小型吸收式太阳能热泵海水淡化系统的设计

李　敏，袁观樑，庄　浩，谢希锐，张耿彬

( 1.广东海洋大学 工程学院，广东 湛江 524088；2.东莞市体育中心，广东 东莞 523001 )



小型吸收式太阳能热泵海水淡化系统的设计

李敏1，袁观樑2，庄浩1，谢希锐1，张耿彬1

( 1.广东海洋大学 工程学院，广东 湛江 524088；2.东莞市体育中心，广东 东莞 523001 )

为了有效利用太阳能解决船舶产淡水的高能耗问题，本文将通过利用吸收式太阳能热泵系统的优势，结合真空闪蒸的制淡原理，设计了小型船用吸收式太阳能热泵海水淡化装置，以实现低温低能耗制取船用淡水。系统中利用太阳能集热器提供热量作为吸收式制冷机的补偿能，并利用吸收器和冷凝器的放热量及余热回收加热海水，利用制冷蒸发器结合真空泵提供高真空，海水经加热后通过喷嘴喷入真空罐后闪蒸，蒸汽经蒸发器冷凝，从而实现海水制淡。如果在船只靠岸不需要制淡时，装置还可以当真空冷却装置使用或者生活热水器使用，实现功能转换。通过对一定容量的海水淡化系统装置重要设备的匹配计算及设备选型计算，可为同类设备的设计与选型提供参考。

溴化锂吸收式制冷，太阳能集热器，热泵，海水淡化

引言

海水淡化是将海水中的盐分和杂质除去后达到可以饮用和生活用水、工业用水标准的一个过程[1]。蒸馏法制取淡水[2]是将海水加热后使之蒸发汽化,利用盐几乎不溶于低压蒸汽这一性质,将盐和水分离,然后将产生的二次蒸汽冷凝成水,形成符合生活及工业应用的不含盐分或含盐分极少的淡水。到目前为止,蒸馏法制取海水仍然是船舶海水淡化最主要的技术[3]。低温海水蒸发是指海水在第一效的最高蒸发温度(盐水顶温)不高于70℃,由此,蒸发表面盐类结晶的速率将大为降低,显著减少海水结垢量,从而解决多效海水蒸发时易结垢之难题[4]。

图1　太阳能吸收式热泵海水淡化装置原理示意图1-真空管太阳能集热器　2-辅助电加热器　3-发生器　4-冷凝器　5-液-液换热器　6-制冷剂贮液器　7-制冷系统节流阀　8-吸收器　9-蒸发器　10-保温真空罐　11-保温隔板　12-闪蒸喷嘴　13-热水盘管换热器　14-浓海水排水泵　15-淡水出水泵　16-淡水柜　17-真空泵　18-海水进水泵　19-浓溶液贮液器　20-稀溶液贮液器　21-稀溶液泵　22-热水循环泵　23-热水循环水箱　24-供水循环水泵　25-真空调节阀　26-闪蒸温度调节换热器

真空系统是为了降低海水的沸点而保证低温蒸发，采用低温法不易结垢，采用蒸馏法装置小型实用。目前海水淡化装置及其相关的专利产品很多，人们研究也很热烈，将不同的技术结合海水淡化工艺的技术特点，有真空蒸馏海水淡化装置[5]，热泵海水淡化装置[6]，低温海水淡化装置，多级闪蒸海水淡化装置[7]，低温多效海水淡化装置[8]及溴化锂吸收式海水淡化装置[9]，太阳能多效海水淡化装置，真空冷却系统与海水淡化结合起来的装置等，但可以将真空冷却系统，吸收式热泵加热功能及独立太阳能供能系统联合起来进行海水淡化的装置还没发现。本设计是利用真空冷却的原理提供高真空，通过利用吸收式热泵余热加热海水到闪蒸温度，利用太阳能结合辅助加热器来驱动吸收式热泵系统，实现闪蒸和蒸馏共存的方式实现海水淡化的一种改进型海水淡化装置。此太阳能吸收式热泵海水淡化系统可实现多种技术的融合，达到节能减排，经济实用的多重效果。

1　设计原理和设计方案的简介

利用太阳能驱动吸收式制冷系统工作，以实现低真空并为海水沸腾汽化提供能量，达到低成本运行的目的。本设计的吸收式太阳能热泵海水淡化系统由四部分组成：太阳能集热系统、吸收式热泵海水淡化系统、辅助电热水器及自控系统。其结构原理示意图如图1所示。

