船舶機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

陳金增，李光華，李雁飛

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，武漢 湖北 430033)

船舶機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

陳金增，李光華，李雁飛

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，武漢 湖北 430033)

在分析機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置工作過程基礎(chǔ)上，給出了該型裝置的數(shù)學(xué)模型。以產(chǎn)水量5 t/d的裝置為例，分析了裝置工作性能隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著蒸發(fā)溫度的提高，產(chǎn)水量增大，壓縮機(jī)耗功相應(yīng)增大。

蒸汽壓縮;海水淡化;船舶機(jī)械

0 引言

船舶遠(yuǎn)海航行，人員、設(shè)備需要消耗大量淡水，因此，大中型船舶都裝備有海水淡化裝置。傳統(tǒng)的海水淡化方法有蒸餾法和膜分離法。蒸餾法海水淡化因水質(zhì)好在船舶上獲得廣泛應(yīng)用［1］，目前在船舶上廣泛使用的主要有真空單效蒸餾、多級閃蒸及機(jī)械蒸汽壓縮蒸餾等。文獻(xiàn)［2］針對某型機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置的實際運行研究，通過理論計算與實際運行結(jié)果比較證明，雖然設(shè)計蒸發(fā)溫度為70℃，但在70～98℃運行范圍內(nèi)，產(chǎn)水量隨蒸發(fā)溫度的提高而增大;文獻(xiàn)［3］對某船用機(jī)械蒸汽壓縮淡化裝置進(jìn)行了變工況分析，研究表明，隨著蒸發(fā)溫度的提高，壓縮機(jī)耗功增大，當(dāng)蒸發(fā)溫度為90℃時耗功最大;文獻(xiàn)［4］對不同的熱泵作為熱源的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了熱力分析，研究表明，對于機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置，隨著蒸發(fā)溫度的提高，比能耗有所減小;文獻(xiàn)［5］分析了機(jī)械蒸汽壓縮淡化裝置進(jìn)水溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度對產(chǎn)水量的影響;文獻(xiàn)［6］設(shè)計了1套2 t/d的小型機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置并進(jìn)行了實驗研究，研究表明，產(chǎn)水量隨蒸發(fā)溫度的提高而增大。

1 機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置的工作過程

圖1所示為船用機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置簡圖。該裝置由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、熱交換器組成。其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，獨立性好，不需要其他熱源，可直接由電機(jī)驅(qū)動，尤其適用于船舶用小型海水淡化。下面介紹該裝置的工作過程。

圖1 機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置簡圖Fig.1 The sketch of MVC sea-water desalination

圖1中舷外溫度為tw、流量為Mf的海水經(jīng)泵供入熱交換器吸收濃海水及淡水的熱量后，溫度升高至tf進(jìn)入蒸發(fā)器，沿蒸發(fā)器中的垂直蒸發(fā)管向下流，在流動過程中吸收管外加熱蒸汽的熱量，部分蒸發(fā)獲得二次蒸汽，未蒸發(fā)的海水流向蒸發(fā)器底部，通過濃海水泵抽出，經(jīng)熱交換器排到舷外;二次蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)向上流動，經(jīng)汽水分離器分離出其中攜帶的水珠后進(jìn)入壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)內(nèi)受到絕熱壓縮，溫度、壓力提高，從壓縮機(jī)排出后進(jìn)入蒸發(fā)管外部作為熱源加熱管內(nèi)海水，蒸汽凝結(jié)后作為產(chǎn)品水經(jīng)淡水泵抽出，經(jīng)熱交換器后，進(jìn)入淡水艙儲存。熱交換器采用板式換熱器，內(nèi)部分3個流道，分別為海水、濃海水、淡水流道，以回收淡水和濃海水的熱量。為保證裝置正常啟動獲得蒸汽，蒸發(fā)器底部設(shè)置電加熱器，在啟動時，首先給電加熱器通電，加熱蒸發(fā)器內(nèi)海水獲得蒸汽，隨著蒸汽的產(chǎn)生，壓縮機(jī)工作，此時停止部分電加熱器，依靠壓縮蒸汽作為熱源裝置即可穩(wěn)定工作。

由裝置工作過程可以看出，若忽略裝置的對外散熱損失，壓縮機(jī)耗功主要用于補充濃海水和淡水帶走的熱量，因此減小濃海水和淡水帶走的熱量是本裝置降低能耗的關(guān)鍵。為此，采用傳熱效果良好的板式熱交換器作為廢熱回收元件，可以顯著降低能耗;另一方面，蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽與海水間的換熱效果也是裝置效率的重要影響因素，為提高換熱系數(shù)，主要采用降膜蒸發(fā)技術(shù)來強化傳熱。本文計算采用降膜蒸發(fā)傳熱。

2 裝置的數(shù)學(xué)模型

為分析問題方便，假設(shè):

