 Sustainable Energy 可持续能源, 2012, 1, 103-106 http://dx.doi.org/10.12677/se.2012.24017 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/se.html) Open Heat Pipe for Desalination with Waste Heat Ting Cheng1*, Xiantao Zhang1, Weiming Kang2, Xiaoqing Xiao2, Lili Fan2 1MOE Key Laboratory of Hydrodynamic Transients, School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 2Southern Electric Power Research Institute, Guangzhou Email: *tingcheng@whu.edu.cn Receiv ed: Aug . 15th, 2012; revised: Aug. 29th, 2012; accepted: Sep. 12th, 2012 Abstract: To improve energy efficiency, condensing heat recovery is taken out with a novel method in this work. Open heat pipe is first put forward to heat the seawater and obtain the fresh water. A loop heat pipe is tested by opening way in experiment, and the result shows low temperature in the evaporation. Without input energy, the driving force of the system is mainly by the capillary force. Th e second law efficiency of this method is depended on the performance ratio and the phase change temperature a lot. Keywords: Open Heat Pipe; Waste Heat; Capillary Force; Desalination 开式热管低温海水淡化的余热回收技术 程 婷1*，章先涛 1，阚伟民 2，肖小清 2，范立莉2 1武汉大学动力与机械学院，水力机械过渡过程教育部重点实验室，武汉 2广东电网公司电力科学研究院，广州 Email: *tingcheng@whu.edu.cn 收稿日期：2012 年8月15 日；修回日期：2012 年8月29 日；录用日期：2012 年9月12 日 摘 要：为提高电厂能源效率需改善其冷凝热的利用，本文提出开式热管回收冷凝热的余热进行海水淡化的方 法。实验研究中将环路热管变为开式热管实现水的低温相变，系统运行时的驱动力为多孔材料中汽液界面的毛 细力。理论上随着海水浓缩程度的提高；蒸发与冷凝温度差的减小，此系统的热力学第二效率随之提高。 关键词：开式热管；毛细力；低温余热；海水淡化 1. 引言 全球余热资源丰富，利用潜力大、分布广，部分 余热温度高且在载热体流量稳定，具有良好的利用条 件。电厂余热能量巨大，发电系统是一个能量转换的 工厂，内部存在各种能级，为余热利用提供了很高的 自由度。目前，大型火电厂发电效率为 40%左右，其 中50%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽 器的循环冷却水释散到环境中。而核电站不及 35%热 能转化为电能，其余的均变为废热[1]。这不仅浪费了 日趋紧张的化石能源，更加大了环境污染的负荷。从 根本上缓解这种现象，其途径之一即是充分利用电厂 不可避免的余热，提高燃料的综合利用效率。目前针 对电厂节能和低温余热利用的有效方式主要包括：热 泵技术、养殖业、烟气余热利用等。这部分的余热通 过热泵、制冷系统、低沸点工质动力系统活作为生活 用水予以利用[2]。现今，国内开展其余热利用的电厂 较少，仅占火电厂总数的 16%。其中，87%的电厂主 要利用方式是水产品养殖，其利用量少，且效率十分 低下[3]。 国内沿海电厂中除余热能量浪费严重的问题 之外其淡水资源的缺乏、生产成本高，使得寻求新 的海水淡化方案成为其另一重大需求。