1、海水淡化和太阳能辅助空调系统相结合Veera Gnaneswar Gude, Nagamany Nirmalakhandan土木工程署、新墨西哥州立大学,拉斯海里88003,美国文章信息历史条：2008年6月24日发表关键词：废热利用 淡化 吸收制冷 蓄能 过程建模 太阳能集热器摘要一个新的利用低品位热能的海水淡化过程分析方法被提出了。在这个过程中,新鲜的水在通过被动方式创造出的接近真空的压力下被从盐水中蒸馏出来，实现了低能量要求的低温精馏。低温精馏的能量是由一个利用低品位余热热源保持在55的热蓄能系统提供的。在这项研究中,一个改进的吸收式制冷系统的冷凝器放出的热被认为一种推动这个淡化过程的可
2、能的热源。这个吸收式制冷系统的发电机的能量,是由一个相结合的太阳能集热器系统和电网提供。结果表明,制冷能力为3.25kW（0.975吨的制冷量）的吸收式制冷系统放出的热量连同输入208KJ/Kg的脱盐海水的额外能量能够以平均速度为4.5Kg/h生产脱盐海水。这个能量消耗与有相似能力(338 kJ /公斤）的多级迅速精馏过程很有竞争性。文章对一个完整的过程模型和所推荐方法的性能曲线进行了介绍。在系统的性能方面对工艺参数的效果也进行了展望。2008年教育部博士点基金有限公司版权所有。1、介绍由于能量的成本增加,更多的注意力放在提高效率和经济的热处理过程。其中一个改善热力学和经济效益热过程的建议是利
3、用低品位热能和余热1。本研究展现了利用低品位余热进行低温精馏的可行性。采用低温精馏技术淡化海水的优点：低腐蚀结垢率、高热力学效率,更好的灵活性和可靠性高纯度馏分2。通常,在热泵和冷凝器向环境中放热的情况下，低品味的热源(50 - 100度)很容易免费成得到。和用热电联产机组发电一样，利用低品位余热淡化海水也很成功。许多利用低品位余热淡化海水、多级闪精馏的单位在世界各地经营3。为了提高低温精馏的性能，在设备和生产装置上做了几点修改1。在这项研究中,对一个利用吸收式制冷系统放出的余热采用创新的低温精馏方法淡化海水的过程进行了评价。2、系统的描述所提出的系统原理图如图1所示。系统的主要的元件有一个海
4、水淡化装置,一个显热蓄能装置,吸收式制冷装置。淡化设备包括一个蒸发器(EC),一个冷凝器,两个热交换器,和三个10m高的柱子。这三个柱子作为盐水柱,海水水柱,淡化海水水柱，每一个都有自己的贮存器，分别是SWT、BT和DWT。进入蒸发器的热量由冷凝器提供，反过来，这部分热量被吸收式制冷系统保持在50。蒸发器被安装在储存器表面以上10m水柱顶部，在蒸发器的颈部创造了一个真空空间。给水水柱顶部空间的温度要比淡化海水的温度稍微高一点。顶部空间接近真空压力时，细如10的不同温度有利于使水从海水中蒸发出来和新鲜的淡水浓缩。以这样的方式,与传统的太阳能蒸发器和精馏过程的温度范围60100相比较，盐水可以在4
5、050范围内被脱盐。一个从蒸发器流向热交换器1预热蒸发器盐水给水和保持蒸发器内盐水标准的连续流动的盐水被撤退了。这个配置淡化过程,没有任何驱动机械注入4。在理想温度50的晴况下，供给蒸发器的热量由热蓄能系统提供。在相同温度下，供给热蓄能系统的热量由吸收式制冷系统的高温余热提供。这个吸收式制冷系统是在溴化锂作为制冷剂，压力在116kPa的条件下进行评估的。吸收式制冷系统的发生器所需要的能量在有阳光的情况下由太阳能集热器提供，在没阳光的情况下由辅助的电加热器提供。以这种方式，驱动脱盐过程的热能在任何时刻都是可能的。吸收式制冷系统的发生器的温度被维持在100。既然吸收式制冷系统的蒸发器提供冷负荷，该
