東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心 王曄琪 周亞素 鞠婉蘭

機(jī)械蒸汽再壓縮式低溫蒸發(fā)海水淡化蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)研究

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心 王曄琪 周亞素 鞠婉蘭

建立了一套機(jī)械蒸汽再壓縮式低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)，以人工配制的鹽水為對象，對機(jī)械蒸汽再壓縮低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，主要研究壓縮機(jī)壓縮比和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：產(chǎn)水率和壓縮機(jī)比功耗隨蒸發(fā)溫度和壓縮比的升高而升高，且壓縮比對蒸發(fā)性能的影響較大。從節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性角度上看，在滿足產(chǎn)水要求和防結(jié)垢、防腐蝕需求下，選取較小的壓縮比，和較大的蒸發(fā)溫度有助于提高產(chǎn)水率，節(jié)約能耗。

機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)；低溫蒸發(fā)；壓縮比；蒸發(fā)溫度；產(chǎn)水率

引言

21世紀(jì)以來，隨著人口增加，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加速發(fā)展，水資源問題也日益緊張。由于海洋中蘊(yùn)藏著豐富的水資源，人們把目光投向了海水淡化[1,2]。

海水淡化技術(shù)就是將海水中鹽分和水分分離的技術(shù)，目前有十多種方式，最主要的包括蒸餾法、膜法等。蒸餾法主要有多級閃蒸(Multi-stage Flash-MSF)、多效蒸發(fā)(Multi-Effect Distillation-MED)、壓 汽 蒸 餾 (VaporCompression-VC)；膜法主要是反滲透(Reverse Osmosis-RO)[3]。多級閃蒸、多效蒸發(fā)和反滲透法已大規(guī)模應(yīng)用于海水淡化中[4-6]，但是多效蒸發(fā)和多級閃蒸設(shè)備復(fù)雜龐大，需要消耗大量蒸汽，熱效率低，在實(shí)際生產(chǎn)中并不節(jié)能；反滲透法雖然節(jié)能，但是對海水預(yù)處理要求較高，淡水出水純度較低，后期保養(yǎng)維護(hù)成本高。而機(jī)械蒸汽再壓縮海水淡化法由于其結(jié)構(gòu)緊湊，對海水的預(yù)處理要求低，只需消耗一點(diǎn)生蒸汽使海水蒸發(fā)，有效回收二次蒸汽中的潛熱進(jìn)行循環(huán)，無需冷卻水，同時(shí)可以在較低的溫度下進(jìn)行操作，降低熱損失，減少海水的結(jié)垢和腐蝕危害，后期保養(yǎng)維護(hù)成本較低，節(jié)能效果顯著，在近幾年得到了廣泛的關(guān)注和大力的發(fā)展[7-9]。

本文針對所建立的小型機(jī)械蒸汽再壓縮法海水淡化系統(tǒng)平臺，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率為20kg/h，采用水平管降膜蒸發(fā)-冷凝器，羅茨式壓縮機(jī)，主要研究蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)壓縮比對蒸發(fā)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（mechanical vapor recompression，簡稱MVR）是利用蒸發(fā)器自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。料液在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生二次蒸汽，經(jīng)過壓縮機(jī)的壓縮，壓力和溫度得以升高，被送到蒸發(fā)器的加熱室當(dāng)作加熱蒸汽使用，使料液維持蒸發(fā)狀態(tài)，而加熱蒸汽本身將熱量傳遞給物料后冷凝成水。這樣，充分回收了蒸汽的潛熱，提高了熱效率。

圖1為MVR低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的流程，為了充分利用冷凝水和濃海水的余熱，進(jìn)料海水由水泵分成兩股，經(jīng)過兩個(gè)預(yù)熱器預(yù)熱，然后匯合成狀態(tài)5，由循環(huán)泵送入蒸發(fā)器內(nèi)由噴嘴噴淋到換熱管上，形成水平管降膜蒸發(fā)。在蒸發(fā)器中，為了控制換熱管外的海水結(jié)垢，蒸發(fā)是在真空負(fù)壓的情況下操作的，海水在低溫狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，當(dāng)蒸發(fā)出來的蒸汽狀態(tài)6，再由壓縮機(jī)將蒸汽抽走，并加壓到狀態(tài)7，輸送到蒸發(fā)器中的冷凝管道內(nèi)，冷凝放熱成液態(tài)水（狀態(tài)8），高壓蒸汽冷凝放出的顯熱和潛熱用于加熱蒸發(fā)管道外的海水。冷凝下來的淡水經(jīng)過預(yù)熱器換熱，回收部分顯熱后作為產(chǎn)品淡水（狀態(tài)10）。而蒸發(fā)器內(nèi)未被蒸發(fā)的濃海水在達(dá)到排放要求后經(jīng)過預(yù)熱器后排出（狀態(tài)11），否則作為循環(huán)液與進(jìn)料海水混合繼續(xù)循環(huán)蒸發(fā)（狀態(tài)5）。

