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    塑料換熱器在海水淡化中的應用


      塑料換熱器是一種新型的換熱器,美國DuPont公司于1965年率先試制成功了氟塑料換熱器;以后一些工業先進國家也開發成功了塑料換熱器,并實現了商品化生產?,F已有氟塑料換熱器、PPO換熱器、PP換熱器、石墨改性PP換熱器、石墨改性PVC換熱器等。

      近幾年來,塑料換熱器在海水淡化中的應用已嶄露頭角。進入21世紀,淡水危機日益影響著許多國家的生產和發展。解決淡水危機,海水淡化將是一條有效途徑。但目前海水淡化仍然面臨著成本較高的問題,如能在熱法海水淡化中實現用塑料換熱器大規模替代現在的金屬換熱器,則淡化水成本將會大幅度降低。海水淡化技術主要分為蒸餾法、反滲透法、膜蒸餾以及冷凍(freezing)法等,而蒸餾法又分為多級閃蒸、多效蒸發、壓氣蒸餾、太陽能蒸餾以及近幾年出現的露點蒸發。1塑料換熱器的優勢與用途

      傳統的換熱器存在著許多不足之處。普通金屬換熱器具有易腐蝕、能耗較高和傳熱系數變化大等缺點;用石墨、陶瓷等材料制成的換熱器,具有易碎、體積大、導熱性能差和效率低等缺點;而用貴稀金屬材料制成的換熱器價格昂貴,難以推廣應用。塑料換熱器在很大程度上克服了這些缺點,它具有化學穩定性好、耐腐蝕、能耗較低和成本較低等優點?,F在塑料換熱器已廣泛應用在化工、醫藥、食品、石油、冶金和半導體等行業。

      2塑料換熱器與金屬換熱器在海水淡化中的使用性能比較

      選擇了幾種常見的熱塑性工程塑料與海水淡化換熱器常用的金屬作一下比較,表1列出了這些塑料和金屬的性質。

      根據上表及其他相關資料,作者把塑料換熱器與金屬換熱器的性能作了如下比較(見表2)。

      另外還要補充說明以下幾點。①蒸餾法海水淡化操作溫度在40~120℃,這與塑料換熱器使用溫度有很大的重合部分;②塑料換熱器的使用壽命參考了它在其他行業的使用情況③塑料換熱器中垢層極薄,因此它的傳熱性能穩定。由于塑料的潤濕性比金屬差,冷凝水很難附著,故蒸汽側的傳熱系數塑料換熱器要高于金屬換熱器。④塑料材料本身表面張力低而不易黏附,質地柔軟、熱膨脹系數較大而有自潔效果,故塑料換熱器耐污染性極強,基本不用除垢。即使除垢,也可采用價格低廉的酸洗;而金屬換熱器要采用操作復雜、成本較高的防垢除垢工藝。⑤海水中溶解氧量的范圍通常為5~8mg/L,溶解氧的存在會形成電腐蝕,因此需將溶解氧量脫至10-9級。即使這樣,還需使用價格較貴的防腐劑,如Nalcool,每噸2340$;而塑料換熱器不存在電腐蝕問題,基本不需防腐。⑥在蒸餾法海水淡化中,換熱器費用占前期建設投資的20%~40%,藥劑費用占后期運行費用的8%~10%,維護費用占后期運行費用的10%~15%。而塑料換熱器成本僅為傳統金屬換熱器的33%~66%,采用塑料換熱器后,這三部分費用都將大幅度降低。3塑料換熱器在各種蒸餾法海水淡化中的應用研究3.1多級閃蒸(MSF)和多效蒸發(ME)

      在ME、MSF及其他熱法淡化裝置中,碳酸和O2同時存在的條件下,金屬換熱管會發生坑蝕和縫隙腐蝕,所以采用塑料換熱器既可防止坑蝕,又可降低成本。法國的Bourouni在研究海水淡化中空氣水蒸氣的傳熱狀況時,采用了聚丙烯降膜蒸發器和冷凝器。3.2壓氣蒸餾(VC)

      由于壓氣蒸餾使用的加熱蒸汽通過二次蒸汽絕熱壓縮獲得,蒸汽壓力較高,可達0 5~0 8MPa,因此在VC中使用塑料換熱器應選用抗壓能力較好的塑料,如PTFE。Kuwait大學的TElDessouky和MEttouney在研究塑料換熱器時,考察了塑料換熱器在單效MVC中的表現。通過將PTFE與幾種金屬或合金,如高鋼合金、鈦、Cu/Ni90/10和Cu/Ni70/30對比研究,得出了塑料換熱器具有的無可比擬的優勢及存在的一些缺點。3.3露點蒸發

      (Dewvaporation)露點蒸發淡化技術是一種比較年輕的海水淡化方法,其原理與蒸餾法和膜法不同。由于露點蒸發需要原水在傳熱管內表面形成均勻的水膜,對載氣進行增濕,故與蒸餾法有所不同。露點蒸發中換熱元件所用的塑料要有良好的潤濕性,它在一定程度上決定了增濕效果。美國亞利桑那州大學的J.R.Beckeman在研究露點蒸發淡化裝置時就采用了潤濕性塑料作換熱壁。在潤濕性塑料方面,國外一些公司也已取得了一些的成果。美國的REXAMGRAPHICS、DuPont和ERCProducts三家公司已研制出用于露點蒸發的新型塑料換熱元件。REXAMGRAPHICS公司研制出的一種可用來傳熱的新型潤濕塑料,該材料是在0 076mm厚的聚酯表面上涂覆可潤濕性涂層制成的;DuPont制得了一種聚酯薄膜材料———MylarLBT,該薄膜厚0 0254mm,潤濕性很好;ERCProducts公司開發出一種薄紗聚酯復合材料,它的潤濕性優于任何純塑料。天津大學海水淡化與膜技術中心也正在開發用于露點蒸發淡化裝置的新型高分子材料換熱元件。3.4太陽能蒸餾

      (SolarDistillaton)與其他熱法海水淡化相比,太陽能蒸餾加熱原水方式溫和,換熱方式簡單,更易采用塑料換熱器。Foggia大學的GMCappelletti用樹脂玻璃制作了一個池式雙盤型塑料太陽能蒸發器。

      4結論

      塑料換熱器在各種熱法海水淡化中的應用都已進行了有益的嘗試,并取得了良好的效果。雖然塑料換熱器還存在著傳熱性能較差、塑料老化和使用溫度范圍較窄等問題,但隨著新材料的不斷涌現和現有材料的改性、材料加工技術的進步以及海水淡化技術研究的深入,塑料換熱器在海水淡化中將有著廣泛的應用。

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