（工程热物理专业论文）喷淋式闪蒸海水淡化的实验研究.pdf

中文摘要 众所周知，淡水资源短缺已成为二十一世纪的三大环境问题之一，因此对海 水淡化技术的研究越来越受到人们的重视。目前，闪蒸海水淡化是主要的淡化方 法，所以对闪蒸海水淡化的研究具有较高的实用价值。 本文采用离心式雾化喷嘴对喷淋式闪蒸海水进行淡化，工质分别为水和自制 海水，进口温度为2 4 c 至t 3 4 。本文对影响闪蒸过程的因素：过热度、进口温度 等进行了实验研究，并对闪蒸机理进行了分析。 本文重点研究了闪蒸过程中的不平衡性，分析了闪蒸过程中的不平衡温差现 象，对过热度和闪蒸室进口温度等因素对不平衡温差的影响进行了实验研究，总 结出了其影响规律，并在实验的基础上建立了计算不平衡温差的经验关系式，其 误差在2 0 以内。此外，分析了过热度、闪蒸室进口温度对闪蒸温差的影响， 进一步分析了闪蒸率和淡水产量随这两个因素的变化规律，并且通过分析不平 衡温差与闪蒸率的关系，推导出不平衡温差与闪蒸率的关系式，并与实验结果进 行了对比，其误差在2 0 以内。 关键词：海水淡化、喷淋式闪蒸、不平衡温差、闪蒸率 a bs t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h es h o r t a g eo ff r e s hw a t e rh a sb e c o m eo n eo ft h et h r e e b i g g e s te n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h e2 1nc e n t u r y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ns e a w a t e r d e s a l i n a t i o ni st a k e nm o r ea t t e n t i o n f l a s he v a p o r a t i o ni st h em a i no n eo ft h es e a w a t e r d e s a l i n a t i o nt e c h n i q u e s ，a tp r e s e n t ，s oi ti sv e r yu s e f u lt os t u d yf l a s he v a p o r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es w i r ln o z z l ew a su s e di nt h ef l a s hc h a m b e rt od os e a w a t e r d e s a l i n a t i o n a n dt h et e m p e r a t u r eo f t h e w a t e ra n da r t i f i c i a ls e a w a t e rw h i c hw e r eu s e d t od of l a s h e v a p o r a t i o ni s2 4 t o3 4 n ef a c t o r ss u c ha ss u p e r h e a li n l e t t e r n p e r a t u r ew h i c hi n f l u e n c et h ef l a s he v a p o r a t i o na r es t u d i e db a s eo nt h ee x p e r i m e n t t h em e c h a n i s mo ft h ef l a s he v a p o r a t i o nw a sa l s oa n a l y s e d n e n o n e q u i l i b r i u mp r o p e r t yo ft h ef l a s he v a p o r a t i o nw a sm a i n l ys t u d i e d n e p h e n o m e n o no ft h en o n - e q u i l i b r i u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n di l s i n f l u e n c e d f a c t o r s ，s u c ha ss u p e r h e a ta n di n l e tt e m p e r a t u r e , w e r e a n a l y s e d ，a n dt h eg e n e r a l r e g u l a r i t i e sw e r eg a i n e d t h ee m p i r i c a lc o