（化学工程专业论文）t形管沸腾传热强化海水淡化器研究.pdf

摘要 摘要 地球上水资源有限 近年来全球性淡水资源的开发日趋枯竭 而人口的膨胀 生活方式的改变 淡水的污染和大量不合理用水使人类对水的需求量却与曰俱 增 因此 开发和寻找新的淡水资源已成为人类迫在眉睫的问题 这是决定人类 社会向前发展至关重要的因素之一 人类较早就已经学会淡化海水 苦咸水 淡 化 向大海要淡水也已经成为当今世界各国的共识 海水淡化技术是近年来开发新水源诸多方法中最受关注的方法之一 当前的 海水淡化技术主要包括蒸馏或蒸发法 多级闪蒸 多效蒸发 压汽蒸馏 反渗透 法 电渗析法 这些技术已在世界各地因地制宜的得到了比较广泛的研究和应用 在蒸馏法淡化海水过程中 进行海水受热沸腾和蒸汽放热冷凝的两个有相变 的传热过程 因此海水淡化蒸发过程的传热强化与有相变化的传热强化密切相 关 强化相变传热的研究已经取得了很大的进展 t 形翅片管由于其加工简便和 具有良好的沸腾传热性能 已经成为近年来国际上主要的沸腾强化管之一 t 形 管能够显著提高沸腾给热系数 其表面活化孔提供气泡成核的有利条件 充分与 传热面接触并强烈对流传热 故传热膜系数大 目前蒸馏法海水淡化技术应用较广 但突出问题就是能耗较高 长期运行结 垢较严重 近年来 强化传热技术被引用到蒸馏法中 取得了较好的效果 本研 究采用t 形强化传热管代替传统光滑管 实验结果表明 采用了t 形强化管后 过热度由光滑管的8 摄氏度左右降低到5 摄氏度左右 管外传热膜系数增大了约 8 0 由于过热度较低 故抗海水结垢能力大大增强 长期运行 热阻仅增加 1 5 左右 相比之下 光滑管要增加1 0 0 综合性能来看 采用t 形管强化海 水沸腾过程 无需增加操作功耗 将会大大降低海水淡化能耗 节约成本 有很 好的工业应用前景 关键词 海水淡化 蒸馏法 强化传热 t 形管 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r al i m i t e df i n i t er e s o u r c e w h i c hi sv i t a lf o rt h ee x i s t e n c eo fe v e r yl i f eo n e a r t h w h i c hi san e c e s s i t yf o re c o n o m i c a n ds o c i a ld e v e l o p m e n t a n dw h i c hi so n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o r so fe n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y i sb e c o m i n gas c a r c e c o m m o d i t yt o d a y t h i si s c a u s e db yt h eg r o w t ho fp o p u l a t i o n c h a n g eo fl i f e s t y l e w a t e rp o l l u t i o nh u m a ni n t e r v e n t i o n a n di n e f f i c i e n tu s e so fw a t e r w i t h o u t a n y c o n s i d e r i n gf o rf u r t h e rf u t u r e t h ed e s a l i n a t i o no fs e ao rb r a c k i s hw a t e ro f f e r s a n a l t e r n a t i v es o l u t i o ne f f e c t i v e l y w h i c hh a db e e np r a c t i c e ds i n c ea n c i e n tt i m e s a n d t h ep r o c e s s e sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d c o n d u c t e da sas o u r c ef o r p o t a b l ew a t e r t h ec o m m o nt e c h n o l o g i e sf o rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o na d o p t e dn o wd a y s w e r e b a s e do ne v a p o r a t i o na n dm e m b r a n e s e p a r a t i o n s u c ha sm u l t i s t a g ef l a s hd i s t i l l a t i o n m u l t i p l e e f f e c t d i s t i l l a t i o n v a p o rc o m p r e s s i o n d i s t i