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

　　摘要：對利用熱泵的蒸發器和冷凝器作為海水淡化裝置的冷、熱源進行海水淡化的熱乘式艦船海水淡化裝置進行了理論計算和分析，通過計算比較，認為以水蒸氣作為工質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境的熱污染。
　　關鍵詞：水處理；熱泵；廢水處理；海水淡化；蒸餾
　　中圖分類號：TU991.26　　 文獻標識碼：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。在艦船上應用最廣的是蒸餾式，熱源主要有電能、熱水、蒸汽以及燃氣輪機排氣中的廢熱、核能等。常用的艦船蒸餾式海水淡化裝置主要以柴油機冷卻水或蒸汽作為熱源進行海水淡化，其使用條件受主機工作情況限制，只有主動力裝置工作時才能進行海水淡化，而且系統復雜、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，對海水的預處理要求高。熱泵式海水淡化裝置，直接利用熱泵的蒸發器和冷凝器作為冷、熱源進行海水淡化，可以獨立使用，不受柴油機工作情況限制，自成系統，易于操作管理，耗電量小于電力加熱式或電力壓汽式。

1 系統組成及工作原理

　　壓縮式熱泵結合閃發式海水淡化系統如圖1。系統主要由壓縮機、封閉式熱交換器、膨脹閥、冷凝器、蒸發器、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器中，部分海水變成蒸汽，未蒸發部分留在蒸發器中，通過換熱器后排到舷外，蒸發所得的蒸汽在蒸發器內上升，到冷凝器中冷卻成水，經集水器后進入淡水柜。封閉式熱交換器的熱源由壓縮式熱泵供給，熱泵系統中的制冷劑受壓縮機壓縮溫度升高成為熱源在封閉式換熱器中加熱海水，經過封閉式熱交換器后，熱泵系統中的制冷劑冷凝成為液態，經過膨脹閥后進人海水淡化裝置的冷凝器中作為冷源以冷凝海水蒸發所得水蒸氣，制冷劑在其中蒸發成為汽態，重新被壓縮機吸人完成熱泵循環；為充分利用熱能，海水進入封閉熱交換器之前，先在換熱器中預熱，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，對環境的影響減到最小[1]。

2　 熱力學分析

　 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。

　　　　　　

　　熱泵循環的壓縮過程為1-2，在這一過程中壓縮機對工質做功，提高工質的壓力和溫度。
　　2-3為冷凝過程，此過程在封閉式熱交換器內進行，工質由汽態冷凝為液態，放出熱量以加熱海水淡化裝置的上水。
　　3-4為膨脹過程，液態制冷劑工質經膨脹閥節流，壓力降低，為蒸發過程做好準備。
　　4-1為蒸發過程，此過程在淡化裝置的冷凝器中完成，工質在此蒸發吸熱，將淡化裝置內得到的蒸氣冷凝成淡水，熱泵工質由液態變為汽態。
　　與壓縮機耗功相比，泵耗功很小，忽略泵的耗功則系統的有效系數為：

　　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）

　　理想卡諾循環的熱泵系數為

　　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——壓縮機吸人狀態時水蒸氣的焓，kJ／kg；
　　　　　H₂——壓縮機排出狀態時水蒸氣的焓，kJ／kg；
　　　　　H3——出封閉式熱交換器時制冷劑液體的焓，kJ／kg；
　　　　　t₁——進封閉式熱交換器時海水溫度，℃；
　　　　　t_s——出封閉式熱交換器時海水溫度，℃；
　　　　　Cs——海水比熱，kJ／(kg·℃)。

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

3　 適用范圍及效果

　　以5t／d海水淡化裝置為例進行計算。其質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——出換熱器時的海水溫度，℃；

　　　　　H_ts——出封閉式熱交換68時海水的焓，kJ／kg；

　　　　　H_c——蒸發器內濃海水的焓，kJ／kg。

　 設熱泵循環為飽和循環，壓縮溫度在200-300℃范圍內，海水溫度為20℃，濃海水排泄溫度為25℃，淡化裝置內為常壓，壓縮機吸氣溫度為90℃，乙為140℃，查水蒸氣性質表，代入式(6)-(9)中可以計算出作為制冷劑的水蒸氣的流量，從而計算出壓縮機的耗功，通過計算可見，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濟比較 海水淡化形式 產水量/（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 結束語

　　隨著艦船裝備現代化的發展，對小型海水淡化裝置的操作性、可靠性及經濟性提出更高的要求。與傳統的蒸餾式海水淡化裝置比較，熱泵式海水淡化裝置獨立性強、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展前景；該系統的缺點是：與反滲透式海水淡化裝置比較，耗電量明顯偏大，主要是因為采用閃發式原理進行海水蒸發，如果將熱交換器直接置于海水淡化裝置蒸發器內作為蒸發器，則耗電量會明顯減小。

參考文獻：

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

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