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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷第期太阳能学报年月曰山巧,仅,犯文章编号龙冷心袱肠口阅附乐刃 价机械压汽蒸馏海水淡化系统的可用能分析焦冬生中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥欺摘要为获得更加节能高效的海水淡化技术,用热力学第二定律分析机械压汽蒸馏海水淡化实验系统的拥效率。实验测得海水淡化过程的拥效率为其中蒸发一冷凝器、压缩机、水泵和预热器的拥损分别占、和。利用数学模型分析了压缩比、蒸发温度和盐水浓度等不可逆参数对实验系统拥效率的影响。柳技术虽然
2、充分回收利用了余热,具有较高的热效率,但实验结果表明该技术的拥效率仍然较低。从降低损失的角度来看,应用技术的重点是选用高性能低压缩比的压缩机、经济且耐腐蚀的换热管和适当的蒸发温度。关键词海水淡化机械压汽蒸馏 拥效率拥损中圈分类号切文献标识码引言海水淡化技术是缓解水资源紧缺的主要工业技术之一。目前只有少数发达国家和石油资源丰富的海湾国家在海水淡化工业方面有较多的研究和实践。为进一步推广海水淡化工业,各国学者都在致力于研究高效率、低污染、低成本的海水淡化工艺。海水淡化过程其实是盐水分离过程,是典型的不可逆过程。海水淡化技术通常把其它的能源转化为盐水分离能,实现盐水分离。技术是将压缩功转化为饱和蒸汽
3、的内能,使其温度升高成为过热蒸汽,再利用高温过热蒸汽作热源,加热饱和盐水使其部分蒸发,蒸汽冷凝生成淡水实现盐水分离。工程技术人员利用拥分析不仅能从热力学角度提出节能措施,还能从经济学角度提出最优成本的运作方式。等利用热力学第二定律研究了海水淡化工艺的制造成本和运行成本之间的关系,用冶方程计算了种主要海水淡化工艺过程的拥损值结果见表还从热经济学角度提出优化设计的方法,利用方程获得最佳驱动力和最低生产成本之间的关系。皿皿讶等认为海水淡化系统的拥损失主要集中在泵、电机和分离单元等设备处,所以建议使用高效的泵、电机和分离单元,有利于降低运行成本。刀一分别对单效和多效的系统进行了有用能分析,认 为水泵、
4、蒸 发器和冷凝 器的拥损分别 占、和另外由于排泄浓盐水、原海水和淡水而造成的拥流失占。刀朋几以研究了海水淡化系统的运行参数对拥的影响通过增加换热面积降低级间温差,减少 比热耗,可以降低拥损。七长等对,和进行了拥分析,结果认为的拥效率最高通过增加级数和压缩机的夹带量或降低温度和增加第一级的热量输人量可大幅度降低拥损。仪妇伪等分析了系统的烟损失,认为蒸馏器的最高盐水温度越高拥损越高另外辅助系统一盐水加热器的拥损也较高通过增加级数、扩大冷凝面积和降低热蒸汽温度等措施可以降低拥损。阮等计算了单级、双级和三级太阳蒸馏器的拥效率,三级效率为、双级为一为、单级则为。由于海水溶液成分复杂,确定其拥值有一定困难
5、山耐把海水当作理想溶液处理,简化海水拥值的计算,并给出了工艺过程中拥的变化流程。作者利用热力学第二定律对海水淡化实验系统进行了拥分析,主要分析蒸发器和压缩机的运行参数,得到拥损失高的地点,为设备优化提供理论依据。收稿日期么刃岭通讯作者焦冬生任一,男,讲师、博士,主要从事海水淡化及太阳能热利用方面的研究。映咖 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/太阳能学报卷二。混衰各种海水淡化方式的烟损值毛山公卿 溯七记由类型拥损叨一二。一、。一、,反渗透膜电渗析压汽蒸馏闪燕