针对这一具 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 103  开式热管低温海水淡化的余热回收技术 体情况可利用电厂的余热能量为海水淡化工艺提 供能量，以实现能源的高效利用并解决电厂余热、 淡水资源两大问题。目前虽有众多海水淡化技术的 研究成果以及余热利用的方案，但能同时解决两个 问题的方案尚未出现，本文研究工作首次提出毛细 力自驱动的低温海水淡化技术，实现余热的低温低 品质能量作为海水淡化技术中生成淡水的能量来 源，提高电厂能源的利用效率。 2. 毛细力驱动低温相变的海水淡化原理 本文提出的海水淡化装置是一种开式热管结构 如图 1所示，携带余热能量的蒸汽或液体工质作为系 统热源，直接冲刷蒸发器毛细芯所接触管壁的外壁面 将热量传递给毛细芯，毛细芯中的海水加热后并在芯 内发生汽液相变。蒸发器吸收的热量一方面转化为液 体相变的汽化潜热，另一方面转化为对液体的抽吸能 量，把经过预处理和除不凝气的海水从除氧器吸入蒸 发器。一部分海水在蒸发器内蒸发，变成蒸汽进入冷 凝器冷却为水。系统中的冷凝器具有与蒸发器相匹配 的散热能力，迅速将蒸汽冷凝成淡水保持蒸发器蒸汽 腔的压力；另一部分海水，盐分浓度升高在其进出口 高度差产生的压力下在虹吸作用下从蒸发器中排出。 毛细抽吸力及相变压差是系统运行的驱动力，因 此系统运行状况与各处的压力与工质的温度密切相 关，如图 2所示，系统压降是由蒸汽流动压降和液体 流动压降组成：液体压力初始为大气压，经过进口管 道高度差降压后到达除氧器中，液体由毛细芯的毛细 抽吸力从除氧器流入毛细芯中，消耗了除氧器至毛细 芯的管道压降以及毛细芯中的压降。在毛细芯弯曲汽 液界面处液体相变为汽体的同时发生压力突变，其后 汽体流过毛细芯的汽体槽道和蒸发室至冷凝器管道 压头逐渐降低，在冷凝器中冷凝为液体后经出口管道 后液体压力遂升至大气压流出系统。 3. 实验的结果与可行性讨论 本实验的目的为蒸发器汽腔的汽相压力低于液 体温度对应饱和蒸汽压，利用余热能量相变即可发生 在蒸汽室所处低温下，开式热管能够稳定运行。本实 验装置由毛细芯蒸发器、冷凝器、除氧器组成的开式 热管系统、数据采集系统、辅助加热系统组成，工质 使用蒸馏水。由 4个铜–康铜 T型热电偶来检测系统 高温蒸汽或液体 水蒸气 淡水 海水 冷凝器 热量 Q 浓海水 毛细结构 Figure 1. Schematic diagram of the desalination system 图1. 海水淡化系统结构示意图 1(11) 6 7 8 9 23 4 5 10 Po 温度 Te Tc 1.液体进口；2.除氧器出口；3.毛细芯吸液芯中心；4.毛细芯相变界面液体侧； 5.毛细芯蒸发界面气体侧；6.蒸汽槽出口；7.蒸汽管出口；8.冷凝界面；9.冷 凝器出口；10.液体出口。 Figure 2. Pressure drop and the temperature of the system 图2. 系统运行压降–温度分析图 各主要区域及环境温度，所有热电偶标定后的测温误 差为±0.2℃，各测点位置见图 3。辅助加热系统采用 2 根加热棒安装在 9 cm × 4.5 cm × 2 cm的铝块的作为 模拟热源。模拟热源及蒸发室外包裹了石棉绝热材 料。测试中进液口与蒸发器高度差为 8.8 m，在除氧 器中降压为 15 KPa(由压力计测量所得)。系统运用毛 细芯的抽吸力作为动力，而毛细中不凝气的堆积易使 得毛细力失效进而使得系统运行失败，因而液体中溶 解的不凝气不可避免，在运行中不凝气由除氧器装置 预先从液体从抽取出。实验前的准备工作是由真空泵 将装置中充灌已除过不凝气的纯净水，装置充灌满液 体后(充灌量 100%)启动辅助加热系统和冷凝器开始 实验测试。 辅助加热装置输入功率为 30 W 时数据采集系统 收集了实验装置运行 108 min的温度数据如图 4所示。 装置的启动需要的时间仅仅6 min，由蒸发器出口温 度可知蒸发器中相变温度稳定在 40℃左右，且采集出 口处的液体流量得到平均出水速度为 0.010 g/s，整个 Copyright © 2012 Hanspub 104  开式热管低温海水淡化的余热回收技术 Copyright © 2012 Hanspub 105 实验装置运行较稳定，装置的可行性得到验证。 关键是提高冷凝器的换热能力即是提高冷凝时的相 变温度。 4. 热力学效率的理论分析 5. 结论 现有的热法海水淡化技术主要为相变过程，其中 相变过程水的汽化潜热耗能巨大，致使热法方法的热 力学第一效率低，因此人们较为关注其热力学第二定 律效率及成本。Abdulnasser A. Mabrouk等人[4]对几种 常见的海水淡化过程的热效率进行分析得到数据如 表1。