魏留柱 程超

（广东美的制冷设备有限公司，佛山 528000）

小型热泵式低温蒸发苦咸水淡化系统设计与实验研究

魏留柱 程超

（广东美的制冷设备有限公司，佛山 528000）

本文提出了一种新型的热泵式低温蒸发苦咸水淡化系统，其设计生产能力为0.2t/d,蒸发温度为45℃。通过理论分析和实验研究了不同进料温度、浓度、流量和真空度对淡水产水率影响。结果表明：系统的运行稳定性良好；温度从5℃升高到35℃时，产水率增加了43.7%；浓度由0‰增加至100‰时，产水率降低了2%；产水率随流量的增加而下降；真空度从86%上升到94%，产水率提高了约20%；产品淡水的电导率几乎均保持在300μs/cm以下，产品水的水质优于自来水。这种淡化装置的COP高达4~5，高效节能，为内陆地区家用热泵式苦咸水淡化装置的设计提供了参考。

热泵；苦咸水淡化；蒸发式冷凝器

0 前言

地下苦咸水的脱盐淡化，是解决内陆地区缺水最有效的途径[1]。现有的海水或苦咸水淡化技术存在运行能耗高、淡化效率差等突出问题，因而设法降低运行成本，提高淡化效率仍是苦咸水淡化领域研究的重点[2]。热泵技术具有高效节能的特点，在诸多领域中被广泛应用，被认定为环境友好型技术[3]。本文拟通过将热泵技术与真空蒸馏法相结合，构思并提出了一种新型的苦咸水淡化系统。

1 系统组成和工作原理

实验装置主要有压缩机、蒸发冷凝器、热泵蒸发器、流体输送管路、水箱、水泵、真空泵等组成，系统的工艺流程如图1所示。

系统的工作原理：首先开启真空泵，将系统的真空度抽至所设计的真空度；经预处理后的进料液在内外压差的作用下送入供料箱，然后由给水泵送入蒸发冷凝器，在蒸发冷凝器中吸收制冷剂冷凝放出的热量，一部分料液完成相变成为水蒸气，另一部分成为浓缩料液进入浓盐水罐；制冷剂在蒸发冷凝器放热后由气态变为液态，经过节流阀的节流降温降压后成为湿蒸汽,流至蒸发器；而产生的水蒸汽经过汽液分离室和蒸汽通道后进入热泵蒸发器，在蒸发器中制冷剂蒸发吸热水蒸器被冷凝成淡水，进入淡水储水罐，这样就完成了料液的淡化过程；而制冷剂在经过蒸发器时吸热变为饱和蒸汽,再回到压缩机，制冷剂在压缩机中实现绝热压缩过程，变为高温高压的制冷剂蒸汽，然后流到蒸发冷凝器冷凝放热,如此循环工作,完成制冷循环的过程。

2 数值模拟和实验分析

以淡水产量0.2t/d为生产目标，其他参数的选定如下：苦咸水用实验室配置的盐水来代替，浓度为1%，进料温度25℃;系统的真空度为90%，对应料液的蒸发温度为45℃;水蒸汽的冷凝温度为40℃; 制冷剂采用R22，热泵蒸发温度为12℃，热泵冷凝温度为55℃，过冷度为5℃，过热度为5℃；压缩机选用涡旋式压缩机（额定功率为1.5P）;蒸发-冷凝器为竖直管壳式换热器，传热管为316L不锈钢无缝管，规格8mm×0.8mm，L=1m，n=48根,正三角形排列;制冷剂走壳程（上进下出），料液走管程（下进上出）；热泵蒸发器的结构和蒸发-冷凝器的结构完全相同，规格为8×0.8，L=0.8m,n=20根，制冷剂走壳程（下进上出）；水蒸汽走管程（上进下出）。对蒸发-冷凝器、热泵蒸发器和整个系统建立数学模型并进行性能分析，可得到进料温度、浓度、流量和真空度对产水率影响。在分析某个参数对产水率的影响时，保持其他参数不变[4,5]。计算结果和实验结果比较如图2至图5所示。

