單效蒸發(fā)機械壓汽海水淡化系統(tǒng)的分析

劉 鵬，王永青

(1．集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門361021;2．福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，3．集美大學(xué)機械工程學(xué)院，福建廈門361021;福建廈門361021)

劉 鵬1，2，王永青2，3

(1．集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門361021;2．福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，3．集美大學(xué)機械工程學(xué)院，福建廈門361021;福建廈門361021)

建立了單效蒸發(fā)機械壓汽 (SEE－MVC)海水淡化系統(tǒng)的分析數(shù)學(xué)模型，比較了分析和熱分析計算結(jié)果的不同之處，研究了系統(tǒng)的利用性能，分析了主要獨立參數(shù)——壓縮機增壓比、定熵效率和蒸發(fā)溫度的影響規(guī)律，并探討了改善系統(tǒng)性能的途徑．

機械壓汽;單效蒸發(fā);海水淡化;分析

0 引言

海水淡化技術(shù)是通過物理、化學(xué)或者物理化學(xué)方法從海水中獲取淡水的過程．目前市場上應(yīng)用的海水淡化方法主要有蒸餾法和膜法．前者多由熱能驅(qū)動，在工業(yè)余熱、太陽熱能等低溫?zé)崮芾梅矫嬗型怀龅膬?yōu)勢;后者主要指反滲透法，由機械能驅(qū)動，是近幾年發(fā)展最快的海水淡化方式．本文研究的機械壓汽蒸餾海水淡化是一種由機械能驅(qū)動的熱蒸餾海水淡化過程，其研究和發(fā)展狀況參見文獻［1］．

在研究海水淡化技術(shù)時，為了確定能量損失的性質(zhì)、大小和分布，并指明提高能量利用的方向，需要對系統(tǒng)或裝置進行能量分析．常用的分析方法以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，即“熱分析”，依據(jù)能量的數(shù)量守恒關(guān)系，揭示能量在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞和損失情況．為了進一步揭示出能量利用情況，即不僅揭示“量”的大小，還要反映“質(zhì)”的高低，就需要進行第二定律分析，即“分析”．目前，機械壓汽蒸餾海水淡化系統(tǒng)分析方面的研究很少．文獻［2］基于實驗數(shù)據(jù)，分析了某實驗裝置的效率和部件損失．本文將建立單效蒸發(fā)機械壓汽 (Single－effect evaporation mechanical vapor compression，SEE－MVC)海水淡化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)的利用，研究重要參數(shù)的影響規(guī)律，探討改進性能的途徑，從而為系統(tǒng)設(shè)計和改進提供參考．

1 SEE－MVC系統(tǒng)流程

圖1所示為SEE－MVC系統(tǒng)的流程圖．進料海水經(jīng)預(yù)熱器加熱后，由管路引入到具有一定真空度的蒸發(fā)器中．由于蒸發(fā)在真空操作條件下進行，因而海水能在較低的溫度下汽化．蒸汽壓縮機及時抽走蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽，使海水的吸熱蒸發(fā)過程能持續(xù)不斷地進行;同時，壓縮機又把蒸汽壓縮，且使其回到蒸發(fā)器的冷凝管道中，冷凝放熱，為海水蒸發(fā)提供熱能．冷凝淡水和濃鹽水在預(yù)熱器中加熱進料海水，之后濃鹽水被排棄．

圖1 SEE-MVC系統(tǒng)典型流程Fig.1 Typical flow diagram of SEE-MVC seawater desalination system

2 數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型時，作如下假定:1)淡水和蒸汽不含鹽分;2)壓縮機和各換熱器與環(huán)境無熱量交換;3)不計流動過程的壓力損失．分析海水淡化系統(tǒng)時，需計算水、鹽水的焓、熵、．本文采用文獻 ［3］提供的方法，將鹽水作為理想溶液處理．

將排棄的濃鹽水和生產(chǎn)的淡水在環(huán)境溫度、壓力下混合，所能得到的最大功即為系統(tǒng)的收益，它亦等于理想分離過程所需的最小功，計算方法見文獻 ［4］．通過推導(dǎo)可知［3］，此收益等于淡水化學(xué)Ich11與濃鹽水化學(xué)Ich14之和，從而系統(tǒng)的效率為:ξ=(Ich11+Ich14)/Ein．對整個系統(tǒng)，應(yīng)有

3 計算結(jié)果分析

基于前面的數(shù)學(xué)模型，編制了SEE－MVC系統(tǒng)的性能計算程序．基本計算條件:環(huán)境海水溫度25℃、壓力101 325 Pa、鹽分的質(zhì)量濃度35 000 mg·L－1，預(yù)熱器熱端溫差5℃．SEE－MVC系統(tǒng)的主要獨立參數(shù)為壓縮機增壓比ε、壓縮機定熵效率η和蒸發(fā)溫度t12．通過在程序中輸入各獨立參數(shù)的值，可計算不同條件下系統(tǒng)的性能;保持其他條件不變、改變某一獨立參數(shù)的值，可以得到該參數(shù)的影響規(guī)律．

3.1 分析與熱分析結(jié)果比較

表1 分析與熱分析計算結(jié)果舉例Tab.1 Calculation results from exergetic analysis and energetic analysis

圖2 SEE-MVC系統(tǒng)的熱流圖和流圖Fig.2 Heat-stream and exergy-stream diagrams of SEE-MVC seawater desalination system