圖1 機(jī)械蒸汽再壓縮式低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 產(chǎn)水率與比功耗

評價(jià)MVR低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)為產(chǎn)水率Mdw和比功耗wb：

（1）產(chǎn)水率Mdw，每小時(shí)產(chǎn)生的淡水量，它是衡量MVR低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)性能的指標(biāo)。

（2）比功耗，生產(chǎn)單位體積淡水所消耗的能量，它是影響海水淡化系統(tǒng)成本的重要因素，是衡量MVR低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的指標(biāo)，由于在機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)中壓縮機(jī)是蒸汽蒸發(fā)循環(huán)換熱的驅(qū)動設(shè)備，對蒸發(fā)性能起著決定性作用，比功率的具體定義為：

式中，wb為比功耗，其單位為kWh/m3；Mdw為產(chǎn)水率，其單位為kg/h；Ws,n為壓縮機(jī)消耗的功率，其單位為W。

在MVR運(yùn)行過程中，低溫蒸發(fā)有利于防止海水高溫結(jié)垢腐蝕而影響蒸發(fā)器的傳熱效率，通常MVR在低于80℃的溫度下運(yùn)行，而產(chǎn)水率的大小主要取決于換熱量大小，主要是由壓縮比控制[10]。因此，有必要研究蒸發(fā)溫度和壓縮比對蒸發(fā)性能的影響。

本文以人工配置的鹽水為原料，實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)產(chǎn)水率為20kg/h，來模擬機(jī)械蒸汽再壓縮式低溫蒸發(fā)海水淡化研究，分析壓縮機(jī)壓縮比ε和蒸發(fā)溫度Tb對產(chǎn)水率Mdw和比功耗wb兩個(gè)性能指標(biāo)的影響。

2.2 壓縮機(jī)壓縮比ε

壓縮機(jī)壓縮比是蒸發(fā)冷凝實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，壓縮比直接影響到壓縮機(jī)的功耗，同時(shí)決定了蒸發(fā)冷凝器內(nèi)的傳熱溫差，從而影響到換熱量和系統(tǒng)產(chǎn)水率。在保持海水噴淋量和壓縮機(jī)抽氣量不變的情況下，分別控制不同的三個(gè)蒸發(fā)溫度（Tb=65℃，Tb=70℃，Tb=75℃），觀察產(chǎn)水率和比功耗隨壓縮比的變化，測試數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

圖2 壓縮比對產(chǎn)水率的影響

圖3 壓縮比對壓縮機(jī)功耗的影響

圖4 壓縮比對比功耗的影響

圖2和圖3反映在三個(gè)不同蒸發(fā)溫度下，壓縮機(jī)壓縮比對產(chǎn)水率和功耗的影響。在保持蒸發(fā)溫度不變的工況下，隨著壓縮機(jī)壓縮比的增加，由于傳熱溫差增大，換熱量的增大引起產(chǎn)水率增大，但壓縮機(jī)的功耗也增加，且基本呈線性增加。對于蒸發(fā)溫度為75℃的工況下，壓縮比從1.5增加到1.9，其產(chǎn)水率從17.0kg/h增加到22.6kg/h，增大了5.6kg/h，即增加了32.9%。但是，壓縮比的升高使壓縮機(jī)功耗也大幅增加，如圖3所示，其對應(yīng)的壓縮機(jī)功耗從1170.8W上升到1779.9W，增加了609.1W，即52.0%。壓縮機(jī)功耗的增加量大于產(chǎn)水率的增加量，即單位產(chǎn)水量的功耗增加，由此可見增大壓縮比，從產(chǎn)水率角度看，雖然產(chǎn)水量增加，但是壓縮機(jī)耗功增加更加明顯，造成系統(tǒng)比功耗上升，由圖4可見，其對應(yīng)的比功耗由68.87kWh/m3上升到78.76kWh/m3，增加了9.89kWh/m3，上升了14.36%。因此，系統(tǒng)壓縮比不能太大。但壓縮比過小，由于換熱管內(nèi)外傳熱溫差太小，換熱量太低會導(dǎo)致產(chǎn)水量不足，壓縮機(jī)吸氣量過小，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)壓縮比在1.5以下時(shí)，產(chǎn)水率驟減，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，對于一定容量的系統(tǒng)其壓縮比有一定范圍，對于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓縮比在1.5～1.9比較合理。

