吨天太阳能低温多效海水淡化复合系统的设计doc.docx

10000吨/天太阳能海水淡化复合系统的设计

太阳能海水淡化
复合系统的设计

The Design of A Seawater Desalination Multiplexed System Producing Freshwater 10000 T/Day with Solar Energy

摘要
低温多效海水淡化系统蒸发温度低，对减少设备腐蚀与结垢起到一定作用。其海水预处理系统简单，动力消耗小，热效率高，操作安全可靠，运行稳定，能利用低品位能源。对当前海水淡化现状和太阳能集热技术分别进行了综述，提出了太阳能低温多效海水淡化复合系统的设计，建立起了包括蒸发器、预热器、闪蒸罐和冷凝器的传热传质计算，在已经建立的传热传质计算基础上，利用Visual Basic语言编制了低温多效蒸发海水淡化系统的计算机程序，以10000吨/日系统为例详细介绍了本系统的设计流程，得出了系统的主要设计参数。并对系统进行工艺性设计，得出海水淡化系统预热器及蒸发器的结构参数，动力系统的能耗，以及太阳能集热系统的集热面积和换热器的结构参数。
关键词： 海水淡化 　低温多效　太阳能 设计

Abstract
Because of the low evaporation temperature of the low-temperature multi-effect desalination system,it takes effect somehow in reducing the corrosion and fouling of the system.
Key worlds：seawater desalination multiple evaporation device solar energy design

目录
第1章 绪论 1
1.1发展太阳能海水淡化的意义 1
1.2海水淡化技术发展概况与主要方法 2
1.2.1海水淡化技术发展概况 2
1.2.2海水淡化技术主要方法 2
1.3太阳能集热技术发展概况和主要方法 5
1.3.1 太阳能集热技术发展概况 5
1.3.2太阳能集热主要方法 6
1.4本文研究内容 7
第2章 太阳能海水淡化复合系统原理与模型的建立 8
2.1 太阳能海水淡化复合系统的设计的提出 8
2.2太阳能海水淡化复合系统的物理模型 8
2.3低温多效蒸发海水淡化系统的传热传质计算 11
2.3.1第i效蒸发器传热传质计算 11
2.3.2第i效闪蒸罐传热传质计算 14
2.3.3海水预热器传热传质计算 15
2.4小结 15
第3章 海水淡化系统的设计计算 17
3.1原始数据的选择与设定 17
3.2确证各效温度分布 17
3.3系统物料衡算及热量衡算 18
3.4海水预热器与各效蒸发器的设计计算 19
3.4.1海水预热器的设计计算 19
3.4.2各效蒸发器的设计计算 24
3.4.3 冷凝器的设计计算 24
3.5动力系统能耗计算 25
3.6系统参数总汇 28
3.7 小结 28
第4章 太阳能集热系统的设计 30
4.1原始数据的选择与设定 30
4.2太阳能集热系统的计算 30
4.2.1 换热器的计算 30
4.2.2 蓄热器的计算 32
4.2.3太阳能集热系统集热面积的计算 32
4.3小结 34
第5章 结论 35