6、纯组分的混合过程是不可逆过程,嫡值增加合后组分的嫡值为二。一劣分析计算烟和环境参数与能量在转换过程中总是守恒的不同,拥在实际能量转换过程中不断减少,是不守恒的 主要原因是过程中不可逆因素引起嫡的增加,导致拥的损失。分析工业过程中拥的流失或损失更能反映过程中能源使用的情况。根据热力学第一和第二定律,多组分稳定流动流体的拥值及 的表达式为二人一。一卜。一习,一。式中,、分别表示单位质量流体处于某种状态的烩和嫡。、。分别表示单位质量流体与环境处于平衡 时的熔和嫡环境温度、分别表示第种组分的摩尔浓度和环境基准摩尔浓度产第种组分的化学势。由公式可知,拥是一个相对量,其值的大小依赖于环境基准参数。为了便于
7、计算,拥的环境参数选为温度巧,压力咖,浓度为卿的氛化钠溶液。实验用盐水为的氯化钠水溶液,其相应的摩尔浓度为耐一,可假定为是理想溶液,所以式右边的第三项化学势为零,式可改写为公二一。一一。单位质量理想溶液的熔值等于两种纯物质混合前熔值的和人人,其中,、分别表示溶液内水和氯化钠的质量比,、分别表示水和氯化钠的比熔,掩一。混合后单位质量溶液的嫡值等于两种物质混合后嫡值的和其中,。单组分的基准嫡气体常数,吨一一。单物种的摩尔浓度。淡水和水蒸气的热物性数据依据水和水蒸气热力性质图表,该表的参考温度为,可近似等于氯化钠 的嫡和熔的数值是以温度和压力为参考状态而确定的,其摩尔质量为二吨一,比热为,二吨一一。
8、查表得水在参考状态下的嫡司吨一一和熔二以一。氯化钠在参考状态下的嫡们。石彝万二棘一,一,和焙、。二,山一“尸一一一一,吧一”曰”,一二一。所以在参考状态下,浓度为氯化钠水溶液的基准熔和嫡为。二,二,二。一,一,卯卯二二凡几二料廿吨一一拥效率,。为公弘二瓦丁其中,公、分别为过程中输人和输出的拥。拥效率只能表明整个设备在热力过程中能量的利用情况,但不能确定能量的损失。为了计算具体的不可逆损失,通常用与嫡增有关的拥损来计算。拥损计算式为。其中刀一一拥损,灯掩一凡一嫡增,吨一一,。蒸发冷凝器海水淡化过程实际是盐水分离的过程,是典型的不可逆过程及高能耗过程。海水淡化工艺的优点是对蒸汽冷凝潜热的完全回收利
9、用,具有较高的热效率。饱和蒸汽经压缩后温度和压力均稍有升高,成过热蒸汽过热蒸汽被输送到冷凝腔内冷凝,生成淡水,释放潜热 潜热加热蒸发腔内的饱和盐水,产生二次蒸汽。如此循环往复。由此可知,压缩机是蒸汽循环的驱动装置,蒸发一冷凝器是回收冷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/期焦冬生机械压汽蒸馏海水淡化系统的可用能分析凝潜热的设备,它们的性能直接决定工艺系统的性能和能量的转换效率。假定蒸汽中不含盐分,可得到质量守恒方程和盐分方程二、式中,、分别为进水流率、蒸汽流
10、率和浓盐水排泄流率、从分别为海水浓度和浓盐水浓度。蒸发一冷凝器由换热管束构成,假设换热管内的蒸发温度和管外的冷凝温度保持不变。而且不考虑显热的影响,则蒸发冷凝过程中的嫡增为普通的铜管系数二加,二状态。二黑鲁,一”几尸管子处于垂直,每根管子的蒸发量,吨。一。管外径,蒸发管的长度,比热,吨一一。表面张力,式中一产液体的勃度,。管外冷凝对流换热系数、。二、拿二孕胡人,心、一了饱和温度、,、。汤瓦一瓦式中,蒸汽流率,一入蒸发或冷凝潜热,扩蒸发温度,冷凝温度,。总换热量几由蒸发一冷凝器内的换热管束和压缩机共同决定温差爪一,则由压缩机决定。温差又反过来影响换热器的换热量,因此压缩机的流量与蒸发一冷凝器的蒸