可知热法海水淡化技术的热力学第二定律效率 较低且成本偏高。 余热能量的有效合理利用是提高电厂能源利用效 率的途径之一，本文提出的开式热管进行海水淡化的 方法，是余热综合利用降低电厂运行成本的新思路。 此海水淡化技术其原理中所需热源是低温低品质余热 能量，只在系统启动前充灌准备过程中需要输入一定 泵功，以及运行过程中抽吸不凝气需要极少量泵功， 而现今已有的各种海水淡化技术则需要提供高品质能 量使得系统运行。因此，本文提出的以低品质的余热 能量输入的海水淡化方法可实现节能减排降低成本， 依据图 4实验测试数据，即蒸发温度为 40℃，冷 凝器中部温度为 27℃的情况下，计算此新方法的热力 实验装置运行较稳定，装置的可行性得到验证。学效 率如图 5(a)，其效率随着浓缩程度的提高有明显提高， 当浓缩程度提高并接近结晶浓度时其热力学第二定 律效率达到约 4.5%。此外此法的效率随着相变温度变 化，如图 5(b)当冷凝相变温度接近蒸发相变温度时热 力学效率得到提高，因此提高本法热力学第二效率的 01800 3600 5400 7200 900010800 10 20 30 40 T / o C t / S 蒸发器出口 冷凝器中部 冷凝器出口 ① ▽ ▽ 蒸发器 补偿室 ③ 进口 出口 ▽为热电偶布置点，①蒸发器出 口，②冷凝器中部 ，③冷凝器出口 ② 冷凝器 ▽ 加热 加热 蒸 气 管 线 主毛 细芯 次毛 细芯 Figure 4. The temperature curve of the running system 图4. 实验装置运行中的温度曲线 Table 1. Comparison of several desalination technologies 表1. 几种海水淡化技术的比较 海水淡化技术 多级闪蒸 (MSF) 5000 m3/day 机械压缩蒸馏 (MEE-TVC) 1200 m3/day 热力蒸汽压缩 (MEE-MVC) 1500 m3/day 输入的能量 热、电 电 热、电 热力学第二定律效率 1.87 2．16 5．75 成本($/m3) 2.64 3.4 1．7 Figure 3. Schematic diagram of the experimental system 图3. 实验系统结构示意图 5 10152025303540 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 盐分 g/100gH 2 O 热力学第一定律效 率 热力学 第二定 律效 率 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 热力学 第二定律效率% 冷端温度（℃） (a) (b) Figure 5. Thermodynamic efficiency analysis: (a) First and second Law of Thermodynamics; (b) Relationship between the thermodynamics efficiency and the temperature of the radiation 图5. 热力学效率分析：(a)热力学第一及第二定律效率；(b)热力学第二效率与冷端温度的关系  开式热管低温海水淡化的余热回收技术 具有很好的余热利用性。实验测试中利用低温加热开 式热管得到其稳定运行的数据，证实了此法的可行性。 在测试工况下此法的热力学第二定律效率可接近 5%。 理论上随着海水浓缩程度的提高；蒸发与冷凝温度差 的减小，此系统的热力学第二效率随 之提高。 参考文献 (References) [1] 贺益英, 赵懿珺. 电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题 [J]. 能源与环境, 2008, 6: 27-29. [2] 赵钦新, 王宇峰, 王学斌等. 我国余热利用现状与技术进展 [J]. 工业锅炉, 2009, 5: 8-15. [3] 贺益英. 关于火, 核电厂循环冷却水的余热利用问题[J]. 中 国水利水电科学研究院学报, 2004, 2(4): 315-320. [4] A. A. Mabrouk, A. Nafey and H. Fath. Thermoeconomic analy- sis of some existing desalination processes. Desalination, 2007, 205(1): 354-373. 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