致谢 36
参考文献 37
附录 39

第1章 绪论
1.1发展太阳能海水淡化的意义
潜在的能源危机和世界生态环境不断恶化，促使世界大多数国家积极发展新能源和可再生能源，其中包括太阳能和各种可再生能源，太阳能以其独特的优势成为人们关注的焦点。太阳能在每秒钟到达地面能量有800,000千瓦，假若我们能把0.1％的太阳能转化为电能，在5％的效率下，每年高达5.6×1012kWh，相当于世界能源消费的40倍。中国是太阳能资源丰富的国家之一，总面积超过2/3的地区年日照时数超过2000小时，西北地区年日照时数达10000小时，是最富有的世界太阳能资源地区，太阳能利用有巨大潜力。
目前，随世界的发展以及环境的恶化，地球的淡水已经逐渐紧缺。国际上有“在十九世纪争煤，在二十世纪争油，在二十一世纪争水”[1]的说法。到2050年，地球人口将要到123亿，到时地球淡水会变得很匮乏。中国已被联合国列为13个最缺水的国家之一， 缺水城市已到300多个，这将严重影响21世纪可持续发展战略的实施。我国解决水资源缺乏的一条有效途径就是进行海水淡化，然而海水淡化毕竟不是一件容易实现的事情，传统的海水淡化的效率比较低，消耗了太多的能源，后果就是不能大面积的推广海水淡化。如何才能有效地降低海水淡化的成本，世界上很多国家包括我国为此做了大量的细致的工作。我们都知道太阳能是一种洁净无污染的能源，在能效配合上能够在很大程度上得到实现。这些年利用了太阳能进行海水淡化的工作走得很快，因为世界各国都认识到了经济要实现可持续发展必须节约能源。世界上还有一些不能够利用电网电能的地区，比如孤立的小岛，太阳海水淡化为之提供了有效解决问题的途径[2]。
随着太阳能利用的不断发展，现在世界上一些国家和地区，已经对太阳能海水淡化的研究进行到很深的程度[2]。考虑到太阳能发展的现状，本文提出了一种新型太阳能海水淡化系统的实现方案，即将大型太阳能集热器产生的热能作为海水淡化的热源，以期达到节约能源和得到淡水的目的。
1.2海水淡化技术发展概况与主要方法
经过较长时期的发展，海水淡化技术现在已经达到一定的技术水平，大规模海水淡化系统已经在一些国家运行，目前在商业上成功的主要有蒸发法等一些方法。
1.2.1海水淡化技术发展概况
海水淡化是世界上广泛的问题，不仅仅是几个国家几个地区的问题，而是涉及到全人类的生存和发展的问题。推广海水淡化事业，从占地球三分之二面积的海洋中获取淡水资源已经成为全世界关注的重大的问题之一。国外进行海水淡化的事业已经近一百多年，海水成为一些沙漠国家最重要的水源，与海水处理技术相关的科技已经相当成熟。现在，全球海水淡化每日的产量有三千五百万立方米上下，其中大部分用于人的饮用水，成功让1亿多人告别饮水的困难。世界上大概有一万多海水淡化厂，人们将越来越高度重视海水淡化在解决水问题中所起到的作用[3]。
中国从上世纪开始进行海水淡化的研究，最先开始的是电渗析海水淡化的研究。中国在当今世界上海水淡化的发展中已经占有一席之地。但是也有一定的不足之处。我国的海水淡化事业虽已具有一定的规模，但是自主创新能力和相关设备的生产能力以及高新技术能力还有所欠缺。中国最需要的是建立起完备的产业链条，形成整个系统的自主创造能力。以便于进一步早日解决这些难题，我国必须不断加大投入，增强创新能力，提高技术水平，建立健全相关生产工艺的流程，早日达到国际领先水平[4]。
1.2.2海水淡化技术主要方法
海水淡化的最终目的是从含有盐分的海水中获得淡水。根据脱盐方式的不同，有三类方法分别是热法、膜法、化学法能够进行海水脱盐。其中，热法能够通过蒸发和结晶实现，蒸发主要有多效蒸发和压汽蒸发，结晶通过冷冻或者水合物实现。膜法通过电渗析或者反渗透的方式实现。海水淡化中化学法，离子交换法成本较高，使其应用受的水质很差达不到饮用地标准。当前世界上海水淡化广泛采用的主要是多级闪蒸、多效蒸发、反渗透和电渗折法等[5]。　　
1.2.2.1 热法
（1）多级闪蒸
多级闪蒸已经成为当今世界海水淡化领域应用最广泛、技术最先进、成熟度最高的被广泛承认的海水淡化技术。多级闪蒸海水淡化的基本原理:将含有盐分的海水进行一定程度的加热后引入相应的闪蒸海水的闪蒸室，为达到闪蒸的目的必须控制容积室内的压力不高于当下海水饱和压力才能够使海水在当前压力下能够完成蒸发的目的，海水在当前压力下能够得到蒸发，蒸发后海水的温度降低，蒸发过程产生的蒸汽冷凝后即为淡化水，实现海水淡化的[6]。
（２）多效蒸发
我们把海水在120℃以下进行一效一效蒸发的过程叫做海水淡化的低温多效技术。在蒸发过程中，海水逐效流经连接起来的蒸发器，这些蒸发器有很多的类型，但最常用的是水平管降膜蒸发器。这些蒸发器被加热蒸汽进行加热，后面每一效蒸发温度均低于前一效，结果得到的淡水多于蒸汽量。
多效蒸发会在未来被人们广泛应用，因为人们不会忽视其利用的巨大潜力，其中它的优势作用在应用中起到很大的作用，具体有以下特点：
①多效蒸发可以用较低的能源获得很高的热效率，在一些化工领域或者能够提供低品位热源的企业，其废热可用于多效蒸发，它的造水比也能达到很高的水平。
②多效蒸发最大的特点是它的蒸发温度很低，这样低的温度显然降低了设备的腐蚀作用，也使结垢大大减少。
③水平管降膜蒸发器或冷凝器具有传热效率高，流动阻力小的特点。
④多效蒸发的设备能实现紧凑化和最大限度的简化。
⑤多效蒸发的材料比较便宜，如同合金管等廉价材料。
⑥整个过程能达到较大的弹性，同时减少了动力能耗。
⑦低温多效可以得到水质高的淡化水，使得淡化水的含盐量大大降效。
世界上目前为止最大的多效蒸发淡化海水技术可达到20000 m3/d，但是它的容量还有增大的空间。随着科技的不断发展，将来能够获得更大容量的海水淡化设备。所以该技术有着巨大的利用空间，为解决水资源问题提供一条捷径。当然低温多效海水淡化存在一些不足之处啊，比如其热效率受到传热系数的制约，在淡化过程中蒸汽的比容较大造成设备的体积也比较大，增加了设备的生产费用[7]。