l l a t i o n r e v e r s eo s m o s i s e l e c t r o d i a l y s i s t h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o df o rd e s a l i n a t i o no fs e a w a t e rw a sd i s t i l l a t i o n w h e ns a l i n es o l u t i o n sa r e b o i l e d t h ev a p o rc o m i n go f fi sp u r e w a t e r v a p o r c o n t a i n i n gn os a l tt h o r o u g h l y t h es a l tr e m a i n si nt h en o n e v a p o r a t e ds o l u t i o n t h e s e p a r a t i o np r o c e s s i s h i g h l ye f f i c i e n t a n dt h ev a p o u ri s e a s i l ys e p a r a t e df r o mt h e s o l u t i o n t h e r ea r et w op h a s e c h a n g i n gp r o c e s s e si nd e s a l i n a t i o no fs e aw a t e r b o i l i n g a n dc o n d e n s a t i o n t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti nt h e p h a s ec h a n g i n g p r o c e s sb yu s i n gf i n n e dt u b e sw a ss t u d i e dn u m e r i c a l l y t h es h a p etf i nt u b ei s p r i m a r ye n h a n c e ds u r f a c et u b ed u et o i t s e a s i l ym a c h i n i n ga n dw e l lh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e h o w e v e r t h e d e s a l i n a t i o n p r o j e c t s a r es t i l ln o t v e r yc h e a p t ob e e a s i l y a c c o m m o d a t e db yt h ee c o n o m i e so f m a n yc o u n t r i e s b e c a u s ee n e r g yc o n s u m p t i o ni s s t i l l c o m p a r a t i v e l yh i g h a n dt h e s c a l e f o r m i n gi ss e r i o u s u n f o r t u n a t e l y a l lt h e c u r r e n td i s t i l l a t i o n s y s t e m sd e s i g n e d a r e u s i n gs m o o t h p l a i n s u r f a c e t u b e s e n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n i q u ec a nb eu s e dw i t h a n yh e a te x c h a n g e r r e c e n t l y t h e t e c h n o l o g yo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti su s e di nd e s a l i n a t i o n t oi m p r o v et h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h ei d e ao f u s i n ge n h a n c e dt u b eh a sas p e c i a lt s u r f a c e g e o m e t r yp r o v i d e s a h i g h e r h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h a nat r a d i t i o n a l s m o o t hs u r f a c e t u b e s e x p e r i m e n t s c a r r i e do u ts h o w e dt h a tt h e o v e r