帶分離式蒸發(fā)冷凝器的機(jī)械壓汽蒸餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 宏 李育隆 陳 江

(北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京100191)

污水處理是保護(hù)生態(tài)平衡，緩解全球水資源緊缺的重要方法.目前蒸餾法已成為越來越重要的水處理方法［1］.蒸餾法以壓汽蒸餾法VC(Vapor Compression)、多效蒸餾法MEE(Multiple Effect E-vaporation)及多級閃蒸法MSF(Multi-Stage Flash)為代表.壓汽蒸餾法主要有熱力壓汽蒸餾法TVC(Thermal Vapor Compression)和機(jī)械壓汽蒸餾法MVC(Mechanical Vapor Compression)兩 類［2］.MVC系統(tǒng)是將低溫的飽和蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，使其壓力、溫度升高，熱焓增加，然后再作為熱蒸汽使用，以達(dá)到蒸發(fā)、分離及節(jié)能的目的［3］.

MVC系統(tǒng)的研究以建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)研究和性能評定為主.文獻(xiàn)［4］在1982年給出了由215個(gè)方程組成的MVC海水淡化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.文獻(xiàn)［5］在1985年報(bào)道了每單元1500(m3·d-1)的MVC海水淡化系統(tǒng)，并且描述了其設(shè)計(jì)過程和該系統(tǒng)性能的分析.文獻(xiàn)［6］對低溫下壓汽蒸餾的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并且評價(jià)了裝置的經(jīng)濟(jì)性.文獻(xiàn)［7］給出了單效MVC系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)方法，并且對一套MVC系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)和操作中特征參數(shù).文獻(xiàn)［8］給出了MVC系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法.文獻(xiàn)［9］為達(dá)到低耗電量和高產(chǎn)水率的雙重目的，改進(jìn)了MVC系統(tǒng)，最終產(chǎn)水率提高到了3000(m3·d-1)，能耗為 8.1(kWh·m-3).文獻(xiàn)［10］報(bào)道了包含兩個(gè)單元的MVC系統(tǒng)，其中每個(gè)單元產(chǎn)能可達(dá)500(m3·d-1)，設(shè)備的平均效率為87.3%～90.2%.

目前，MVC系統(tǒng)多用于海水淡化的工藝中，其工藝過程［7］是:將原料海水預(yù)熱后，進(jìn)入蒸發(fā)/冷凝器的蒸發(fā)腔內(nèi)蒸發(fā).所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮，壓力升高，變成高溫過熱蒸汽，再引入蒸發(fā)/冷凝器的冷凝腔內(nèi)冷凝生成淡水.冷凝釋放的潛熱作為熱源加熱蒸發(fā)腔內(nèi)的海水，使其蒸發(fā)，如此實(shí)現(xiàn)海水-鹽分的分離以及熱能的循環(huán)利用.

MVC與TVC［7-11］相比，不需要高壓蒸汽發(fā)生器，工藝簡單.為了盡可能多的回收熱能，MVC系統(tǒng)除了利用蒸發(fā)/冷凝器回收潛熱外，還利用預(yù)熱器回收高溫冷凝水和濃縮水的顯熱.與滲透膜技術(shù)［12-13］相比，MVC技術(shù)對前處理要求低，可以避免由于各種添加劑而造成的水源二次污染.總之，MVC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)［7］:系統(tǒng)構(gòu)造模塊化，結(jié)構(gòu)簡單緊湊;前處理簡單;只需動力源，不需要外部熱源;操作簡單，調(diào)節(jié)方便.大型MVC循環(huán)系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)成本較低，平均能耗為10.4～11.2(kWh·m)-3［10］.然而在處理成分復(fù)雜的污水時(shí)，由于在結(jié)構(gòu)方面的限制現(xiàn)有的機(jī)械蒸汽壓縮技術(shù)方案遇到了難以克服結(jié)垢和污物處理的困難［9，14-15］，使其使用的范圍、壽命以及可靠性大大降低.在消化吸收現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一套帶分離式蒸發(fā)冷凝器的機(jī)械壓汽蒸餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地克服傳統(tǒng)壓汽蒸餾系統(tǒng)的以上缺陷，使其應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展，不僅僅局限在海水淡化技術(shù)上.在保持系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)，系統(tǒng)處理規(guī)模較靈活，對廢水的適應(yīng)性上有較大的改善.

