小型熱泵式低溫蒸發(fā)苦咸水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

魏留柱 程超

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528000）

小型熱泵式低溫蒸發(fā)苦咸水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

魏留柱 程超

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528000）

本文提出了一種新型的熱泵式低溫蒸發(fā)苦咸水淡化系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.2t/d,蒸發(fā)溫度為45℃。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了不同進(jìn)料溫度、濃度、流量和真空度對淡水產(chǎn)水率影響。結(jié)果表明：系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性良好；溫度從5℃升高到35℃時(shí)，產(chǎn)水率增加了43.7%；濃度由0‰增加至100‰時(shí)，產(chǎn)水率降低了2%；產(chǎn)水率隨流量的增加而下降；真空度從86%上升到94%，產(chǎn)水率提高了約20%；產(chǎn)品淡水的電導(dǎo)率幾乎均保持在300μs/cm以下，產(chǎn)品水的水質(zhì)優(yōu)于自來水。這種淡化裝置的COP高達(dá)4~5，高效節(jié)能，為內(nèi)陸地區(qū)家用熱泵式苦咸水淡化裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。

熱泵；苦咸水淡化；蒸發(fā)式冷凝器

0 前言

地下苦咸水的脫鹽淡化，是解決內(nèi)陸地區(qū)缺水最有效的途徑[1]。現(xiàn)有的海水或苦咸水淡化技術(shù)存在運(yùn)行能耗高、淡化效率差等突出問題，因而設(shè)法降低運(yùn)行成本，提高淡化效率仍是苦咸水淡化領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[2]。熱泵技術(shù)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，被認(rèn)定為環(huán)境友好型技術(shù)[3]。本文擬通過將熱泵技術(shù)與真空蒸餾法相結(jié)合，構(gòu)思并提出了一種新型的苦咸水淡化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

實(shí)驗(yàn)裝置主要有壓縮機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、熱泵蒸發(fā)器、流體輸送管路、水箱、水泵、真空泵等組成，系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理：首先開啟真空泵，將系統(tǒng)的真空度抽至所設(shè)計(jì)的真空度；經(jīng)預(yù)處理后的進(jìn)料液在內(nèi)外壓差的作用下送入供料箱，然后由給水泵送入蒸發(fā)冷凝器，在蒸發(fā)冷凝器中吸收制冷劑冷凝放出的熱量，一部分料液完成相變成為水蒸氣，另一部分成為濃縮料液進(jìn)入濃鹽水罐；制冷劑在蒸發(fā)冷凝器放熱后由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)過節(jié)流閥的節(jié)流降溫降壓后成為濕蒸汽,流至蒸發(fā)器；而產(chǎn)生的水蒸汽經(jīng)過汽液分離室和蒸汽通道后進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)吸熱水蒸器被冷凝成淡水，進(jìn)入淡水儲水罐，這樣就完成了料液的淡化過程；而制冷劑在經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)吸熱變?yōu)轱柡驼羝?再回到壓縮機(jī)，制冷劑在壓縮機(jī)中實(shí)現(xiàn)絕熱壓縮過程，變?yōu)楦邷馗邏旱闹评鋭┱羝?，然后流到蒸發(fā)冷凝器冷凝放熱,如此循環(huán)工作,完成制冷循環(huán)的過程。

2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析

以淡水產(chǎn)量0.2t/d為生產(chǎn)目標(biāo)，其他參數(shù)的選定如下：苦咸水用實(shí)驗(yàn)室配置的鹽水來代替，濃度為1%，進(jìn)料溫度25℃;系統(tǒng)的真空度為90%，對應(yīng)料液的蒸發(fā)溫度為45℃;水蒸汽的冷凝溫度為40℃; 制冷劑采用R22，熱泵蒸發(fā)溫度為12℃，熱泵冷凝溫度為55℃，過冷度為5℃，過熱度為5℃；壓縮機(jī)選用渦旋式壓縮機(jī)（額定功率為1.5P）;蒸發(fā)-冷凝器為豎直管殼式換熱器，傳熱管為316L不銹鋼無縫管，規(guī)格8mm×0.8mm，L=1m，n=48根,正三角形排列;制冷劑走殼程（上進(jìn)下出），料液走管程（下進(jìn)上出）；熱泵蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)-冷凝器的結(jié)構(gòu)完全相同，規(guī)格為8×0.8，L=0.8m,n=20根，制冷劑走殼程（下進(jìn)上出）；水蒸汽走管程（上進(jìn)下出）。對蒸發(fā)-冷凝器、熱泵蒸發(fā)器和整個(gè)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行性能分析，可得到進(jìn)料溫度、濃度、流量和真空度對產(chǎn)水率影響。在分析某個(gè)參數(shù)對產(chǎn)水率的影響時(shí)，保持其他參數(shù)不變[4,5]。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖2至圖5所示。

圖2至圖5為進(jìn)料溫度、濃度、流量和真空度對產(chǎn)水率影響的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的比較。由圖可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算模擬結(jié)果基本一致。