r r e l a t i o no fn o n e q u i l i b r i u mt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei so b t a i n e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , a n dt h ee r r o ro fi ti sn o tm o r e t h a n2 0p e r c e n t i na d d i t i o n ，t h ef a c t o r so fs u p e r h e a ta n di n l e tt e m p e r a t u r ew h i c h i n f l u n c et h ef l a s he v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew e r ea n a l y s e d f u r t h e r l y , t h e s u p e r h e a ta n di n l e tt e m p e r a t u r ew h i c hi n f l u e n c eo nt h ef l a s he v a p o r a t i o nr a t i oa n dt h e d i s t i l l a t ep r o d u c t i o nw e r es t u d i e d ，a n dac o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef l a s he v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h ef l a s he v a p o r a t i o nr a t i ow a sa l s oo b t a i n e dd u r i n gt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s t i v et ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ee r r o ro ft h ec o r r e l a t i o n i sn o tm o r et h a n2 0p e r c e n t k e yw o r d s ：s e a w a t e r d e s a l i n a t i o n ，s p r a yf l a s he v a p o r a t i o n ，n o n e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，f l a s he v a p o r a t i o nr a t i o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：召f 福喜 签字日期： 2 印7 年月动日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：邵猖喜翩签名：立边 签字日期：如7 年7 月彤日签字日期：硐年j 月磁日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 水是生命的源泉，是社会经济发展的命脉，是人类的宝库、不可代替的自然 资源，是生态环境的控制性要素之一，同时也是战略性的经济资源。水资源是一 个国家综合国力的有机组成部分。展望未来，水资源匮乏正日益影响全球的经济 发展与生态环境，甚至可能导致国家和地区间的冲突。联合国有关机构指出“水 将成为世界最严重的资源问题”，“供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上 在石油危机之后的下一个危机便是水的危机”。缺水问题是一个世界性问题。 全球的水总储量为1 3 8 6 亿a n 3 ，其中9 6 5 为海水，其他分布在陆地、大气 和生物体中，约为2 5 3 ，其中多存储于冰川、雪盖和7 5 0 m 深度以上的地下， 而可取用的河水、湖水及浅层地下水等仅占0 2 左右，这里还包括相当大一部 分的苦咸水( 表1 1 ) i l l 。 世界的缺水情况是显而易见的。联合国人口基金会的专家指出，目前世界有 5 亿人口饮不上清洁水，到2 0 2 5 年这个数字将暴增5 倍以上，达到2 8 亿，约占 届时预计全球人口8 0 亿的3 5 。那时淡水危机真的会到来! 据目前的统计，世界上最缺水的2 0 个国家主要集中在中东和北非。然而， 实际上除了上述最缺水的国家之外，其他地区以及水资源相对丰富的国家都有不 同程度的缺水问题。