（3）压气蒸馏
压气蒸馏也能实现海水淡化，其原理是海水先经过预热器预热，之后海水流经一个蒸发器，对蒸发器加热使得海水汽化，汽化的蒸汽进入压缩机，被压缩及压缩后获得了高温和高压，再把它送回到蒸发器中作为蒸发器的加热蒸汽，而作为加热蒸汽的高温高压蒸汽冷凝放热后获得了淡水产品。这行压缩过程的实现有两种不同的方式，一种是通过引射器引射高压蒸汽，另一种是使用机械式的压缩机自己接对蒸汽进行压缩，从而实现了蒸汽的潜热不断被传递[8]。
（4）冷冻法
冷冻法能够实现海水脱盐，在上世纪中叶当时人们广泛认为冷冻法是在未来有巨大发展潜力的技术。通过冷冻的方式获得淡化海水的原理是水中的无机杂质和无机盐的浓度系数与海水中的无机杂质和无机盐的浓度系数相差一两个数量级。通常情况下，假若水中含无机杂质和无机盐那么水的冰点会降低。在这种情况下，假若对其进行冷冻，逐渐使温度降低到水的冰点，就会有结成冰的纯水慢慢结晶，而其他杂质无机盐不会结晶。只有无机盐达到饱和温度后才会结晶。通过冷冻的方法获得海水，一共可分为两类。一种是自然法，还有就是可以通过人工的方式实现冷冻。当前世界范围内已经有很多国家建设了应用冷冻法的海水淡化工厂。在其中有中型的也有小型的，还不能进行大规模的海水淡化工程[9]。
1.2.2.1 离子法
（1）反渗透
我们也把反渗透称为反渗透超过滤法或者分离法。直到1953年，这种膜式的反渗透发才被人们应用。反渗透法重要的一点是它利用一种半透膜，这种半透膜不允许溶质透过半透膜而只允许溶剂透过半透膜。它的这种性质，把含有盐分的海水和不含盐的淡水隔开。在这个过程中，淡水也逐渐透过半透膜到海水侧，使得海水测液面不断升高，直到海水液面到达一定的高度，实现了渗透。由于海水比淡水高，就会产生渗透压。在这时假若我们在海水液面上作用一个大于海水液压的压力，就会引起海水中部分的淡水通过半透膜运动到淡水侧，从而实现了海水淡化的反渗透过程[10]。
反渗透与多级闪蒸相比所具有的优点就是在渗透过程中不会发生相变，反渗透过程的实现仅需要消耗一定的电能，而避免了使用蒸汽的消耗，从而节约了能量。另外，反渗透系统能够实现机组化，它的安装也比较容易。由于所用的建筑面积比较小，建设所用的时间也比较少。反渗透启动过程也比较快。然而在此技术中，半透膜需要大量经常的更换，以保证淡化海水的质量。这样不可避免的增加了成本，膜的费用很高，这样使得此法不经济。
（2）电渗析法
电渗析海水淡化的方法在上世纪五十年代兴起，最先开始的是淡化苦咸水，在此之后日本首先利用该技术在海水淡化中应用。电渗析是把直流电作为动力，利用一种能够进行阴离子交换的树脂，利用交换膜选择透过水中的阴阳离子，从而实现把一个水体中的离子通过半透膜送到另一侧的水体中。电渗析过程必然要消耗一定的能源，能量消耗与溶液浓度成正比。与它淡化海水的方式相比，电渗析所耗的能量明显高于其他的淡化方法，因此这种方法没有在海水淡化中得到广泛应用[11]。
1.2.2.3化学法
（1）离子交换法
离子交换技术所利用的是溶剂本身具有的和具有某种电性的离子和被处理的海水中含有相同电性的离子进行离子交换从而实现盐分的去除。当前世界上在海水淡化的应用中，离子交换法唯一的应用领域是制取少量的饮用水，在飞机失事或船舶紧急缺水情况下为人员提供饮用水。在军事领域，这种方发得到一定的运用[12]。
（2）水合物法
在海水淡化中，水合物法还处于不成熟的阶段。这种方法实现的原理是某些诸如天然气、甲烷等一些有机气体很难在水中溶解，但假若和水一起混合后，能够形成两者的水合物。在这种原理上，把此类气体和海水一起混合后，。能够形成一定量的含水分子的水合物，水合物中含有一定量的水和剂，水和剂即是此类气体。形成水合物后，水合物以晶体形式析出，实现了同盐水的分离。分离出来的水合物在经过分离和用纯水洗涤之后，对其进行加热，是何物在受热下分解融化，通过分离能够获得淡水。比如，丙烷可以作为一种水合剂，与水结合生成水合物，每一个烃分子能够携带17个水分子。
1.3太阳能集热技术发展概况和主要方法
太阳能集热器是太阳能热利用过程中的主要部件，太阳能集热器能够吸收太阳光，从而产生巨大能量，为用能设备提供巨大能量。太阳能集热器如同人类的心脏，人类心脏若损坏，人的生命也就终止了。相同的道理，假若太阳能集热器坏了，太阳能热水系统就会失去动力。不同类型的太阳能系统的集热器也是不同的。太阳能集热器的形状有板式的，也有管式的。相同的是两种都有能够吸收太阳辐射的能力，把光能转化为热能，再把这些能量传递给水或者其他介质，例如水和气体以及液体油。假若集热器不断吸收能量，工质的温度会不断上升一直到系统所需的温度才会停止[13]。
太阳能集热器根据不同的温度，分为低温、中温、高温三种类型。当然这只是一种标准。按照不同的分类标准由不同的分类方式。例如，根据集热器能不能在每天跟随太阳移动，可分为跟踪型集热器和非跟踪型集热器。总而言之，太阳能集热器最终实现光能想热能的转变。
