（动力工程及工程热物理专业论文）一种用于海水淡化的新型热泵装置.pdf

l i i iiiii i i ii illi i lliil y 17 7 7 8 4 5 an e w t y p eo fh e a tp u m p u s e di nd e s a l i n a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l ic h a n g s h e n g s u p e r v i s o r ：a p r o f l ih u a y u t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名 日期：沙力年j - - j 弓5 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：2 垂盔睦 指导教师签名：垒扯 日期：训加年岁月i 歹日 日期：o ，睥厂月日 一种用于海水淡化的新型热泵装置 李长胜( 动力工程及工程热物理) 指导教师：李华玉副教授 摘要 本文首先对海水淡化技术及其结合吸收式热泵循环的海水淡化技术进行介绍，详细 分析介绍了第一类与第二类热泵相结合的新型异类复合吸收式热泵的循环过程，联合多 级闪蒸海水淡化系统，得到了新型异类复合热泵循环海水淡化机组，并结合海水淡化中 多级闪蒸技术展开了对异类复合吸收式热泵机组的工艺研究工作。详细分析了冬夏两种 工况的相关参数，建立了基于能量平衡和质量守恒关系上的热力计算数学模型，分析了 发生器余热水温度、余热蒸汽温度、被加热介质温度、流量分配比、放气范围、浓度分 配等因素对机组性能的影响。进行优化设计、变工况计算、热泵机组各部件传热面积和 各部件热负荷计算。采用投资回收期经济性指标，探讨了异类复合吸收式热泵机组节能 性和环保效益。 关键词：海水淡化，热泵，异类复合，热力计算，经济性评价，节能，环保 an e w t y p eo f h e a tp u m pu s e di nd e s a f i n a t i o n l ic h a n g s h e n g ( p o w e ra n dt h e r m a le n g i n e e r m g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl ih u a y u a b s t r a c t f i r s t l ys e aw a t e rd e s a l i n a t i o nt c c l m o l o g ya n di t sc o m b i n a t i o no fa b s o r p t i o nh e a tp u m p c y c l ed e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d t h i sp a p e rd e s c r i b e san c vh e t e r o g e n e o u s c o m p o s i t ea b s o r p t i o nh e a tp u m pc y c l ec o m b i n e dw i t ht h e f i r s td e t a i l e da n a l y s i so ft h es e c o n d h e a tp u m p w i t ht h ej o i n tm u l t i s t a g ef l a s hd e s a l i n a t i o ns y s t e m s ，w eo b t a i n san e wt y p eo f h e t e r o g e n e o u sc o m p o s i t eh e a tp u m pw a t e r d e s a l i n a t i o nu n i t sc o m b i n e dw i t hs e aw a t e r d e s a l i n a t i o nm u l t i 1 e v e lf l a s ht e c h n o l o g i e sw h i c ha r ec o m p o s i t e so f h e t e r o g e n e o u sa b s o r p t i o n h e a tp u m pu n i t sp r o c e s sr e s e a r c h ad e t a i l e da n a l y s i sw a sm a d eo ft w ok i n d so fw o r k i n g c o n d i t i o n si nw i n t e ra n ds u m m e rw h i c hr e l a t e dt op a r a m