基于LNG冷能利用的载冷气泡直接接触式海水淡化方法研究

随着液化天然气（LNG）利用的日益广泛，LNG中蕴藏的冷能也越来越引起人们的重视，将其应用于海水淡化已被证明是一条可行的技术途径。直接接触式海水结冰淡化方法目前均采用正（异）丁烷作为载冷剂，技术成熟，但需要消耗大量正（异）丁烷，并导致淡水污染。本项目因此提出一种采用自然工质-空气作为载冷剂的直接接触式海水淡化方法，结合具体设计流程，从能量效率和火用效率两个角度，考察并保证冷能利用效率的前提下，对其中所涉及的载冷气泡在不混溶相（海水）中的流动和相变传热机理进行深入研究，建立淡化过程中流动和相变传热模型，揭示进气条件、流形变化及流体物性等对直接接触式海水淡化过程的影响规律，对系统关键部件（汽化器和结晶器）进行参数分析，找到可靠、普适的体积传热系数关联式，为设计高效的载冷气泡直接接触式海水淡化系统提供理论依据，为LNG冷能的高效利用开辟一条新的技术途径。

天然气液化是高能耗过程，对其汽化逆过程进行正确的㶲分析是设计高效冷能利用装置的前提。同时为探明在直接接触式海水淡化中载冷气泡的流动和传热机理，寻求计算体积传热系数和强化相变传热方法，本项目一方面通过实验研究，采用高速摄像及其图像分析，观察了载冷气泡的流形变化以及在不相混溶海水中的冰晶成长演化过程，分析进气条件、流体物性等对气泡生长及相变传热过程的影响，找到了可靠、普适的传热系数关联式；另一方面以传热学和计算流体力学为基础，建立了淡化过程中流动和传热数学物理模型，揭示了进气条件、流形变化及流体物性等对直接接触式海水淡化过程的影响规律。重要成果如下：（1）由LNG冷能不同利用方式的对比计算结果表明，通过利用LNG冷量可将系统的能效系数提高到原来的3倍左右；LNG直接利用时冷量㶲损失大于LNG梯级利用；随着LNG初始利用温度的升高，LNG冷量㶲损失近似线性下降，而所需的LNG质量流量则呈现“J”字型增长趋势。（2）为了改进利用LNG冷能作为冷源的冰浆制取实验装置的性能，提出了一种新型气体直接接触式冰浆生成器。（3）采用CFD方法中的VOF（Volume of Fluid）模型对单一载冷气泡在连续相液体中的换热过程进行了模拟，模拟结果反映出气泡运动过程中由于液体粘性力和膨胀作用导致气泡表面受力不均产生形变，气泡从圆形变为类似球形的不规则形状。（4）建立了单一载冷气泡对流换热微分方程，通过数值方法求解得到了载冷气泡周围热边界层变化规律和无量纲过余温度分布情况，调整气泡速度和气泡半径两个参数对换热过程进行了分析讨论，发现载冷气泡热边界层厚度在mm量级，与气泡半径呈正相关，而与气泡速度呈负相关。（5）针对单一载冷气泡换热过程熵产做了理论分析，得到了换热过程熵产率与雷诺数的关系。（6）提出了一种新的直接接触式冰浆生成器载冷气体喷头结构。在整个项目过程中，建造了载冷气泡直接接触式海水淡化实验台；采用CFD方法和数值方法研究了单一载冷气泡与连续相溶液的直接接触换热过程，得到基于LNG冷能利用的海水淡化流程分析、载冷气泡在海水淡化中的流动传热机理和气泡形态对相变传热的影响结果；发表Sci国际期刊论文4篇；国内一级学术刊物论文14篇；授权发明专利2项。