1.3.1 太阳能集热技术发展概况
上世纪五十年代，前苏联设计了地球上首座太阳能电站，并且为之建立了一个小型的系统。根据数据统计，上世纪八十年代，地球上共建设了有20多座功率超过500kW的太阳能电站，其中单机的最大功率是80MW 。
上世纪80年代，以色列和美国一同出资建设了LUZ国际太阳能电站公司，并且对太阳能集热进行了大规模研究，共同开发了槽式太阳能集热技术，并且公司正式进入了运营状态。1989到1991年间在美国的加州沙漠地带建立了9座太阳能槽式电站，这个电站达到了358,3兆瓦的装机容量。并且实现了成本的下降，理论上是每度电5到6美分。
我国一直高度重视太阳能集热领域的研究工作，我国曾经在六五时期成功的建设了1千瓦的太阳能塔式模拟电站系统和1千瓦的太阳能平板低温系统。另外，中国和有关国家曾经共同合作设计并建造了有5千瓦的太阳能碟式样机。此外，中国与以色列还曾在2005年在南京合作设计并建成了75千瓦的太阳能塔式电站，此电站已正式投入运营当中。由于有巨大的优势即太阳能是无尽的，所以太阳能集热在未来有巨大的发展潜力，中国应当大规模研究和发展太阳能集热，才能在未来能源领域占据一定的地位。太阳能研究领域的重点是怎样降低成本，如何势力最大化，真正实现社会效益与经济效益的统一。
1.3.2太阳能集热主要方法。
太阳集热的最终目的是实现光能向热能的转变[14]。太阳能光能的采集方法有三种，它们分别是碟式、塔式和槽式。这是根据吸收光能的不同方式划分的。
（1）太阳能碟式
当前太阳能集热系统中热效率很高的一种是碟式系统，其太阳能利用率能够达到29.4% [15]。据此认为它能够实现太阳能利用的最佳化。其工作原理是通过双轴跟踪术的利用，通过反光镜把太阳光聚集，把聚集的光传递给接收器，接受其吸收太阳光的能量，实现能量向热能的转变。通常情况下，接收器要把聚光器放在聚光点后面，以便于减轻和防止聚光器在高温下融化。
（2）太阳能塔式
太阳能塔式集热器的工作原理是通过一组定日镜群能够实现太阳光聚集到塔顶接收器上，这些定日镜群能够独自跟踪太阳的位置，接收器接收能量后实现能量的转换。由此可见，定日镜群对阳光的聚集和反射，是实现阳光的利用的根本原因。塔式系统必须要有足量的定日镜，才能实现大功率的要求。实际中太阳能系统的功率可以达到30~400MW之间[16]。
（3）太阳能槽式
槽式太阳能集热系统的原理是通过槽式反射镜对阳光进行聚焦，聚焦镜是一种抛物面形式的镜面，抛物面是通过平移抛物线实现的。聚光镜将太阳能聚集到抛物面的一条直线上，有一些管状的集热器就连在这些抛物线上，以方便吸收太阳能。通常情况下，将诸多抛物面连在一起，构成集热器阵列，以达到整体效应。槽式太阳能集热器抛物面能够追踪太阳光，具体安置是轴线南北放置，能够实现东西旋转，达到追踪太阳光的目的。聚光比很高 。
太阳能槽式集热系统的主要组成部分有：面积巨大的槽式聚光器、热工质、蒸汽产生器、蓄热器。以便于解决夜间没有太阳能的弊端，必须配置蓄热器。蓄热器的作用主要是在白天将多余的太阳能储存下来，以便在夜间没有太阳能的情况下给系统提供能量。有时，储存的能量不能保证能量充足的供应，就需要在系统中加入化石能源作为补充能源。
槽式太阳能集热系统有如下的特点：
①槽式集热器结构紧凑，与塔式和碟式相比，相同的热能转化下，其占地面积会小到50%。
②太阳能槽式集热器加工安装能够实现生产的标准化，可以批量生产，形成规模效应，能够实现大规模的发展。
③槽形抛物面集热系统的生产所需的构件形式不多，容易实现标准化，适于批量生产。
与其他几种集热系统相比，槽式太阳集热技术是所有太阳能集热技术中功率最高的，也是效率最高的，其技术也是最成熟的。
1.4本文研究内容
当前海水淡化中直接把太阳能作为热源实现淡化海水的方法已经有一定的技术成熟度。在实际应用中，可以利用太阳能产生低温蒸汽，用蒸汽加热海水。从而实现了既充分利用了太阳能，又能够获得淡化水的目的。
当前海水淡化技术和太阳能集热技术已经有了一定的基础，但是将二者结合起来还没有形成大规模效应。假若把太阳能转化为热能，把热能作为动力进行海水淡化，将会在海水淡化中有好的前景。通过对比和分析本文通过对槽式太阳能集热系统和低温多效海水淡化系统有机的结合在一起。探寻一种新型复合系统以实现太阳能海水淡化的目标。本课题研究的重点是怎样更有效地利用太阳能以及提高海水淡化的效率。如何减少能耗，实现能量的高利用率。主要研究内容有：
（1）分析与研究怎样实现将槽式太阳能集热系统与低温多效海水淡化系统的复合，建立一种新的系统
（2）建立相应的物理模型和传热传质计算以实现各个换热器设计所需要参数的计算数据。
（3）以10000吨/日太阳能海水淡化系统为例，进行定量分析和优化设计。

