单效蒸发机械压汽海水淡化系统的分析

刘 鹏，王永青

(1．集美大学轮机工程学院，福建厦门361021;2．福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，3．集美大学机械工程学院，福建厦门361021;福建厦门361021)

刘 鹏1，2，王永青2，3

(1．集美大学轮机工程学院，福建厦门361021;2．福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，3．集美大学机械工程学院，福建厦门361021;福建厦门361021)

建立了单效蒸发机械压汽 (SEE－MVC)海水淡化系统的分析数学模型，比较了分析和热分析计算结果的不同之处，研究了系统的利用性能，分析了主要独立参数——压缩机增压比、定熵效率和蒸发温度的影响规律，并探讨了改善系统性能的途径．

机械压汽;单效蒸发;海水淡化;分析

0 引言

海水淡化技术是通过物理、化学或者物理化学方法从海水中获取淡水的过程．目前市场上应用的海水淡化方法主要有蒸馏法和膜法．前者多由热能驱动，在工业余热、太阳热能等低温热能利用方面有突出的优势;后者主要指反渗透法，由机械能驱动，是近几年发展最快的海水淡化方式．本文研究的机械压汽蒸馏海水淡化是一种由机械能驱动的热蒸馏海水淡化过程，其研究和发展状况参见文献［1］．

在研究海水淡化技术时，为了确定能量损失的性质、大小和分布，并指明提高能量利用的方向，需要对系统或装置进行能量分析．常用的分析方法以热力学第一定律为基础，即“热分析”，依据能量的数量守恒关系，揭示能量在数量上的转换、传递和损失情况．为了进一步揭示出能量利用情况，即不仅揭示“量”的大小，还要反映“质”的高低，就需要进行第二定律分析，即“分析”．目前，机械压汽蒸馏海水淡化系统分析方面的研究很少．文献［2］基于实验数据，分析了某实验装置的效率和部件损失．本文将建立单效蒸发机械压汽 (Single－effect evaporation mechanical vapor compression，SEE－MVC)海水淡化系统的数学模型，分析系统的利用，研究重要参数的影响规律，探讨改进性能的途径，从而为系统设计和改进提供参考．

1 SEE－MVC系统流程

图1所示为SEE－MVC系统的流程图．进料海水经预热器加热后，由管路引入到具有一定真空度的蒸发器中．由于蒸发在真空操作条件下进行，因而海水能在较低的温度下汽化．蒸汽压缩机及时抽走蒸发器中产生的蒸汽，使海水的吸热蒸发过程能持续不断地进行;同时，压缩机又把蒸汽压缩，且使其回到蒸发器的冷凝管道中，冷凝放热，为海水蒸发提供热能．冷凝淡水和浓盐水在预热器中加热进料海水，之后浓盐水被排弃．

图1 SEE-MVC系统典型流程Fig.1 Typical flow diagram of SEE-MVC seawater desalination system

2 数学模型

建立数学模型时，作如下假定:1)淡水和蒸汽不含盐分;2)压缩机和各换热器与环境无热量交换;3)不计流动过程的压力损失．分析海水淡化系统时，需计算水、盐水的焓、熵、．本文采用文献 ［3］提供的方法，将盐水作为理想溶液处理．

将排弃的浓盐水和生产的淡水在环境温度、压力下混合，所能得到的最大功即为系统的收益，它亦等于理想分离过程所需的最小功，计算方法见文献 ［4］．通过推导可知［3］，此收益等于淡水化学Ich11与浓盐水化学Ich14之和，从而系统的效率为:ξ=(Ich11+Ich14)/Ein．对整个系统，应有

3 计算结果分析

基于前面的数学模型，编制了SEE－MVC系统的性能计算程序．基本计算条件:环境海水温度25℃、压力101 325 Pa、盐分的质量浓度35 000 mg·L－1，预热器热端温差5℃．SEE－MVC系统的主要独立参数为压缩机增压比ε、压缩机定熵效率η和蒸发温度t12．通过在程序中输入各独立参数的值，可计算不同条件下系统的性能;保持其他条件不变、改变某一独立参数的值，可以得到该参数的影响规律．

3.1 分析与热分析结果比较

表1 分析与热分析计算结果举例Tab.1 Calculation results from exergetic analysis and energetic analysis

图2 SEE-MVC系统的热流图和流图Fig.2 Heat-stream and exergy-stream diagrams of SEE-MVC seawater desalination system

3.2 主要参数影响分析

3.2.1 压缩机增压比对系统效率的影响

在蒸发－冷凝器中，海水汽化产生的蒸汽被压缩机压缩，随着增压比的增加，压缩机出口蒸汽温度t8升高，同时蒸汽压力P8升高，使冷凝管道中蒸汽的冷凝温度升高，其结果是蒸发－冷凝器中海水与蒸汽的传热温差Δte增大 (见图4)，从而传热不可逆损失增大．由于蒸汽在冷凝管道中的冷凝放热量占总放热量的90%以上，因此增压比升高导致的冷凝温度升高是φe增长的主要原因．

图3 压缩机增压比对系统利用的影响Fig.3 Effect of compression ratio on exergy utiliztion of SEE-MVC

3.2.2 压缩机定熵效率对系统效率的影响

在SEE－MVC系统中，压缩机和水泵功耗之和等于系统的输入．计算表明，压缩机功耗可占到总功耗的99%，因此压缩机定熵效率η应是影响系统效率的重要因素．图5(其中只表示了浓盐水质量浓度低于70000 mg·L－1时的计算结果)为其他条件不变时，系统的效率和各损率随η的变化．由图5可见:随着η的提高，系统效率增大，但其影响并不像预期的那样显著，例如，η由77%增长到81%，系统效率仅由4.9%增长到5.3%;压缩机和蒸发－冷凝器的损率随η变化明显，其他损率变化很小．

压缩机定熵效率提高意味着压缩过程更接近可逆绝热压缩过程，从而使压缩过程的不可逆损失减小，压缩机损率降低，生产单位质量淡水的压缩功耗减小;与此同时，蒸发－冷凝器的工作条件变化很小，因此对应于单位质量淡水，其损的绝对数值变化很小，但功耗的降低亦即系统输入Ein的降低使蒸发－冷凝器的损率有所增加，部分抵消了压缩机损率的减小，其结果是系统效率有所提高，但不像预期的那样显著．

图4 增压比ε对浓盐水浓度C14和蒸发-冷凝器传热温差Δte的影响Fig.4 Effect of compression ratio on salinity of rejected brine and heat-transfer temperature difference of evaporator/condenser

图5 压缩机定熵效率η对系统利用的影响Fig.5 Effect of isentropic efficiency of compressor on exergy utiliztion of SEE-MVC

3.2.3 蒸发温度对系统效率的影响

图6 蒸发温度t12对系统利用的影响Fig.6 Effect of evaporation temperature on exergy utiliztion of SEE-MVC

4 结论

［1］刘鹏，王永青．机械压汽蒸馏海水淡化技术的研究和发展状况 ［J］．机电技术，2011(4):161－165．

［2］崔冬生．机械压汽蒸馏海水淡化系统的可用能分析 ［J］．太阳能学报，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．

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈 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

福建省自然科学基金项目 (2012J01227);福建省教育厅科技项目 (JA10193);集美大学创新团队基金资助项目 (2009A002)

刘鹏 (1986—)，男，硕士生，从事海水淡化研究．通讯作者:王永青 (1970—)，女，教授，博士．从事海水淡化、能量系统研究，E-mail:yongqing@jmu.edu.cn．