圖1 分離式的蒸發(fā)器與冷凝器的MVC系統(tǒng)原理示意圖

圖2 蒸發(fā)器與冷凝器分離結(jié)構(gòu)示意圖

1 過程描述

圖1是帶分離式蒸發(fā)冷凝器的機(jī)械壓汽蒸餾系統(tǒng)的原理示意圖.該系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽壓縮機(jī)、凈化水-污水預(yù)熱器、濃縮水-污水預(yù)熱器.圖中沒有示出不冷凝氣體排出器、污水過濾裝置、控制裝置以及除沫器.該系統(tǒng)中蒸發(fā)器與冷凝器分離，如圖2所示.冷凝器的管束和蒸發(fā)器的盤面以小間隔交錯(cuò)排列，蒸發(fā)器盤面的中心稍微高于液面，冷凝器排管全部位于液面下方，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，蒸發(fā)器的盤面旋轉(zhuǎn)，從而形成蒸發(fā)器和冷凝器之間的相對運(yùn)動.

系統(tǒng)的運(yùn)行過程為:將污水Ms經(jīng)過凈化水-污水預(yù)熱器、濃縮水-污水預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，再將預(yù)熱后的具有一定溫度T2的污水Ms送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，污水受熱蒸發(fā)，生成水蒸汽;水蒸汽隨之通過除沫器后進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后其溫度升高成為過熱蒸汽;過熱蒸汽通入冷凝器冷凝生成淡水Mp，冷凝釋放出的潛熱又作為蒸發(fā)器的熱源，加熱污水，最終排出的冷凝水Mp繼而通入凈化水-污水預(yù)熱器中預(yù)熱污水.經(jīng)過濃縮后的濃縮水Mc同樣通入濃縮水-污水預(yù)熱器預(yù)熱污水.

傳統(tǒng)MVC系統(tǒng)的蒸發(fā)/冷凝器的換熱管起著蒸發(fā)和冷凝的雙重作用［7］，其管內(nèi)水蒸氣由氣態(tài)冷凝成液態(tài)，在管外液態(tài)水又吸收熱量蒸發(fā)變成氣態(tài)，這種結(jié)構(gòu)雖然緊湊但是管的外壁容易發(fā)生結(jié)垢，尤其是大都采用噴淋結(jié)構(gòu)，對于污水管壁的結(jié)垢問題會非常嚴(yán)重.污垢影響使得管壁的熱阻大大增加，管壁的換熱性能下降使得冷凝器和蒸發(fā)器的效率都大大下降，性能的惡化使得系統(tǒng)無法持續(xù)運(yùn)行下去.本文提出的新型帶分離式蒸發(fā)冷凝器的機(jī)械壓汽蒸餾系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和冷凝器在結(jié)構(gòu)上分離，冷凝器內(nèi)蒸汽釋放的冷凝潛熱通過冷凝器換熱管以強(qiáng)迫對流方式傳遞給污水，污水通過對流換熱把熱量傳遞給蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器上通水膜的顯熱作為提供蒸發(fā)的熱量.此外，由于可在蒸發(fā)器的盤面植入刮刷，刮刷隨著蒸發(fā)器盤面一起旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)不斷的“刮刷”冷凝器換熱管，從而在一定程度上抑制了冷凝器的結(jié)垢速率，使得冷凝器的換熱性能在長期運(yùn)行中能基本保持不變［16］.

2 熱力模型分析

圖3是帶分離式蒸發(fā)冷凝器的機(jī)械壓汽蒸餾系統(tǒng)理想狀態(tài)下的循環(huán)T-S圖.本文所謂的理想狀態(tài)指:①壓縮機(jī)壓縮的是飽和蒸汽，并且壓縮過程等熵可逆;②無熱損;③無流動損失;④循環(huán)工質(zhì)為不含鹽分的純凈水或水蒸氣，從而忽略工質(zhì)隨著濃度升高而沸點(diǎn)升高.

