熱泵型海水淡化系統(tǒng)節(jié)能可行性的理論探索

黃浩亮

（廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司）

隨著世界人口的增加及經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，用水需求不斷的上升，淡水資源短缺的矛盾日漸突出，向海洋要水己成為國際共識，而手段則是海水淡化。

目前，國際上適于產(chǎn)業(yè)化海水淡化的技術(shù)主要有蒸餾法和反滲透法。蒸餾法就是將海水變成蒸汽，蒸汽冷卻而得到高純度淡水。根據(jù)蒸發(fā)冷卻的方式不同，蒸餾法通常分成多級閃蒸、多效蒸餾及蒸汽壓縮蒸餾（也稱壓汽蒸溜）3種。多級閃蒸是將熱海水突然減壓，產(chǎn)生蒸汽而得到淡水。多效蒸餾是在蒸汽冷卻的同時，持續(xù)蒸發(fā)進而得到淡水。該法可利用75℃左右的低溫廢熱作為海水的加熱熱源，是一種可利用余熱的節(jié)能海水淡化方法。蒸汽壓縮蒸餾法工作原理是：蒸汽被壓縮后，壓力增高，溫度也隨之上升。根據(jù)這個原理，可將壓縮機的機械功轉(zhuǎn)化為海水蒸發(fā)所需要的熱能。蒸汽壓縮蒸餾海水淡化法的熱功效率比其他兩種蒸餾法高得多，而且能直接用柴油機驅(qū)動，單位體積產(chǎn)量高，但由于受壓縮機容量的限制，目前壓汽蒸溜裝置的產(chǎn)水量受到限制，一般以日產(chǎn)幾千噸淡水以下的規(guī)模較適宜。反滲透法就是在一定壓力下（約60kg/cm2），將海水壓入反滲透膜，這種膜只允許海水中的水分子透過，而將絕大部分鹽分子截住，從而得到淡水。上述4種海水淡化的方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展均已較為成熟，并且得到了較大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，但是如何降低能耗卻是亟待解決的問題，尋找一種較低能耗生產(chǎn)高質(zhì)量淡水的方法，是目前在海水淡化領(lǐng)域努力的方向。

1 多效蒸餾海水淡化技術(shù)簡介

多效蒸餾海水淡化技術(shù)是最早海水淡化方法之一， 80年代中期大型低溫高效海水淡化裝置研究成功其原理是以75℃左右低溫蒸汽作為加熱熱源，遠低于多級閃蒸110℃左右的蒸汽溫度，所以管壁的結(jié)垢傾向減小，并且使低溫廢熱的利用成為可能，至此多效蒸餾海水淡化技術(shù)進入比較成熟階段。

由于多效蒸餾海水淡化技術(shù)以75℃左右低溫蒸汽作為加熱熱源，與目前成熟的熱泵運行工況溫度區(qū)間吻合（例如可采用R134a制冷劑），故海水淡化系統(tǒng)可結(jié)合熱泵循環(huán)的技術(shù)，實現(xiàn)利用熱泵回收多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)末效蒸汽的熱量，這樣既可繼承壓汽蒸餾法可回收利用最末效蒸汽熱能的優(yōu)點，又可保留多效蒸餾法蒸汽熱量多次使用的特點，因而可實現(xiàn)節(jié)能的淡水生產(chǎn)。

2 熱泵型海水淡化系統(tǒng)原理及熱力 計算

圖1為初步設(shè)計的熱泵型海水淡化系統(tǒng)的模擬運行方案原理圖，該方案為結(jié)合了熱泵循環(huán)的多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)，接下來將對該系統(tǒng)進行基本的熱力計算以及對其效能情況作簡要理論計算分析。假設(shè)條件如下：系統(tǒng)采用制冷量200kW壓縮機、配R134a制冷劑、蒸發(fā)溫度30℃、冷凝溫度75℃、過熱度5℃、過冷度5℃、海水進水溫度25℃、采用9效蒸餾、每效間傳熱溫差5度。