h e a t i n g t e m p e r a t u r eh a sr e d u c e dt o5 t h a ns m o o t hs n r f a c et u b e s 8 a n dt h ef i l mh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to u t s i d et h et u b ei s1 8t i m e so ft h a to fs m o o t hs u r f a c et u b e sb v i i a b s t r a c t u s i n gs h a p e tf i nt u b ei n d i s t i l l a t i o n s i m u l t a n e o u s l y t h e t h e r m a lr e s i s t a n c e a u g m e n t so n l y 15 p e r c e n t c o m p a r e dw i t ht h e s m o o t hs u r f a c et u b e s t h et h e r m a l r e s i s t a n c e a u g m e n t s 10 0 p e r c e n t t h es h a p e tf i nt u b eh a s g o o dc a p a c i t y f o r a n t i s c a l i n g f r o m t h eo v e r a l l v i e w b yu s i n gt h es h a p etf i nt u b e t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no f t h ed e s a l i n a t i o no fs e ao rb r a c k i s hw a t e rc o u l db ed e c r e a s e ds h a p e l y b e c a u s en oa d d i t i o n a ln e tw o r ki s n e e d w h i c hi sp r o s p e c t i v ea n dc o s te f f e c t i v ef o r i n d u s t r i a l i z e dp l a n t s k e y w o r d s d e s a l i n a t i o no fs e a w a t e r d i s t i l l a t i o n h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t s h a p et f i n t u b e 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 仨良 孑 日期 哆年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密臼 请在以上相应方框内打 4 作者签名 导师签名 张良簪 仰圻 日期 刈年 月厂日 日期 哪年 月6 日 篁 耋圣垒二墼二 一 第一章绪论 1 1 海水淡化的意义 地球的总面积约为五亿一千万平方公里 其中海洋面积占7 0 8 海洋的平 均深度约为3 8 0 0 米 所以海水的总体积约为十三亿平方公里 海水占地球总水 量的9 7 以上 其余约3 的水量 分布在空气 江河 湖泊 冰川及地下 水 源分布及水质情况如表1 1 所示 一般应用对水质的要求如表1 2 所示 2 1 世纪将是水的世纪 2 0 世纪初 国际上就有 1 9 世纪争煤 2 0 世纪争石油 2 1 世纪争水 的说法 第4 7 届联合国大会更是将每年的3 月2 2 日定为 世界水日 号召世界各国对全球普遍存在的淡水资源紧缺问题引起高度警觉 从全球范围 来看 根据联合国统计 全球淡水消耗量2 0 世纪初以来增加了约6 7 倍 比人 1 2 1 增长速度高2 倍 全球目前有1 4 亿人缺乏安全清洁的饮用水 即平均每5 人 中便有1 人缺水 估计到2 0 2 5 年 全世界将有近1 3 的人口 2 3 亿 缺水 波 及的国家和地区达4 0 多个 中国是其中之一 中国被联合国认定为世界上1 3 个最贫水的国家之一 我国淡水资源总量名列世界第六 但人均占有量仅为世界 平均值的l 4 位居世界第1 0 9 位 而且水资源在时间和地区分布上很不均衡 有1 0 个省 市 自治区的水资源已经低于起码的生存线 那里的人均水资源拥 有量不足5 0 0 立方米 目前我国有3 0 0 个城市缺水 其中1 1 0 个城市严重缺水 他们主要分布在华北 东北 西北和沿海地区 水已经成为这些地区经济发展的 瓶颈 2 0 1 0 年后 我国将进入严重缺水期 有专家估计 2 0 3 0 年前中国的缺水 量将达到6 0 0 亿立方米 因此 为保证我国经济的可持续发展 淡水资源问题的 解决已迫在眉睫 表1 1 和表l 一2 列出了全球的水源分布和水质情况 水量 水源分布 水质 含盐量p p m 体积 1 0 9 m 3 空气中水量1 