陳金增，黃素逸
華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北　 武漢　 430074

　　摘要：對利用熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器作為海水淡化裝置的冷、熱源進(jìn)行海水淡化的熱乘式艦船海水淡化裝置進(jìn)行了理論計(jì)算和分析，通過計(jì)算比較，認(rèn)為以水蒸氣作為工質(zhì)的壓縮式熱乘作為海水淡化裝置的熱源是可行的，與目前使用的電力壓縮式海水淡化裝置比較，能耗小并且可以減小對環(huán)境的熱污染。
　　關(guān)鍵詞：水處理；熱泵；廢水處理；海水淡化；蒸餾
　　中圖分類號：TU991.26　　 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　 文章編號：1009-2455(2003)05—0013—03

Heat Pump-Type，Sea Water Desalination Plant for Warships and Vessels

CHEN Jin-zeng，HUANG Su-yi
(College of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

　　Abstracts： Theoretical calculations and analyses were carried out for heat pump-type，sea water desalination plant for warships and vessels which uses the evaporator and condenser of the heat pump as the cold and heat sources of the sea water desalination plant for the desalination of sea water. It is believed through calculations and comparisons that it is feasible to　 use the compression-type heat pump using steam as the working medium for the heat source of the sea water desalination plant，which，compared to the currently-used，electric com-pression-type sea water desalination plants, consumes less energy and causes less heat pollution to the environment.
　　Key words：water treatment；heat pump；wastewater treatment；desalination of sea water；distillation.

　　大中型艦船都裝備有海水淡化裝置。目前的艦船海水淡化裝置主要有蒸餾式、反滲透式、電滲析式等。在艦船上應(yīng)用最廣的是蒸餾式，熱源主要有電能、熱水、蒸汽以及燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的廢熱、核能等。常用的艦船蒸餾式海水淡化裝置主要以柴油機(jī)冷卻水或蒸汽作為熱源進(jìn)行海水淡化，其使用條件受主機(jī)工作情況限制，只有主動力裝置工作時(shí)才能進(jìn)行海水淡化，而且系統(tǒng)復(fù)雜、不易于管理。電力加熱式或電力壓汽式海水淡化裝置，雖然可以獨(dú)立使用，但耗電量大。反滲透式海水淡化裝置雖然耗電量小，但滲透膜易被污染，對海水的預(yù)處理要求高。熱泵式海水淡化裝置，直接利用熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器作為冷、熱源進(jìn)行海水淡化，可以獨(dú)立使用，不受柴油機(jī)工作情況限制，自成系統(tǒng)，易于操作管理，耗電量小于電力加熱式或電力壓汽式。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　壓縮式熱泵結(jié)合閃發(fā)式海水淡化系統(tǒng)如圖1。系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、封閉式熱交換器、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器、海水泵、噴嘴、集水器和換熱器等組成。
　　舷外海水通過泵送到封閉式熱交換器中，加熱到所要求的溫度后通過噴咀噴人蒸發(fā)器中，部分海水變成蒸汽，未蒸發(fā)部分留在蒸發(fā)器中，通過換熱器后排到舷外，蒸發(fā)所得的蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)上升，到冷凝器中冷卻成水，經(jīng)集水器后進(jìn)入淡水柜。封閉式熱交換器的熱源由壓縮式熱泵供給，熱泵系統(tǒng)中的制冷劑受壓縮機(jī)壓縮溫度升高成為熱源在封閉式換熱器中加熱海水，經(jīng)過封閉式熱交換器后，熱泵系統(tǒng)中的制冷劑冷凝成為液態(tài)，經(jīng)過膨脹閥后進(jìn)人海水淡化裝置的冷凝器中作為冷源以冷凝海水蒸發(fā)所得水蒸氣，制冷劑在其中蒸發(fā)成為汽態(tài)，重新被壓縮機(jī)吸人完成熱泵循環(huán)；為充分利用熱能，海水進(jìn)入封閉熱交換器之前，先在換熱器中預(yù)熱，性能良好的海水淡化裝置可以使排放的濃海水的溫度小于或等于給水溫度，對環(huán)境的影響減到最小[1]。

2　 熱力學(xué)分析

　 將以上過程表示在溫-熵（T-S）圖和壓-焓（lgp-H）圖上，如圖2和圖3，以水蒸氣作為熱泵工質(zhì)。

　　　　　　

　　熱泵循環(huán)的壓縮過程為1-2，在這一過程中壓縮機(jī)對工質(zhì)做功，提高工質(zhì)的壓力和溫度。
　　2-3為冷凝過程，此過程在封閉式熱交換器內(nèi)進(jìn)行，工質(zhì)由汽態(tài)冷凝為液態(tài)，放出熱量以加熱海水淡化裝置的上水。
　　3-4為膨脹過程，液態(tài)制冷劑工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流，壓力降低，為蒸發(fā)過程做好準(zhǔn)備。
　　4-1為蒸發(fā)過程，此過程在淡化裝置的冷凝器中完成，工質(zhì)在此蒸發(fā)吸熱，將淡化裝置內(nèi)得到的蒸氣冷凝成淡水，熱泵工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)。
　　與壓縮機(jī)耗功相比，泵耗功很小，忽略泵的耗功則系統(tǒng)的有效系數(shù)為：