e t e r s a f t e rt h a tw ee s t a b l i s ham a s s b a l a n c eb a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yb a l a n c ea n dt h e r m o d y n a n l i cc a l c u l a t i o n so n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l a n a l y s i sw e r em a d eo fg e n e r a t o ro v e rh o tw a t e rt e m p e r a t u r e , w a s t e h e a ts t e a mt e m p e r a t u r e , h e a t e dm e d i u mt c m p a a t u m , f l o wr a t ed i s t r i b u t i o nr a t i o ，p u tg a s r a n g e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd i s t r i b u t i o nf a c t o r so nt h eu n i tp e r f o r m a n c e w et r yt oo p t i m i z e t h ed e s i g nv a r i a b l ec o n d i t i o nc a l c u l a t i o n , h e a tp u m pu n i th e a tt r a n s f e ra r e ao ft h ep a r t sa n d t h ep a r t sh e a tl o a dc a l c u l a t i o n p a y b a c kp e r i o do fe c o n o m i ci n d i c a t o r sw a su s e dt oe x p l o r e t h eh e t e r o g e n e o u sc o m p o s i t ea b s o r p t i o nh e a tp u m pe n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s k e y w o r d s l d e s a l i n a t i o n ，h e a tp u m p s ，h e t e r o g e n e o u sc o m p o u n d , t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n , e c o n o m i ce v a l u a t i o n ，e n e r g y - s a v i n g , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n l l 目录 第一章引言l 1 1 世界水资源现状1 1 2 我国水资源现状1 1 3 课题的来源及选题依据2 第二章海水淡化。4 2 1 海水淡化的重要性4 2 2 几种主要的海水淡化方法4 2 2 1 反渗透( r 0 ) 5 2 2 2 多效蒸馏( m e d ) 5 2 2 3 低温多效蒸馏。6 2 2 4 多级闪蒸7 第三章用于海水淡化系统的新型热泵机组1 0 3 1 国内外对热泵应用于海水淡化的研究1 0 3 1 1 吸收式热泵与海水淡化系统。1 0 3 1 2 结合双效吸收式热泵的新型海水淡化系统l l 3 1 3 吸收式热泵与海水淡化系统机组的优化与研究1 2 3 2 将一种异类复合热泵机组应用于海水淡化系统1 3 3 2 1 异类复合热泵机组的结构与流程1 3 3 2 2 异类复合热泵机组与海水淡化系统结合具体方式。1 5 第四章异类复合吸收式热泵机组的计算1 9 4 1 机组热力计算19 4 1 1 异类复合热泵机组各状态点参数确定1 9 4 1 2 异类复合热泵机组的计算机辅助计算2 2 4 1 3 异类复合热泵机组的最优计算结果2 4 4 1 4 异类复合热泵机组各设备热负荷计算2 8 4 2 各主要工作介质流量计算。3 2 4 3 传热计算3 3 4 3 1 传热计算公式3 3 4 3 2 传热面积计算3 4 4 4 整个海水淡化机组的产量3 7 4 4 1 多级闪蒸装置温度分析。3 7 4 4 2 海水恒压比热容3 8 4 4 3 循环量产量。3 8 4 5 热泵部分经济性评价4 l 4 5 1 冬季工况下经济性评价。4 1 4 5 2 夏季工况下经济性评价4 2 第五章热泵机组性能分析4 4 5 1 热泵机组性能影响因素。