第2章 太阳能海水淡化复合系统原理与模型的建立
2.1 太阳能海水淡化复合系统的设计的提出
我们的目的在于充分利用太阳能集热系统与海水淡化系统的成熟技术，利用两者技术上的优势，提出一种新型的系统。
在第一章中比较了解了以上两种系统的基础上，本文提出了将槽式太阳集热系统与低温多效海水淡化系统相复合的新型系统。即利用太阳能集热产生的蒸汽作为海水淡化的热源，进行太阳能海水淡化的。该系统充分利用了太阳能集热系统产生的热量，同时保留了低温多效系统能够实现效数多，易于大型化的特点，因而可实现太阳能海水淡化的大型系统，系统的结构示意图见图2.1。

1-太阳能集热器，2-蓄热器，3-换热器，
4、5、6、7、8-多效蒸发器 ，9-末效蒸汽冷凝器，10-浓盐水排出泵，
11-淡水水泵，12-海水供给泵，13-进料海水泵，14-真空泵，15- 冷却海水
PH-海水预热器，S-闪蒸
2.2太阳能海水淡化复合系统物理模型
物理结构的描述是系统建模的基础，建立和正确使用物理模型有助于将系统中的复杂问题简单化、明了化。
在本文中建立了一个5效蒸发海水淡化系统，由5个蒸发器、1个冷凝器、4个预热器和3个闪蒸罐，以及水泵和真空泵共同组成。如图2.1所示的是整个系统的运行情况。由太阳能系统来的蒸汽作为加热热源，在首效蒸发器4中加热海水使其汽化蒸汽凝结后则直接返回太阳能系统；原料海水首先进入冷凝器9，然后被分成两股流:一股15直接排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料。进料海水由后至前依次被送入各个预热器(PH)进行预热，然后进入第一效蒸发器4;蒸发器产生的二次蒸汽大部分进入下一效作为加热蒸汽，另一部分被抽往预热器(PH)用于预热海水;浓缩海水在两效间的压差作用下流入下一效继续蒸发;各效蒸汽的凝结水流入相应闪蒸罐(S)，产生的蒸汽也被引至下一效。如此进行直到末效，浓海水最终由末效排出。2至5效及冷凝器、预热器产生的凝结水即为淡化水产量。太阳能海水淡化有多个子系统几多个部件，其作用及工作原理如下：
ⅰ 太阳能油循环子系统主要包括太阳能集热器1，蓄热器2及换热器3。白天光照条件下，从太阳能集热器1出来的高温油被分为两部，一部分进换热器3加热蒸汽，另一部分则进蓄热器2蓄热。从换热器及蓄热器出来的油则返回太阳能集热器1，如此形成油循环。
ⅱ 太阳能蒸汽循环子系统主要包括蓄热器2及换热器3。白天光照条件下，从海水淡化系统返回的饱和水被泵送到换热器3中进行换热，成为90℃的饱和蒸汽后进入蒸发器4；晚上无光照条件下，从海水淡化系统返回的饱和水则被泵送到蓄热器2进行加热，成为90℃的饱和蒸汽进入蒸发器4，如此形成蒸汽循环。
ⅲ 各效蒸发器是利用加热蒸汽冷凝放热来蒸发进料海水的，一方面通过进料海水对加热蒸汽进行冷却获得产品淡水，另一方面蒸汽的放热量可以对海水进行加热进而蒸发产生二次蒸汽。
ⅳ 冷凝器利用进料海水对末效蒸发器产生的二次蒸汽进行冷却，一方面，可以通过海水冷却二次蒸汽得到冷凝淡水;另一方面，二次蒸汽的放热量可以提高进料海水温度，使得海水进入蒸发器时具有较高的焓值，在蒸发器中蒸发所需的热量相应减少，提高了蒸发器的换热效率。
ⅴ 预热器利用蒸发器中产生的二次蒸汽中的部分蒸汽对海水进行预热，来提高海水温度，从而使得海水进入蒸发器时具有较高的焙值，在蒸发器中蒸发所需的热量相应减少，提高了蒸发器的换热效率。
ⅵ 闪蒸罐的压力低于进口冷凝水所对应的饱和蒸气压，冷凝水进入后即为过热水，于是，一部分冷凝水吸收热量作为汽化潜热而迅速蒸发，使得剩下的冷凝水的温度降低，由出口接管排出，流入冷凝水汇总管。闪蒸罐主要起两方面的作用: 获得少量蒸汽作为加热蒸汽进入蒸发器，使剩下的冷凝水温度降低。
ⅶ 真空及不凝汽子系统主要包括真空泵和真空调节阀。各效蒸发器与真空抽气系统通过调节阀们相连。系统启动时真空泵14将系统中空气抽出，形成真空环境工作，抽出系统中的空气形成一定真空度，各效蒸发器的真空度由其真空调节阀控制；系统正常运行后，真空泵仍然工作，抽出海水淡化过程产生的不凝性气体，维持各效蒸发器的正常工作的真空度。
现在将对太阳能海水淡化系统的蒸发器进行一些说明。本课题研究的内容采用的是横管式降膜蒸发器。横管降膜蒸发最大的优点就是传热系数高，与其他蒸发方式相比，横管降膜蒸发的效率是竖管降膜蒸发的三倍，是多级闪蒸的二倍。横管降膜蒸发器的两侧均是相变，且又有液膜得作用，所以它的传热效率非常高，而且传热温差也能控制在较小的范围内。它的传热性能在低温情况下也很有量，已经成为行业内研究的重点。此种换热器在关外进行的是蒸发过程，管内是蒸汽的凝结过程。竖管降膜所具有的优点它都具有，但是它的高度远低于竖管降膜，能够实现系统的紧密型，横管降膜蒸发所有的管子及喷淋系统，因而热损失小，能都设置在一个筒体中，所以消耗的材料也很低[18]。当前行业内单机系统容量最高达到20000立方米每天。它产生的水质比反渗透要强得多，但是能耗并不比反渗透多。本设计中选用的换热管材是铜合金（70Cu-30Ni），同时根据具体的计算选用了直径为25mm和直径为55mm的管子。
（1）喷淋的密度
在换热面上喷淋要保证有足够大的面积，而且要保证液体的均匀分布。实现设计的目的主要有两个情况，一个是降液密度，另一个是热负荷的大小。根据Rautenbach和Gebel的科学性研究，水平管降膜蒸发的管子最佳的喷淋密度的范围是。根据我设计的降膜蒸发器的最大热负荷，考虑到一方面保证喷淋密度的不要过小，另一方面又考虑到热负荷的极限，所以在合理的范围内选择[19]。
（2）喷淋的系统
常用的喷淋系统有喷嘴、淋水盘和喷孔。喷孔和淋水盘能够保证获得均匀地液膜，但是安装水平的高低严重影响水喷淋的均匀性。此外安装和检修都不是一件容易的事，要求的精度高。而喷嘴的效果很好，能够很好地实现液膜的均匀分布，而且安装也不是那么麻烦[20]，因此本系统采用喷嘴作为喷淋系统。
（3）管子的布置
利用水平管进行降膜蒸发，液体下降的速度经计算为管子间距离的增加能增加液膜的波动性，大大减少了管子干燥区的面积，不利的影响是会产生液滴飞溅。此外，间距过大会让液体在水平方向移动很大距离。必须确证合适的管子布置方式，避免液滴大规模的飞溅或平移而对换热产生不利影响[20]。在本设计中，采用的是等边三角形排列，管间距是依据相关国家标准查得的。
2.3太阳能海水淡化的传热传质计算
根据已经建立的物理模型对系统进行传热传质计算。
2.3.1第i效蒸发器传热传质计算

