CN102910694B - 一种连续生产双级热泵海水淡化***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续生产双级热泵海水淡化***及方法，属于能源与动力领域。该***包括海水淡化子***和双级热泵循环子***。海水淡化子***按照自然海水流向依次包括预热器（1）、循环泵（15）、第三管壳换热器（14）、冷凝器（2），气液分离器（3），蒸发器（4）、第一壳管式换热器（5）、第二壳管式换热器（6），淡水罐（8）和真空泵（7）。双级热泵循环子***按照有机工质流向，依次包括压缩机（12）、油分离器（10）、冷凝器（2）、第三壳管式换热器（14）、工质罐（11）、第一节流阀（9）、第二节流阀（13）、第一壳管换热器（5）、第二壳管换热器（6）、干燥器（17）、蒸发器（4）。该***具有低能耗的特点。

Description

一种连续生产双级热泵海水淡化***和方法
技术领域
本发明涉及一种连续生产双级热泵海水淡化***和方法，属于能源与动力领域。
背景技术
开发利用海水资源，发展海水淡化技术，对于解决局部地区淡水紧张，促进全球经济协调发展具有重要价值。海水淡化技术经过多年的发展，其技术已趋成熟。常见的海水淡化方法主要有：多级闪蒸法、低温多效蒸馏法、反渗透法和冷冻法。以上各种海水淡化技术中，反渗透法和冷冻法得到的淡水品质较差，蒸馏法和闪蒸法得到的淡水品质虽较高，但能耗较高。
分析上述海水淡化技术特点可见，海水蒸发蒸汽进行冷凝是保持淡水品质的一个关键，而海水蒸发潜热大且回收利用率低是导致其高能耗的重点。
热泵循环的蒸发器和冷凝器存在大量热负荷，常规热泵循环的COP远大于1，如果能够利用热泵循环的冷凝器用于加热自然海水蒸发，并利用热泵循环的蒸发器回收利用蒸汽冷凝的潜热，则该技术不仅可以得到高品质的淡水，而且***能耗不高。
已有研究者提出利用热泵进行海水淡化的***方案。即利用热泵子***的工质蒸发器和工质冷凝器，作为海水淡化子***的初始海水蒸发器和淡水冷凝器，该***仅需要消耗少量的压缩功耗或者再生蒸汽，具有低能耗的优势。然而由于常压条件下，自然海水过冷度较大，将其预热至沸点附近，需要消耗大量的热能。如果采用热泵循环，要求工质蒸发器的负荷远小于冷凝器的负荷，而一般单级热泵循环很难直接达到该匹配要求，存在冷凝器负荷过量的问题；尽管可以利用温度较高的冷凝淡水和浓海水显热，对初始自然淡水进行预热。但由于淡水、浓海水和初始自然海水的温差小，单纯采用单相回热换热器预热，存在换热系数不高，布置换热面积庞大的问题，而且对自然海水的预热效果不明显，不能将其充分预热至接近饱和。因此，考虑到对过冷自然海水充分预热，热泵循环与海水淡化***的负荷很难满足直接匹配要求，因此常规热泵海水淡化***多采用非连续生产的工作方式。
如果能够改进热泵循环方案，使其冷凝器和蒸发器负荷与海水淡化子***要求匹配，则可以将非连续进出料方式发展为连续生产方式，该热泵海水淡化***不仅低能耗，而且换热器主要为相变换热器，因此还具有结构紧凑的特点。基于以上思路，本发明研究提出一种连续生产双级热泵海水淡化***和方法，用于实现低能耗海水淡化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种连续生产双级热泵海水淡化***和方法。
一种连续生产双级热泵海水淡化***，其特征在于由以下结构组成：海水经过第三球形阀与预热器冷侧入口相连，预热器冷侧出口经过循环泵与第三管壳换热器冷侧入口相连，第三管壳换热器冷侧出口与冷凝器冷侧入口相连，冷凝器冷侧出口与气液分离器入口相连，气液分离器的气相出口与蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口与预热器第二热侧入口相连，预热器第二热侧出口与第二管壳换热器热侧入口相连，第二管壳换热器热侧出口与淡水储罐入口相连；气液分离器的液相出口与预热器第一热侧入口相连，预热器第一热侧出口与第一管壳换热器热侧入口相连，第一管壳换热器热侧出口经过第二球形阀排入环境。压缩机出口与油分离器入口相连，油分离器出口分成两路：第一路与冷凝器热侧入口相连，第二路与第三管壳换热器热侧入口相连；冷凝器热侧出口与工质储液罐入口相连，第三管壳换热器热侧出口与工质储液罐入口相连。工质储液罐出口分成两路，第一路与第一节流阀入口相连，第二路经过第二节流阀与第一管壳换热器冷侧入口相连；第一节流阀出口依次与干燥器、蒸发器冷侧入口相连，蒸发器冷侧出口与压缩机入口相连；第一管壳换热器冷侧出口与第二管壳换热器冷侧入口相连，第二管壳换热器冷侧出口与压缩机入口相连。真空泵经过第一球形阀与淡水储罐抽真空口相连。