2.3 蒸發(fā)溫度Tb

低溫蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)溫度主要通過真空泵調(diào)節(jié)真空度來控制，蒸發(fā)溫度也是影響蒸發(fā)性能的主要參數(shù)。較高的蒸發(fā)溫度會引起結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[11]，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命；較低蒸發(fā)溫度使得系統(tǒng)真空度提高，蒸汽比容大，相同產(chǎn)水量下需要的壓縮機(jī)較大，設(shè)備密封性要求更高。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)溫度范圍為60-80℃（蒸發(fā)壓力19.932-47.373kPa）。

圖5 蒸發(fā)溫度對產(chǎn)水率的影響

圖6 蒸發(fā)溫度對壓縮機(jī)功耗的影響

圖7 蒸發(fā)溫度對比功耗的影響

圖5、圖6給出了不同蒸發(fā)溫度下產(chǎn)水率和壓縮機(jī)功耗的變化。在一定的壓縮比下，產(chǎn)水率隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，壓縮機(jī)功耗也隨之上升。這是由于在一定的壓縮比下，壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度和壓力（蒸發(fā)溫度和壓力）增加，其定熵壓縮功增加。如系統(tǒng)壓縮比為1.7時(shí)，蒸發(fā)溫度從62℃上升到79℃，系統(tǒng)產(chǎn)水率從18.85kg/h增加到20.15kg/ h，壓縮機(jī)耗功從1366.8W上升到1485.9W，即蒸發(fā)溫度上升17℃，產(chǎn)水率增加1.3kg/h，增加了6.9%，壓縮機(jī)功耗增加119.1W，增加了8.7%?？梢姰a(chǎn)水率增幅和壓縮機(jī)耗功增幅相近，所以如圖7所示，系統(tǒng)比功耗由 77.21kWh/m3增加到78.75kWh/m3，只增加1.54kWh/m3，即1.99%，蒸發(fā)溫度的改變對比功耗的影響很小。因此，在滿足防結(jié)垢、防腐蝕的前提下，提高蒸發(fā)溫度有助于產(chǎn)水率的提高，同時(shí)蒸發(fā)溫度的提高可以減低系統(tǒng)真空度，從而減少真空泵的能耗。但為了防止海水結(jié)垢影響傳熱性能，蒸發(fā)溫度以小于80℃為宜。

3 結(jié)論

本文針對所建立的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)，以人工配置的鹽水作為對象，實(shí)驗(yàn)研究了壓縮機(jī)壓縮比和蒸發(fā)溫度對產(chǎn)水率和比功耗的影響。結(jié)果表明：

（1）增大壓縮比，有利于增加產(chǎn)水量，但是壓縮機(jī)耗功增加更加明顯，造成系統(tǒng)比功耗上升，因此，系統(tǒng)壓縮比不能太大。但壓縮比過小，由于換熱管內(nèi)外傳熱溫差太小，換熱量太低會導(dǎo)致產(chǎn)水量不足，壓縮機(jī)吸氣量過小，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，對于一定容量的系統(tǒng)其壓縮比有一定范圍，對于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓縮比在1.5～1.9比較合理。

（2）蒸發(fā)溫度升高，系統(tǒng)的產(chǎn)水率增加，但比功耗的影響較小。因此，在滿足防腐、防結(jié)垢和系統(tǒng)控制真空度的要求的前提下，可適當(dāng)升高蒸發(fā)溫度。

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The Experimental Performance research of Mechanical Vapor
Recompression Low-Temperature Evaporation Desalination

Wang ye qi,Zhou yasu,Ju wan lan

A mechanicalvaporrecompressionlow-temperatureevaporation desalination system is built up in this passage,using artificial brine as an object and doing research which based on the system to find out the influence of compression ratio and evaporation temperature on the properties of evaporation system.Result shows the water production rate and the power consumption of compressor will rise when the evaporation temperature and compression ratio rise,and compression ratio has a greaterimpacton evaporation performance.Viewing from theperspective ofenergysaving and economic,underthe requirements of fouling and corrosion prevention,choosing a lower compression ratio and higherevaporation temperature can make contributions to increasing the rate ofwater production and saving energy consumption.

mechanical vapor recompression system; low-temperature evaporation; compression ratio;evaporation temperature;production rate

王曄琪（1990-），男，東華大學(xué)碩士研究生。周亞素（1964-），女，東華大學(xué)教授，研究生導(dǎo)師。