11、发冷凝量应相匹配,使得压缩机的工作状态处于稳定区域内。从换热管束的角度来考虑换热量久。,爪一兀式中,队换 热器 总传热系数,一,一。换热管管内换热面积,时。不考虑管壁内外表面水垢的影响,则基于管内表面积的总传热系数几与壁面温度的差值,。压缩机压缩机是工艺回收冷凝潜热的驱动设备。压缩机将低温的饱和蒸汽压缩升温后输送到高温的冷凝腔内。没有拥损失的压缩过程为绝热等嫡压缩过程,如图中过程一但实际压缩过程为多变过程一,即压力和温度都达不到可逆过程的终态的值。不考虑向外界的散热,输人功率的损失有电机损失一,俄。和压缩流体损失一,。俄两个方面。压缩机出口蒸汽的温度和压力与输人功率以及电机、压缩机的效率均取之
12、间的关系为,。二。二一丁“,一川一一万,公、产、声少月 了口了、了、几,甲,二二一一下、才己一,“一压缩机的拥损失,二一专。,。一甲。甲。,。不十一厄蔽厂兀瓦等压线益于勺式中,、分别为换热管内外对流换热系数月负热管管壁 的导热系数,一一、一换热管内外 半径换热 管的 长度换热管外面积,时。盐水首先由进水腔进人竖管内部蒸发,排水腔内未蒸发的浓盐水由水泵抽出。由于盐水在蒸发管内沸腾生成蒸汽,管内强迫沸腾对流换热系数可用式表示歹歹沙沙旧,一,二。肠丘丛、一。缨多一峭碑还些一”图燕汽压缩过程的卜图处笋川伊四司刃侧旧受犯 1994-2009 China Academic Journal Electron
13、ic Publishing House.All rights reserved.http:/卷预热器预热器的功能是回收高温冷凝水和浓盐水的显热,预热盐水,使其达到预定的温度。通常采用换热效率高的板式换热器,其特点是换热温差小、滞留量小。盐水通过两个预热器加热,需要进行流量分配。分配原则按冷凝水和浓盐水的流量比分配。造成预热器拥损失的原因主要有流体换热存在温差,流动有摩擦,流体向外界散热该项可不计个方面。由产热引起的嫡增为曰,几。亏笋一一甲一几不考虑水垢的影响,板式换热器 的传热系数沁可用公式表示拱李势李仇一一乞、,润血口肠内“卜其中,。,风分别为冷热流体侧的对流换热系数占沁,沁分别为板的厚度和
14、导热系数。板式换热器的换热系数可由式得到”、。凡。、刀是。”式中,几二左二卫二里五,一换热板之间的间距。产缩机的电机功率 为,压缩机的压差为。预热器是由两个板构成的板式换热器,分别为冷凝水一盐水预热器和浓盐水一盐水预热器,换热面积分别为衬和扩。进水水泵和排泄浓盐水水泵的额定扬程为,流率为耐一,功率为。淡水水泵的吸程为,流率为耐一,电功率为。启动或补偿电加热器功率为。蒸发一冷凝器、预热器、压缩机和连接管路用厚的聚苯乙烯隔热。图机械压汽蒸馏海水淡化实验系统简图反咫”抽画司扣斑面摩擦的大小通常用压力降来表示、,声、刃产,内,了宁、矛了、仰二几一“,斌由压力降造成的拥损失,二艺。几几水泵水泵将电能转化
15、为管道内流体的动能,以克服流动阻力。如果电机的输入功为平,为电机的效率,为水泵的内效率,则水泵的损失包括电机产热损失、机械摩擦损失一,和流体摩擦产热,小,、,“,。损失兹一乳恤矶水泵的拥损失为。一艺众“一,一,、二实验结构图是实验系统简图。蒸发一冷凝器内部是由竖管束组成的热交换器。蒸发拎凝器的底部为进水腔,中间主体为蒸发腔冷凝加热腔。离心式压实验结果与讨论由于实验以盐水的初始状态为标准状态,所以实验系统输人的拥值为压缩机和水泵的功率之和,而输出的拥为淡水和浓盐水所含的拥之和。表是实验系统在蒸发温度为,压缩比为的状态下,整个系统流程的运行参数和规值分布。从表中可知,压缩机只需提供少量的拥值掩一,