保守统计，在2 1 世纪初期，仅地中海周围地区每天就缺水 l 千多万吨，而亚洲和中南美等的缺水量也将达到每天几千万吨1 2 j 。 我国也早认识到缺水已成为制约社会进步和经济发展的瓶颈，这一认识是付 出沉重代价获取的。认为水是取之不尽用之不竭的思想和把水作为廉价生产资源 的意识长期支配着人们的行为。随着经济的持续发展和人民生活水平的提高，对 水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的不足、时空分布的不 均匀，加上超限度的开采、无节制的浪费、随意的污染以及管理不善等，使本来 紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，所以，为了我国经济可持续发展，对水资源问 题的解决是非常追切的，是势在必行的。 我国水资源总量为2 8 万亿) 2 3 ，虽居世界第6 位，但人均水资源量2 2 2 0 矿， 为世界人均的1 4 ，在世界上1 5 3 个国家和地区的统计中，排名1 2 1 位。另外， 我国水资源在区域分布上很不均匀，特别是北方地区，耕地面积占全国5 9 2 ， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表i - 1 世界水储量【3 1 分布面积，水量，在世界储水量中的比例p o 水的类型水猁m 万k m 2万砌3占总储量占淡水储量 1 海洋水3 6 1 3 01 3 3 8 0 03 7 9 6 5 3 7 9 2 地下水( 重力水和毛 管水) 1 3 4 8 02 3 4 01 7 41 6 8 8 3 其中，地下淡水 1 3 4 8 01 0 5 37 8o 7 5 9 73 0 0 6 0 6 3 土壤水8 2 0 01 6 5o 2o 1 2o 0 4 7 i 4 冰川与永久雪盖 1 6 2 2 7 52 4 0 6 4 l1 4 6 31 7 3 6 26 8 6 9 7 2 ( 1 ) 南极 1 3 9 82 1 6 01 5 4 61 5 5 8 56 1 6 6 2 8 ( 2 ) 格陵兰 1 8 0 2 42 3 41 2 9 8o 1 6 8 86 6 8 0 l ( 3 ) 北极岛屿2 2 6 1 3 3 5 3 6 9 o 0 0 6 0o 2 3 8 4 ( 4 ) 山脉 2 2 44 1 8 10 0 0 2 9o 1 1 5 9 5 永冻土底冰 2 1 0 03 0 o1 4o 0 2 1 6o 8 5 “ 6 湖泊水 2 0 6 8 71 7 6 48 5 70 0 1 2 7 ( 1 ) 淡水1 2 3 6 49 1 07 3 6 o 6 6o 2 5 9 8 ( 2 ) 咸水 8 2 2 38 5 41 0 3 8o 0 0 6 2 7 沼泽水 2 6 8 2 61 1 4 74 2 3o o 0 0 8o 0 3 2 7 8 闸床水 1 4 8 3 0 00 。2 1 2o 0 1 4o o 0 0 2o 0 0 6 l 9 生物水5 l o o 1 1 2o 0 0 2 o o o o lo 0 0 3 2 l o 大气水 5 l o 1 2 90 0 2 5o o 0 0 9o 0 3 6 8 水的总储量 5 l o o o1 3 8 5 9 8 4 6 12 7 1 81 0 0 其中，淡水储量 1 4 8 0 03 5 0 2 9 2 l2 3 52 5 2 7 4l o o 人口占全国的4 4 3 ，而水资源仅占全国的1 4 7 ；由于我国处于东亚季风 区，水量( 降水和径流) 年内和年际变化大，全国各地几乎每年都有旱灾发生， 以黄河流域最甚；全国有3 0 0 多个城市缺水，尤其是北方地区，几乎所有城市都 严重缺水，如大连、天津、烟台、青岛人均水资源占有量都在2 0 0 m 3 左右；全国 占地面积大于5 0 0 m 2 的岛屿有6 5 0 0 多个，其中绝大部分属严重缺水。据1 9 9 9 年中国水资源公报报道，我国天津、宁夏、上海、北京、河北、山东、河南、 山西、江苏、辽宁等1 0 个省级行政区人均水资源量低于1 0 0 0 m 3 ，而人均水资源 量低于5 0 0 m 3 ，按我国有关缺水标准已为严重缺水，需调水才能解决问题。表 1 2 给出了我国分区多年平均年降水量及水资源量。据有关部门估计，2 0 0 0 年我 国城市年缺水量达4 0 0 亿m 3 ，全国因缺水影响的国民产值达2 4 0 0 亿元人民币： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 3 0 年前中国工业缺水量将达到6 0 0 亿m 3 以上。如果不采取有效措施，解释因 缺水造成的损失将更加巨大。 