圖3 理想狀態(tài)下的循環(huán)T-S圖

在圖3中，過程1-2，6-6'-7在預(yù)熱器中進(jìn)行，系統(tǒng)完成凈化水、濃縮水熱量的回收，并且使污水預(yù)熱.過程2-2'-3在蒸發(fā)器中進(jìn)行，飽和水吸熱蒸發(fā)，過程3-4是飽和蒸汽在壓縮機(jī)中絕熱壓縮成過熱蒸汽，4-5-6是過熱蒸汽先釋放顯熱變成飽和蒸汽，然后再釋放冷凝潛熱的過程.過程7-1可認(rèn)為是在外環(huán)境中進(jìn)行的.此循環(huán)類似于朗肯循環(huán)，故可以稱之為類逆朗肯循環(huán).

下面以T-S圖為基礎(chǔ)，對帶分離式蒸發(fā)冷凝器的MVC系統(tǒng)的類逆朗肯循環(huán)進(jìn)行模型分析.

與傳統(tǒng)MVC一樣，分離式的蒸發(fā)器與冷凝器的MVC系統(tǒng)質(zhì)量守恒:

在凈化水-污水預(yù)熱器、濃縮水-污水預(yù)熱器中，污水吸收的熱量等于凈化水和濃縮水放出的熱量:

由預(yù)熱器的換熱量可以確定其換熱面積APR，本文的換熱面積包括凈化水-污水預(yù)熱器和濃縮水-污水預(yù)熱器兩者的換熱面積之和.

式中，αPS，αCS分別是凈化水-污水預(yù)熱器、濃縮水-污水預(yù)熱器的傳熱效率因子，根據(jù)張洪彥［17］的研究結(jié)果，其數(shù)值均取0.9.KPS，KCS分別是凈化水-污水預(yù)熱器、濃縮水-污水預(yù)熱器的總傳熱系數(shù)，在污垢系數(shù)為0.0005時(shí)，KPS，KCS均取為 2838 W/(m2·K)［18］.Δtm為對數(shù)平均溫差.

在蒸發(fā)器中，已預(yù)熱的污水吸收熱量后溫度繼續(xù)升高，達(dá)到一定溫度后變成飽和蒸汽.

式中，λEV是汽化潛熱.

蒸發(fā)器中總吸熱量也等于蒸發(fā)器的換熱量:

式中，β是蒸發(fā)器的傳熱效率因子，取0.8;KEV是蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 2600 W/(m2·K)［19］;ΔT 表示冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的差值，也是蒸發(fā)器換熱的溫差，在數(shù)值上ΔT=T6-T2'.

由式(6)～式(8)可以推出蒸發(fā)器換熱面積AEV的表達(dá)式:

在冷凝器中，放出的熱量等于過熱蒸汽的顯熱與冷凝釋放的潛熱之和.

式中λCO是冷凝潛熱.溫度T4是由壓縮機(jī)的壓縮能力決定的，故T4與T3存在如下關(guān)系:

式中，π表示蒸汽壓縮機(jī)壓比，取1.2;k是定熵指數(shù)，取 1.33［20］.將式(12)代入式(10)有

冷凝器中總放熱量也等于冷凝器的換熱量:

式中，γ是冷凝器的傳熱效率因子，其值取0.9;KCO是冷凝器的總傳熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)取為 3000 W/(m2·K)［18］.

由式(10)～式(14)推出冷凝器換熱面積ACO:

3 性能優(yōu)化

對于整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)來講，成本由制造成本和運(yùn)行成本構(gòu)成.由式(3)、式(9)和式(15)可知，換熱面積是溫差的函數(shù)，隨溫差的增加而減小;而循環(huán)效率也是溫差的函數(shù)，隨溫差增加而增加，因此存在著最佳的溫差來實(shí)現(xiàn)總成本控制.

假設(shè)單位換熱面積需要ξ的制造成本，則總的制造成本YMA為

由于MVC系統(tǒng)以回收熱量再利用作為節(jié)能的手段，故將此類逆朗肯循環(huán)的循環(huán)效率η定義為回收熱量占總蒸發(fā)需熱量的百分比.即

由于循環(huán)效率越高，運(yùn)行成本越低，則運(yùn)行成本YOP與循環(huán)效率的關(guān)系為式中σ為運(yùn)行成本與循環(huán)效率的相關(guān)常數(shù).

帶分離式蒸發(fā)冷凝器的MVC系統(tǒng)的總成本為制造成本和運(yùn)行成本之和，故:

綜合以上的數(shù)學(xué)分析，將式(3)、式(9)、式(15)代入式(16)、式(18)、式(19)可以得到制造成本YMA、運(yùn)行成本YOP、總成本YAL隨著換熱溫差ΔT變化的關(guān)系，如圖4～圖6所示.