從圖2可以看出，進(jìn)料溫度越高，淡水產(chǎn)量和產(chǎn)水率就會越高，并且溫度對淡水產(chǎn)量和產(chǎn)水率的影響較為明顯，溫度從5℃升高到35℃時(shí)，產(chǎn)水率增加了43.7%，這是因?yàn)檫M(jìn)料液溫度相比于蒸發(fā)溫度都有一定的過冷度，進(jìn)料液溫度越高，則在蒸發(fā)冷凝器中預(yù)熱所消耗的熱量就會越少，用于料液蒸發(fā)的熱量就會增多，相應(yīng)地淡水產(chǎn)量就會越多，裝置的產(chǎn)水率就會增大。

從圖3可以看出，產(chǎn)水率隨進(jìn)料濃度的增加而呈減小的趨勢，但濃度變化對產(chǎn)水率的影響不明顯，濃度由0‰增加至100‰，產(chǎn)水率降低了2%，這是因?yàn)殡S著進(jìn)料濃度的增加，系統(tǒng)總的傳熱系數(shù)下降，這也說明了本系統(tǒng)可以完全適用于高濃度苦咸水淡化或者濃縮。

從圖4可以看出，隨進(jìn)料流量的增加，產(chǎn)水率逐漸下降，這是由進(jìn)料液尚未達(dá)到蒸發(fā)溫度，有一定的過冷度造成的。

圖2 溫度與產(chǎn)水率的關(guān)系

圖3 濃度與產(chǎn)水率的關(guān)系

圖4 流量與產(chǎn)水率的關(guān)系

圖5 真空度與產(chǎn)水率的關(guān)系

從圖5可以看出，產(chǎn)水率隨真空度的上升而不斷增加，并且真空度對淡水產(chǎn)量及產(chǎn)水率的影響較為明顯，真空度從86%上升到94%，系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量和產(chǎn)水率提高了約20%，但較高的真空度對材料的要求更高，對產(chǎn)品水水質(zhì)有較大的影響，所以在工程實(shí)際中，要選取合適的真空度。

總上可知：影響系統(tǒng)性能的主要因素為進(jìn)料溫度和真空度，進(jìn)料濃度和流量次之。

產(chǎn)品水的水質(zhì)也是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。經(jīng)過長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行后，電導(dǎo)率基本穩(wěn)定，產(chǎn)品淡水的電導(dǎo)率幾乎均保持在300μs/cm以下，產(chǎn)品水的水質(zhì)優(yōu)于自來水（450μs/cm）。

3 結(jié)論

本文依托于0.2t/d熱泵式苦咸水淡化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)料溫度、濃度、流量和真空度對產(chǎn)水率影響的影響，得到以下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性良好，有很好的自平衡能力。

（2）影響系統(tǒng)性能的主要因素為進(jìn)料溫度和真空度，進(jìn)料濃度和流量次之。溫度從5℃升高到35℃時(shí)，產(chǎn)水率增加了43.7%；真空度從86%上升到94%，系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量和產(chǎn)水率提高了約20%。

（3）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，產(chǎn)品淡水的電導(dǎo)率幾乎均保持在300μs/cm以下，產(chǎn)品水的水質(zhì)優(yōu)于自來水。

本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、搭建和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了熱泵式苦咸水淡化系統(tǒng)在原理和技術(shù)上的可行性，完全適用于內(nèi)陸地區(qū)家用苦咸水的淡化或者濃縮。

[1]王建平, 倪海.沙漠油田高濃度苦咸水淡化技術(shù)的研究[J]. 機(jī)械學(xué)報(bào).2001:20(4):19-22.

[2]李文明, 呂建國.苦咸水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].甘肅科技.2012:28(17):76-80.

[3]田曉亮.熱泵節(jié)能技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用.石油和化工行業(yè)節(jié)能技術(shù)研討會會議; 2006.

[4]趙力.海水淡化用小型熱泵系統(tǒng)的變工況分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2005:41(5):225-9.

[5]曹開智. 低溫多效蒸發(fā)海水淡化變工況分析與實(shí)驗(yàn)研究: 大連理工大學(xué); 2006.

DESIGN AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON SMALL HEAT PUMP DESALINATION PLANT WITH LOW TEMPERATURE EVAPORATION

Wei Liuzhu Cheng Chao
(Guangdong Midea Air-conditioning equipment Co., Ltd, Foshan 528000)

A new type of heat pump desalination system with low temperature evaporation was proposed in this paper. The design capacity was 0.2t/d and the evaporation temperature was 45℃.The effects of different feed temperature, concentration, flow rate and vacuum degree on fresh water production rate were studied by theoretical analysis and experiments. The results show that the system runs well; When the temperature increased from 5 ℃to 35℃, the water production rate increased by 43.7%; The concentration increased from 0‰ to 100‰, the water production rate decreased by 2%; The water production rate decreased with the increase of flow rate; The vacuum degree increased from 86% to 94%, the water production rate increased by about 20%; The conductivity of fresh water was almost less than 300μs/ cm, and the water quality of product water was better than tap water. This desalination device COP was up to 4~5, high efficiency and energy saving, providing a reference for the design of domestic heat pump type brackish water desalination device in inland areas.

Heat pump brackish water desalination evaporative condenser