表1 2 全国分区多年平均年降水量及水资源量1 4 1 降水情况 计算面积径流总量，地下水量水资源量 河流 降水深度降水量 o n 2亿m 3亿朋3亿所3 m m，亿_ ，3 黑龙江 9 0 3 4 1 84 9 64 4 7 61 1 6 64 3 l1 3 5 2 辽河及其他河流 3 4 5 0 2 75 5 l1 9 l o4 8 71 9 45 7 7 海河、滦河 3 1 8 1 6 l5 6 01 7 8 l2 8 82 6 54 2 l 黄河7 9 4 7 1 24 6 43 6 9 16 6 l4 0 6 7 4 4 淮河及山东诸河3 2 9 2 1 18 6 0 2 8 3 07 4 l3 9 39 6 l 长江 1 8 0 8 5 0 01 0 7 11 9 3 6 09 5 1 32 4 6 49 6 1 3 东南沿海诸河 2 3 9 8 0 31 7 5 84 2 1 62 5 5 76 1 32 5 9 2 珠江及华南诸河 5 8 0 6 4 l1 5 4 48 9 6 74 6 8 5l l l 64 7 0 8 西南诸河8 5 1 4 0 6 1 0 8 99 3 4 65 8 5 31 5 4 45 8 5 3 内陆河 6 6 7 4 4 31 5 85 3 2 11 1 6 48 6 21 3 0 4 全国6 8 3 8 3 2 2“86 1 8 8 92 7 1 1 58 2 8 82 8 1 2 5 上述情况反映出，水在某些地方已经成为生死存亡的问题，而不仅是方不方 便的问题。出路何在? 自然有多个途径，如继续找水、远途调水、废水回用、制 定政策节约用水等。然而要利用现代技术大规模开辟新的水源，则首推海水淡化。 事实上这已经无疑地成了全国乃至全世界的必然趋势。下面简单介绍一下目前国 内外主要的海水淡化方法。 1 2 海水淡化方法介绍 一、蒸馏法 蒸馏法依据所用能源、设备及流程的不同，又分为好多种，其中主要的有以 下三大类： 多效蒸发( m e ) ：浸没管单效和多效蒸发( s t e 或s t ) 竖管多效蒸发( v t e ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水平管多效蒸发( h t e ) ，当前称作高温和低温多效蒸馏 ( m e d ) 也属此类。 闪蒸( f l a s h ) ：低温单级闪蒸( s s f ) 多级闪蒸( m s f ) 压汽蒸馏( v c ) 多效蒸发法是海水淡化技术中较早发展成功的方法之一，其原理是利用高温 蒸汽与海水的温差进行热交换后，将蒸发出的水蒸汽冷凝并收集而成 5 1 。多效蒸 发是由单效蒸发组成的系统。即将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一个 蒸发器作为加热蒸汽并在下一个蒸发器中凝为蒸馏水。如此依次进行。每一个蒸 发器及其过程称为一效。这样就可以形成双效、三效和多效等。多效闪蒸较多级 闪蒸应用早，但由于结垢和腐蚀等问题，后被多级闪蒸取代。多效蒸发是由若干 单元蒸发器( 效) 串联起来，除第一效的加热蒸汽来自锅炉外，以后各效地加热蒸 汽均来自前面一效产生的二次蒸汽。效数越多，造水比越高，能耗越低1 6 】。效数 越多，投资越高。因此要根据当地能源价格等因素，对造水比进行优化设计。 多级闪蒸的工作原理：热海水逐级流入真空递增的闪蒸室内，由于海水温度 高于闪蒸室内压力下对应的饱和温度，海水吸收自身显热而部分沸腾蒸发，直至 其余海水温度降到对应于闪蒸室压力的饱和温度为止。每个闪蒸室( 级) 包括节流 孔、汽水分离器、冷凝器、淡水收集盘等。把多个闪蒸室串联起来，就是多级闪 蒸器。与其他的淡化方法相比较，多级闪蒸有以下几个优点1 5 1 ；a 产量大，使用 广泛，技术成熟；b 不产生真正的沸腾，可以改善一般蒸馏法所产生的积垢现象： c 产出效率并不直接与闪蒸级数成比例，一旦积垢发生时，可以采取减小淡水产 量或增加热量供给的方法来克服。 压汽蒸馏的原理：压汽蒸馏，是将蒸发过程所产生的二次蒸汽，经过压缩提 高温度，再作为加热蒸汽使用的蒸发装置，其主要目的是充分利用二次蒸汽中的 焓值。因此压汽蒸馏在运行之后不需要外部提供加热蒸汽，靠机械能转化为热能， 这过程效率高，比能耗较低，而且过程不需要冷却水。另外，由于蒸汽比容大， 所以压汽只能在低真空条件下工作，否则需要相当大压缩机来收容蒸汽。压缩蒸 馏装置结构紧凑，蒸发温度较高，容易腐蚀、结垢，难于进一步大型化，一般可 用于中、小型海水淡化装置 6 1 。 实际上，按蒸发器形式细分还有很多种，如多效蒸发中还有长管式、降膜式， 自然循环与强制循环式等；而多级闪蒸中，又有水平式、竖管式、沸腾床式、横 管式和长管式等。 二、膜法 用于海水和苦咸水淡化的膜法，从过程原理上分，主要有三种：反渗透( r o ) 、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 膜蒸馏( m d ) 、纳滤( n f 或膜软化m s ) 。 