图2-3 第i效蒸发器热量衡算示意图
（1）物料的衡算
先假定海水中无盐分挥发，对任一效蒸发器的含盐量衡算：
2-1
式中：－蒸发的海水量，㎏/ｓ；
－海水浓度，％；
－第ｉ效蒸发水份量，㎏/ｓ；
－第ｉ效蒸发后的海水的浓度，％。
ｉ表示所计算效数的序号。
由此，可得系统的蒸发水量为：
2-2
（2）热量的衡算
根据第一效蒸发器的能够实现热平衡的方程式，可得：
　　　　　　　　　　　　 2-3
式中：－生蒸汽的量，㎏/ｓ；
－生蒸汽的比焓，；
－进料的海水比焓,；　
－第1效蒸发器产生的水蒸汽比焓，；
－出第一效海水的量， ㎏/ｓ；
－出第一效海水的比焓，；
－凝结水的比焓，。
在其中，，，， 2-4
以上的公式中：－生蒸汽的汽化潜热，；
－进料的海水的比热容，；
－ 出第一效的海水的比热容，；
－出第一效的海水的温度，℃。
将( 2-4)中各式带入( 2-3)后整理得：
2-5
根据海水的比热容公式有（为海水的浓度，为纯水的比热，为海水中盐分的比热[21]）,故：