4 4 5 1 1 冬季工况下热泵机组性能分析4 4 5 1 2 夏季工况下热泵机组性能分析4 9 5 1 3 两种工况下热泵机组性能对比5 2 5 2 热平衡误差影响因素分析。5 4 第六章结论6 0 参考文献6 1 附录6 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 7 至炙谢。6 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 世界水资源现状 第一章引言 初中地理书中就告诉我们：地球上的水资源9 7 是海水，剩下的还不全是可直接利 用的淡水资源。因为这3 的淡水中又有6 7 为极地冰川和高山积雪，3 3 存在于含水 层，潮湿的土壤和空气中，更令人头疼的是本来就有限的淡水，分配又极不平衡。冰川 占了相当大的比例，世界每年约有十分之七的水资源集中在不到十个国家中，而占全球 总人口4 0 的八十多个国家却严重缺水。水源最丰富的地方是南美洲和北美洲，高原大 陆非洲、面积最大的亚洲以及发达国家最多的欧洲，人均拥有的淡水资源却极其有限。 据世界银行集团( w b g ) 统计：发展中国家大城市5 0 以上的饮用水透过裂缝白 白流失。每年我国自来水流失量就达十亿多吨。m a l i n m a k e nm a r k 曾提出了个衡量人均 缺水与否的标准【l 】，即水关卡。参照这一标准，每年每人应有可用淡水l 千立方米，低 落于此标准，现代社会发展会受到制约。用此标准来衡量的话，现在很多国家都处于缺 水范围内，如肯尼亚每年每人只有0 6 千立方米，约旦仅有0 3 千立方米，埃及仅有2 0 立方米。联合国认为到本世纪三十年代，会有大批国家年人均水量低l 千立方米。其中 科威特，利比亚，约旦，沙特，等严重缺水的国家人均年用水可能会低于1 0 0 立方米。 有人估计到2 0 2 5 年，世界人口达到8 3 亿，人类可能耗尽所有的储备水 1 2 我国水资源现状 中国是一个严重缺水的国家，今年又出现了西南大早的残酷情景。我国的淡水资源 占全球水资源的6 ，总量为2 8 万亿立方米，问题上看名列世界第4 位。但是，我国 的人均水资源量只有2 3 千立方米，仅为世界平均水平的2 5 ，是人均水资源最稀缺的 国家之一。然而，人口众多的中国又是全球用水最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国淡水使 用量近6 千亿立方米，大约占全球年使用量的1 8 。 中国从上世纪七十年代就开始闹水荒，并不是空穴来风，确实是客观事实。八十年 代以来，中国的水荒由小块区域逐渐蔓延至所有城乡，而且愈演愈烈，已经对农业和日 常生活带来了严重影响，云南等省的干旱灾情我们都是深切体会到的。2 0 0 0 年，根据 中国水资源公报我们长江以北地区极为缺水，有些大城市更现出了史上最为可怕的 缺水情况。据统计，我国六百多个中型或大型城市中，出现不同程度缺水的就有四百个 引言 以上，其中百万人口的大城市中，有3 0 个一直受到缺水少雨的困扰。北京市的看人均 水资源不到两百立方米，仅为全国看人均水平的1 3 ，世界看人均水平的3 3 。，辽东 半岛和山东半岛经济圈，人口密集、经济快速增长，缺水问题已经成了这些城市经济增 长与可持续发展的制约因素，对个别城市甚至是生存的关键2 1 。 1 3 课题的来源及选题依据 随着经济的发展和沿海城市的优良地理优势，一大批型电厂、钢铁厂、炼油厂等相继 在沿海城市兴起，这使得这些城市供水与用水矛盾进一步加大，这就促使沿海城市大力 发展海水淡化厂区，很多工厂以及海水淡化厂产生的废水废热会直接排入大海。比如海 水淡化厂，一般利用海水作冷却水，海水通过海水淡化机组排热段后携带非常多的热量 排入海中，使局部海水水温升高( 通常状况下废水区温度较平常海域海水环境温度高 1 0 左右) ，这会对本海域的水质及生态产生严重影响。如水温的升高会使水中溶解氧 含量降低，从而加快有机污染物的分解和亦促进水生物呼吸速度，这一切都引起氧气消 耗量大幅增加；很多有毒的浮游生物也趁机大量繁殖，引起赤潮；氰化钾等污染物的毒 性会随着温度的升高而增加，水温升高1 0 时，毒性就增加l 倍多；大多数生物对温升 敏感，当水温升高后，有的海里生物死亡，有的生物会迁移。当废热对水体的影响比较 严重时( 温升超过4 1 2 ) 就构成热污染。就海水淡化厂来说，冷却水温度高低直接关系 到机组的产水效率，冷却用水温度每升高2 c ，产水效率要降低1 。因此，进行冷却水 的余热利用，对防止热污染，保护海域水质和海洋生态环境，节约能源，减少污染等具 有重要的科学意义。 我国属于贫水国家，滨海城市和各个岛屿地区淡水资源缺乏更是屡见不鲜。解决淡 水资源不足的方式除了传统意义上的南水北调工程、节约用水以及污水重利用之外，海 水淡化技术已经被重视。在今天，海水淡化技术已经成熟，淡水水成本成了决定其能否 广泛发展的关键。