反渗透工作原理：用一种选择透过性膜将一容器分成两半，在膜的两侧同时 分别加入纯水和海水，使膜两侧的液面一样高，过了一定时间会发生盐水侧的液 面在升高，纯水侧的液面在下降，这是由于水分子透过半透膜向盐水侧迁移的结 果，这种现象称为渗透。相反，于海水一侧施加大于海水渗透压力的外压时，海 水中的纯水将反向渗透至淡水中，而溶液中的其他组分被挡在膜的高压侧并随浓 缩水排出，从而达到有效分离的过程。这个过程与自然界中的正常渗透现象相反， 固称之为反渗透。 膜蒸馏法是热原料水接触憎水微孔膜，由于膜的另一侧温度较低，相应的饱 和蒸汽压亦低，膜面上的原料水蒸发并透过膜的微孔到低压侧，在冷凝面( 器) 凝 结为淡水。此法所得淡水纯度较高。膜的作用只是起到汽水分离器的作用。膜可 能被亲水化而失去作用，因此膜蒸馏更适合特种分离，尤其是高价的分离。 纳滤法式以低压差驱动的反渗透过程。目前主要用于截留二价离子( 除硬) ， 但也有一定程度的除盐( 除一价离子) 的效果。近年发展也较快。 三、电渗析法 渗析是指溶液中的溶质通过半透膜的现象。自然渗析的推动力是半透膜两侧 溶质的浓度差。在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象成为电 渗析( e d ) 。 四、冷冻法 冷冻法淡化技术的原理是基于无机盐和有机杂质在水中的分配系数比冰中 的分配系数大一到两个数量级的性质。其淡化方法是将海水冷却到冰点以下，则 纯净的水先结成冰，而无机盐或其它有机杂质会留在原溶液中，然后通过分离、 再融化获得淡水。采用这种方法可将海水中的盐度降低一个数量级。 另外，冷冻法海水淡化，可分为自然冷冻法和人工冷冻法。其中人工冷冻法 包括直接冷冻法和间接冷冻法。 五、其它的海水淡化技术 水合物法海水淡化( 使低碳烃在一定条件下与海水中的水形成水合物，再从 这种水合物中获取淡水的过程) 、核能海水淡化、太阳能海水淡化、风能海水淡 化技术、电容吸附法海水淡化等。 各种水处理方法都有自己的优势所在，其中电渗析方法对不带电荷的物质如 有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱出能力。因此，电渗析法用于淡化制备饮用 水是不适合的，具有局限性。而水合物法中结晶粒子易形成压缩性的结块，使结 晶的分离、洗涤困难，所得的淡水中尚残存微量水合剂，淡水水质较差。对于核 能、太阳能、风能海水淡化方法，成本较高，又基于安全的因素的考虑，目前仅 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 适用于一些小型的应用场合。因此，水的蒸馏法和膜法是常采用的淡化方法，其 中的蒸馏法和反渗透无论在产量，还是纯度方面的优越是其他方法无法比拟的。 但是反渗透处理要消耗大量外界机械能，如果不能够很好的吸收和利用反渗透压 能，其未来的发展必定要受到一定的制约。相比较而言蒸馏法虽然是最早被人类 掌握的水净化技术，但是，同时它又是适用最广的，同时随着低品位的余热和废 热利用，其运行费用减少，使得人们又把大量的精力投入进来。 蒸馏法中以多级闪蒸和多效蒸发应用最为广泛，而多级闪蒸是针对多效蒸发 结垢较为严重的缺点而发展起来的，具有设备简单可靠、防垢性能好、操作弹性 大以及可利用低品位热能和废热等优点，而且，其成本适中，适合大规模的海水 淡化应用，在未来的海水淡化领域中仍将继续发挥重要作用。因此，本文将针对 闪蒸海水淡化方法及其机理进行实验研究与分析。 1 3 闪蒸法海水淡化的研究现状 目前，对于多级闪蒸海水淡化的研究大都建立在平衡的条件下，即认为闪蒸 后的汽液两相处于平衡状态温度相等1 7 , s ，忽略了闪蒸过程中的不平衡温差，即 使考虑了闪蒸过程中的不平衡温差，也只是根据经验取定值 2 , 9 1 估算，而实际上， 不平衡温差在多级闪蒸中的每一级都是客观存在的，而且，不平衡温差并不是一 个定值，它受到许多因素的影响，工况的改变、甚至实验装置的不同，都会对不 平衡温差产生较大影响，因此，取定值计算不平衡温差是比较欠缺的。 为此，一些学者针对闪蒸过程中的不平衡温差进行了实验研究。考虑到在研 究不平衡温差产生的机理时，闪蒸的级数的多少并不对其研究产生制约，所以人 们便以单级闪蒸为模型进行研究，进而扩展到多级闪蒸过程，其中0 m i y a t a k e 等 人较早的就单级的自然蒸发式的闪蒸进行了研究，并取得了一定的成效，也为后 来的闪蒸研究提供了理论基础。 闪蒸装置结构对闪蒸的影响是非常大削协”】，基于对传统闪蒸器研究经验， 人们打破了传统闪蒸器的模型，提出了加雾化喷嘴的方案。起初，对于喷淋式闪 蒸的研究都是通过高压方式，将过热液体喷入到一个大气压的环境中来实现闪蒸 1 1 6 - 2 1 】。1 9 7 9 年日本0 m i y a t a k ec ta 1 提出了喷射闪蒸的方法，即待闪蒸的海水通过 喷嘴喷射到闪蒸室内，这种闪蒸方法的海水可以在相对较低的压力下使得海水蒸 发，提高了闪蒸效率。