热泵式舰船海水淡化装置

陈金增，黄素逸
华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北　 武汉　 430074

　　摘要：对利用热泵的蒸发器和冷凝器作为海水淡化装置的冷、热源进行海水淡化的热乘式舰船海水淡化装置进行了理论计算和分析，通过计算比较，认为以水蒸气作为工质的压缩式热乘作为海水淡化装置的热源是可行的，与目前使用的电力压缩式海水淡化装置比较，能耗小并且可以减小对环境的热污染。
　　关键词：水处理；热泵；废水处理；海水淡化；蒸馏
　　中图分类号：TU991.26　　 文献标识码：A　　 文章编号：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.

　　大中型舰船都装备有海水淡化装置。目前的舰船海水淡化装置主要有蒸馏式、反渗透式、电渗析式等。在舰船上应用最广的是蒸馏式，热源主要有电能、热水、蒸汽以及燃气轮机排气中的废热、核能等。常用的舰船蒸馏式海水淡化装置主要以柴油机冷却水或蒸汽作为热源进行海水淡化，其使用条件受主机工作情况限制，只有主动力装置工作时才能进行海水淡化，而且系统复杂、不易于管理。电力加热式或电力压汽式海水淡化装置，虽然可以独立使用，但耗电量大。反渗透式海水淡化装置虽然耗电量小，但渗透膜易被污染，对海水的预处理要求高。热泵式海水淡化装置，直接利用热泵的蒸发器和冷凝器作为冷、热源进行海水淡化，可以独立使用，不受柴油机工作情况限制，自成系统，易于操作管理，耗电量小于电力加热式或电力压汽式。

1 系统组成及工作原理

　　压缩式热泵结合闪发式海水淡化系统如图1。系统主要由压缩机、封闭式热交换器、膨胀阀、冷凝器、蒸发器、海水泵、喷嘴、集水器和换热器等组成。
　　舷外海水通过泵送到封闭式热交换器中，加热到所要求的温度后通过喷咀喷人蒸发器中，部分海水变成蒸汽，未蒸发部分留在蒸发器中，通过换热器后排到舷外，蒸发所得的蒸汽在蒸发器内上升，到冷凝器中冷却成水，经集水器后进入淡水柜。封闭式热交换器的热源由压缩式热泵供给，热泵系统中的制冷剂受压缩机压缩温度升高成为热源在封闭式换热器中加热海水，经过封闭式热交换器后，热泵系统中的制冷剂冷凝成为液态，经过膨胀阀后进人海水淡化装置的冷凝器中作为冷源以冷凝海水蒸发所得水蒸气，制冷剂在其中蒸发成为汽态，重新被压缩机吸人完成热泵循环；为充分利用热能，海水进入封闭热交换器之前，先在换热器中预热，性能良好的海水淡化装置可以使排放的浓海水的温度小于或等于给水温度，对环境的影响减到最小[1]。

2　 热力学分析

　 将以上过程表示在温-熵（T-S）图和压-焓（lgp-H）图上，如图2和图3，以水蒸气作为热泵工质。

　　　　　　

　　热泵循环的压缩过程为1-2，在这一过程中压缩机对工质做功，提高工质的压力和温度。
　　2-3为冷凝过程，此过程在封闭式热交换器内进行，工质由汽态冷凝为液态，放出热量以加热海水淡化装置的上水。
　　3-4为膨胀过程，液态制冷剂工质经膨胀阀节流，压力降低，为蒸发过程做好准备。
　　4-1为蒸发过程，此过程在淡化装置的冷凝器中完成，工质在此蒸发吸热，将淡化装置内得到的蒸气冷凝成淡水，热泵工质由液态变为汽态。
　　与压缩机耗功相比，泵耗功很小，忽略泵的耗功则系统的有效系数为：

　　Φ_d=(H₂-H₃)/(H₂-H₁) 　　　　　　　　　（1）

　　忽略封闭式热交换器的热量损失，则供水量与制冷剂流量之比

　　m=(H₂-H₃)/[C_s(t_s-t₁)]　　　　　　　　　（2）

　　理想卡诺循环的热泵系数为

　　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——压缩机吸人状态时水蒸气的焓，kJ／kg；
　　　　　H₂——压缩机排出状态时水蒸气的焓，kJ／kg；
　　　　　H3——出封闭式热交换器时制冷剂液体的焓，kJ／kg；
　　　　　t₁——进封闭式热交换器时海水温度，℃；
　　　　　t_s——出封闭式热交换器时海水温度，℃；
　　　　　Cs——海水比热，kJ／(kg·℃)。

　　可见：供水量与制冷剂流量之比m决定于卡诺循环热泵系数，系统有效系数，工质的压缩温度，压缩机吸气温度及淡化装置内的汽化温度等。热泵系数越大，系统有效系数越大，则造水量增大，但是Φ_t，Φ_d的提高受热泵循环冷凝温度及压缩机压后温度的限制；工质压缩温度越高，压缩机吸气温度越低，造水量越大，但压缩机增压比过大对压缩机工作不利；汽化温度越低，造水量越大，对于水蒸气作为工质的热泵其压缩度可以达到200～300℃，因此降低压缩机吸汽温度成为增大造水量的有效措施，压缩机吸汽温度低，则系统真空度要求高，会加大系统的密封要求。

3　 适用范围及效果

　　以5t／d海水淡化装置为例进行计算。其质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——制冷剂流量，kg／s；

　　　　　Cp——水的比热，kJ／(kg·℃)；

　　　　　t₁——出换热器时的海水温度，℃；

　　　　　H_ts——出封闭式热交换68时海水的焓，kJ／kg；

　　　　　H_c——蒸发器内浓海水的焓，kJ／kg。

　 设热泵循环为饱和循环，压缩温度在200-300℃范围内，海水温度为20℃，浓海水排泄温度为25℃，淡化装置内为常压，压缩机吸气温度为90℃，乙为140℃，查水蒸气性质表，代入式(6)-(9)中可以计算出作为制冷剂的水蒸气的流量，从而计算出压缩机的耗功，通过计算可见，与直接电力加热海水淡化装置或电力压汽式海水淡化装置比较，其耗电量小，见表1。

表1　 几种舰船海水淡化装置经济比较 海水淡化形式 产水量/（t·d-1） 耗电量/KW 热泵式 5 27 电力压气式（704） 5 35 电力加热式 5 150 电力压汽式　　　　 25-50 0.6-1.2 70

4 结束语

　　随着舰船装备现代化的发展，对小型海水淡化装置的操作性、可靠性及经济性提出更高的要求。与传统的蒸馏式海水淡化装置比较，热泵式海水淡化装置独立性强、可靠性高、易于操作管理，作为未来舰船海水淡化装置有较好的发展前景；该系统的缺点是：与反渗透式海水淡化装置比较，耗电量明显偏大，主要是因为采用闪发式原理进行海水蒸发，如果将热交换器直接置于海水淡化装置蒸发器内作为蒸发器，则耗电量会明显减小。

参考文献：

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

---

作者简介：陈金增(1966—)，男，湖北武汉人，华中科技大学能源与动力工程学院博士研究生，电话(027)83630915。