熱泵型海水淡化系統節能可行性的理論探索

黃浩亮

（廣東申菱環境系統股份有限公司）

隨著世界人口的增加及經濟規模的不斷擴大，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，國際上適于產業化海水淡化的技術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。根據蒸發冷卻的方式不同，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，產生蒸汽而得到淡水。多效蒸餾是在蒸汽冷卻的同時，持續蒸發進而得到淡水。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。根據這個原理，可將壓縮機的機械功轉化為海水蒸發所需要的熱能。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動，單位體積產量高，但由于受壓縮機容量的限制，目前壓汽蒸溜裝置的產水量受到限制，一般以日產幾千噸淡水以下的規模較適宜。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過幾十年的發展均已較為成熟，并且得到了較大規模的商業化應用，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高質量淡水的方法，是目前在海水淡化領域努力的方向。

1 多效蒸餾海水淡化技術簡介

多效蒸餾海水淡化技術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進入比較成熟階段。

由于多效蒸餾海水淡化技術以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間吻合（例如可采用R134a制冷劑），故海水淡化系統可結合熱泵循環的技術，實現利用熱泵回收多效蒸餾海水淡化系統末效蒸汽的熱量，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，因而可實現節能的淡水生產。

2 熱泵型海水淡化系統原理及熱力 計算

圖1為初步設計的熱泵型海水淡化系統的模擬運行方案原理圖，該方案為結合了熱泵循環的多效蒸餾海水淡化系統，接下來將對該系統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。假設條件如下：系統采用制冷量200kW壓縮機、配R134a制冷劑、蒸發溫度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運行原理圖

熱泵系統的冷凝器直接作為海水淡化系統的第一效蒸發器，海水被噴淋到各效淡化蒸發器中，在各效淡化蒸發器中蒸發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。為了實現能量回收利用，將熱泵蒸發器設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量為每天7噸，為簡化起見，假設每效淡水產量相同，按9效計算，總淡水生產量為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，在不同溫度下蒸發，其差別主要是在蒸發速度上，溫度越高，制水速度越快，所以在淡化系統的海水蒸發溫度設計上，必須綜合考慮制水效率與制水能耗之間的權衡。另外，蒸發溫度超過75℃后，海水淡化過程中結垢程度加大，導致換熱器換熱效率下降嚴重，故一般以50℃～75℃的蒸發溫度設置為宜。以上所指的海水蒸發溫度，對應即是熱泵系統的冷凝溫度，而熱泵系統的蒸發溫度的選擇，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，故熱泵蒸發溫度選取30℃，以下計算對比熱泵系統在不同冷凝溫度下整機的制冷系數，冷凝溫度分別選擇75℃、60℃和50℃計算。

所需計算參數分別有：

a. 冷凝溫度75℃

系統熱力參數如表1所列：

表1 熱泵系統數據

b. 冷凝溫度60℃

系統熱力參數如表2所列：

表2 熱泵系統數據

c. 冷凝溫度50℃

系統熱力參數如表3所列：

表3 熱泵系統數據

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

3 產水能耗費用評估

按以上參數計算，當冷凝溫度75℃時，制冷系數為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產水成本大約在26元/噸低。而當冷凝溫度50℃時，制冷系數為10.42，按相同原則計算，每噸水的分攤費用為7.3元，成本優勢非常明顯。目前在海水淡化的實際應用中，一般都會采用千噸級以及萬噸級的設計量的，因為只有增大規模，才能進一步的降低單位產水成本，本文設計的方案運行功率規模較小，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計參考。

4 結論

綜合以上原理布局構思及理論計算分析，在低溫多效蒸餾海水淡化法上結合熱泵技術的熱泵型海水淡化系統能實現能量回收循環利用，當冷凝溫度進一步降低時，系統的制水費用還將進一步下降，節能降耗潛力大，該系統技術方向可行。