它克服了m s f 中由于蒸发器内静压不断升高而使蒸发受限 的困难。1 9 9 1 年u c h a r ae ta 1 通过实验采用直径为1 0 m m 长度为8 1 3 m m 的喷嘴，分 别使用一到六个喷嘴进行研究，得出结论：喷嘴的个数由液体的过热度和流速来 决定。1 9 9 3 年u e h a r ae ta 1 通过改变喷嘴的材料、喷嘴直径、喷嘴的进出口流速等 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方式对喷淋式闪蒸海水淡化进行了研究。 目前，单级闪蒸大都采用喷淋的方式，以求得到较好的闪蒸效果。日本学 者0 m i y a t a k e 等通过试验，利用喷嘴，采用喷淋的方式对6 0 ( 2 的海水进行了闪蒸 研究，并提出了液滴温度随着时间的变化规律。后来，0 m i y a t a k e 教授又采用在 喷嘴处布置电解装置的方法分析了单级闪蒸，此方法在很大程度上提高了闪蒸效 率。最近，i n d i a 学者a e m u t h u n a y a g a m 等人建立了一种v a p o r 模型2 2 ，2 射，考虑 喷淋式闪蒸室内液滴在蒸发过程中的温度变化，对闪蒸效率进行了分析。 上述喷淋闪蒸的研究所采用的喷嘴都是圆柱型的喷管。如前所述，闪蒸装置 的具体结构对闪蒸的影响非常大，而且实验工况的不同对闪蒸也有较大影响。因 此，闪蒸还有待于进一步的研究，本实验提出在闪蒸室内加离心式喷嘴进行实验 研究。 另一方面，就作者所知，目前对于闪蒸的研究，所采用的闪蒸海水温度都比 较高，与真实的海水温度存在一定的差距，为了更好的模拟海水的闪蒸，本实验 是在低温低压下进行海水闪蒸的，闪蒸海水的温度在2 4 到3 4 范围内，闪蒸 室内压力在3 k p a 左右。 本文将结合实验对低温海水的喷淋式闪蒸做具体分析与讨论。 1 4 本文研究的主要内容 本文借助海水温差发电系统中的闪蒸海水淡化系统为研究对象，主要对闪蒸 过程中的不平衡温差进行实验研究与分析，进而对闪蒸率进行分析。 主要内容如下： 1 分别对水和海水进行闪蒸实验。 2 弄清闪蒸蒸发的过程，其工作原理。分析喷淋式闪蒸的不平衡温差、闪 蒸温差的影响因素。 3 根据实验数据，建立离心式喷嘴闪蒸过程中的不平衡温差关系式。 4 在对闪蒸不平衡温差分析的基础上，建立闪蒸率的关系式，结合实验数 据对闪蒸率的关系式进行验证，并对淡水产量和闪蒸率进行分析。 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 第二章实验系统 2 1 实验系统的介绍及工作原理 本实验系统由两部分组成：海洋温差能发电系统和海水淡化闪蒸系统。 2 1 1 海水温差发电系统的介绍 根据工质、流程的不同，海水温差发电系统一般可分为开式循环、闭式循环 和混合式循环。混合式循环是在闭式循环的基础上结合开式循环与闭式循环两者 特点发展起来的一种循环形式。本实验系统为混合式循环系统，工质为自然工质 氨。图2 1 为该实验系统的平面布置图1 2 4 。 发电系统由蒸发器、冷凝器、汽轮机、发电机、工质泵、温海水泵和冷海水 泵等设备组成。其具体流程为：液态工质在蒸发器内被温海水加热变为饱和蒸汽， 蒸汽进入汽轮机膨胀做功并带动发电机发电，从汽轮机排出的乏汽进入冷凝器， 与冷海水进行热交换被冷凝至液态，然后回到储液罐中，再由工质泵重新泵入蒸 发器中蒸发进行下一次循环。 2 1 2 闪蒸海水淡化系统及设备介绍 闪蒸系统是整个混合式海水发电系统的一个分支部分。如图2 2 所示为闪蒸 海水淡化系统示意图。 下面介绍一下闪蒸海水淡化实验系统运行的整个流程： ( 1 ) 温海水的流程：水在温水箱中由电热器加热至实验所需温度一温水泵 一闪蒸海水流量计一闪蒸室一( 进入闪蒸室闪蒸后分成两部分排出) 一部分为闪 蒸蒸汽，经过冷凝器冷凝成淡水排入淡水箱；另一部分为闪蒸残留下来的浓海水， 它由自吸泵排回温水箱。( 注：真空泵与淡水箱的末端相连，使得闪蒸室、淡水 冷凝器和淡水箱都处于负压运行状态) 。 ( 2 ) 冷海水的流程：冷水箱一冷水泵j 冷水流量计寸淡水冷凝器一冷水 箱。( 注：冷水的冷量由冷水机组来提供) 。 闪蒸系统由闪蒸室、喷嘴、汽液分离器、淡水冷凝器( 换热面积为0 6 m 2 的 板翅式换热器) 、真空泵等设备组成。 天津大学硕士学位论文 寮削 9 一 奢趱日 第二章实验系统 女 蘸 嚣棚壤 甚髫 j 一 寒 蒜蝼- 、 球誓海过磋 镬乓 镀氇爱：氢 鲁媾塔舣 曲 蟋 告嚣 兹罐 增葵据 *簧籍- 爻臻 佥*瓣 嚣斗 糕 善 爨 荽 漤繁 婶囊蹬 墨强 受 燃受燃 叠 褒 睾噶避暑蜒畸*蝴。n#回赣阻女接苌溪越墨鬻铤摆 ，雌匆*蟋，雌镶b4，孵粼糍，雌葵禽 霉噶啦鸟阜*埘 n靛越世蜒回罩罾日君擦鼍聪娶拇簧禽 。辈嘎涨窨*瑚n_【农越畸忙早素硝警舡ol3譬鬃捌 h永世斟*埘。