6、脱盐系统就执行两个功能：不断淡化和制冷来减少外部非再生能量的输入。 太阳能集热器蒸发器冷凝器 脱盐系统 海水 盐水 淡水 热水槽太阳能集热板热蓄能系统吸收式制冷系统辅助能源冷负荷发生器蒸发器冷凝器图1 新型脱盐系统的原理图3.系统模型一个基于物料平衡和热平衡完整系统的过程模型已被发展出来，并且通过使用软件包得到解决。3.1淡化单位的模型蒸发器面积被认为是5，高度被认为是0.5m。在所有计算过程中，使用的参考温度为25。所有的热交换器的效率被假定为80%。下面的质量和热平衡方程适用于蒸发室。蒸发器内水质量平衡 （1） 蒸发器内溶质质量平衡 （2） 蒸发器的热平衡 （3） 式中，和分别是由热蓄能输
7、入的热量，蒸发需要的热量和热损失。蒸发所需要的热量，由下式决定： （4) 式中，为容积蒸发率。在这项研究中,由Bemporad5通过所推荐的模型估算得到，蒸发率是由压力和受热表面和冷凝表面之间的温度梯度控制的： (5)这个过程变量被定义在附录A中。淡化效率被定义为： (6)3.1.1太阳能集热器系统吸收制冷系统在有阳光的情况下主要由太阳能驱动，在没有阳光的情况下由辅助电源驱动。太阳能集热器效率的方式表示太阳能分数而言,这是贡献的太阳能总负荷从分数减少外部的能量,金额必须提供。当储存在热水器容器0.125立方米/平方米的体积及所需一直被认为是最佳的太阳能集热器面积从太阳的一小部分发现图6。这样的
8、收藏家的最佳数量的最低数量的收藏家100%的太阳能分数达到了小时的最大的太阳能辐射。泵的要求进行了计算分析使用顽皮小狗软件。太阳能集热器系统热平衡 (7)3.1.2低温蓄能系统热蓄能系统是用来储存吸收式制冷系统的冷凝器放出的热量的。提供和保持恒定热源的热蓄能系统的最理想的体积是通过解决热蓄能系统热平衡试验和错误估算出来的8。热蓄能系统的热平衡 (8)式中，吸收式制冷系统的放热效率。该模型的公式(1)-(8)是在南部新墨西哥的一个地方使用外界温度的情况下实现的。4.结果这个模型的目的之一是为了确认合适大小的热蓄能系统能否提供必需的热能给蒸发器在24小时的周期内来维持脱盐效率。图2显示了在环境温度
9、25-35范围内，一个夏季日的24小时周期，热蓄能系统提供的热量、蒸发器消耗的热量和热损失的变化。这个脱盐效率通过公式（6）定义，同时也标绘在图2中。正如预期的那样,蒸发器能源的损失没有阳光比有阳光更高一些，这是因为没有阳光的情况下，周围环境温度比较低。基准条件下,脱盐可用的能量大约是12500 kJ / h(= 3.45 kW)，这部分能量也就是吸收式制冷系统所放出的余热。然而,实际转换的热量依赖于传输介质和热源之间的温度梯度。实际质量的水能够在蒸发器内蒸发，因此,淡化效率,将依靠由热蓄能系统输入的热量率，这时的环境温度发生了凝结，盐水的提取率,作为以后讨论。因为蒸发器的驱动力是蒸发器和冷凝
10、器之间的温差，所以白天输入蒸发器的热量比晚上少。在晚上,周围环境温度比较低，淡水温度也低，支持更高的脱盐率,从而导致了更高的热量反之亦然。蒸发器中盐水的温度和淡水的温度相对于周围环境温度的变化被显示在图3中。盐水温度的变化范围由43.546，周围环境温度的变化范围是2537。然而，淡水的温度变化范围是3540。从图2和图3中可以总结出在要求的条件下，热蓄能系统能够维持脱盐效率和蒸发器的温度。从这些情节中可以看出这，环境温度是一个重要的变量，因为在这个过程中环境温度下发生冷凝，间接地决定了脱盐率。 传热效率kJ/hr效率%当天时刻 效率图2 传热效率和系统效率24小时的变化4.1吸收式制冷系统的