圖4 制造成本與ΔT的關(guān)系

圖5 運(yùn)行成本與ΔT的關(guān)系

圖6 總成本與ΔT的關(guān)系

圖4顯示了制造成本YMA隨著換熱溫差ΔT的增大而減小;ΔT越小，則所需要的換熱面積就越大，相應(yīng)的制造成本也就越高;在ΔT達(dá)到13℃時(shí)，YMA的變化趨于平坦.

圖5是運(yùn)行成本YOP隨著換熱溫差ΔT的變化趨勢.隨著ΔT的升高，運(yùn)行成本也幾乎線性的增長.這是由于溫差越大，則系統(tǒng)效率就越低，系統(tǒng)回收熱量的能力也就越弱，需要從外界補(bǔ)充更多的能量來維持循環(huán)，從而增加了運(yùn)行成本.

圖6是總成本與溫差的關(guān)系，圖線顯示在極小溫差下，由于制造成本的增大使得總成本很高，隨著ΔT的升高，總成本迅速減小，當(dāng)達(dá)到 ΔT＞3.7℃時(shí)，曲線趨于平緩.故而蒸發(fā)器與冷凝器間以3.7℃的小溫差換熱時(shí)其經(jīng)濟(jì)成本最低.并且小溫差換熱的熱損失也小，系統(tǒng)循環(huán)效率也高.

4 影響系統(tǒng)效率的主要因素

分離式的蒸發(fā)器與冷凝器的MVC系統(tǒng)的效率主要由冷凝器和蒸發(fā)器的換熱效率決定的.在本系統(tǒng)中，能強(qiáng)化換熱從而提高系統(tǒng)效率的因素主要有蒸發(fā)器盤面旋轉(zhuǎn)和減小水膜厚度兩方面.

帶分離式蒸發(fā)冷凝器的MVC系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器在結(jié)構(gòu)上分離.系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器盤面的旋轉(zhuǎn)使得流動邊界層和溫度邊界層都變薄，隨著旋轉(zhuǎn)速度的加快，熱邊界層的厚度變得越薄，從而冷凝器和水的換熱系數(shù)也越高，強(qiáng)化換熱的效果也越好［19］.另一方面，蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積是決定蒸發(fā)量大小的重要因素，因而可以通過控制蒸發(fā)器盤面旋轉(zhuǎn)的快慢來控制有效蒸發(fā)面積從而控制蒸發(fā)量，從而使蒸發(fā)量、冷凝量以及壓縮機(jī)的流量達(dá)到恰當(dāng)?shù)钠ヅ?

影響冷凝器效率的主要因素是粘滯在冷凝器換熱管管壁上的水膜.蒸汽在凝結(jié)時(shí)，其熱阻取決于通過液膜層的厚度.水膜厚度的增加使傳熱系數(shù)急劇減低，從而使換熱效率大大降低，因此，有必要減小水膜的厚度.為了減小水膜的厚度，在本系統(tǒng)中可行的方法有:①通過換熱管管型的設(shè)計(jì)，及時(shí)的排走凝結(jié)液體，不使其積存在傳熱表面上.②對換熱管管壁進(jìn)行疏水性化學(xué)處理，如離子注入金屬表面方法，從而使凝結(jié)液體無法滯留在換熱管壁上.

5 結(jié)論

本文提出一套帶分離式蒸發(fā)冷凝器的新型MVC系統(tǒng).通過對傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)，新型系統(tǒng)可以將MVC應(yīng)用于污水處理工藝中，可有效解決結(jié)垢和污物處理困難的問題.文中分析了系統(tǒng)的熱力循環(huán)過程，以最優(yōu)壽命成本作為優(yōu)化目標(biāo)，對該系統(tǒng)可進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明:蒸發(fā)器與冷凝器間以3.7℃的小溫差換熱經(jīng)濟(jì)成本最低，并且可減小熱損失，提高循環(huán)效率.

本系統(tǒng)中蒸發(fā)器盤面旋轉(zhuǎn)、減小水膜厚度可以增強(qiáng)換熱，提高系統(tǒng)效率.綜合而言，分離式MVC系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能的污水處理技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景.

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