q采圣；素匿张拣峨辔长 冀啊毯君燃畦 兴增。n懈瑚阻啭馥挚錾菸$暑*瑚nn灾 世斟*帮nn絮堪素匠张螺峨薛姆聒 *?_惺旧薯犍雌菇禽*_攘旧鼋俺 磷繇套*嚣掣癣状*喇墨嚣争匝埒 譬器 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 幸 图2 - 2 闪蒸实验系统示意图 泄 水 1 闪蒸室 闪蒸室尺寸结构如图2 3 所示。闪蒸室配有4 个n f l 2 型离心式喷嘴，喷嘴 直径为2 5 m m ，布置在离罐底高8 5 0 r a m 处，分流来的温海水由此喷出汽化；闪 蒸室还配有型号为d b z 2 18 的自吸泵一台，其作用是把闪蒸室内由气液分离器 分离出来的水重新注入到温海水箱内。 2 淡水罐 淡水罐是按系统连续运行3 小时排放一次淡水设计的，具体结构参见图2 4 。 3 泵 ( a ) 温海水泵 从温水箱出来的温海水被引入闪蒸室进行闪蒸，离心式喷嘴的喷水压力一般 为1 呲5 b a r ，压力小于0 5 b a r 时，喷出的水散不开。因此要求从温海水流经蒸 发器后，仍能具有1 0 b a r 以上的压力。本实验系统采用的是型号i s g 4 0 1 2 5 ( 1 ) 的管道离- t l , 泵。额定流量为1 2 5 m 3 h ，扬程为2 0 m 。实验时使泵运行在额定流量 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 警 图2 3 闪蒸室构造图 图2 - 4 淡水罐 - l l 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 范围内，满足实验需求，多余的流量在泵出口处分流，回流进温水箱，起搅拌作 用。 ( b ) 冷海水泵 冷水侧流量和温水流量相近，对压力没有太多的要求，这里也选择型号 i s g 4 0 1 2 5 ( 1 ) 的管道离心泵，额定流量为1 2 5 m 3 h ，扬程为2 0 m 。同样采用部 分流量回流的形势进行混合搅拌。 ( c ) 真空泵 本实验系统中采用的真空泵是沈阳三环真空技术研究所生产的型号为2 x - 4 的旋片式真空泵。抽气速率为4 l s ，极限压力为6 1 0 。2 p a ( 极限压力是指当泵装 有标准容器作为负载，使其按规定条件正常工作一段时间，真空度不再变化而趋 于稳定时的最低压力) 。带有气镇阀，可以抽除含有水蒸气的气体。 真空泵和淡水箱连接，理论上真空泵所抽的气体为水中溶解的空气还有部分 水蒸气。这里淡水已经过冷，水蒸气完全凝结，因此真空泵抽除的气体即为温海 水中溶解的气体。 闪蒸系统启动前抽真空所需时间： 抽真空至1 5 时水的饱和蒸汽压时所需时间：5 8 2 分钟 4 温水箱和冷水箱 温水箱的尺寸为1 0 x1 0 1 5 = 1 5 0 m 3 ，箱内布置了6 个4 k w 的电加热器， 用来加热海水。辅以循环泵进行搅拌，以使得水温混合均匀。冷水箱尺寸 1 0 x 1 0 1 5 = 1 5 0 m 3 ，箱内冷水所需的冷量由冷水机组提供。温、冷水箱均选 用钢板为原材料制得。 2 1 3 实验系统的工作原理及过程 温海水由水泵从温水箱中引入到闪蒸室作为待淡化的海水，由于闪蒸室中的 压力控制在低于进口温海水温度对应的饱和蒸汽压的条件下，故温海水进入闪蒸 室后即成为过热的水而急速地开始气化，所产生的蒸汽进入淡水冷凝器冷凝后即 为淡水，流入淡水储液罐中，而淡化后的浓盐水由循环水泵抽回到温水箱中。此 过程中，闪蒸室的真空由连续运行的真空泵来实现，淡水冷凝器的冷海水是由与 冷水机组相连的冷水箱来提供的，温海水是由布置在温水箱中的电加热器加热而 得到的。 下面简单介绍一下实验过程： 一、实验开始时，为了得到温水和冷水，首先打开温水循环和冷水循环。在 温水循环中适当开启温水箱中的加热器个数以调节所需的温水温度，在冷水循环 天津大学硕士学位论文 第二章实验系统 中要将提供冷源的冷水机组打开并设置一定的出水温度。 二、开启真空泵。开启真空泵之前要注意检查阀门的开与关是否正确。 三、待温水、冷水温度以及闪蒸室内的压力达到实验要求的时候，开启温水 进口阀门开始闪蒸实验。 2 2 实验范围及数据采集 一、实验范围 1 温海水进口温度 一般说来，表层海水温度要小于3 0 ，若严格按照海水温度范围来做实验， 再考虑到真空泵的实际抽真空能力，则实验测量范围会偏小，不能达到实验目的。 为了获得更加充足的实验数据，需要扩大实验数据的测量范围，但又不能偏离实 际海水温度过大，所以本实验选取闪蒸室进口水的温度范围为：2 4 3 4 。 2 温海水进口流量 由于海水淡化系统是整个海水温差发电系统的一个分支，所以流量范围有一 定的限制。本实验选取温海水进口流量范围为：1 0 0 - - 6 0 0 l h 。 二、数据采集 本实验需要采集的实验数据有：闪蒸室进口温度；闪蒸室出口排水温度；闪 蒸室出口水蒸气温度；闪蒸室内温度：闪蒸室进水流量；闪蒸室出口排水流量； 淡化水量；淡化水流量：闪蒸室进口压力：闪蒸室内压力；大气压力；闪蒸时间。 