3.2 主要參數(shù)影響分析

3.2.1 壓縮機增壓比對系統(tǒng)效率的影響

在蒸發(fā)－冷凝器中，海水汽化產(chǎn)生的蒸汽被壓縮機壓縮，隨著增壓比的增加，壓縮機出口蒸汽溫度t8升高，同時蒸汽壓力P8升高，使冷凝管道中蒸汽的冷凝溫度升高，其結(jié)果是蒸發(fā)－冷凝器中海水與蒸汽的傳熱溫差Δte增大 (見圖4)，從而傳熱不可逆損失增大．由于蒸汽在冷凝管道中的冷凝放熱量占總放熱量的90%以上，因此增壓比升高導(dǎo)致的冷凝溫度升高是φe增長的主要原因．

圖3 壓縮機增壓比對系統(tǒng)利用的影響Fig.3 Effect of compression ratio on exergy utiliztion of SEE-MVC

3.2.2 壓縮機定熵效率對系統(tǒng)效率的影響

在SEE－MVC系統(tǒng)中，壓縮機和水泵功耗之和等于系統(tǒng)的輸入．計算表明，壓縮機功耗可占到總功耗的99%，因此壓縮機定熵效率η應(yīng)是影響系統(tǒng)效率的重要因素．圖5(其中只表示了濃鹽水質(zhì)量濃度低于70000 mg·L－1時的計算結(jié)果)為其他條件不變時，系統(tǒng)的效率和各損率隨η的變化．由圖5可見:隨著η的提高，系統(tǒng)效率增大，但其影響并不像預(yù)期的那樣顯著，例如，η由77%增長到81%，系統(tǒng)效率僅由4.9%增長到5.3%;壓縮機和蒸發(fā)－冷凝器的損率隨η變化明顯，其他損率變化很小．

壓縮機定熵效率提高意味著壓縮過程更接近可逆絕熱壓縮過程，從而使壓縮過程的不可逆損失減小，壓縮機損率降低，生產(chǎn)單位質(zhì)量淡水的壓縮功耗減小;與此同時，蒸發(fā)－冷凝器的工作條件變化很小，因此對應(yīng)于單位質(zhì)量淡水，其損的絕對數(shù)值變化很小，但功耗的降低亦即系統(tǒng)輸入Ein的降低使蒸發(fā)－冷凝器的損率有所增加，部分抵消了壓縮機損率的減小，其結(jié)果是系統(tǒng)效率有所提高，但不像預(yù)期的那樣顯著．

圖4 增壓比ε對濃鹽水濃度C14和蒸發(fā)-冷凝器傳熱溫差Δte的影響Fig.4 Effect of compression ratio on salinity of rejected brine and heat-transfer temperature difference of evaporator/condenser

圖5 壓縮機定熵效率η對系統(tǒng)利用的影響Fig.5 Effect of isentropic efficiency of compressor on exergy utiliztion of SEE-MVC

3.2.3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)效率的影響

圖6 蒸發(fā)溫度t12對系統(tǒng)利用的影響Fig.6 Effect of evaporation temperature on exergy utiliztion of SEE-MVC

4 結(jié)論

［1］劉鵬，王永青．機械壓汽蒸餾海水淡化技術(shù)的研究和發(fā)展狀況 ［J］．機電技術(shù)，2011(4):161－165．

［2］崔冬生．機械壓汽蒸餾海水淡化系統(tǒng)的可用能分析 ［J］．太陽能學(xué)報，2008，29(10):1197－1203．

［3］ WANG Y，LIOR N．Proposal and analysis of a high－efficiency combined desalination and refrigeration system based on the LiBr– H2O absorption cycle—Part 1:System configuration and mathematical mode［J］．Energy Conversion and Management，2011，52(1):220 －227．

［4］ WANG Y，LIOR N．Performance analysis of combined humidified gas turbine power generation and multi－effect thermal vapor compression desalination systems—Part 1:The desalination unit and its combination with a steam－injected gas turbine power system ［J］．Desalination，2006，196(1 － 3):84－104．

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Exergy Analysis of a Single－effect Evaporation Mechanical Vapor Compression Seawater Desalination System

LIU Peng1，2，WANG Yong-qing2，3
(1．Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China;2．Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province，Xiamen 361021，China;3．School of Mechanical Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China)

An exergy analysis of a single－effect evaporation mechanical vapor compression(SEE－MVC)seawater desalination system was given in this paper．A mathematic model of SEE － MVC was built，The calculation results from energetic balance and exergetic balance were compared．The exegetic performance of SEEMVC，including the influence of the compression ratio，the isentropic efficiency of compressor and the evaporation temperature of seawater，was analyzed．The ways to improve the performance improvement of SEE －MVC were discussed．

Mechanical vapor compression;Single－effect evaporation;Seawater desalination;Exergy analysis

TK 123

A

1007－7405(2012)05－0362－06

2012－02－23

2012－06－30

福建省自然科學(xué)基金項目 (2012J01227);福建省教育廳科技項目 (JA10193);集美大學(xué)創(chuàng)新團隊基金資助項目 (2009A002)

劉鵬 (1986—)，男，碩士生，從事海水淡化研究．通訊作者:王永青 (1970—)，女，教授，博士．從事海水淡化、能量系統(tǒng)研究，E-mail:yongqing@jmu.edu.cn．