该***海水淡化方法主要包括以下三过程。
一、抽真空过程：
关闭第二球形阀和第三球形阀，打开第一球形阀，利用真空泵对海水淡化***抽真空至绝对压力为7.4kPa，以保证海水蒸发温度不低于40℃，在此工况下，***技术经济性能最佳。之后关闭第一球形阀；
二、海水淡化过程：
打开第三球形阀；在***内外压差作用下，过冷自然海水通过第三球形阀进入预热器冷侧，回收淡水和浓海水显热后温度提高；再经过循环泵进入第三管壳换热器冷侧，吸收有机工质冷凝潜热，被预热至接近饱和；之后再进入冷凝器冷侧发生蒸发，蒸发后的产物进入气液分离器进行气液分离；分离的液相浓海水经过预热器第一热侧对自然海水预热，再经过第一管壳换热器热侧被工质冷却，然后经过第二球形阀排入环境；分离的气相水蒸气通过蒸发器热侧被冷凝后变成饱和淡水，再经过预热器第二热侧对自然海水预热，最后经过第二管壳换热器热侧被工质冷却，进入淡水储罐；
三、双级热泵蒸发冷凝过程：
有机工质经过压缩机升压升温后，再经过油分离器分为两路，一路进入冷凝器，对接近饱和的自然海水加热促使其蒸发，自身被冷凝为液相；另一路进入第三壳管换热器热侧对具有一定过冷度的自然海水进行预热，自身被冷凝为液相；从冷凝器和第三壳管换热器热侧出口的液相有机工质进入工质罐；工质罐出口有机工质分为两路：一路经过第一节流阀降压降温后，并经过干燥器进入蒸发器冷侧对水蒸汽进入冷凝，自身被加热蒸发；
另一路经过第二节流阀降压降温后，然后通过第一壳管换热器冷侧、第二壳管换热器冷侧，回收淡水和浓海水的显热，有机工质被加热蒸发。气态有机工质从第二壳管换热器与蒸发器出口进入压缩机，开始下一轮热泵循环。
上述双级热泵***的第二级蒸发器为第一壳管换热器和第二壳管换热器，第二级冷凝器为第三壳管换热器，通过第二级热泵循环，自然海水能够充分回收淡水和浓海水的显热，同时满足了海水蒸发负荷和淡水冷凝负荷的匹配要求，从而可实现连续生产淡水。
在上述***工作过程中，由于淡水冷凝过程释放的低品位热量，通过热泵循环提升后主要为自然海水蒸发过程所利用，而该***仅需要消耗少量的压缩机功耗和真空泵功耗。因此该***具有高的COP。
上述***采用的换热器除预热器外，主要为换热系数较高的相变换热器，因此换热器结构紧凑。尽管预热器为单相换热器，但与其他***内的换热器相比，其换热温差大，热负荷低，换热面积也不大。此外，双级热泵循环子***使用单台压缩机和油分离器，仅通过改变节流阀压降调节双级热泵的操作温度。因此，该***整体工艺流程较为简单。
上述***在启动运行前，需要采用真空泵将海水淡化子***抽至一定真空度，。可以降低预热器负荷，保证较低的海水蒸发温度。整个***在近常温工作，操作安全性较高。
附图说明
图1连续生产双级热泵海水淡化***
图中标号名称：1、预热器，2、冷凝器，3、气液分离器，4、蒸发器，5、第一管壳换热器，6、第二管壳换热器，7、真空泵，8、淡水罐 9、第一节流阀，10、油分离器，11、工质罐，12、压缩机，13、第二节流阀，14、第三管壳换热器，15、循环泵，16、第一球形阀，17、干燥器，18、第二球形阀，19、第三球形阀。
具体实施方式
下面参照图1说明连续生产双级热泵海水淡化***的运行过程。
图1为连续生产双级热泵海水淡化***。在该***初次启动运行前，需要打开第一球形阀16，关闭第二球形阀18和第三球形阀19，利用真空泵7对海水淡化子***抽真空，直至达到一定要求。