为了表述方便，现将实验中用到的符号及其意义列于表2 1 。 表2 1 符号表 符号意义单位 t i闪蒸室进口温度 乃 闪蒸室出口排水温度 t 。闪蒸室出口水蒸气温度 t n闪蒸室内温度 g i闪蒸室进水流量 l i l g o闪蒸室出口排水流量 l m m v淡化水量 k g s g 。淡化水流量 l h p i闪蒸室进口压力 p a p s 闪蒸室内压力 p a 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 续表2 1 符号表 p d大气压力 p a t 闪蒸时间 s t h i闪蒸室进口海水温度 闪蒸室出口浓海水温度 g h i进入闪蒸室的海水流量 l ，l l g h o排出闪蒸室的海水流量 l l l 1 温度的测量 采用精度为0 1 、量程为5 0 的水银温度计测量水的温度。其测量精度和 范围符合本实验要求。 2 压力测量 ( 1 ) 闪蒸室进口处水的压力测量采用精度为0 0 2 m p a 的真空压力表； ( 2 ) 闪蒸室的真空度采用u 型管压力计测量，长度为1 0 0 0 r a m ，单位长度为 l m m 。 对闪蒸室内压力的测量非常重 要，由于待测压力较低且需要的测量p 。 精度较高，普通的压力表满足不了实 验的要求。为此，我们选用u 型管压 力计来测量闪蒸室内压力，这种压力 计是最早用来测量压力的一种仪表， 由于结构简单、使用方便、价格便宜， 在一定的条件下比较容易得到较高的 精度，所以u 型管压力计成为我们理 想的测量仪表。 u 型管压力计是利用液柱所产生 的压力与被测介质压力相平衡，然后 根据液柱高度来确定被测压力值的压 力计。液柱所用的液体种类不限。可 以采用单纯物质，也可以用液体混合 p d 物，但所用液体在与被测介质接触处 图2 - 5 型管压力计 必须有一个清楚而稳定的分界面，也就是，所用液体不能与被测介质发生化合作 用或混合作用，以便准确地读数。同时所用液体的重度及其与温度关系必须是已 知的，液体在环境温度的变化范围内不应汽化或凝固。常用的工作液体有水银、 天津大学硕士学位论文 第二章实验系统 水、酒精、甲苯等。u 型管压力计的灵敏度：k = i y 2 5 1 ( y 为工作液体的重度) ， 由此可知工作液体密度越小则测量精度就越高，但是如果采用密度小的液体作为 工作液体则按照我们实验的工况会需要长约9 米的u 型管，由于受到实验台其它 设备的限制，这种方法是不可取的，又考虑到实验精度的问题，我们采用液体混 合物作为工作液体：采用水银和水一起作为测量工质来测量，具体办法是先在u 型管内注入定量的水银，然后在注入定量的水。 由图2 5 可知，被测压力只可由下式表示： 只= ( 只+ p 2 9 h o p , g h , ( 3 一1 ) 式中：岛：水银密度，k g m 3 ；, 0 2 ：水的密度，k g m 3 ：啊：水银的高度差，m ；红： 水的高度差，m ；只：为大气压力，p a ；只：为待测压力，p a 3 流量测量：采用精度为1 0 l h 、测量范围为6 0 - - 6 0 0 l h 的转子流量计测 量进口海水的流量；采用精度为0 0 5m s h 、测量范围为0 2 5 , - - 2 5m 3 h 的转子流 量计测量冷却水的流量。 4 时间的测量：用精度为0 0 0 1 秒的秒表对海水淡化时间进行测量。 5 淡化水量的测量：采用精度为2 0 m l 、量程为1 0 0 0 m l 的量桶来测量。 2 3 海水的配置 海水是一种具有复杂组成的液体。已知海水中含有8 0 多种化学元素，主要 以离子形式存在。在海水浓缩、结晶过程中，则以盐的形式析出。其中有1 1 种 成份的含量超过l p p m ，称为海水的“主要组份”，他们占海水总含盐量的9 9 5 8 1 2 6 1 。 海水中的主要成份，其绝对含量虽因地区不同而有所差别，但所有不受迳流 影响的大洋海水，化学组成均极相似，其相互比值恒定不便，此即称为“相对组 成恒定性”。这是由于海水的环流及混合作用造成的结果。根据这一特性，只要 测定其中一种组份的含量，就能够按比例计算出其他组份的含量或算出总含盐 量，并可由此估计出海水的许多理化性质。这是海水性质的一个重要规律。 人工配置海水的方法一般有两种：莱曼方式和科勒方式【2 7 】，这两种方法都是 按照海水中各种元素的组成来调配的，这样配置起来非常的麻烦，为了使得海水 的配置更加方便，本实验采用的调配方法是：将未经过任何处理的粗盐作为溶质 与淡水按比例混合形成所需浓度的海水溶液。 按照上述方法，可制得含盐度s = 3 5 的标准海水。制得的海水注入温水箱 作为所需要淡化的温海水。而实验中所需的冷海水只涉及传热问题，因此用冷水 天津大学硕士学位论文第二章实验系统 代替冷海水。 这里温海水通过