现在我国海水淡化产业，“成本过高和投资费用过高 ，一直被视为是 海水淡化难以广泛使用的重要根源。 说到产水成本，能耗是直接决定其成本高低的首要因素。几十年来，随着科技力量 的提升，产水成本的能耗指标降低了九成左右，成本随之大幅下降。传统海水淡化系统 理论上生产1t 淡化水需要的能耗为3 7 3 4k w h 3 1 ，目前国内海水淡化水的成本为5 元 m 3 左右。作者认为，该成本，可能只是单纯的工业化产水成本，尚不包括城市管道建设 费、原有系统成本费和供水企业的基本利润等。按目前国内的技术条件、产水能力、管 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理层次和产水质量，淡化水供水成本最低也得在7 8 元m 3 ，即使考虑各地相关情况及 各类政府优惠因素，目前淡化水供水成本也得5 - - 7 元m 3 4 1 。所以海水淡化系统的节能 是很有必要的! 现如今人类社会正面临着“人口数量巨大、资源极其匮乏、环境迅速恶化三大问 题。随着陆地各类资源日益减少，专家们预言：开发和利用占有地球面积七成以上的海 洋资源，将成为本世纪人类社会可持续发展和资源开发利用的重要领域。 2 l 世纪是大力发展海洋事业的一个世纪，我们既要适当保证海洋为当代人类的发 展做出新的贡献，又要绝对保证我们的子孙也能够持续开发利用海洋，这是我们这一代 人的责任。 3 海水淡化 2 1 海水淡化的重要性 第二章海水淡化 地球表面面积的2 3 被水覆盖，海水和苦咸水占水储量的9 7 ，这些水是很 丰富的。但是，要淡化过的海水才能进行工业和农业应用。经过5 0 多年的发展， 大规模海水淡化产业也已经商业化，海水淡化的技术目前的已经比较成熟，提供着大量 工业用水和1 亿多人的生活用水 5 1 。但是目前的海水淡化只能是解决一些局部地区缺水， 还没有完全普及，未能普及的原因是淡化水的成本太高，因此采用新的方法新的工艺降 低成本是当前海水淡化研究的重要课题【6 】。 以现在科技与经济技术水平来参照，海水淡化的成本还是比较高的。全世界 有一百二十多个国家和地区采用苦咸水淡化技术或海水取得淡水。据统计，海水 淡化系统与生产量以每年1 0 在左右的速度在增加。亚洲领海国家如日本、新加 坡、韩国、印尼与我国等也都积极应用和发展海水淡化做为替代水源的方法，以 增加自来水源的数量。海水淡化技术就目前来说主要有的几种方式将在下方中介 绍。海水淡化耗电耗能使得成本很高，但是现实意义却比眼前利益要大得多，从 长远角度来看，这是一种解决淡水资源的有效方法。据估计，海水淡化将会是本 世纪诞一种新型的淡水生产的未来水产业。 目前，全世界有海水淡化厂1 3 万多座，这些工厂日产淡水3 5 千万立方米左 右，作为饮用水的占其中八成，解决了近l 亿人的吃水问题，即世界上2 的人喝 海水淡化厂提供的饮用水。全世界直接利用海水淡化产水作为工业冷却水的总量 每年6 千亿立方米左右，替代了大量宝贵的地下淡水资源；海水淡化作为淡水资 源的替代和增量技术，越来越受到世界上沿海国家的大力重视；另外，全世界每 年从海洋中提盐0 5 亿吨、镁及氧化镁0 2 6 千万吨、溴2 0 万吨等 7 1 。 2 2 几种主要的海水淡化方法 将海水中的盐分去除以获得淡水的工艺过程叫海水脱盐，亦称海水淡化。从海水中 取出水，或除去海水中的盐，都可达到淡化目的。海水淡化的方法，基本上也是分为两 大类： 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一类，从海水中分离水，具体方法包括：1 蒸馏法：多级闪急蒸馏法、多效蒸发 法、蒸汽压缩蒸馏法、太阳能蒸馏法、多级多效；2 冷冻法：间接冷冻法、直接冷冻法； 3 水合物法：4 溶剂萃取法；5 反渗透法。 第二类，从海水中分离盐，具体方法包括电渗析法和离子交换法。 2 0 世纪5 0 年代以来，随着工农业的发展和城市人口的增加，有些沿海城市严重缺 水，局部地区也经常干旱，淡水供应逐渐紧张。因此，降价海水淡化成本以及提高海水 淡化的技术便成为开发新水源的重要途径之一瞵】。 2 2 1 反渗透( r o ) 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) ，在压力驱动下，水通过半透膜进入膜的低压侧， 而溶液中的其他组分( 如盐) 被阻挡在膜的高压侧并随着浓缩水排出，从而达到有效的 分离过程。海水淡化时，于海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，则海水中的纯水将 反向渗透至淡水中，此即反渗透海水淡化原理。反渗透技术具有占地面积小、投资省、 耗电低等优点，发展十分迅速。其工作原理如图2 1 所示【9 】，为了取得必要的淡化速率， 实际操作压力大于5 5 m p a ，操作压力与海水渗透压之差，即为这一过程的推动力。 