16、即可提高蒸汽的温度,使其成为过热蒸汽,并成为热源。水蒸汽具有较高的拥值,对这部分拥值进行回收是工艺的一大优点。回收的驱动力由压缩机提供,压缩机的效率将决定回收的效率。通常压缩机的效率约在 印,文献【开发出效率高达如的压缩机,大幅度提高了技术的效率。生产淡水的压缩机能耗为巧一。浓盐水拥值出现负值,是因为其浓度高于标准浓度。在计算拥效率时,阳建议拥值不能出现负值所以在确定环境参数时,以拥值最低为准。但往往确定最低拥值很困难,而具体的实验或工业过程往往涉及的物种有限,因此在具体的计算或实验中可以选用拥值较低,且易于确定的稳定状态为参考状 1994-2009 China Academic Journa
17、l Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/期焦冬生机械压汽蒸馏海水淡化系统的可用能分析态。表叩实验系统不同地点的参数和烟毛山阮详乓 分戏功测点流量吨温度浓度卿及掩一公肠城印印卯柳巧绷姗姗以以工呢勺飞曰,查水和水蒸汽表,并利用公式得到图点处水蒸汽的拥值为,二一。一一。肠一一一斜二,点淡水的拥值为公,二,一。一,一。二一一二一利用公式得到盐水溶液的拥值。输人系统的拥为二十二得到的产品为淡水和浓盐水,其拥为 及二,二一二脚,。二 二下万二乙。物。用率的主要方向。衰烟损分布毛山卿 哪设备拥损失损失率蒸发冷凝器研驯压缩机水泵的预热器肠
18、工总计压缩比如前所述,蒸发一冷凝器的拥损失主要来源于温差换热,其温差大小由蒸发腔和冷凝腔 的饱和压力决定。而蒸发腔和冷凝腔的压力差主要由压缩机维持,所以压缩机的压缩比是影响蒸发和冷凝的换热温差的重要参数。从图可看出压缩比小,温差低,拥效率高。所以在其他条件允许的情况下尽量用小压缩比、大流量的压缩机。图实验结果与计算结果存在差异,其原因一是计算中没有考虑蒸汽向环境的散热损失,二是没有考虑沸腾 的过热度。实际沸腾过程受沸腾表面影响,不同的表面具有不同的过热温度。对于大多数换热表面,核态沸腾产生的条件是过热度达到以上,过热度低于视为自然对流沸腾,其换热系数相对较低。所以实际选用压缩机时既要考虑压缩比
19、,也要考虑换热表面的影响。吵流城一公实验系统的总拥效率专二今护姗姗哥权稠映甘表列出了具体的损失情况,总烟损失 为,其中蒸发器和压缩机的损失较多,分别占和,水泵和预热器分别为和。工艺利用 电能实现盐水分离,在此过程中进行了一系列的能源转换。首先是电能转化为压缩机的机械能,机械能再转化为蒸汽的高温热能,高温热能进一步转化为盐水的低温热能,最后低温热能克服盐水的化学能,实现盐水分离。根据热力学第二定律,不同能源品位不同,电能、机械能和化学能属于高级能源,热能属于低级能源。机械能转化为热能和高温热能转化为低温热能都是不 可逆的。通过提高高温热能的温度和降低高温与低温的温度差能降低不可逆性,提高系统的能
20、源转化率。但这种措施受到盐水结垢、换热热阻和生产流率的限制。电能转化为机械能理论上可达到完全转化,所以研制高性能的压缩机和水泵是提高整体能量利奋,一如奋咨压缩比图压缩比与拥的关系公卿朋蒸发温度图给出了在压缩比为的情况下,蒸发温度对拥效率的影响。从图中可以看出随着温度升高,拥效率有升高的趋势。因为温度高,换热效率高,蒸发量大,相应地得到的拥高。另一方面是较低的温度需要较低的压力,维护较低的压力需要较多的功耗。所以在降低或消除结垢危害的情况下,应 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights rese