1)蒸發(fā)器、熱交換器、壓縮機(jī)是絕熱的，對外無散熱損失。

2)忽略汽水分離器的阻力及管路阻力。

3)壓縮過程是絕熱過程。

4)忽略水的含鹽量對比熱容的影響及海水濃縮造成的蒸發(fā)溫度升高。

壓縮機(jī)工作過程的h－s圖如圖2所示。

溫度tv和壓力pv的飽和蒸汽經(jīng)等熵壓縮，壓力升高至ps，進(jìn)入蒸發(fā)器管外進(jìn)行等壓冷凝至飽和溫度

圖2 壓縮過程的h－s圖Fig.2 The h－s diagram of mechanical vapor compression process

td，進(jìn)一步冷卻至飽和水，將汽化潛熱傳給管內(nèi)海水。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，供入裝置的海水流量Mf等于產(chǎn)品水流量Md和濃海水排放量Mb之和，即

根據(jù)能量守恒原理，蒸發(fā)器內(nèi)的能量平衡方程為:

式中:λs為壓縮后蒸汽壓力對應(yīng)的汽化潛熱，kJ/kg;λv為蒸發(fā)壓力對應(yīng)的汽化潛熱，kJ/kg;cpv和cp為蒸汽和水的比熱容，kJ/kg·℃;t's，ts為壓后溫度及壓縮機(jī)吸汽溫度，℃。

板式熱交換器內(nèi)的能量平衡方程為:

壓縮機(jī)耗功為:

式中:m為蒸汽絕熱壓縮指數(shù);η為壓縮機(jī)效率;Ps和Pv為壓縮機(jī)吸排壓力，Pa;Vv為壓縮機(jī)吸入蒸汽體積流量，m3/s。

3 分析及討論

以某船用5 t/d海水淡化裝置為例，壓縮機(jī)為羅茨式壓縮機(jī)，設(shè)壓縮比為1.3，壓縮機(jī)效率0.85，舷外海水溫度為25℃，計算中認(rèn)為ts=tb。為保證產(chǎn)品水水質(zhì)，設(shè)排泄系數(shù)ε為2.5，計算蒸發(fā)溫度ts在65～100℃范圍變化時，裝置產(chǎn)水量和單位產(chǎn)水量的壓縮機(jī)耗功，計算結(jié)果如圖3和圖4所示。實際裝置的蒸發(fā)器為普通管式換熱器，表1列出了裝置的實際運行參數(shù)。

表1 裝置的實際運行參數(shù)Tab.1 The operation datas of the desalination plant

計算結(jié)果與實際運行結(jié)果比較可以看出，計算產(chǎn)水量顯著高于實際運行產(chǎn)水量，約為實際產(chǎn)水量的1.78倍。分析原因，除上述假設(shè)條件造成理論計算產(chǎn)水量大外，降膜蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用是裝置效率提高的主要原因，通過降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)與普通管式換熱系數(shù)比較，在蒸發(fā)溫度100℃時，換熱系數(shù)提高約25%［1］，造成理論計算效率顯著高于實際效率。

由圖3和圖4可以看出，蒸發(fā)溫度不同，產(chǎn)水量變化較大，而且隨著蒸發(fā)溫度的提高，產(chǎn)水量增大，相應(yīng)的壓縮機(jī)耗功增大。裝置實際使用中要獲得更多的淡水，應(yīng)提高蒸發(fā)溫度，同時要時刻檢測產(chǎn)品水水質(zhì)。由于蒸發(fā)溫度的提高，適當(dāng)增多裝置的除垢次數(shù)，以保證裝置的效率。

4 結(jié)語

通過計算分析及實際裝置運行比較可以看出，對于機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置，適當(dāng)提高裝置的蒸發(fā)溫度可以增大裝置的產(chǎn)水量，蒸發(fā)溫度在90～100℃范圍內(nèi)，裝置效率較高;采用降膜蒸發(fā)技術(shù)，裝置的單位產(chǎn)水能耗可以顯著降低，從提高蒸汽壓縮海水淡化裝置效率角度，具有廣闊的前景。

［1］陳金增.船舶海水淡化及節(jié)能技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2010.

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Analisis of a marine mechanical vapor compression desalination system

CHEN Jin-zeng，LI Guang-hua，LI Yan-fei
(College of Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

In the present work，by analizing the process of marine mechanical vapor desalination，the mathmatic models were gotten.As an example，the fresh water flowrate and work consumption at different evaporate temperature of a type of 5 t/d desalination system were calculation.The conclusion is that with the increasing of evaporate remperature，the flowrate of fresh water and work consumption are increasing accordingly.

vapor compression;desalination;marine mechanical

U664.5+9

A

1672－7649(2011)12－0066－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.014

2011－01－18;

2011－03－30

陳金增(1966－)，男，博士，副教授，主要從事艦船海水淡化及節(jié)能技術(shù)研究。