图2 - l 反渗透原理图 f i g 2 - 1s c h e m a t i c o f r c v c r s eo s m o s i st h e o r e m 盐水侧的压力必须高于渗透压h ，一般情况p 在4 7 a 范围内，将维持反渗透装 置正常运行。中国辽宁省大连市石化厂建成了5 0 0 0 吨天反渗透厂。但是反渗透法也有一 些缺点，比如膜成本高，又比如海水的前处理要求严格，以及膜的生物污染等问题【1 0 】- 【1 2 1 。 2 2 2 多效蒸馏( m e d ) 多效蒸馏是使用最早的海水淡化技术，自1 9 世纪以来就有专利申请和文献报道【1 3 】。 多效蒸馏又叫多效蒸发，是一个典型的化工单元操作。因为一般蒸发过程的产品为浓缩 液，而海水淡化的产品为蒸汽凝结成的淡水，类似从蒸馏塔顶获取有价值的轻馏分，因 此多效蒸发在海水淡化领域习惯叫多效蒸馏。其历史可追溯到制糖业兴起时对糖液的浓 5 海水淡化 缩，要比多级闪蒸长得多。图2 2 为三级蒸馏淡化原理【1 4 】： 重鼻童t 图2 - 2 三级蒸馏淡化原理图 f 远2 - 2s c h e m a t i co f3d i s t i l l a t i o nd e s a l i n a t i o n 进料海水进入首级蒸发器，与此同时来自热源的蒸汽( 首级蒸汽) 加热进入首级蒸发 器中的进料海水使其汽化，产生的次级蒸汽进入次级蒸发器作为加热蒸汽，加热自首级 蒸发器来的浓缩海水，最后被冷凝成蒸馏水。汽、水流程如此往复在次级与末级蒸发器 之间进行，多级亦如此类推。 多效蒸馏技术从实际操作温度来讲，分为低温多效蒸馏和高温多效蒸馏。其中低温 多效蒸馏法基本上是多效蒸馏法淡化海水的设备主要采用的。由于该装置与海水接触的 部位有不锈钢、碳钢和铜镍合金等金属材料，海水又是一种导电性能很强的电解质，所 以，无法避免金属材料的腐蚀及管道的结垢。因此，设备的运行费用高【1 5 】。 2 2 3 低温多效蒸馏 低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度t b t 不超过7 0 0 c 的海水淡化技术， 其技术是将很多的水平管式喷淋降膜蒸发器或垂直管式降膜蒸发器采用串联方式并划 分为若干效组，把一定量的蒸汽输入系统经过多次的蒸发和冷凝，后面一级的蒸发温度 都低于前面一级，从而得到多倍于输入蒸汽量的淡化水的过程。 中国从上世纪八十年代末开始低温多效蒸馏法海水淡化技术的研究，最早主要是基 础理论研究，到九十年代时天津海水淡化研究所开展双效压汽蒸馏技术研究，在设备的 级间联接、防蚀保护和选择材料等方面取得了成果【1 6 】。 低温多效海水淡化技术的流程是这样的：排热冷凝器将进料海水预热和脱气，进料 海水之后被分成两股流体：一股流体作为冷凝液被冷却后排回海中，另外一股流体变成 蒸馏过程的进料液。加入阻垢分散剂之后的进料液被引入到热回收段各效温度最低的一 组中。喷淋系统把料液喷淋分布到各蒸发器中的顶排管上，在沿顶排管向下以薄膜形式 自由流动的过程中，一部分海水由于吸收了在蒸发器内冷凝蒸汽的潜热而汽化。被轻微 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 浓缩的剩余料液用泵打入到蒸发器的下一组中，该组的操作温度要比上一组高一些，在 新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液接着往前打，直到最后在温度最高的效 组中以浓缩液的形式离开该效组。 生蒸汽注入到温度最高一效的蒸发器管内部，在蒸发管内冷却凝结的时候，管外亦 生成了了与冷凝热量差不多等量的蒸发热量。生成的次级水为保持淡化水的纯度需要先 通过浓盐水液滴分离器，然后被引入到下一级的蒸发管内，次级管内的生产压力与温度 要比第一效的低一些。此类蒸发和冷凝过程在这一系列的串联蒸发器内重复往返进行， 每效都生成出一定量的淡化水，到达最后一效蒸发管的蒸汽冷却海水冷凝并排入海里。 第一效的水蒸汽冷凝成蒸馏水汇集到一块后，一部分又返回到蒸汽发生器，超出注入源 蒸汽量的部分则流入到一系列蒸发器的第一效中，每一个容器都连接到下一低温效的冷 凝侧。这样使一部分蒸馏水产生闪蒸并使剩余的产品水冷却下来，同时把热量传给热回 收效的主体中去。如此产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却。放出的热量提高了系统 的总效率，被冷却的蒸馏水最后用产品水泵抽出并输入到储液罐中。 这样生产出的产品水是完全的纯水，它不含任何污染物，平均含盐量大约小于 2 0 p p m 。如果安装两级捕沫网，产品水盐含量可小于5 p p m 。像蒸馏水一样，浓缩海水从 第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，闪蒸冷却以回收其热量。经过冷却之后， 浓盐水经浓盐水泵打入大海。