21、rved.http:/太阳能学报四卷选用较高的蒸发温度。洲热系数。一一,一计算值今实验值训以 月一一一一一哥拱程映甘燕发沮度的导热系数理火一,川川切川川创川川创心扁飞,二八一一锌撰招映甘图蒸发温度与拥凡叮耐鲜刃协叫阵比盐水浓度图给出盐水浓度与烟的关系。盐水分离是一个不可逆过程,盐水浓度越高,不可逆程度越高,相应的拥效率越低。实验与计算的误差由两方面造成一是摩尔浓度为吨一的水溶液其活度系数为奴”浓度越高,活度系数越低,盐水的烟值越低。盐水被当作理想溶液,根据式计算得到的拥值要高于实际溶液的值二是计算中没有考虑系统向环境的散热损失。但从实验数据可以看出溶液浓度低有利于系统对盐水的分离。图换热管管壁
22、导热系数肠伍四 罗犯结论海水淡化实验系统由蒸发一冷凝器,压缩机,水泵和预热器等设备组成,其拥效率为其中蒸发一冷凝器,压缩机,水泵和预热器的拥损分别占抖,和。从数据可知可用能的损失主要源于蒸发一冷凝器和压缩机,占总数的。从分析影响可逆因素的参数压缩比、蒸发温度和盐水浓度可得到如下结论 设计建造系统应选用高性能低压缩比的压缩机,经济耐腐蚀的换热管和适当的蒸发温度。计算结果与实验存在差异是由于计算过程中没有考虑系统散热损失和蒸发一冷凝器内流体的流动阻力损失,计算模型有待进一步优化。计算结果实验结果 参考文献即匆,蕊 记尸】祀卿石。伊倪盛抚,印目恤画,姗,任务一卜刑皿,砚卿,公卿田司沙。目汕化妇,耐浅
23、洲山川迈【,吐运画。,么叉抖,一乙一耐皿灿,压衫汕汕公卿伍戈山到山扭朋【。,山皿,卯,一抖川巨而少,初,讹仆回助园卵击洲山扭往”翅【,目以,么刃,于币面长妇,乙坦明,月,叨咒司伴面出记叹分助目曰月为以盯甲比朋目叫【肥卿。,响卵,】哪,乡一幻飞,且,片卜哥拱招映甘峨兀以盐水浓度图拥与盐水浓度臂留耐肚山讹加毗加州不同材质的管束的影晌图表示用数学模型计算的用铜、铝、铜合金、铝合金、钦、不锈钢、镍铬合金和塑料等,阁多种材料分别制成的换热管系统的拥效率。从中可看出换热管的热阻对拥影响较低,相对影响约为。因为换热管管壁较薄,由式可看出其热阻相对于两侧的燕发冷凝换热热阻要低一到几个数量级。所以在选用换热管时
24、,优先考虑具有耐腐蚀和抗结垢的易于建造的经济性管材,然后再选用尽量高的导 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/期焦冬生 机械压汽蒸馏海水淡化系统的可用能分析明曰伪胭,川一腼,切,仆司伴而恤罗朋朗目旧,以,一【阮,加,毗以心飞朋飞朋目任况场阳玩卿图目斑,双刃,一公拓【侧日五,酬公卿盯司山曲掀耳 守肠招料罗毗,么刃,肠乃一【钱颂文主编 换热器设计手册【北京 化学工业出版社,以犯,【苏中里斯 著,董孝强,朱报祯等 译离心压缩机【北京中国工业出版社,筋,【川毛希澜主
25、编 化工设备设计全书换热器设计北京 化学工业出版社,【玩比,配卿毛理耐为钊比山卯吧叹沮曲西山司脚【。圈目蒯,望辫,卯一叫侧仆侧而。而硬 分公目仁舱卿肠,洲,争一【。叻 比阮,凡沈卿。,耐即川山笠侣歇泊瑞曲而灿朗目坦,望抖,卯一科【巧一柳记山哪卿卜众招画时,男巧,一 王正烈,周亚平,李松林,等物理化学 下第四版【北京 高等教育出版社,馏田云回力加叩资旧搜目画卜【即目耐,哪,一【毛份阳吐叨,川叨旧已时恤聊花心压份吻旧珑刻,望刃,一公红,四配肛公粥日她罗块严南咧”帅如以山以记卿肠呀认倪动呀,之 介山扔勿反如此 助如峨瞬功犯,从葬印,以衡旧由旧仆卿力川朋公邓日俪”咖面卿朋,妇,训叩朋。,卿胎,明侧沈卿,刃刀戒仆伍况以仆犯卿哪找月山叩沙,斗 男仆画,找一罗吐曰朋刃价洲阳找如二犯比乓男卿、