一种多效蒸发的太阳能海水淡化技术

一种多效蒸发的太阳能海水淡化技术

海水淡化是利用海水中的盐生产淡水的技术和过程。多效蒸馏海水淡化原理是高温蒸汽或热水与海水进行热交换,海水被加热,蒸发出的水蒸气冷凝得到淡水,但其结垢和腐蚀问题比较严重。低温多效蒸馏是多效蒸馏技术的一种改进技术,操作温度较低,避免和减轻了海水对设备造成的腐蚀与结垢问题,降低了淡化水的成本,也可利用工业余热及低品位蒸汽为热源,进行能源的有效回收利用。相对于多级闪蒸而言,多效蒸馏海水淡化技术具有进料海水预处理工艺比较简单;操作弹性更大;能源动力的消耗量也较低;系统热效率较高;操作运行安全可靠等特点。本文针对目前太阳能海水淡化装置的不足,提出了一种新的太阳能海水淡化装置。通过理论分析和计算,比较了以水和导热油作为热媒介质的太阳能海水淡化装置的特性,研究结果可指导太阳能海水淡化装置的设计,有很好的工业应用前景。1太阳能海水淡化工艺平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型,其结构简单、运行可靠、成本适宜,还具有承压能力强、吸热面积大等特点。横管降膜蒸发技术是一种低温多效蒸发海水淡化技术,管外水膜产生波动可加强对流传热,传热系数比较高,并且传热温差小,所需温度驱动力也相对比较低,热消耗量小,可采用低品位热量,在低温多效蒸发海水淡化方法中横管降膜蒸发技术用广阔的发展前途。因此,结合横管降膜多效蒸发海水淡化技术的优点,并与平板型太阳能集热器技术相结合,以太阳辐射总量为5000～5850MJ/m2的三类地区为例,用蒸馏水和导热油为热媒介质,提出了一种新的太阳能横管降膜多效蒸发海水淡化工艺,并设计了一套产水率约为100kg/h(2.4t/d)的太阳能海水淡化装置(见图1)。阳光充足时,由太阳能集热器加热热媒(水或导热油),热媒进入蓄热箱储存。热媒经过循环泵依次进入一效蒸发器和二效蒸发器的热媒换热管,使海水吸热并蒸发,最后返回蓄热箱,由太阳能集热器重新进行加热。一效蒸发器产生的水蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出,进入二效蒸发器的蒸汽换热管,冷却放出部分热量,用于海水吸热和蒸发。二效蒸发器所产生的蒸汽和蒸汽换热管的蒸汽由蒸汽循环泵抽出,进入三效蒸发器的蒸汽换热管,加热和蒸发海水。最后所有的蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出,进入冷凝器凝结成淡水,放出的热量用于预热海水。经过预处理后的海水,经冷凝器预热后,与一效蒸发器来的部分浓海水混合,进入三效蒸发器,经喷淋管进行喷淋,形成的液膜均匀分布在各换热管外表面,进行换热和蒸发,未蒸发的海水在三效蒸发器的底部蓄积,与经过预热的部分海水按比例混合,再进入二效蒸发器的喷淋管进行喷淋,进行换热和蒸发。二效蒸发器未蒸发的海水再进入一效蒸发器的喷淋管进行喷淋,进行换热和蒸发。最后,一效蒸发器内未蒸发的浓缩海水大部分进行循环利用,底部高浓度海水作为污水排放。喷淋的海水每次进入蒸发器时,都要重新经过喷淋器进行喷淋,以保证每一级的横管外液膜都能均匀分布,避免出现换热管局部干壁现象。部分用于蒸汽和海水流动的泵和流量调节阀门图中未全部示出。每级蒸发器换热管均为6根×6排的顺排布置,其中,二效蒸发器的蒸汽换热管为2×6根,热媒换热管为4×6根。换热管均为φ19mm铝黄铜,长度1m。该工艺流程和装置的主要特点如下:(1)采用平板型太阳能集热器,最大限度降低制造成本。(2)该装置可以用水或导热油作为热媒介质。(3)横管降膜多效蒸发海水淡化工艺能充分回收蒸汽汽化潜热,提高系统效率。(4)系统中设置了蓄热装置,解决太阳能不连续的问题。2系统的理论研究和结果分析2.1蒸发器的传热量当热媒为水时,管道内强制对流传热采用关联式DittusBoelter公式:管外蒸发侧传热系数根据文献分析总结结果,横管降膜蒸发换热系数计算公式:其中,h为管外蒸发换热系数,W/m2·K;μ为液膜动力粘度,Pa·s;ν为液膜运动粘度,m2/S;λ为液膜导热系数,W/m·K;g为重力加速度,m/S2;Γ为喷淋密度,kg/m·S。