NaCl溶液閃蒸效率特性數值研究

王為術, 閆 廣, 李帥帥

(華北水利水電學院, 河南 鄭州 450011)

NaCl溶液閃蒸效率特性數值研究

王為術, 閆 廣, 李帥帥

(華北水利水電學院, 河南 鄭州 450011)

鹽水閃蒸技術廣泛應用于海水淡化及海洋溫差能發電, 含鹽質量分數、給鹽液溫度和閃蒸壓力對閃蒸汽化率和熱效率有很大影響。在質量分數為3.5%～20%、給鹽液溫度為30～95℃和閃蒸壓力為1～30 kPa的范圍內, 對NaCl溶液閃蒸汽化率和熱效率等閃蒸效率特性進行了定量計算研究, 研究得到了鹽水含鹽質量分數、給鹽液溫度和閃蒸壓力對閃蒸汽化率以及熱效率影響的規律。結果表明, 降低含鹽質量分數, 提高給鹽液溫度, 降低閃蒸壓力可提高閃蒸汽化率與熱效率; 含鹽質量分數越高,造成的熱損失越大, 而提高給鹽液溫度會增大熱損失。

海洋溫差能; 海水淡化; 閃蒸效率; 熱效率

海洋面積占地球面積的 71%, 占地球總水量的97%, 蘊含巨大能量及水資源, 海洋溫差能有很好的經濟和環保效益[1], 而海水淡化是解決人類水資源困境最現實的方法[2]。鹽水閃蒸工藝在海洋溫差能利用和海水淡化技術中至關重要, 鹽水閃蒸是將鹽溶液排向低壓空間, 因壓力突降鹽溶液達到過飽和而發生水快速蒸發, 鹽水閃蒸的主要產物為低壓水蒸氣和濃縮鹽水。顯然鹽水閃蒸效率決定海洋溫差發電和海水淡化工藝技術的先進性和經濟性。

目前, 針對鹽水閃蒸的研究主要集中在鹽溶液物性參數、工藝流程、閃蒸系統設計和鹽水綜合利用評價等方面。Bendaoud[3]設計了核能海水淡化閃蒸蒸發系統, 劉振華[4]和吳靜波[5]研究了鹽水換熱器強化換熱特性, 為海水淡化和余熱綜合技術提供了實驗數據, 鄧潤亞[6]、沈勝強[7]、阿迪爾[8]等對海水淡化系統的能量轉化過程進行了定量分析, 張寧[9]、崔樹軍[10]和王戰軍[11]主要討論了海水淡化方案和經濟性比較。鹽水閃蒸效率可用鹽水閃蒸汽化率和熱效率來衡量。海水中, Na鹽超過75%, 筆者針對NaCl溶液閃蒸效率的特性, 計算分析了鹽溶液質量分數,給鹽液溫度和閃蒸壓力對閃蒸汽化率和熱效率的影響規律, 研究結果對鹽水閃蒸優化設計和經濟運行有指導意義。

1 NaCl溶液閃蒸的計算方法

典型的閃蒸器結構如圖 1所示, 鹽水由給水管5, 經閥門6進入閃蒸室1, 低壓蒸汽經由閥門4進入

凝結裝置。

圖1 閃蒸器結構簡圖Fig. 1 Structure sketch of the flash evaporator

相同壓力下, 鹽溶液的沸點(飽和溫度)高于水的沸點, 兩者的沸點之差稱為溶液的沸點升高, 鹽溶液沸點升高的數值隨溶液的質量分數及蒸發器中溶液的液柱高度而變, 質量分數越高, 液柱越高, 沸點升高數值也越大。在閃蒸器中, 鹽溶液在閃蒸室上部噴淋, 不存在液柱高度對沸點的影響。

水的物性由美國國家標準和技術協會開發的Refprop軟件計算, NaCl溶液的比熱由Coolpack軟件計算。根據文獻[12]提供的數據擬合出NaCl溶液在標準大氣壓下的沸點升高與NaCl溶液質量分數的關系式(1):

式中:c為溶液中 NaCl占溶液總質量的百分數, 以下簡稱質量分數;θ為NaCl溶液在標準大氣壓下的沸點升高, ℃。式(1)計算值與實驗數據誤差不超過±1%。

其他壓力下的NaCl溶液沸點升高由吉辛科式計算[12]:

式中θ′為所求壓力下的沸點升高;θ為標準大氣壓下的溶液沸點升高,f為校正系數,T′為所求壓力下飽和蒸汽溫度,r為所求壓力下水的汽化潛熱, kJ/kg。

閃蒸汽化率定義為單位質量溶液經閃蒸得到的蒸汽質量。根據能量守恒定律推導閃蒸過程的能量方程為:

據此可得閃蒸汽化率x:

式中,h0為原溶液的比焓, kJ/kg;h1為閃蒸排液比焓, kJ/kg;h2為閃蒸蒸汽比焓, kJ/kg。

閃蒸熱效率η定義為閃蒸蒸汽焓與原溶液比焓的比值, 則熱效率的計算式:

2 計算結果分析

2.1 NaCl溶液閃蒸汽化率特性分析

NaCl溶液質量分數對溶液閃蒸汽化率和熱效率存在較大影響, 其主要原因是NaCl溶液的沸點升高和比熱降低, 沸點升高致使傳熱溫差降低和閃蒸熱量損失, 圖 2給出了不同質量分數不同壓力下的沸點升高。分析圖可見, 在相同壓力下NaCl溶液沸點升高隨質量分數升高而增大, 特別是NaCl溶液質量分數在 10%～20%范圍內, 其沸點升高隨質量分數顯著升高; 相同質量分數下, 壓力越高沸點升高值越大。

圖2 NaCl質量分數與溶液沸點升高的關系Fig. 2 The boiling point elevation of NaCl solution

NaCl溶液沸點升高會導致閃蒸汽化率的下降,圖3給出了4 kPa壓力下不同給水溫度不同質量分數NaCl溶液的閃蒸汽化率。分析圖可見, 閃蒸汽化率隨質量分數升高而降低, 給水溫度越高, 閃蒸汽化率越高, 且汽化率與給鹽水溫度呈線性關系。因此,如何提高閃蒸器進口海水溫度是提高海水閃蒸淡化技術經濟性的關鍵。

圖3 質量分數與給鹽液溫度對閃蒸汽化率的影響Fig. 3 The influences of mass fraction and feed salt solution temperature to the flash evaporation rate

壓力是溶液飽和溫度的決定因素, 對閃蒸汽化率有很大影響, 圖 4給出了不同給鹽液溫度, 7%NaCl溶液在1～30 kPa閃蒸壓力下的汽化率。分析圖可見, 隨著閃蒸壓力的升高, 閃蒸汽化率迅速下降。因此, 在閃蒸、多級閃蒸海水淡化機組運行中,負壓的建立與維持是保證海水淡化順利進行的關鍵。

圖4 閃蒸壓力與給水溫度對汽化率的影響Fig. 4 The influences of flash evaporation pressure and feed salt solution temperature to the flash evaporation rate

2.2 NaCl溶液閃蒸熱效率特性分析

提高閃蒸器入口海水溫度可提高閃蒸汽化率,從而提高了閃蒸的熱效率。開式海洋溫差發電的熱源為海洋表面的熱海水, 溫度約 30℃, 其閃蒸汽化率為 0.12%, 熱效率為 2.5%, 當將入口水溫提高至70℃時, 熱效率升高至61.06%, 圖5為4kPa閃蒸壓力下各質量分數NaCl溶液的閃蒸熱效率。分析圖可見, 隨著給鹽液溫度的升高, 熱效率升高明顯, 低質量分數溶液閃蒸熱效率較高, 超過 60℃, 各質量分數NaCl溶液的閃蒸熱效率趨于相同。因此, 提高閃蒸器進口海水溫度以擴大溫差是海洋溫差發電能否實現商業化大規模應用的關鍵。

圖5 質量分數與給鹽液溫度對熱效率的影響Fig. 5 The influences of mass fraction and feed salt solution temperature to the thermal efficiency

圖6給出了50～90 ℃, 7%NaCl 溶液在1～30 kPa閃蒸壓力下的熱效率。分析圖可見, 隨著閃蒸壓力的升高, 閃蒸熱效率迅速下降, 在相同的閃蒸壓力下提高給水溫度, 閃蒸熱效率有明顯的提高。開式海洋溫差發電機組的蒸汽壓力越低, 則設備越龐大, 造價越高昂, 降低機組的經濟性和可行性, 所以存在最佳壓力, 一般取4 kPa為開式海洋溫差發電的運行壓力。

圖6 閃蒸壓力與給鹽液溫度對熱效率的影響Fig. 6 The influences of flash evaporation pressure and feed salt solution temperature to the thermal efficiency

2.3 NaCl溶液閃蒸系統熱損失分析

由圖3和圖5可知, NaCl溶液質量分數升高對閃蒸效率存在不良影響。圖7比較了4 kPa壓力下1kg水與不同質量分數 NaCl溶液經閃蒸得到的蒸汽焓。

圖7 閃蒸蒸汽焓Fig. 7 The enthalpy of flash evaporation steam

閃蒸熱損失Qlose定義為 1kg水與鹽溶液在相同的入口溫度與閃蒸壓力下得到的閃蒸蒸汽焓值之差, kJ/kg:

hw、hs為相同入口溫度水與NaCl溶液的比焓,xw、xs為同工況下水與NaCl溶液的閃蒸汽化率。

圖8給出了4 kPa壓力下不同入口溫度不同質量分數NaCl溶液的閃蒸熱損失。分析圖可見, 相同給鹽液溫度下, 熱損失隨著質量分數的增加而增大;相同質量分數溶液閃蒸熱損失隨給水溫度升高而增大。