2 9 0 0 0 0 0 1 地 江河2 3 0 0 0 00 0 1 71 0 0 一5 0 0 表 冰川2 9 1 2 0 0 0 02 1 5 7 水 海洋1 3 1 8 7 2 0 0 0 09 7 22 8 0 0 0 3 5 0 0 0 地下水8 6 1 6 6 0 00 6 2 53 0 0 1 0 0 0 0 合计 13 5 6 6 9 9 5 0 01 0 0 表1 1 水源分布 华南理工大学工学硕士学位论文 应用范围 水质要求 p p m 饮用 5 0 0 工 业l 3 0 0 0 农业 3 0 0 0 表1 2 水质情况 解决淡水紧缺问题有很多途径 核心原则是 开源节流 地表水资源较丰 富地区 可建蓄水工程 地表水资源贫乏地区 可实施跨流域调水 海水和苦咸 水淡化 此外还有废水利用 治理水污染 节约用水等 开源 方面 在我国 地下取水已受到越来越多的限制 为此几十年来兴 建了一批大型蓄水工程和跨流域调水 并大力提倡和推动污水回用和水的再利 用 但兴建新的蓄调水工程 投资比过去大大增加 而跨流域引水则随着调水距 离越来越远 调水成本越来越高 加上被引水地区的环境危害和间接经济影响以 及引水的质量问题 远距离调水的传统办法正受到越来越多的质疑 而最为关键 的是 这些措簏并没有从根本上增加淡水资源的总量 我国淡水紧缺的问题依然 十分严峻 我国海岸线的总长为3 2 6 4 7 公里 被列为海洋大国 而且沿海和中 西部地区拥有极为丰富的地下苦咸水资源 在地下取水和跨区域调水受到越来越 多的条件限制的情况下 开发利用海水和苦咸水资源 进行海水 苦咸水 淡化 就成为开源节流 解决我国淡水紧缺的一条有效的重要战略途径 而且 发展海 水 苦成水 淡化技术 向大海要淡水也已经成为当今世界各国的共识 为了解决淡水资源不足问题 一般采取如下措施 1 充分利用现有的地表水及地下水 2 重复使用未污染的工业用水 3 就近引水或跨流域引水 4 在河口 海湾蓄积淡水或修建水库蓄水 5 为了减少用水量 也有研究防止水面蒸发和直接利用咸水 包括海水 进行农业灌溉等 6 海水淡化 1 2 海水淡化技术简介 从海水中取出水 或除去海水中的盐 都可达到海水淡化的目的 实际上海 水淡化的方法 基本上也是分为这两大类 目前应用的淡化方法中 以前一类为 主 1 2 1 蒸馏法 2 第一章绪论 蒸馏法是将海水加热汽化 再使蒸汽冷凝而得淡水 蒸馏法是最早采用的淡 化法 其优点是结构简单 操作客易 所得淡水水质好等 根据所用能源及流程 设备不同 又可分为以下四种主要形式 1 2 1 1 多效蒸馏法 1 l l u i t ip iee f f e c td is t ii a t j o r 缩写m e d 1 流程如图1 一l 所示 将多个蒸发器串联 原料海水进入第一蒸发器 由加 热蒸汽间接加热 产生得蒸汽称为二次蒸汽 引入下一蒸发器作为加热蒸汽使用 浓海水也依次进入下一蒸发器进行蒸发 串联蒸发器的个数称为效数 最末一效 与减压系统相连 以保证浓海水沸点由首效至末效逐效降低 从而实现前一效中 二次蒸汽对后一效浓海水的加热作用 自二效以后 各效得冷凝水 即为产品淡 水 雌d 的优点是热利用效率高 缺点是锅垢严重 设备费用较高 m e d 主要有 水平管式 t h e 和垂直管式 v t e 两种 与m s f 相比 其节能优势明显 制水 成本低 可利用低温热源 在较低温度运行 水平管式首效温度约6 5 结垢 现象不明显 m e d 与热泵结合 可提高造水比 降低能耗 减少效数 现已投入 使用的蒸汽热泵多效蒸发 m e d t v c 单机容量达到1 0 0 0 0 m 3 d 机械式热泵多 效蒸发 m e d m v c 最大单机容量仍较小 约1 5 0 0 m 3 d 但其电耗较低 海 图1 1 多效蒸馏法 冷却水 水 1 2 1 2 多级闪急蒸馏法 m u i t is t a g ef ia s hd is t ijia t i o n 缩写m s f 流程如图1 2 所示 海水先经加热 然后引至一个压力较低的设备中使之 骤然蒸发 依次再进入压力更低的一级骤然蒸发 产生的蒸汽在海水预热管外冷 凝而得淡水 方法的特点是加热与蒸发过程分离 结垢较轻 设备构造较简单 华南理工大学工学硕士学位论文 费用较低 特别适合于大规模生产 缺点是盐水循环量大 操作费用较高 3 现代m s f 已实现大型化 基本技术与早期相同 己取得的发展成就主要集中 在系统控垢 防腐选材 装置开发及辅助设备改造等方面 现多采用 双目的 运行方式 即发电厂与淡化厂合建 充分利用汽轮机低压蒸汽作为淡化热源 大 大降低汽轮机冷凝系统的造价和制水成本 水价可下降5 0 甚至更多 具有显 著的经济效益和社会效益 m s f 装置级数 般可达3 0 一4 0 级 现运行最大的海水淡化厂是香港淡化厂 规模为1 8 0 0 0 0 m 3 d 最大的m s f 单机建于阿布卡比和巴林 单机容量为1 0 0 0 0 0 m 3 d 中东的阿拉伯海湾m s f 海水淡化容量占世界m s f 海水淡化容量的8 0 约为6 x1 0 m 3 d 冷 图1 2 多级闪级蒸馏法 海水 浓海水 淡水 1 2 1 3 蒸汽压缩蒸馏法 v a p o rc o m p r e s s i o