁式换热器加热循环的海水，收集蒸汽的冷凝水做为需要的产品淡水。多级闪蒸在海湾国家采用较多，通常与火力发电站联合建设与运行，以汽轮机低压抽汽作为热源，其优势是海水结垢倾向小、运行可靠、易于大型化。但由于海水加热过程换热效率低，因此换热面积大初投资很高；闪蒸属于相变过程，其需要的巨大热量由海水传递，需要大量循环海水，动力系统能耗大。
1.2多效蒸馏
在蒸发器中，通过外部热源使海水通过降膜蒸发，海水依次经过多个串联的蒸发器，前一效蒸发的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，并冷凝成为所需的产品淡水。采用这种方法蒸汽热量经过多次传递得到充分利用，换热过程为相变换热，换热效率高；不同蒸发器之间热量的传递通过蒸汽进行，因此动力系统能耗很小。另外该法还可利用70℃左右的低温废热作为海水的加热热源，是一种可利用余热的节能海水淡化方法。
1.3压汽蒸馏
在多效蒸馏的基础上，增加一个机械式压缩机，将多效蒸馏最后一个蒸发器产生的二次蒸汽压缩，并输送到前面的蒸发器作为热源循环利用。压汽蒸馏用电或蒸汽驱动，二次蒸汽循环利用，没有冷凝最终二次蒸汽的冷凝器，也没有对外的大量热量排放，属于节能环保的淡化方法。但由于蒸汽压缩机的设计与制造技术问题难以解决，装置规模受到限制，很难实现大型化。

2利用热泵循环的海水淡化系统
为了利用压汽蒸馏的优点，同时避免压汽蒸馏时压缩水蒸气的困难，一些专家提出了利用热泵循环的淡化系统。这里的热泵是指空调制冷行业常用的机械压缩式热泵，是利用逆卡诺循环的原理，利用一部分高品位能量，通过氟利昂这种中间工质，使热量从低温热源向高温热源流动。利用热泵循环的海水淡化系统，是把低温多效海水淡化系统的高温级作为热泵的高温热源，低温级作为热泵的低温热源，利用热泵吸收低温热源的热量，输送的高温热源，作为海水淡化的热源。
利用热泵循环的海水淡化系统可以回收低温效的热量，没有冷凝器放热损失，具有了压汽蒸馏的优点，同时避免了压汽蒸馏的技术难题——压缩水蒸汽。
为了对热泵循环的海水淡化系统进行理论计算，需要对这个系统进行初步设计，综合考虑工质的性能，设备的市场行情等因素，初步设计的主要注意事项和技术参数选择如下：
1）水的汽化潜热大，海水淡化系统要回收的热量很大，为了满足大热量的要求，热泵选择离心压缩机。相对于热泵的常用领域——空调系统，海水淡化要求的热泵工作温度比较高，本文中计算分析时选择R123冷媒。
2）系统的简图和主要参数选择如下：
70℃
66.7℃
63.4℃
60.1℃
56.8℃
56.8℃
冷凝
冷凝
蒸发
蒸发
节流阀
多效蒸发器
压缩机
淡水
卤水
海水
换热器1
换热器2
换热器3
换热器4
55℃
换热器5
74℃
60℃
海
水

图1：利用热泵循环的海水淡化系统的简图和主要参数选择

多效蒸发器：多效蒸发海水淡化装置
压缩机：热泵系统的离心压缩机，用来压缩R123冷媒
节流阀：热泵系统的节流元件
换热器1：热泵将水加热成蒸汽，产生的蒸汽作为多效蒸发的热源
换热器2：热泵回收多效蒸发蒸发后的热量
换热器3：回收卤水中的热量
换热器4：回收淡水中的热量
换热器5：热泵中冷媒的过冷器
设定运行参数：
热泵蒸发温度：53℃
过热度：2℃
热泵冷凝温度：74℃
过冷度：14℃
压缩机等熵效率：0.7
查图[2]得到的结果：

图2：热泵工作的压焓图

热泵吸气焓：413.44kJ/k