不凝性气体从每一根冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。 这些不凝性气体最后在排热冷凝器的最冷端富集，并用蒸汽喷射器或机械式真空泵抽出 【1 7 1 。 2 2 4 多级闪蒸 多级闪蒸发法不适合苦咸水淡化，只能用于海水淡化。闪蒸是指一定温度的水在环 境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时发生的骤然蒸发现象，闪蒸后的水温度降低以 使其饱和蒸汽压与环境压力平衡。m s f 就是利用了上述道理，使加热至一定温度的盐水 依次在一系列压力逐渐降低的容器中闪蒸汽化，蒸汽冷凝后得到淡水的过程就是m s f 。 m s f 方法是从多效蒸馏海水淡化的基础上发展而来的。多效蒸馏法结垢较多，而多级闪 蒸却大大减少了垢的形成。还有一个好处就是多级闪蒸法产生的淡水价格比反渗透法的 低，因其技术成熟，目前全球还有很多国家和地区使用多级闪蒸法海水淡化系统。 现代海水淡化技术最早是从2 0 世纪6 0 年代，多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s h ，m s f ) 海水淡 化技术商业应用开始，随后发展十分迅速。1 9 7 8 年多级闪蒸发淡水产量为5 万吨天，而 7 这一数据至u 2 0 0 2 年为2 0 万吨天，至t j 2 0 0 3 年末，全球的海水淡化总装机量大概是3 7 7 5 万吨 天【1 8 】。还有相关人士估计，未来一段时期内，世界海水淡化装置的生产能力会新增3 1 千万吨天【1 9 1 。 1 1 4 1 0 9 图2 。3 多级闪蒸流程示意 f i g 2 3i n d i c a t em u l t i s t a g ef l a s hp r o c e s s l 加热器2 一热回收段3 排热段4 海水5 冷却海水6 进料海水 7 循环盐水8 一加热蒸汽9 排浓海水1 0 一蒸馏水 1 1 抽真空 图2 3 是多级闪蒸装置和相关流程图，图2 3 中所示，多级闪蒸法海水淡化装置设 备包括浓海水加热器、进出水水泵、废热排热段、盐水循环泵、不凝气排放装置、真空 系统、海水前处理设备和多级闪蒸装置热回收段等【2 0 l 。 经过预澄和液氯等预处理的海水，按工艺流程先被送入海水排热段( 3 ) 作为冷却 水，被冷却后的大部分冷却海水( 5 ) 又被返回大海中。接下来留下来的海水中的一部 分作为补给海水( 进料海水) ( 6 ) ，补给海水经前处理后，从排热段( 3 ) 末级蒸发室或 于盐水循环泵前进入闪蒸系统。 为了有效地利用热量，节省经过预处理的原料海水，提高蒸发室中的盐水流量，故 在实际生产中都是根据物料平衡将末级的浓盐水一部分排放，另一部分与补给海水混合 后作为循环盐水( 7 ) 打回热回收段( 2 ) 。循环盐水回收闪蒸淡水蒸气的热量后，再经 过加热器( 1 ) 加热，在这里盐水达到工艺要求的最高温度。加热后的循环盐水( 7 ) 进 入热回收段( 2 ) 第一级的蒸发室，然后通过各级级间节流孔依次流过各个闪蒸室完成 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 多级闪蒸，浓缩后的末级盐水再次循环。 自每级蒸发器内闪蒸出来的水蒸汽，依次通过各级的汽水分离装置，然后会进入冷 凝器的管间，被冷却凝结成淡化水。每级淡水依次通过受液盘和淡化水通道，沿着蒸发 室内压下降的方向流向最末一级，而后被抽出。海水的前处理包含海水清洁处理、防结 垢措施和防腐蚀措施等工序。 我们必须要重视的是在为了自身经济发展，保证日常生活，胜利海洋资源的同时， 也决不能忘记对环境的保护。比如，地处渤海湾内的大连港是我国有名的港口，大连市 也是风景秀丽，气候宜人的北方沿海城市。但近几年海洋运输与渔业生产之间的相互制 约越来越严重，多次出现进出港航道不通、船区被占等民事纠纷，更可气的是当地渔民 渔业生产范围仍不停向港内逼近，时不时的阻碍船支进入港口。位于渤海湾沿岸的五个 盐场和几个电厂，因为冷却和制盐会提取很多海水当做冷却水，与此同时电厂也排放大 量废热水，致使渔业生产受到大量损失。仅0 3 年的6 月份一个月就损失虾苗约3 2 7 亿 尾，少产对虾约4 千吨f 2 1 】田】。 因此，进行冷却水的余热利用，不但可以防止冷却水对海水的热污染，保持海域水 温稳定和保护生态环境，并且能节约矿物燃料，减少矿物燃料燃烧从而减少大气污染等 具有重要的科学和社会意义。 9 用于海水淡化系统的新型热泵机组 第三章用于海水淡化系统的新型热泵机组 热泵，作为一个专业术语，是将热量从低温位输送到高温位的机组。按照热力学原 理来讲，制冷机就是热泵的一种形式。热泵在日常生活中处处可见，如空调、家用冰箱 等都是按照热泵原理进行工作的。自然规律是这样的，流水从高处流向低处，但我们通 过水泵可以实现水由低处输送到高处。