消去公式中相同项后：
2-6
把代入式（2-6）能够得到：
2-7
按此规律类推：

将（2-7）代入（2-5）得：

在其中：

由此可得：

于是，以此类推得到：

按此规律类推，按图所示，对第ｉ效蒸发器有
　　　　　 2-8
在本课题设计中，因为物料守恒的原因，用代替上式中的，还要乘以热利用的系数 (可取0.96~0.98[22])来考虑各效蒸发器的损失，就可得到：
2-9
式中：－第ｉ效真发起进口的加热蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏；
－第ｉ效进口加热的蒸汽量，㎏/ｓ，根据物料守恒方程式有（ 为第ｉ效的闪蒸罐的闪蒸量，为第ｉ效的预热器的进入蒸汽量）：
2-10
2.3.2第i效闪蒸罐的传热传质计算

图2-4 第i效闪蒸罐的热量衡算的示意图
当i=2时，由热量的衡算有：
　　　　　　　　　　　　　　　 2-11
当i=3时，根据热量的衡算有：
　　　　 2-12
其中：
,
代入式（2-12）得：
2-13
以上各式中：－与第ｉ效蒸发的水蒸气对应的凝结水的比焓，;
　　　　　　－第ｉ效蒸发的水蒸气的比焓，;
　　　　　　－第ｉ效闪蒸罐的闪蒸量，;
　　　　　　－第ｉ效预热器中进入的蒸汽量，。
2.3.3海水预热器传热传质计算

图2-5 第i效预热器热量衡算的示意图
按图图2-5所示，对第i效预热器由热量平衡知:

将上式展开可得：
2-14
式中：－出ｉ效预热器的海水比热，
　　 －出ｉ效预热器的海水温度，℃
在上列公式中引入了变量，在论文中，取每效预热器中海水被加热到饱和温度，每效温升取。因为在浓度相同时，比热随温度变化不大，所以可取的平均值，即。由此，代入式（2-14）有：
2-15

2.4小结
在本章主要作了以下工作：
（1）在比较分析现有的太阳能集热技术和低温多效蒸发技术的基础上提出了一种复合的系统——太阳能海水淡化复合系统。
（2）对提出的新型系统进行了技术分析及运行说明，着重对横管降膜蒸发器设计的几个关键问题的解决办法作了说明。
（3）建立了新系统的物理模型与传热传质计算，为下一章的系统设计计算做好了准备。