圖8 熱損失Fig. 8 The thermal loss

3 結論

通過對NaCl溶液閃蒸效率特性計算與研究, 可以得到以下結論:

(1)質量分數、給鹽液溫度與閃蒸壓力是閃蒸汽化率的決定因素。保持較低的質量分數, 提高給鹽液溫度, 維持較低的閃蒸壓力可保證較高的鹽水閃蒸汽化率。

(2)質量分數、給鹽液溫度與閃蒸壓力是閃蒸熱效率的決定因素。質量分數越低, 給鹽液溫度越高,閃蒸壓力越低則閃蒸熱效率越高。

(3)閃蒸熱損失隨質量分數和給鹽液溫度的提高而增大。

[1] 王迅, 李赫, 谷琳. 海水溫差能發電的經濟和環保效益[J]. 海洋科學, 2008, 32(11): 84-87.

[2] 范迪, 王娟, 遲宏. 海水資源開發及綜合利用淺析[J].海洋科學, 2008, 32(3): 91-95.

[3] Ali Bendaoud, 張達芳, 鄭文祥. 用于海水淡化堆的閃蒸器蒸汽發生系統[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2002, 42(8): 1035-1037.

[4] 劉振華, 秋雨豪. 緊湊型滾壓強化管管束內水和鹽水的沸騰強化換熱特性[J]. 上海交通大學學報. 2004, 38(10): 1627-1630.

[5] 吳靜波. 低壓下濃鹽水沸騰及強化傳熱的實驗研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2009.

[6] 鄧潤亞. 海水淡化系統能量綜合利用與經濟性研究[D].北京.中國科學院研究生院(工程熱物理研究所), 2009.

[7] 沈勝強, 張會, 劉曉華. 低溫多效蒸發海水淡化裝置的計算分析[J].節能, 2005, 6: 10-13.

[8] 阿迪爾M S, 朱華, 屠傳經. 給水溫度對MSF海水淡化系統性能的影響[J]. 浙江工業大學學報(工業版), 1999, 33(6): 650-653.

[9] 張寧, 蘇營營, 蘇華, 等. 海水淡化中濃海水的綜合利用研究[J]. 海洋科學, 2008, 32(6): 85-88.

[10] 崔樹軍, 韓慧茹, 鄧會寧, 等. 海水淡化副產濃海水綜合利用方案的探討[J]. 鹽業與化工, 2008, 1: 36-42.

[11] 王戰軍, 高宏, 王海倫, 等. 空間蒸發技術在海水淡化中的應用研究[J]. 海洋工程, 2005, 23(1): 103-106.

[12] 天津大學化工原理教研室. 化工原理(上) [M]. 第二版. 天津: 天津科學技術出版社, 1987: 1-451.

(本文編輯:康亦兼)

Numerical study on the characteristics of flash evaporation efficiency of NaCl solution

WANG Wei-shu, YAN Guang, LI Shuai-shuai
(North China Institute of water conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China)

Sep., 20, 2011

Ocean thermal energy; Desalination of seawater; Flash evaporation rate; Thermal efficiency

Flash evaporation technology is widely used in desalination of seawater and ocean thermal power generation. Mass fraction of solution, feed salt solution temperature and flash evaporation pressure have great influence on the flash evaporation rate and thermal efficiency. Within the range of salt mass fraction from 3.5% to 20%, feed salt solution temperature from 30℃ to 95℃, and flash evaporation pressure from 1 to 30 kPa, flash evaporation efficiency characteristics of flash evaporation rate and thermal efficiency were calculated and analyzed. The influences of salt mass fraction, feed salt solution temperature and flash evaporation pressure on the efficiency characteristics were discussed. The results showed that the flash evaporation rate and thermal efficiency were increased with the decrease of salt mass fraction. The flash evaporation rate and thermal efficiency were increased with the increase of feed salt solution temperature. However, the decrease of flash evaporation pressure can increase the flash evaporation rate and thermal efficiency. Salt mass fraction and thermal loss were increased with the increase of feed salt solution temperature.

P747+.11

A

1000-3096(2012)10-0068-05

2011-09-20;

2011-12-26

國家科技支撐計劃項目(2011BAA05B03); 河南省高校骨干教師資助計劃(2009GGJS-062)

王為術(1972-), 男, 四川省萬縣人, 碩士生導師, 主要研究方向: 多相流傳熱, 熱工水力, 低質熱發電, Email: wangweishu@ncwu.edu.cn