图2至图5为进料温度、浓度、流量和真空度对产水率影响的实验值和计算值的比较。由图可知，实验结果和计算模拟结果基本一致。

从图2可以看出，进料温度越高，淡水产量和产水率就会越高，并且温度对淡水产量和产水率的影响较为明显，温度从5℃升高到35℃时，产水率增加了43.7%，这是因为进料液温度相比于蒸发温度都有一定的过冷度，进料液温度越高，则在蒸发冷凝器中预热所消耗的热量就会越少，用于料液蒸发的热量就会增多，相应地淡水产量就会越多，装置的产水率就会增大。

从图3可以看出，产水率随进料浓度的增加而呈减小的趋势，但浓度变化对产水率的影响不明显，浓度由0‰增加至100‰，产水率降低了2%，这是因为随着进料浓度的增加，系统总的传热系数下降，这也说明了本系统可以完全适用于高浓度苦咸水淡化或者浓缩。

从图4可以看出，随进料流量的增加，产水率逐渐下降，这是由进料液尚未达到蒸发温度，有一定的过冷度造成的。

图2 温度与产水率的关系

图3 浓度与产水率的关系

图4 流量与产水率的关系

图5 真空度与产水率的关系

从图5可以看出，产水率随真空度的上升而不断增加，并且真空度对淡水产量及产水率的影响较为明显，真空度从86%上升到94%，系统的淡水产量和产水率提高了约20%，但较高的真空度对材料的要求更高，对产品水水质有较大的影响，所以在工程实际中，要选取合适的真空度。

总上可知：影响系统性能的主要因素为进料温度和真空度，进料浓度和流量次之。

产品水的水质也是衡量系统性能的重要指标。经过长时间的稳定运行后，电导率基本稳定，产品淡水的电导率几乎均保持在300μs/cm以下，产品水的水质优于自来水（450μs/cm）。

3 结论

本文依托于0.2t/d热泵式苦咸水淡化系统实验平台，理论分析和实验研究了进料温度、浓度、流量和真空度对产水率影响的影响，得到以下结论：

（1）系统的运行稳定性良好，有很好的自平衡能力。

（2）影响系统性能的主要因素为进料温度和真空度，进料浓度和流量次之。温度从5℃升高到35℃时，产水率增加了43.7%；真空度从86%上升到94%，系统的淡水产量和产水率提高了约20%。

（3）在实验范围内，产品淡水的电导率几乎均保持在300μs/cm以下，产品水的水质优于自来水。

本实验装置的设计、搭建和实验结果表明了热泵式苦咸水淡化系统在原理和技术上的可行性，完全适用于内陆地区家用苦咸水的淡化或者浓缩。

[1]王建平, 倪海.沙漠油田高浓度苦咸水淡化技术的研究[J]. 机械学报.2001:20(4):19-22.

[2]李文明, 吕建国.苦咸水淡化技术现状及展望[J].甘肃科技.2012:28(17):76-80.

[3]田晓亮.热泵节能技术在海水淡化中的应用.石油和化工行业节能技术研讨会会议; 2006.

[4]赵力.海水淡化用小型热泵系统的变工况分析[J].机械工程学报.2005:41(5):225-9.

[5]曹开智. 低温多效蒸发海水淡化变工况分析与实验研究: 大连理工大学; 2006.

DESIGN AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON SMALL HEAT PUMP DESALINATION PLANT WITH LOW TEMPERATURE EVAPORATION

Wei Liuzhu Cheng Chao
(Guangdong Midea Air-conditioning equipment Co., Ltd, Foshan 528000)

A new type of heat pump desalination system with low temperature evaporation was proposed in this paper. The design capacity was 0.2t/d and the evaporation temperature was 45℃.The effects of different feed temperature, concentration, flow rate and vacuum degree on fresh water production rate were studied by theoretical analysis and experiments. The results show that the system runs well; When the temperature increased from 5 ℃to 35℃, the water production rate increased by 43.7%; The concentration increased from 0‰ to 100‰, the water production rate decreased by 2%; The water production rate decreased with the increase of flow rate; The vacuum degree increased from 86% to 94%, the water production rate increased by about 20%; The conductivity of fresh water was almost less than 300μs/ cm, and the water quality of product water was better than tap water. This desalination device COP was up to 4~5, high efficiency and energy saving, providing a reference for the design of domestic heat pump type brackish water desalination device in inland areas.

Heat pump brackish water desalination evaporative condenser