nd is t i a t i o n 缩写v c 原理如图1 3 所示 海水先经预热 至蒸发器中受热汽化 产生的二次蒸 汽经压缩后 又返回蒸发器夹套冷凝 这样就供给了过程所需能量 方法的特点 是除开工之初需辅助热源产生蒸汽作为起动外 不需要外部热源 其优点是热功 效率高 缺点是锅垢危害严重 3 4 第一章绪论 二次蒸汽 淡水 海水 浓海 水 膜糯 1 1 r l l 一 i 一一 图1 3 蒸气压缩蒸馏法图1 4 反蒸馏法 产品 懈 统 1 2 2 反渗透法 r e v e r s eo s m o s js 缩写r 0 当海水与淡水以半透膜隔开时 淡水便会自动向海水一侧渗透 若于海水一 侧施加大于海水渗透压 约2 5 大气压 的外压 则海水中的纯水将反渗透至淡 水中 此即反渗透法淡化原理 如图1 4 所示 反渗透法的特点是过程中没有水相的变化 所以能量耗费较少 而对有机杂 质与不带电荷的杂质 同样能达到分离效果 但受高压操作和半透膜的性能限制 使单个淡化器产量不能太大和原水浓度不宜过高 1 1 2 3 电渗析法 e ie c tr o d ia iv s is 阴离子交换膜与阳离子交换膜相间排列 隔成多个区间 海水充满于间隔中 在外加直流电场作用下 阴 阳离子分别透过阴膜和阳膜 从而使一区间海水淡 化 而其相邻区间的海水被浓缩 淡水与浓水得以分离 其特点是从海水中除去盐离子 能量转换方式合理 用于含盐量5 0 0 0 p d m 以下咸水的淡化 较其他所有淡化方法都经济 但不能除去不带电荷的杂质 且 经济效果随含盐量的增加而显著降低 1 1 2 4 方法总结 目前 世界上有1 0 5 个国家的1 7 5 家公司从事脱盐 阿拉伯海湾拥有近6 0 的脱盐容量 多级闪蒸 m s f 和反渗透 r o 占总脱盐容量的9 2 其中m s f 占6 9 r o 占2 3 剩余部分是其他蒸馏过程 电渗析 e d 和冰冻淡化法 在海水淡化脱盐容量中 m s f 占8 5 淡化容量达7 5 1 0 6 m 3 d 居于当前海 水淡化领域的主导地位 下表总结了以上各种方法的特点 华南理工大学工学硕士学位论文 脱盐产品水质 分类原水浓度 能耗最佳应用领域 率 m g l 多级闪蒸不限较高 5较低水质要求高 有余热 废热的地区 多效蒸馏不限较高 1 0 较低水质要求高 有余热 废热的地区 蒸汽压缩不限较高 1 5低无热源的海岛 蒸馏 反渗透 2 0 0 0 0中等1 5 0 1 0 0 0较低生活饮用 一般工业用水 电渗析 2 0 0 0 低 1 0 0 0 较低一般工业用水 表1 3 海水淡化方法比较 1 3 海水淡化发展状况 海水淡化的发展历史 可以追溯到很久以前 早在公元前四世纪 亚里士多 德采用封闭容器蒸发咸水获得淡水 l8 6 9 年英国人在亚丁湾建造了蒸馏装置 为船只提供淡水 真正的海水淡化技术研究从2 0 年代开始 4 0 年代进入应用领 域 6 0 年代后大幅度增长 据统计 全世界海水淡化装置7 0 年代中期可日产淡 水2 0 0 万立方米 1 9 8 0 年可达7 2 8 立方米 8 0 年代末有脱盐装置7 5 3 6 座 总 装机容量达1 3 2 9 万立方米 截止1 9 9 7 年1 2 月3 1 日 世界各国日产1 0 0 吨以 上的脱盐设备累积已达1 2 4 5 1 台 总产水能力为2 3 0 0 万吨 日 我国于6 0 年代开始研制蒸馏淡化装置 到现在已研制和生产了近千台各式 蒸馏淡化器 单机日产水能力近百立方米 装置形式有真空沸腾 多级闪蒸 压 汽蒸馏等多种 1 9 7 4 年在天津建立了日产1 0 0 立方米的多级闪蒸实验装置 实 验时 日产淡水7 2 立方米 1 9 7 7 年大连工学院建成了日产1 0 立方米的竖管多 效多级蒸发模拟装置 1 9 8 6 年天津大港发电厂从美国引进2 台每台日产淡水 3 0 0 0 立方米的多级闪蒸装置 9 0 年代我国第一台日产3 0 立方米的低温机械压 汽淡化装置在大连长海县投入运行 7 0 年代中期开始应用太阳能淡化技术 最 初用于甘肃的苦咸水地区 以后分别在南海歧洲岛和西沙建立两台日产水能力分 别为1 0 立方米和o 2 立方米的直接蒸馏装置 1 9 8 2 年又在浙江建成日产2 3 立 方米装置一台 1 9 6 5 年开始研究反渗透法 己用于苦咸水淡化 工业用水和高 纯水制备 但尚未用于海水淡化 1 9 5 8 年开始研究电渗析技术 1 9 7 4 年建成日 产7 立方米电渗析装置 供海军使用 1 9 7 7 年在浙江进行了风力发电电渗析海 水淡化实验 日产淡水2 4 立方米 1 9 8 4 年援助马尔代夫建成了日产5 0 立方米 的电渗析淡化厂 中国是继美 法 日 以色列等国之后研究和开发海水淡化先 进技术的国家之一 继西沙群岛日产2 0 0 吨电渗析海水淡化装置成功运行后 又 先后在舟山建成了日产5 0 0 吨反渗透海水淡化站 在大连长海建成日产1 0 0 0 吨 6 第一苹绪论 海水淡化站 目前 我国最大的日产1 8 0 0 0 吨苦咸水淡化工程在河北沧州建成 投产 国外海水淡化技术较先进的国家 有美国 英国 法国 日本 以色列 沙 特阿拉伯等国 目前国内外关于海水淡化的研究 重点集中在下列几方面 1 有关蒸馏法的热力学及流体力学等基础理论的研究 