根据热力学第二定律，同样在自然规律下，热量 只能由高温物体传向低温物体，但通过热泵一样可以将热量从低温物体传向高温物体， 可见热泵只是起到搬运能量的作用，并不是产生或创造能量。 利用热泵循环的海水淡化系统，是把多效海水淡化系统的高温级作为热泵的高温热 源，即把原来直接用锅炉加热海水的热量作为热泵的驱动热源，低温级作为热泵的低温 热源，即把末效水蒸汽当作热泵的余热源，利用热泵吸收出低温热源的热量，输送到高 温热源，作为海水淡化的原加热热源【2 3 】。 利用热泵循环的海水淡化系统可以回收低温末效蒸汽的热量，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。 3 1 国内外对热泵应用于海水淡化的研究 在国内外海水淡化领域内，对吸收式热泵机组的研究越来越得到重视。很多学者结 合热泵机组对海水淡化作了一些实验与研究，主要集中在对各种热泵机组在海水淡化中 节能的研究，也有少数学者也开发出了新的海水淡化装置。下面对研究进展情况做简要 阐述： 3 1 1 吸收式热泵与海水淡化系统 中国科学院工程热物理研究所的宿建峰、韩巍、金红光等提出低温多效海水淡化与 双效并联溴化锂吸收式热泵有机结合的新系统( 1 月- m e d a h p ) ，阐述系统集成构思与 特点，模拟分析系统性能特性，同时利用e u d 分析方法揭示出关键过程中的节能机理 【2 们 o 由清华大学核能技术设计研究院的苏庆善等探讨一种用蒸馏法进行海水淡化的工 艺流程：其热源部分是棱供热反应堆以核代替有机燃料；淡化厂的传统材料用低温的 铝材，为了实现热力参数的转换而又有较大产水比采用溴化锂( l i u r ) 吸收式热泵的蒸汽 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 转化工艺流程 2 4 1 。 西安交通大学能源与动力工程拥有多相流国家重点实验室，其中王金华，严俊杰， 邵树峰，刘继平以及陕西银河榆林发电有限公司的胡党辉共同努力结合多级闪蒸( m s f ) 和低温多效蒸馏海水淡化技术( l t m e d ) 的优点，提出了一种改进型的多级闪蒸海水淡 化系统( m s f e ) ，并从理论上探讨了m s f e 系统的造水比、年平均淡化水成本等经济 性指标2 5 1 。 以上学者的研究各自采用了不同机组与海水淡化结合而形成了新型的海水淡化设 备，但他们的研究或对余热利用不够或对热泵机组的利用仍未达到最大优化，因此开发 和利用一种新型溴化锂吸收式热泵机组意义重大。 3 1 2 结合双效吸收式热泵的新型海水淡化系统 中国科学院工程热物理研究所的宿建峰、韩巍、金红光等提出低温多效海水淡化与 双效并联溴化锂吸收式热泵有机结合的新系统( i ，t _ 】e d a h p ) ，阐述系统集成构思与 特点，模拟分析系统性能特性，同时利用e u d 分析方法揭示出关键过程中的节能机理。 高温蒸汽输入热泵子系统，提升了海水淡化子系统末效产生蒸汽的品位，研究表明，新 系统生产单位淡水的能耗比传统的蒸汽喷射器集成方式( l 川e d _ ，c ) 降低了 3 5 6 。 图3 1 为新系统的流程，该系统由a h p 与l t m e d 两个子系统组成，a h p 子 系统为双效并联形式，i t - m e d 子系统为简化的等流量入料方式。末效产生的低品 位蒸汽，部分进入a h p 子系统的吸收器。在吸收器中，溴化锂浓溶液( 1 1 ) 吸收蒸汽( 1 8 ) ， 变为稀溶液( 3 ) ，放出的吸收热被淡水( 1 5 ) 带走。稀溶液经泵加压后分两支，分别流经高、 低温热交换器后进入高、低压发生器。在高压发生器中，热源( 1 ) 加热稀溶液( 5 ) ，产生 的高温蒸汽( 1 2 ) 进入低压发生器中加热稀溶液( 6 ) ，产生低温蒸汽( 1 6 ) 。溴化锂浓溶液分 别经热交换器进入吸收器，完成溴化锂溶液循环。发生器的驱动蒸汽的凝结水闪蒸出的 蒸汽( 1 9 ) 与蒸汽( 1 6 、1 4 ) 汇合，共同进入i ，t _ m e d 子系统的第l 效。 用于海水淡化系统的新型热泵机组 蒜 热 换 a h p y - 系统l m e d t 系统 图3 1l t - m e d - a h p 系统示恿图 f i g 3 1s c h e m a t i co fl t - m e d - a h ps y s t e m a h p 子系统产生的蒸汽( 6 7 ) 加热进入i ，t - m e d 子系统第1 效的海水，海水吸热后 部分气化，产生的蒸汽进入海水淡化的第2 效继续利用。经第1 效蒸发后的海水进入第2 效，进行闪蒸，闪蒸产生的少量蒸汽与第2 效海水蒸发产生的蒸汽，共同进入第3 效，过 程依次进行。最后一效产生的蒸汽分为两支，分别进入吸收器和凝汽器中。被加热的海 水，等流量分配到i t - 加d 子系统的各效。从i 小1 怔d 子系统最后一效流出的浓缩海 水，排入大海；从各效流出的淡水汇合后输送给淡水用户。 