热泵型海水淡化系统节能可行性的理论探索

黄浩亮

（广东申菱环境系统股份有限公司）

随着世界人口的增加及经济规模的不断扩大，用水需求不断的上升，淡水资源短缺的矛盾日渐突出，向海洋要水己成为国际共识，而手段则是海水淡化。

目前，国际上适于产业化海水淡化的技术主要有蒸馏法和反渗透法。蒸馏法就是将海水变成蒸汽，蒸汽冷却而得到高纯度淡水。根据蒸发冷却的方式不同，蒸馏法通常分成多级闪蒸、多效蒸馏及蒸汽压缩蒸馏（也称压汽蒸溜）3种。多级闪蒸是将热海水突然减压，产生蒸汽而得到淡水。多效蒸馏是在蒸汽冷却的同时，持续蒸发进而得到淡水。该法可利用75℃左右的低温废热作为海水的加热热源，是一种可利用余热的节能海水淡化方法。蒸汽压缩蒸馏法工作原理是：蒸汽被压缩后，压力增高，温度也随之上升。根据这个原理，可将压缩机的机械功转化为海水蒸发所需要的热能。蒸汽压缩蒸馏海水淡化法的热功效率比其他两种蒸馏法高得多，而且能直接用柴油机驱动，单位体积产量高，但由于受压缩机容量的限制，目前压汽蒸溜装置的产水量受到限制，一般以日产几千吨淡水以下的规模较适宜。反渗透法就是在一定压力下（约60kg/cm2），将海水压入反渗透膜，这种膜只允许海水中的水分子透过，而将绝大部分盐分子截住，从而得到淡水。上述4种海水淡化的方法经过几十年的发展均已较为成熟，并且得到了较大规模的商业化应用，但是如何降低能耗却是亟待解决的问题，寻找一种较低能耗生产高质量淡水的方法，是目前在海水淡化领域努力的方向。

1 多效蒸馏海水淡化技术简介

多效蒸馏海水淡化技术是最早海水淡化方法之一， 80年代中期大型低温高效海水淡化装置研究成功其原理是以75℃左右低温蒸汽作为加热热源，远低于多级闪蒸110℃左右的蒸汽温度，所以管壁的结垢倾向减小，并且使低温废热的利用成为可能，至此多效蒸馏海水淡化技术进入比较成熟阶段。

由于多效蒸馏海水淡化技术以75℃左右低温蒸汽作为加热热源，与目前成熟的热泵运行工况温度区间吻合（例如可采用R134a制冷剂），故海水淡化系统可结合热泵循环的技术，实现利用热泵回收多效蒸馏海水淡化系统末效蒸汽的热量，这样既可继承压汽蒸馏法可回收利用最末效蒸汽热能的优点，又可保留多效蒸馏法蒸汽热量多次使用的特点，因而可实现节能的淡水生产。

2 热泵型海水淡化系统原理及热力 计算

图1为初步设计的热泵型海水淡化系统的模拟运行方案原理图，该方案为结合了热泵循环的多效蒸馏海水淡化系统，接下来将对该系统进行基本的热力计算以及对其效能情况作简要理论计算分析。假设条件如下：系统采用制冷量200kW压缩机、配R134a制冷剂、蒸发温度30℃、冷凝温度75℃、过热度5℃、过冷度5℃、海水进水温度25℃、采用9效蒸馏、每效间传热温差5度。

图1 热泵型海水淡化系统运行原理图

热泵系统的冷凝器直接作为海水淡化系统的第一效蒸发器，海水被喷淋到各效淡化蒸发器中，在各效淡化蒸发器中蒸发了的淡水水蒸气进入下一效，以自身的热量对喷淋的海水进行蒸馏淡化，如此逐级推进。为了实现能量回收利用，将热泵蒸发器设置于海水淡化装置的9效出口处，回收水蒸气的热量。一台200kW压缩机运行一天的理论制冷回收热量QO约 为1.7×107kJ，水蒸气按35℃计算，汽化潜热取2419kJ/kg，参照式（1），计算得末效水蒸气产量为每天7吨，为简化起见，假设每效淡水产量相同，按9效计算，总淡水生产量为63t/d。

式中：D---水蒸气量

γ---水蒸气的汽化潜热

理论上，海水随时都在蒸发，在不同温度下蒸发，其差别主要是在蒸发速度上，温度越高，制水速度越快，所以在淡化系统的海水蒸发温度设计上，必须综合考虑制水效率与制水能耗之间的权衡。另外，蒸发温度超过75℃后，海水淡化过程中结垢程度加大，导致换热器换热效率下降严重，故一般以50℃～75℃的蒸发温度设置为宜。以上所指的海水蒸发温度，对应即是热泵系统的冷凝温度，而热泵系统的蒸发温度的选择，主要考虑的是需低于热量回收源的温度，一般取20～30℃为宜，多效蒸馏淡化出来的淡水及蒸气温度均会在30℃以上，故热泵蒸发温度选取30℃，以下计算对比热泵系统在不同冷凝温度下整机的制冷系数，冷凝温度分别选择75℃、60℃和50℃计算。

所需计算参数分别有：

a. 冷凝温度75℃

系统热力参数如表1所列：

表1 热泵系统数据

b. 冷凝温度60℃

系统热力参数如表2所列：

表2 热泵系统数据

c. 冷凝温度50℃

系统热力参数如表3所列：

表3 热泵系统数据

从以上计算对比看，冷凝温度选择在75℃时制冷系数为3.75，随着冷凝温度的降低，制冷系数不断提高，在50℃时达到了10.42。

3 产水能耗费用评估

按以上参数计算，当冷凝温度75℃时，制冷系数为3.75，按200kW制冷量换算，每天耗电1280度，按1元/度计算，费用为1280元，产水量为63吨，即每吨水的分摊费用为20.3元，比目前百吨级海水淡化系统产水成本大约在26元/吨低。而当冷凝温度50℃时，制冷系数为10.42，按相同原则计算，每吨水的分摊费用为7.3元，成本优势非常明显。目前在海水淡化的实际应用中，一般都会采用千吨级以及万吨级的设计量的，因为只有增大规模，才能进一步的降低单位产水成本，本文设计的方案运行功率规模较小，主要是为便于计算以及有需要时制作实物进行测试验证，也可以作为一些位于偏远岛屿、对制取淡水需求量不大的场所所采取的设计参考。

4 结论

综合以上原理布局构思及理论计算分析，在低温多效蒸馏海水淡化法上结合热泵技术的热泵型海水淡化系统能实现能量回收循环利用，当冷凝温度进一步降低时，系统的制水费用还将进一步下降，节能降耗潜力大，该系统技术方向可行。