2 传热管和蒸发罐的材料选择和设计 3 海水预处理和锅垢控制的研究 4 高流速长管式多级闪蒸蒸馏装置的研究 5 海水淡化用的反渗透膜的研制及反渗透工艺设备的研究 6 高温电渗析海水淡化方法的研究 7 直接接触冷冻法应用研究 8 淡化的最佳条件的选择及控制 9 核能与蒸馏法的综合利用相结合的大型淡化装置的开发 1 4 海水淡化的理论耗能量船3 海水淡化是分离海水中盐与水的过程 可以通过气 液 固之间的各种相变 化过程 来实现分离的目的 但不管采用何种方法 或是经过何种途径 盐与水 的分离是一反自发过程 必须消耗一定的能量 而从热力学角度考虑 这些过程 的理论耗能量 即最小功 都相等 在恒温恒压下 将1 克分子的水从大量的海水中可逆的取出 在可逆的放入 纯水中 此过程所需要的最小功w 就等于l 克分子水 在纯水与海水中自由 能g 的差值 即 鼻 w 嚷水一g 壕水2 g r t i n a 海j r t i n 警 海水 1 1 式中 a 演水一水的活度 a 海水一海水的活度 r 一气体常数 一绝对温度 g 一标准态水的自由能 根据活度的定义 纯水的活度为1 海水中水的活度可近似用克分子分数表 示 即 一 海水一而i 卜2 式中n 一水的克分子数 7 墼丝垄兰耋些丝丝圣 一 n 一海水中电解质克分子数 按氯化钠计算 将式 1 2 代入式 1 1 中 则得 w r t i n r t i n 1 争 2 n 1 3 因为n n 上式可近似写成 w 2 r t n n 1 4 如果是白海水中取出1 0 0 0 克水 则n n m 得w 2 r t m 1 5 式中m 一电解质在海水中的重量克分子浓度 如果海水的氯度为1 9 0 0 则每公斤海水中含有1 1 2 3 克离子 若都按氯 化钠计算 则海水的重量克分子浓度为0 5 6 l m 在2 5 时 每取出1 0 0 0 克水 所需的最低能量为 w 2 r t m 2 8 3 1 4 2 9 8 1 6 0 5 6 1 2 7 8 1 0 3 j k g 若取出一吨水 则消耗的能量为 w 2 7 8 x 1 0 3 x 1 0 3 j t o n 2 7 8 1 0 6 j t o n 2 7 8 1 0 6 上 3 6 x 1 0 6 0 7 2 2 k w h t o n 实际淡化过程 不是从大量海水中取出水放到纯水中 而是将浓度为c o 的 海水 淡化成浓度为c l 的淡水和浓度为c 2 的海水 即 海水 c o 一淡水 c 1 浓海水 c 2 此过程所需的能量 与三者的浓度有关 需要的最小功 等于盐和水在终态 与始态的只由能之差 矿 g 1 盐十n 2 g 2 盐一n o g 0 0 n i g l n 2 g n o g o 1 6 式中 n i n 2 n o 一淡水 浓海水 海水中电解质的克分子数 n 1 n 2 n o 一淡水 浓海水 海水中水的克分子数 g j t g 2 g 一淡水 浓海水 海水中盐的自由能 g l g 2m g o 淡水 浓海水 海水中自由能 设海水中的盐都是氯化钠 并且完全电离 活度近似用克分子浓度c 代替 则自由能可写为 g 盐 g 兰 2 r 刀邶 啄5 哦0 r t i n 而n 嚷 2 r t 号 第一章绪论 s e e 目自 e 自 e 日e e 1 1 日l i i i m e b e e 式中 罐 嗾一标准状态盐 水的自由能 因为终态的浓海水与淡水中的盐和水的总量 等于始态海水中的量 所以有 n l 1 1 2 2 n o 和n i n 2 2 n o 将这些关系代入式 1 6 中 经简化后得 w a g 2 r t r 6 l n l n 2 l n 三呈 0 0c o 1 7 此即为海水淡化理论耗能量的计算公式 假设在2 5 时 淡化前后各种浓度为 c 0 3 4 0 0 0 p p m 0 5 8 2 m c l25 0 0 p p m 0 0 0 8 5 5 m c 2 21 3 6 0 0 0 p p m 2 3 2 8 m 取淡水1 升作为计算基准 则 n i o 0 0 8 5 5 克分子 设每得到1 升淡水 同时可得到x 升浓海水 则 瓴 q x c 2 一c o x 鱼二 0 582 0 00855 0 3 2 8 6 c 2 一厶 2 3 2 8 0 5 8 2 n 2 2 3 2 8 x0 3 2 9 6 o 7 6 4 9 克分子 缈 2 r 啊i n 卫 盯2 l n 兰 c oc o 2 x 8 3 1 4 2 9 蛇 0 0 0 8 5 5 2 3 0 3 l o g 面0 0 0 8 5 5 0 7 6 4 9 2 3 0 3 l o g 焉 5 0 7 7 x 1 0 3 j o 淡水密度为1 0 9 c m 3 则生产1 吨淡水所需最小功为 5 0 7 7 枷3 1 1 0 3 x 菇丽1 i 4 1 k w 矗 加珂 即理论耗能量约为1 4 1 k w h t o n 实际上目前各种淡化方法 本体所需的 能量 都远远大于此值 除了实际情况与理想条件有所差别外 主要是由于技术 水平 这说明海水淡化在降低能耗方面 尚有很大潜力可以发掘 1 5 海水的组成及 陛质乜1 1 5 1 海水的组成 海水是 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i