11、分析组成这个所推荐的系统的吸收式制冷系统的结构是为了两个作用而被设计的保持热蓄能系统在期望的温度和提供冷却负荷。这样,我们所推荐的吸收式制冷系统与只用于制冷的传统的系统相比较，操作方法稍微的不同。典型的用于制冷的吸收式制冷系统的操作条件与所推荐的系统在表1中进行了比较，比较时采用同样的冷却负荷3.25 kW。显著的不同是压力范围，各自的压力范围分别是16 kPa与1.5 15.75 kPa。所以凝汽器运行在55，保持热蓄能系统的温度在50是很必要的。4.2热蓄能系统水槽的容积为了向蒸发器提供热能，冬天的气候条件被认定为确定热蓄能系统大小必要条件。这个容积由公式（8）确定（书名），以至于在一个2
12、4小时的周期里开始的温度和结束的温度将在0.1范围内。一个10m的水槽被发现足以维持一个24小时周期的温度在50，以及提供蒸发器所需的能量。图4显示热蓄能系统的温度保持在50恒定不变，然而环境冬季温度变化范围是215。 蒸发器 淡水 周围环境 温度 当天时刻图3 蒸发器温度、淡水温度和环境温度24小时内的变化表1 吸收式制冷系统参数：典型系统和该研究系统系统参数典型系统该系统吸收器温度（）3028冷凝器温度（）3555蒸发器温度（）812发生器温度（）100100冷凝/发生压力（kPa)6.2715.75吸收/蒸发压力（kPa)1.0731.403吸收器能量传递(kW)4.324.43冷凝器能
13、量传递(kW)3.493.49蒸发器能量传递(kW)3.253.25发生器能量传递（kW)4.434.67制冷系数 COP0.730.724.3吸收式制冷系统的太阳能集热器太阳能集热器，通过辅助加热器扩大而来，被确定为热蓄能系统提供热量和提供冷负荷。太阳能集热器的储蓄槽的温度被设定在110，是为了保持发生器的温度在100。辅助加热器提供的能量等于发生器所需要的能量与从太阳光收集来的能量之差。图5说明了这种差异和太阳分数的一个24小时周期。集热器最理想的区域通过公式（7）可以得到。在基本的情况下，脱盐率为4.5kj/h，25的太阳能集热器能够满足3.25kW的冷负荷。脱盐速率、太阳能集热板面积和
14、冷负荷之间的关系被表示在图6中。4.3.1能源需求除了太阳能,我们所推荐的系统还需要额外的机械能量驱动泵和额外的热能在没有阳光的情况下驱动吸收式制冷系统的发电机。模拟结果表明,要求的额外的机械能是16 kJ/kg加上辅助热能192 kJ /kg,共计一个所需的比能量为208 kJ /kg。相比之下,一个典型的多级闪馏过程需要机械能的44 kJ /kg加上热能294 kJ /kg，共计一个所需比能量为338 kJ /kg9。根据模拟结果，所推荐的过程是一种节能和可持续的选择脱盐。温度当天时刻周围环境图4 周围环境和热蓄能系统在24小时内的温度变化温度；太阳能分数%当天时刻太阳能集热器的实际温度太阳能分数太阳能集热器的理想温度图5 太阳能分数和最佳太阳能分数面积 冷负荷kJ/hr脱盐效率kg/hr太阳能集热板面积 图6 不同冷负荷和太阳能集热板面积时脱盐效率的变化蒸发器温度