　　Φ_d=(H₂-H₃)/(H₂-H₁) 　　　　　　　　　（1）

　　忽略封閉式熱交換器的熱量損失，則供水量與制冷劑流量之比

　　m=(H₂-H₃)/[C_s(t_s-t₁)]　　　　　　　　　（2）

　　理想卡諾循環(huán)的熱泵系數(shù)為

　　Φ_t=t_s/(t_s-t₁)　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

　　整理（2），（3）式：

　　m=Φ_t(H₂-H₃)/C_st_s　　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　整理（1），（4）式：

　　m=Φ_tΦ_d(H₂-H₁)/C_st_s　　　　　　　　　　　　　（5）

　　式中　H1——壓縮機(jī)吸人狀態(tài)時(shí)水蒸氣的焓，kJ／kg；
　　　　　H₂——壓縮機(jī)排出狀態(tài)時(shí)水蒸氣的焓，kJ／kg；
　　　　　H3——出封閉式熱交換器時(shí)制冷劑液體的焓，kJ／kg；
　　　　　t₁——進(jìn)封閉式熱交換器時(shí)海水溫度，℃；
　　　　　t_s——出封閉式熱交換器時(shí)海水溫度，℃；
　　　　　Cs——海水比熱，kJ／(kg·℃)。

　　可見：供水量與制冷劑流量之比m決定于卡諾循環(huán)熱泵系數(shù)，系統(tǒng)有效系數(shù)，工質(zhì)的壓縮溫度，壓縮機(jī)吸氣溫度及淡化裝置內(nèi)的汽化溫度等。熱泵系數(shù)越大，系統(tǒng)有效系數(shù)越大，則造水量增大，但是Φ_t，Φ_d的提高受熱泵循環(huán)冷凝溫度及壓縮機(jī)壓后溫度的限制；工質(zhì)壓縮溫度越高，壓縮機(jī)吸氣溫度越低，造水量越大，但壓縮機(jī)增壓比過大對壓縮機(jī)工作不利；汽化溫度越低，造水量越大，對于水蒸氣作為工質(zhì)的熱泵其壓縮度可以達(dá)到200～300℃，因此降低壓縮機(jī)吸汽溫度成為增大造水量的有效措施，壓縮機(jī)吸汽溫度低，則系統(tǒng)真空度要求高，會加大系統(tǒng)的密封要求。

3　 適用范圍及效果

　　以5t／d海水淡化裝置為例進(jìn)行計(jì)算。其質(zhì)量平衡和能量平衡方程如下：

　　Mw×Cp×（t1-20）=(Mw-0.058)×Cp×（100-25）　　　　(6)

　　Mw×Cp×(t_s-t₁)＝Mr×(H₂-H₃)　　　　　　　　　　　　(7)

　　Mr×(H₂-H₃)=0.058×2257　　　　　　　　　　　　　　(8)

　　Mw×H_ts=0.058×2675+(Mw-0.058)×H_c　　　　　　　　（9）

　　式中：Mw——泵供水量，kg／s；

　　　　　Mr——制冷劑流量，kg／s；

　　　　　Cp——水的比熱，kJ／(kg·℃)；

　　　　　t₁——出換熱器時(shí)的海水溫度，℃；

　　　　　H_ts——出封閉式熱交換68時(shí)海水的焓，kJ／kg；

　　　　　H_c——蒸發(fā)器內(nèi)濃海水的焓，kJ／kg。

　 設(shè)熱泵循環(huán)為飽和循環(huán)，壓縮溫度在200-300℃范圍內(nèi)，海水溫度為20℃，濃海水排泄溫度為25℃，淡化裝置內(nèi)為常壓，壓縮機(jī)吸氣溫度為90℃，乙為140℃，查水蒸氣性質(zhì)表，代入式(6)-(9)中可以計(jì)算出作為制冷劑的水蒸氣的流量，從而計(jì)算出壓縮機(jī)的耗功，通過計(jì)算可見，與直接電力加熱海水淡化裝置或電力壓汽式海水淡化裝置比較，其耗電量小，見表1。

表1　 幾種艦船海水淡化裝置經(jīng)濟(jì)比較 海水淡化形式 產(chǎn)水量/（t·d-1） 耗電量/KW 熱泵式 5 27 電力壓氣式（704） 5 35 電力加熱式 5 150 電力壓汽式　　　　 25-50 0.6-1.2 70

4 結(jié)束語

　　隨著艦船裝備現(xiàn)代化的發(fā)展，對小型海水淡化裝置的操作性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性提出更高的要求。與傳統(tǒng)的蒸餾式海水淡化裝置比較，熱泵式海水淡化裝置獨(dú)立性強(qiáng)、可靠性高、易于操作管理，作為未來艦船海水淡化裝置有較好的發(fā)展前景；該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：與反滲透式海水淡化裝置比較，耗電量明顯偏大，主要是因?yàn)椴捎瞄W發(fā)式原理進(jìn)行海水蒸發(fā)，如果將熱交換器直接置于海水淡化裝置蒸發(fā)器內(nèi)作為蒸發(fā)器，則耗電量會明顯減小。

參考文獻(xiàn)：

[1] V V Slesarenko．Heat pumps as a source of heat energy for desalination of seawater [J]．Desalintion,2001,139：405-410.

---

作者簡介：陳金增(1966—)，男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院博士研究生，電話(027)83630915。