圖1 熱泵型海水淡化系統(tǒng)運行原理圖

熱泵系統(tǒng)的冷凝器直接作為海水淡化系統(tǒng)的第一效蒸發(fā)器，海水被噴淋到各效淡化蒸發(fā)器中，在各效淡化蒸發(fā)器中蒸發(fā)了的淡水水蒸氣進入下一效，以自身的熱量對噴淋的海水進行蒸餾淡化，如此逐級推進。為了實現(xiàn)能量回收利用，將熱泵蒸發(fā)器設(shè)置于海水淡化裝置的9效出口處，回收水蒸氣的熱量。一臺200kW壓縮機運行一天的理論制冷回收熱量QO約 為1.7×107kJ，水蒸氣按35℃計算，汽化潛熱取2419kJ/kg，參照式（1），計算得末效水蒸氣產(chǎn)量為每天7噸，為簡化起見，假設(shè)每效淡水產(chǎn)量相同，按9效計算，總淡水生產(chǎn)量為63t/d。

式中：D---水蒸氣量

γ---水蒸氣的汽化潛熱

理論上，海水隨時都在蒸發(fā)，在不同溫度下蒸發(fā)，其差別主要是在蒸發(fā)速度上，溫度越高，制水速度越快，所以在淡化系統(tǒng)的海水蒸發(fā)溫度設(shè)計上，必須綜合考慮制水效率與制水能耗之間的權(quán)衡。另外，蒸發(fā)溫度超過75℃后，海水淡化過程中結(jié)垢程度加大，導致?lián)Q熱器換熱效率下降嚴重，故一般以50℃～75℃的蒸發(fā)溫度設(shè)置為宜。以上所指的海水蒸發(fā)溫度，對應(yīng)即是熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度，而熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度的選擇，主要考慮的是需低于熱量回收源的溫度，一般取20～30℃為宜，多效蒸餾淡化出來的淡水及蒸氣溫度均會在30℃以上，故熱泵蒸發(fā)溫度選取30℃，以下計算對比熱泵系統(tǒng)在不同冷凝溫度下整機的制冷系數(shù)，冷凝溫度分別選擇75℃、60℃和50℃計算。

所需計算參數(shù)分別有：

a. 冷凝溫度75℃

系統(tǒng)熱力參數(shù)如表1所列：

表1 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)

b. 冷凝溫度60℃

系統(tǒng)熱力參數(shù)如表2所列：

表2 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)

c. 冷凝溫度50℃

系統(tǒng)熱力參數(shù)如表3所列：

表3 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)

從以上計算對比看，冷凝溫度選擇在75℃時制冷系數(shù)為3.75，隨著冷凝溫度的降低，制冷系數(shù)不斷提高，在50℃時達到了10.42。

3 產(chǎn)水能耗費用評估

按以上參數(shù)計算，當冷凝溫度75℃時，制冷系數(shù)為3.75，按200kW制冷量換算，每天耗電1280度，按1元/度計算，費用為1280元，產(chǎn)水量為63噸，即每噸水的分攤費用為20.3元，比目前百噸級海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水成本大約在26元/噸低。而當冷凝溫度50℃時，制冷系數(shù)為10.42，按相同原則計算，每噸水的分攤費用為7.3元，成本優(yōu)勢非常明顯。目前在海水淡化的實際應(yīng)用中，一般都會采用千噸級以及萬噸級的設(shè)計量的，因為只有增大規(guī)模，才能進一步的降低單位產(chǎn)水成本，本文設(shè)計的方案運行功率規(guī)模較小，主要是為便于計算以及有需要時制作實物進行測試驗證，也可以作為一些位于偏遠島嶼、對制取淡水需求量不大的場所所采取的設(shè)計參考。

4 結(jié)論

綜合以上原理布局構(gòu)思及理論計算分析，在低溫多效蒸餾海水淡化法上結(jié)合熱泵技術(shù)的熱泵型海水淡化系統(tǒng)能實現(xiàn)能量回收循環(huán)利用，當冷凝溫度進一步降低時，系統(tǒng)的制水費用還將進一步下降，節(jié)能降耗潛力大，該系統(tǒng)技術(shù)方向可行。