然后，关闭真空泵7，关闭第一球形阀16。打开第二球形阀18，自然海水在内外压差作用下吸入预热器1冷侧，待海水淡化子***的气液分离器3内达到一定液面高度，打开第二球形阀18，同时保证浓海水不会通过第二球形阀18被吸入到气液分离器3；最后，启动热泵循环子***压缩机12，其中热泵循环中第二节流阀13降压降温幅度大于第一节流阀9，直至热泵子***与海水淡化子***达到稳定的能量匹配要求。至此，该双级热泵海水淡化***进入连续生产阶段。

Claims (2)

1.一种连续生产双级热泵海水淡化***，其特征在于由以下结构组成：
海水经过第三球形阀（19）与预热器（1）冷侧入口相连，预热器（1）冷侧出口经过循环泵（15）与第三管壳换热器（14）冷侧入口相连，第三管壳换热器（14）冷侧出口与冷凝器（2）冷侧入口相连，冷凝器（2）冷侧出口与气液分离器（3）入口相连，气液分离器（3）的气相出口与蒸发器（4）热侧入口相连，蒸发器（4）热侧出口与预热器（1）第二热侧入口相连，预热器（1）第二热侧出口与第二管壳换热器（6）热侧入口相连，第二管壳换热器（6）热侧出口与淡水储罐（8）入口相连；气液分离器（3）的液相出口与预热器（1）第一热侧入口相连，预热器（1）第一热侧出口与第一管壳换热器（5）热侧入口相连，第一管壳换热器（5）热侧出口经过第二球形阀（18）排入环境；
压缩机（12）出口与油分离器（10）入口相连，油分离器（10）出口分成两路：第一路与冷凝器（2）热侧入口相连，第二路与第三管壳换热器（14）热侧入口相连；冷凝器（2）热侧出口与工质储液罐（11）入口相连，第三管壳换热器（14）热侧出口与工质储液罐（11）入口相连；
工质储液罐（11）出口分成两路，第一路与第一节流阀（9）入口相连，第二路经过第二节流阀（13）与第一管壳换热器（5）冷侧入口相连；第一节流阀（9）出口依次与干燥器（17）、蒸发器（4）冷侧入口相连，蒸发器（4）冷侧出口与压缩机（12）入口相连；第一管壳换热器（5）冷侧出口与第二管壳换热器（6）冷侧入口相连，第二管壳换热器（6）冷侧出口与压缩机（12）入口相连；
真空泵（7）经过第一球形阀（16）与淡水储罐（8）抽真空口相连。
2.根据权利要求1所述的连续生产双级热泵海水淡化***的海水淡化方法，其特征在于包括以下过程：
一、抽真空过程：
关闭第二球形阀（18）和第三球形阀（19），打开第一球形阀（16），利用真空泵（7）对海水淡化***抽真空至绝对压力不低于7.4kPa，之后关闭第一球形阀（16）；
二、海水淡化过程：
打开第三球形阀（19）；在***内外压差作用下，过冷自然海水通过第三球形阀（19）进入预热器（1）冷侧，回收淡水和浓海水显热后温度提高；再经过循环泵（15）进入第三管壳换热器（14）冷侧，吸收有机工质冷凝潜热，被预热至接近饱和；之后再进入冷凝器（2）冷侧发生蒸发，蒸发后的产物进入气液分离器（3）进行气液分离；分离的液相浓海水经过预热器（1）第一热侧对自然海水预热，再经过第一管壳换热器（5）热侧被工质冷却，然后经过第二球形阀（18）排入环境；分离的气相水蒸气通过蒸发器（4）热侧被冷凝后变成饱和淡水，再经过预热器（1）第二热侧对自然海水预热，最后经过第二管壳换热器（6）热侧被工质冷却，进入淡水储罐（8）；
三、双级热泵蒸发冷凝过程：
有机工质经过压缩机（12）升压升温后，再经过油分离器（10）分为两路，一路进入冷凝器（2），对接近饱和的自然海水加热促使其蒸发，自身被冷凝为液相；另一路进入第三壳管换热器（14）热侧对具有一定过冷度的自然海水进行预热，自身被冷凝为液相；从冷凝器和第三壳管换热器热侧出口的液相有机工质进入工质罐（11）；工质罐出口有机工质分为两路：一路经过第一节流阀（9）降压降温后，并经过干燥器（17）进入蒸发器（4）冷侧对水蒸汽进入冷凝，自身被加热蒸发；
另一路经过第二节流阀（13）降压降温后，然后通过第一壳管换热器（5）冷侧、第二壳管换热器（6）冷侧，回收淡水和浓海水的显热，有机工质被加热蒸发；气态有机工质从第二壳管换热器（6）与蒸发器（4）出口进入压缩机（12），开始下一轮热泵循环。 
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