3 1 3 吸收式热泵与海水淡化系统机组的优化与研究 大连理工大学动力工程系杨洛鹏，沈胜强，与德国不莱梅大学的克劳根特斯同共 提出了两级吸收式热泵多效蒸发海水淡化工艺流程，并建立了系统的数学模型。计算分 析了溴化锂溶液浓度和加热蒸汽温度对系统的造水比、生产单位淡水所需传热面积和吸 收式热泵的热力系数的影响【2 6 】。实际上，这篇文章中的两级吸收式热泵实际应该为双 效吸收式热泵，因为它不是以提高温度变化范围为改进措施的，所以应该是双效热泵。 大连理工大学动力工程系杨洛鹏和沈胜强，与德国不莱梅大学的克劳根特斯和 g e n t h n e rk 针对海水淡化供热联产机组的特点，采用汽轮机变工况分析理论、等效焓 降法和循环函数法，建立了分析计算矩阵模型，总结出用于海水淡化的抽汽对供热机组 发电和供热两方面以及制水成本影响的分析步骤及计算方法 2 7 - 2 9 3 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 将一种异类复合热泵机组应用于海水淡化系统 上述国内外学者对机组的优化与研究只是针对传统机组进行的，即便是结合了双效 吸收式热泵来进行海水淡化也仍是对传统机组而言，所以对一种新型机组与海水淡化结 合及对其优化分析非常有意义。同时，图3 1 又给我们一个很好的启示：产生的中温 淡水也有一部分热量。做为一个大型海水淡化厂区，这部分中温淡水的流量是相当大的， 所以也很有利用的价值，当用在多级闪蒸海水淡化系统中时，这部分热量却面临温度太 低无法利用的窘境，传统单一热泵机组也无法将这部分热量利用起来，考虑到既能避免 能源浪费又防止热污染，新型热泵机组的引用是最好的选择。 3 2 1 异类复合热泵机组的结构与流程 图3 2 开式异类复合热泵机组示意图 f i g 3 - 2s c h e m a t i co f o p e nh e t e r o g e n e o u sc o m p o s i t eh e a tp u m pu n i t s 1 3 。 用于海水淡化系统的新型热泵机组 a 一高压发生器& 一高压冷凝器c 一高压吸收器 ( ；一溶液泵蝴剂液泵i - 一第二溶液泵 k 第三溶液热交换器m 节流阀 d 吸收器量h 殳生器f 冷凝器 j 二第一溶液热交换器k 一第二溶液热交换器 此机组为开式异类复合热泵机组【刈。是由一个两级第一类吸收式热泵与一个单级第 二类吸收式热泵复合而成，它们共用一个吸收器( d ) ，吸收器( d ) 结合发生器( e ) 、 冷凝器( f ) 、第一溶液泵( g ) 、第一溶液热交换器( j ) 与冷剂液泵( h ) 组成开式 单级第二类吸收式热泵；吸收器( d ) 结合高压发生器( a ) 、高压冷凝器( b ) 、高压 吸收器( c ) 、第二溶液泵( i ) 、第二溶液热交换器( k ) 、第三溶液热交换器( l ) 与节流阀( m ) 组成开式两级第一类吸收式热泵。 结构上，高压发生器( a ) 有冷凝蒸汽管道连通高压冷凝器( b ) ，高压发生器( a ) 有浓溶液管道经第三溶液热交换器( l ) 连通高压吸收器( c ) ，高压吸收器( c ) 有浓 溶液管道经第二溶液热交换器( k ) 连通吸收器( d ) ，吸收器( d ) 有稀溶液管道经第 二溶液泵( i ) 、第二溶液热交换器( k ) 、第三溶液热交换器( l ) 连通高压发生器( a ) ； 发生器( e ) 有冷凝蒸汽管道连通冷凝器( f ) ，发生器( e ) 有浓溶液管道经第一溶液 泵( g ) 、第一溶液热交换器( j ) 连通吸收器( d ) ；高压冷凝器( b ) 有冷凝水管道经 节流阀( m ) 连通吸收器( d ) 和吸收器( d ) 有冷剂蒸汽连通高压吸收器( c ) ；吸收器 ( d ) 有余热蒸汽与外部连通，高压冷凝器( b ) 有冷凝水管道与外部连通，冷凝器( f ) 有冷凝水管道经冷剂液泵与外部连通，高压发生器( a ) 还有驱动热介质管道与外部连 通，发生器( e ) 还有余热介质管道与外部连通，吸收器( d ) 、高压吸收器( c ) 、高 压冷凝器( b ) 还有被加热介质管道与外部连通。 流程上，高压发生器( a ) 为高压冷凝器( b ) 提供冷凝蒸汽，高压发生器( a ) 经 第三溶液热交换器( l ) 向高压吸收器( c ) 提供浓溶液，高压吸收器( a ) 经第二溶液 热交换器( k ) 向吸收器( d ) 提供浓溶液，吸收器( d ) 经第二溶液泵( i ) 、第二溶 液热交换器( k ) 、第三溶液热交换器( l ) 向高压发生器( a ) 提供稀溶液；发生器( e ) 为冷凝器( f ) 提供冷凝蒸汽，发生器( e ) 经第一溶液泵( g ) 、第一溶液热交换器( j ) 向吸收器( d ) 提供浓溶液；高压冷凝器( b ) 有冷凝水经节流阀( m ) 流经吸收器( d ) 吸热成冷剂蒸汽向高压吸