i 种成 9 华南理工大学工学硕士学位论文 份的含量超过1 p p m 如表1 4 称为海水的主要组分 它们占海水总含盐量的 9 9 5 8 元素c 1n a m g sc akb rs rbs if 存在形 c i n a 尬 s o 2 c a 2足 b r 一 曲 2 b o h 3s i o h 4 一 a 含量1 9 1 0 1 8 8 54 0 03 8 06 58 04 63 01 3 p p m 0 0 05 0 03 5 0 表1 4 海水中的主要化学组分 此外 海水中还存在某些同位素 重要的有氢的同位素 海水中也溶解有多种气体 表1 5 含量最多的为c 0 2 0 2 n 2 空气中 的稀有气体氩 氦和氖 在海水中也有微量存在 气体 c 0 20 2 2a 含量 1 0 2 51 2 8 2 8 0 50 4 7 9 p p m 表1 5 海水中溶解的气体 溶解在海水中的c 0 2 与淡水中的情况不同 淡水中的c 0 2 主要以游离态 存在 可用煮沸或减压的方法除去 溶解在海水中的c 0 2 除少数是游离态外 主要是以碳酸根及碳酸氢根的离子存在 需加入强酸方可除去 海水中的c o 在一定条件下 彼此保持下列平衡关系 c o 鸥0 营4 c 0 3 铮h h c 0 3 铮2 h c d 3 海水中除存在上述的复杂组成和关系外 还含有不同数量的无机和有机的悬 浮物 所以海水是一个具有复杂组成的液体体系 海水中的悬浮物 溶解气体及 p h 值等 是海水淡化过程中与操作直接有关的影响因素 对海水预处理的方法 及生产过程中的结垢 腐蚀等关系都很大 1 5 2 海水的性质 1 5 2 1 海水的氯度 氯度的原始定义是 在1 0 0 0 克海水中 若将溴和碘以氯代替 氯 溴 碘 的总克数 即为氯度 以 表示 写成公式为 a c 降 钭a 式中 a 一 肼 一 一1 0 0 0 克海水中离子的含量 第一章绪论 目i l l 目 目 g e 自 目e s e g 目t 目j s 目 i l 目e 自目e 女 c l i 一 b r 一一元素觇原子量 1 5 2 2 海水的盐度 盐度的定义是 在l 0 0 0 克海水中 将所有的碳酸盐转变为氧化物 将所有 的溴化物和碘化物转变为氧化物 将所有的有机物完全氧化后 其所含固体物质 的总克数 即为盐度s 盐度与氯度之间的关系为 s o 0 3 0 8 1 1 0 c i 1 5 2 3 蒸发热 海水的蒸发热为海水变为同温度的蒸汽所需的热量 其值略高于纯水 表1 6 为海水的蒸发热与温度的关系 温度 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 0 0 蒸发热 卡 5 9 6 15 9 0 95 8 5 65 8 0 25 7 4 85 6 9 25 6 3 55 5 7 75 5 1 85 4 5 75 3 9 5 克 表1 6 海水蒸发热与温度的关系 s 3 4 8 5 1 5 2 4 海水的冰点及沸点 海水的冰点约为一1 9 c 冰点降低值 a t f 与氯度的经验关系为 a t f 一0 0 9 6 6 c t 0 0 0 0 0 0 5 2 c t 3 海水的沸点约为1 0 0 5 沸点升高值 a t b 与盐度有如下关系式 t b o d 1 6 4 5 5 s 1 5 2 5 燕汽压 海水的蒸汽压略低于纯水的蒸汽压 在同一温度下 不同氯度的海水蒸汽 压 p 与纯水的蒸汽压 p o 关系为 p p o 1 0 0 0 0 9 6 9 c i 1 6 相变传热强化技术的进展 在蒸馏法淡化海水过程中 进行海水受热沸腾和蒸汽放热冷凝的两个有相变 的传热过程 因此海水淡化蒸发过程的传热强化与有相交化的传热强化密切相 堡塞查塑塞些耋丝圣 一 关 强化相变传热的研究已经取得了很大的进展 例如在重沸器中采用表面多孔 管可以显著的强化沸腾传热 在升膜蒸发器中采用双面纵槽管可以同时强化蒸发 和冷凝 1 6 1 冷凝传热的强化 化工 制冷 动力及能源等领域经常能遇到低表面能介质蒸气的冷凝传热问 题 其冷凝状态大都呈膜状冷凝 冷凝传热系数只有水蒸气的1 8 左右 这就使 得这些介质蒸气的冷凝器传热效能相对较低 因而必须进行冷凝传热的强化 实 践证明 采用高效能的强化传热管是提高冷凝传热的有效途径 它既可降低冷凝 器的设备投资 又可提高系统的能源利用效率 从而达到节材和节能的目的 9 j 1 6 1 1 低肋管 1 9 世纪4 0 年代末开发的整体翅片管 即低肋管e 1 0j 是最早用于强化管外蒸气 冷凝传热的强化管 无论是对于翅片还是对于冷凝管底部 只考虑重力的排液作 用 还没有考虑管底部翅片间冷凝液由于毛细作用而形成的滞留角对冷凝传热的 影响 用该理论模型计算的冷凝传热系数值比实际值低的多 1 9 5 4 年 德国学 者g r e g o r i g 3 首先提出利用冷凝液的表面张力使翅片顶部的液膜减薄的方法来 强化冷凝传热机理 之后 各先进工业国竞相研制高密度翅片 翅片距 1 5 m m 的 低肋管 并深入分析最佳翅片形状 认为 2 1 1 翅顶应有较小的曲率半径 以 利减薄翅顶的液膜厚度 2 从翅顶 翅根的曲率应逐渐减小 以使液膜保持一 定的表面张力产生的压力梯度 有利于冷凝液从翅顶迅速排向翅根 