第3章 海水淡化系统的设计计算
本章中将使用上一章建立的物理与传热传质计算，根据冷凝水闪蒸与额外蒸汽引出，以10000吨/日太阳能海水淡化系统作为例子，对本系统中海水淡化各个部件进行了定量的分析和数学计算，因为计算过程实为数据的迭代过程，所以本设计使用Visual Basic语言编制适用于本淡化系统的计算程序，得到了系统各部位的热力性能参数。太阳能集热系统的设计计算会在下一章中提出。
3.1原始数据的选择与设定
（1）设备的容量：本系统设计的淡化水生产能力为10000t/d，即D=417t/h
（2）海水初始的质量浓度是，浓缩比,初温是
（3）型式：本系统采用了5效
（5）设定喷淋的水温。为增强提高系统的经济指标，通常下减小海水进入蒸发器的过冷度。过冷度的选择与系统的性能的提高紧密相关。假若过冷度太大，就加热蒸汽发生相变凝结产热量不能支持蒸发产生相当量的蒸汽，系统水产量将下降；假若过冷度过小，那么由于换热器有较小的换热温差，就会让换热器面积变大，设备总的投资过大。本系统把海水加热到75℃，即过冷度为7.5℃。
（6）系统效间温差。在本系统中，第一效的蒸发温度定位82.5℃，末效蒸发温度为46.5℃。考虑到各方面的因素，各效取9℃温差。
（7）由太阳能系统出来的饱和蒸汽的温度取为90℃。
（8）假定各效的热回收率为＝0.98。
（9）初算时根据造水比与效数n的经验关系=0.8n,取=4。
3.2确定各效温度分布
等温差法和等面积法是建立多效蒸发海水淡化进行温度分布的两种方法，第一种方法是在各效温降相同的情况下确证温度分布，第二种种方法是在各效蒸发器面积相等的情况下确证温度分布。通常多效蒸发器以便于生产方便，偏于采用等面积法。然而要使工艺性能达到最好，等面积法是不合适的，有时可能采用等温差法或等压差法，或者介于它们之间的某种法[23]。
假若选用等温差法法，就可按照温差相等直接进行计算;假若选用等面积法法，就可以在初算时按照等温差法计算，此时求解出的各效传热面积就会不相等，调整温差再进行试算，最后蒸发器就可以设计成等面积的。
在本文中，确证各效换热器温度分布按等温差法。
３.３系统物料衡算及热量衡算[24-28]
（１）第一效的加热蒸汽:
（２）第一效的进料的海水量：
（3）第ｉ效的出口的浓溶的液量：
（4）第ｉ效的浓缩液出口的浓度：
（5）第ｉ效蒸发器的传热温差：
利用上一章所建立的传热传质计算，将选择的原始数据代入，对各效蒸发器，预热器和闪蒸罐进行能量与物料衡算，即可得到系统的热流与物流分布，（本数据的计算是编程完成的，具体代码见附录。）见表3.1，3.2，3.3。
表3.1 10000吨/日海水淡化系统海水预热器热力参数总汇
项目
第1效预热器
第2效预热器
第3效预热器
第4效预热器
预前温度（℃）
63
51
39
27
预后温度（℃）
75
63
51
39
预热换热量（KJ）
3893.93
3893.96
3893.02
3893.93
预热用汽（t/h）
6.0801
6.02123
5.9643
5.9093

表3.2 10000吨/日海水淡化系统蒸发器热力参数总汇
项目
第1效蒸发器
第2效蒸发器
第3效蒸发器
第4效蒸发器
第5效蒸发器
蒸发温度℃
82.5
73.5
64.5
55.5
46.5
蒸汽温度℃
90
81
72
63
54
进口浓度％
0.0300
0.03446047
0.040537
0.048948
0.06083
出口浓度％
0.03446047
0.040537
0.048948
0.06083
0.075
进口盐（t/h）
694.444
604.5574
513.9386
425.616
342.461
出口盐（t/h）
604.5574
513.9386
425.616
342.461
266.9651
进口蒸汽t/h
83.4
83.8657
87.961
77.534
72.344
出口蒸汽t/h
89.886
90.628
83.312
83.1549
75.4965
换热温（℃）
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5

表3.3 10000吨/日海水淡化系统闪蒸罐热力参数总汇
项目
第二效闪蒸罐
第三效闪蒸罐
第四效闪蒸罐
闪蒸温度（℃）
63
51
39
闪蒸量（t/h）
1.646
3.278
4.744

3.4海水预热器与各效蒸发器的设计计算
3.4.1海水预热器的设计计算
由于在本系统中，各效海水预热器的结构布置相同,故本设计中,只详细计算第一效。其余各效的计算方法与第一效相同，差别只在换热面积上，本设计会