太阳能集热系统是由真空管式太阳能集热器、热水箱、换热器及必要的循环水泵及阀门组成；溴化锂吸收式热泵海水淡化系统是由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、换热器、稀溶液储罐、浓溶液储罐、制冷剂储罐、双开式真空罐及必要的循环水泵、真空泵和阀门组成；辅助电热水器主要是避免集热器供热不足，自控系统对系统的温度、真空度及运行条件进行适时控制调整，保证系统连续稳定工作。

如图1所示，系统有几种不同的运行模式。

白天阳光充足时，辅助电加热器不工作，高效真空太阳能集热器收集太阳辐射能产生热水并储存于热水循环水箱中，当热水出口温度达到溴化锂吸收式热泵机启动所需的最低温度时，稀溶液泵将稀溶液储罐中的稀溶液经液-液换热器输送至发生器中，溴化锂溶液经真空管太阳能集热器出口热水的加热后产生水蒸气并在冷凝器内冷凝，冷凝水进入制冷剂贮液器中。与此同时，发生水蒸气后的溴化锂浓溶液则经液-液热交换器换热并输送至浓溶液贮液器，经溶液节流阀后回到吸收器中。同时，制冷剂贮液器中的制冷剂经主节流阀节流进入蒸发器吸热蒸发后也流入吸收器内，被来自浓溶液贮液器的浓溶液吸收形成稀溶液进入稀溶液贮液器，完成溶液工作循环。此时，吸收式热泵系统所需的驱动热全部来自真空管太阳能集热器，海水淡化装置所需的热量来自集热器产生的热海水经闪蒸温度调节换热器和热水盘管换热器、吸收器的吸收热和冷凝器的冷凝热的加热。海水由海水进水泵引入经吸收器和冷凝器加热后，再经闪蒸温度调节换热器进一步加热后，由喷嘴喷入真空罐右侧罐体，海水闪蒸，并在盘管换热器的供热下继续蒸发，浓海水从真空罐罐体右侧经浓海水排水泵排出。蒸汽通过真空罐中间隔板上部通道进入左侧罐体，经左侧罐体内蒸发器的盘管冷凝为淡水后经淡水泵泵入淡水柜。真空罐内的真空度由真空度调节阀和真空泵进行调节，完成海水淡化过程。

白天阳光不充足时，若真空管太阳能集热器的热水出口温度达不到吸收式热泵启动所需的最低温度，则需开启辅助电加热器辅助加热，使热水温度达到系统运行要求。夜间，可采用少量蓄能供热，同时启动辅助电加热器，从而保证系统的连续工作。当不需要海水制淡时，经真空管太阳能集热器加热的热水蓄存在热水循环水箱中，可用于供应生活热水，整个装置还可以启动作为真空预冷装置使用，来冷却食品。

2　实例设计过程及简介

2.1以一定容量的制淡水容量为设计条件来进行主要设备的匹配计算

淡水生产量：10 t/d

蒸汽闪蒸温度：35～40℃

2.2溴化锂吸收式热泵系统的设计

(1)设计条件及相关参数的选定见表1所示。

表1　设计条件及相关设计参数的选定表

(2)制冷量及蒸发器的计算及设计

淡水生产量qf：10T/d，若取太阳能集热器的有效工作时间为8h，则制淡量为1.25T/h=1250 kg/h。

海水含盐浓度：3.5%，制淡后排出的浓海水浓度为5.2%，那么100kg这种含盐浓度的海水，可产32kg淡水，所以参与闪蒸的海水量qc为：

理论制冷量：

=838.61kW

冷量损失：Ql=5%Q0=41.93kW

实际制冷量(蒸发器热负荷)：

QE=Q0+Ql=880.54kW

按此负荷匹配蒸发器的面积，蒸发器的型式可采用盘管式，可参照文献[6]的结构及设计。

(3)吸收式系统其他主要设备的计算及选型设计：

表2　吸收式热泵机组循环参数值

① 制冷机中冷剂水流量

q0=h1′-h3=2924.48-146.63=2777.85kJ/kg

② 冷凝器热负荷

Qc=qmd(h3′-h3)

=0.32×(2640.57-146.63)=798.06kW

③ 吸收器热负荷

QA=qmd[(α-1)h8+h1′×αh2]