3 翅片根 部应有较广阔的排液空间 以利于冷凝液沿管壁从管顶部往下流动 理论分析和 实验证明 翅片曲线为近似抛物线的平底翅片最好 这种形状的低肋管其冷凝传 热系数比光滑管增大3 5 倍 以坯管外表面积为基准 低肋管由于轧制后管外 径缩小易于穿换管 所以自6 0 年代以来 在我国仍是广泛应用的一种强化冷凝 传热管型 1 6 1 2 g e w a t x y 管 图卜5 在低肋管的基础上 德国w e i l a n d 公司又开发出系列的g e w a 翅片管 它的 翅片外缘呈v 字形状 其管外冷凝传热系数是低肋管1 2 1 6 倍 比低肋管 稍高 从翅片形状来看 低肋管和g e w a 管均为二维结构的强化管 1 6 1 3 c 管 图卜6 和c o s 管 图卜7 随着科学的发展及机械制造技术的进步 出现了具有特殊翅片形状的异型翅 第一苹绪论 je j e e e 目l 目e e l e g l 目 s 目 e e e j 目t j 目e g e 片管 其中以日本曰立公司1 9 7 5 年首创的t h e r m o e x c e l c 管 简称为c 管 最具 有代表性 其冷凝传热系数是低肋管的1 5 2 倍 比g e w a 管约高8 0 曾获 1 9 8 0 年日本工业技术奖 后来日本古河电器工业会社用滚轧的方法制造出c c s 管 其冷凝传热性能与c 管相当 上述两种管型的翅片外缘均为锯齿状 c 管和 c c s 管都是三维翅片管 蒸气在其表面冷凝时 冷凝液膜在翅片面上存在二维表 面张力的作用 所以其冷凝传热系数比低肋管和g e w a 管都高 1 6 1 4 锯齿形翅片管 图卜8 华南理工大学化工所传热室于1 9 8 0 年成功地开发出了具有三维结构的锯齿 形翅片管 其管结构与t h e r m o e x c e l c 管相近 在相同冷凝传热温差下 锯 齿形翅片管的冷凝传热系数是光滑管的8 1 2 倍 是普通低肋管的1 5 2 倍 因而其强化冷凝传熟性能也与t h e r m o e x c e 卜c 管相当 锯齿形翅片管的最佳管参 数为翅片距0 6 0 7 m m 翅片高1 o 1 2 m m 并于1 9 8 2 年首先与广东省商业机 械厂合作 将锯齿形翅片管应用于制冷系统中壳管式的水冷冷凝器中 与低肋管 对比 冷凝器节省铜材5 9 体积缩小1 3 随后又被多家制冷厂采用 均取得了 显著的经济效益 1 6 1 5 径向辐射肋管 图卜9 1 9 8 0 年华南理工大学化工所传热室又成功地开发出径向辐射肋形翅片管 虽其翅片夕卜围没有锯齿尖 但其冷凝传热系数却比锯齿形翅片管高3 0 这 是由于其翅片两侧都有呈辐射状分布的凸肋 细密的肋除增大外表面积之外 能 充分利用冷凝表面张力作用及促进液膜的对流传热 该管冷凝传热性能的显著提 高进一步说明 充分发挥冷凝液表面张力的作用和促进冷凝液膜的湍动是提高冷 凝传热系数的关键 但由于该管加工较麻烦 所以未能在工业上广泛推广应用 1 6 1 6 花瓣形翅片管 图卜1 0 在锯齿形翅片管的开发及研究的基础上 1 9 9 3 年 华南理工大学化工所又 成功地开发出了花瓣形翅片管 并获得国家专利 花瓣形翅片管的翅片也是 三维结构 与锯齿型翅片管相比 最大特点是翅片上的锯齿槽被切割到根圆 从 横截面上看像个花瓣 因而得名 在相同热流率下 花瓣形翅片管的冷凝传热系 数是光滑管的1 4 2 0 倍 冷凝传热性能比锯齿形翅片管更高 3 1 6 1 7 菱形翅片管 菱形翅片管的结构示意图见图卜1 1 它主要由管基体和菱形状的三维周 向翅片构成 菱形状的三维周向翅片按一定的螺旋角凸附于管基体的外表面 菱 华南理工大学工学硕士学位论文 形翅片为偏梯形 菱形翅片间的缺口为三角形 缺口沿翅片周向周期性出现 相 邻周向翅片问保持一翅间距 强化作用 花瓣形翅片管的周向非连续三维翅片在 冷凝或对流传热时都能起到提高传热膜系数的作用 按实际面积计算 可充分发 挥有效传热面积的传热强化作用 比螺纹翅片管有较好的传热强化性能 但花瓣 形翅片管目前还只有软金属铜 或铝 制的管型 软金属的材料成本较高 不利于 在工业应用中普遍推广 在石油炼制 石油化工等生产中 换热负荷大 只有成 本相对低廉的传热管才利于推广使用 菱形翅片管是新开发出的一种钢制三维翅 片管 其加工成本较低 传热效果较好 已经申请了中国专利o 图卜5g e w a t x y 管 1 4 第一章绪论 2 i 瞀舔体 2 翅行 图1 1 1 三维菱形翅片管 1 6 2 沸腾传热的强化 强化池核沸腾传热的途径主要有两个方面 一方面是通过改善加热表面的物 理性能来促进气泡生长 增加气化核心 另一方面 可以采用适当方法强化流体 的扰动作用以改善加热壁面液体过热层与远离壁面的主流液体之间的循环条件 然而 最有效 最简单的方法是通过改变加热表面的结构达到强化沸腾传热的目 的 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心 近几十年来强化沸腾换热的研 究主要是按照这一思路进行的 现在已经开发出两类增加表面凹坑的方法 1 用烧结 火焰喷涂 电离沉积等物理化学的方法在换热表面造成一层多孔结构 2 采用机械加工方法在换熟管表面上造成多孔结构妇 图1 1 2 示出了几种 典型的结