热泵循环海水淡化系统的计算分析

1、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78的年增长率攀升1。海水淡化的两个主要方法分

2、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

3、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

4、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

5、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

6、，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：7066.763.460.156.856.8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455换热器57460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

7、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/kg热泵吸气熵： 1.688 kJ/(kg·K)热泵排气焓： 430kJ/kg节流时的焓： 260kJ/kg3）根据空调厂家提供的数据，目前热泵机组的最大制冷容量在4500kW左右，即单台热泵回收热量的最大功率。4）海水淡化系统的设计产水量为100吨/日，第一效管内蒸汽温度70，效间温差3.3。3 利用热泵循环的海水淡化系统的计算通过对多效蒸发设备进行

8、物质和能量平衡计算，多效蒸发设备需要的蒸汽量为1.15吨/小时，末效需要冷凝的二次蒸汽量1.02吨/小时，热泵蒸发器的负荷为671kW。根据查图的结果，热泵消耗功率为72.5kW，热泵冷凝器的负荷为743.5kW。据此可以计算出，热泵冷凝器产生的70蒸汽量为1.15吨/小时，等于多效蒸发设备需要的蒸汽量，设备可以持续运行。根据热泵机组容量估算，目前最大的热泵机组可以满足700吨/日的造水量。热泵循环海水淡化系统的动力泵消耗取1.5kWh/m33，热泵消耗为17.4 kWh/m3，总耗电量为18.9kWh/m3。4 结果与讨论在进行利用热泵循环的海水淡化系统的初步设计时，对效数、效间温差、首效温

9、度、热泵工质等进行了对比分析，最后选择的初步设计方案是笔者认为在各种方案中比较合适的一种。根据计算分析，发现效数对吨水电耗有一定影响，随着效数增多，吨水电耗有一个最低值，如图3所示。效数主要决定于热泵的冷源和热源温差。效数不宜太多，主要是冷源温度不能太低，冷源温度低造成蒸汽密度小，维持真空度困难，换热系数不高。图3：吨水电耗和蒸发器总效数的关系效间温差对系统性能影响极大，其确定主要是进行技术经济的比较和权衡。效间温差减少时，吨水耗电降低，但是换热面积增加，初投资增加。经过技术经济的比较和对国内外工程的分析，取3.3。为了防止结垢、减少腐蚀，同时考虑到热泵采购的方便，取第一效管内蒸汽为70。根据以上对多效蒸发部分的选择，对国内外主要空调厂家的产品进行分析，最终选用特灵的R123冷媒的离心机作为热泵。5 结论本文根据对热泵机组的选型，目前可以采购的常见的最大热泵机组只能满足100吨/日的海水淡化产量，因此装置大型化困难，从规模上，相对压汽蒸馏没有优势。对100吨/日热泵循环的海水淡化系统的设计计算，通过技术经济比较，得出吨水耗电量为18.9kWh/m3，相比压汽蒸馏11.43kWh/m33，耗电偏高，而且系统更加复杂。通过对整个系统运行过程进行分析，得出能耗偏高的主要原因是：R123和水这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。从设备规模和设备能耗考虑，利用热泵循环