=0.32×[(17.14-1)×293.86+2924.48

-17.14×265.81]=995.32kW

④ 发生器热负荷

QG=qmd[(α-1)h4+h3′-ah7]

= 0.32×[(17.14-1)×351.62+2640.57

-17.14×319.20] = 910.28kW

⑤ 溶液热交换器热负荷

Qex=qmd[(α-1)(h4-h8)]

=0.32×[(17.14-1)×(351.62

-293.86)]=298.32kW

吸收式热泵机热泵循环的热平衡方程：

QG+QE=QC+QA

经核验，上式误差：

将上述计算出设备热负荷汇总如表3所示。

表3　设备热负荷

经过相应的传热计算，各换热器的面积分析如表4所示。

(4)太阳能集热器设计计算

按照发生器所需驱动负荷的要求和热泵驱动的温度条件，选择相应的太阳能集热装置如表5所示。

表4　所需换热器的换热面积

表5　太阳能吸收式热泵系统集热器选取

本系统采用真空管集热器，集热器集热器采光面积为：

本系统其他设备：真空系统设备，盘管换热器，辅助加热器及管道和阀门的设计计算和选择可参考文献[6]。

3　结束语

本系统首次将太阳能集热系统、吸收式热泵系统及真空系统进行有机集成，应用于海水淡化；利用太阳能驱动吸收式热泵装置及提供海水加热热量，节约能源，吸收式热泵冷凝器放热为海水闪蒸提供能量，蒸发器一方面将蒸气冷凝，另一方面结合真空泵提供高真空，装置可真正实现低能耗真空闪蒸无结垢海水淡化。

[1] 邬晓龄，黄肖容，邓尧.海水淡化技术现状及展望[J].当代化工，2012，41(9)：964-966，1002

[2] 宫兵,张永生,赵成纲,船舶余热用于海水淡化[J].石油化工设备,2009,38(1):50-52

[3] 高玉红，丁忠伟，刘丽英.直接接触式膜蒸馏活化能的研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2016,43(2):1-5

[4] 蔡海涛，周向阳，胡在定，等.用于低温多效海水淡化装置的TVC泵设计与试验研究[J].真空科学与技术学报，2015，35(12)：1495-1499

[5] 刘干武,陈金增,李光华.船用真空蒸馏式海水淡化装置性能分析[J].船舶工程，2009，38(6)：43-45

[6] 李敏，黄西菲.小型多功能热泵式海水淡化装置的设计.水处理技术,2015,41(10):108-112

[7] 何晨枭,陈金增,李光华.船用多级闪蒸海水淡化装置的改进[J].航海工程，2010，39(3)：145-151

[8] 沈胜强，周士鹤，牟兴森,等.大型低温多效蒸发海水淡化装置传热过程热力损失分析.化工学报，2014，65(9)：3366-3374

[9] 沈超，李希会，王厚庆.溴化锂吸收式制冷机与海水淡化联合运行装置[J].石油化工设备，2005，34(5)：39-41

Design of the Small Absorption-type Solar Energy Heat Pump Seawater Desalination System

LI Min1,YUAN Guanliang2,ZHuang hao1，XIE Xirui1,ZHANG Gengbin1

(1.Engineering College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088；2.Dongguan Sports Centre,Dongguan 523000，Guangdong,China )

In order to effectively utilize solar energy to solve the high energy consumption of freshwater ship production problems,this paper will make use of the advantages of solar absorption heat pump system,combined with the principle of vacuum flash Evaporated system,design solar heat absorption of small marine desalination unit.System using solar collectors provide as compensation for heat absorption chillers,and take advantage of the heat releasing from absorber and condenser.using a cooling evaporator combination with vacuum pump offers high vacuum.After heating the sea water is injected into the vacuum flash tank through a nozzle,flashed steam through the evaporator condensate and achieve the seawater desalination.If the system does not require to dock desalination,the device also can be vacuum cooling device or life water heater,and achieve functional conversion.By a certain volume of seawater desalination system matching calculation and equipment selection,these can provide reference for the design and selection of similar equipment.

LiBr absorption-type refrigerator；Solar collectors；Heat pumps；Desalination

2016-5-16

广东省教育厅项目(2014KTSCX076),广东省创新训练项目(CXXL2015116)

李敏(1967-)，女，硕士，副教授，从事制冷及贮藏工程与相关工艺的开发研究。Email：limin2080@163.com

ISSN1005-9180(2016)03-065-05

TB61+6；TQ051.5 文献标示码：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.012