以管外侧面积为基准的圆管传热系数计算公式:式中:D为管外直径,m;d为管内直径,m;λ为管壁材料的导热系数,W/m·K;为铝黄铜管的导热系数为105W/m·K;、分别为换热管内、外侧换热系数,W/m·K。考虑到污垢的影响,实际工程中清洁系数取0.85,传热温差为Δt,则蒸发器的传热量为:装置的尺寸和大小均不变,当热媒为导热油时,计算方法类似。以导热油D12为例,D12是一种合成油,它能够在很宽的温度范围内保持良好地传热性能,工作温度范围为-85℃至190℃,适用于无超压或不超过260℃的加压系统,特别适合用于冷却和加热的系统应用。导热油D12的物性参数随温度而变化,从常温20℃上升到190℃高温,密度不断降低,从760kg/m3降低到625kg/m3;比热不断升高,从2.1kJ/kg·K增大到2.8kJ/kg·K;导热系数不断降低,从0.11W/m·K降低到0.079W/m·K。2.2太阳能集热器的热效应对于常压工作的平板型太阳能集热器,以水为热媒介质时,为了降低集热器制造成本,避免水沸腾和汽化,防止集热器损坏,通常热媒水温不超过90℃,热媒介质为导热油D12时,常压下,导热油的温度不超过190℃,则太阳能集热器不会产生沸腾和汽化,制造成本也不会显著增加。因此从太阳能集热器出来的导热油的温度分别假定为110℃、130℃和150℃,并分别计算其换热量和淡水产量。结果见表1。2.3蒸发器的热效应由表1可知,采用相同型式的太阳能集热器,海水淡化装置的结构尺寸相同时,分别采用水和导热油作为热媒介质,该装置具有以下特点:(1)采用热水作为热媒介质,海水蒸发量即产水量为111.5kg/h,可以达到设计产水量。采用导热油D12作为热媒介质,计算所得的海水蒸发量即产水量为119～552kg/h,产水量显著增加。导热油温度为150℃时,该装置的产水量增加了4倍。(2)采用热水作为热媒介质,一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.02MPa、0.01MPa和0.006MPa,蒸发器必须维持较大真空度,对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高,使海水淡化装置的制造成本比较高。(3)采用导热油作为热媒介质,蒸发器的绝对压力都较大,真空度较小,对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都比较低,因此海水淡化装置的制造成本显著降低。尤其是导热油温度为150℃时,一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.1MPa、0.1MPa和0.047MPa,一效和二效蒸发器均在常压下工作,制造成本和运行成本都很低。(4)横管降膜蒸发传热具有较高的传热系数,并且以导热油为热媒时,总传热系数是以热媒水的2倍。导热油具有更高的传热系数,有利于提高产水率和减小装置体积,降低制造成本。(5)蒸发器必须维持较大真空度,对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高,使海水淡化装置的制造成本比较高。(6)导热油温度越高,装置换热系数就越大,换热量越大,产水率越高。导热油的传热系数较大,这是导热油的物理特性决定的。常压工作的平板型太阳能集热器,完全可以将导热油加热到150℃以上。所以,综合其他因素的影响,在条件允许的情况下,尽量提高导热油的温度,可以提高产水率和减小装置体积。(7)蓄热箱有利于提高装置的运行时间,避免和减小夜间和阴雨天的影响。采用导热油作为热媒介质,其比热小于水,但是蓄热温度较高,因此该装置储存热量的能力与水相当。(8)该装置将产生的蒸汽多次回收,充分利用水蒸气的汽化潜热,提高了系统的热效率。3太阳能海水淡化装置以水和导热油作为热媒介质,通过热力学和传热学的理论分析与计算太阳能海水淡化装置的主要特性和指标,得到