船舶機械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

陳金增，李光華，李雁飛

(海軍工程大學船舶與動力學院，武漢 湖北 430033)

船舶機械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

陳金增，李光華，李雁飛

(海軍工程大學船舶與動力學院，武漢 湖北 430033)

在分析機械蒸汽壓縮海水淡化裝置工作過程基礎上，給出了該型裝置的數學模型。以產水量5 t/d的裝置為例，分析了裝置工作性能隨蒸發溫度的變化規律。結果表明，隨著蒸發溫度的提高，產水量增大，壓縮機耗功相應增大。

蒸汽壓縮;海水淡化;船舶機械

0 引言

船舶遠海航行，人員、設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好在船舶上獲得廣泛應用［1］，目前在船舶上廣泛使用的主要有真空單效蒸餾、多級閃蒸及機械蒸汽壓縮蒸餾等。文獻［2］針對某型機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果比較證明，雖然設計蒸發溫度為70℃，但在70～98℃運行范圍內，產水量隨蒸發溫度的提高而增大;文獻［3］對某船用機械蒸汽壓縮淡化裝置進行了變工況分析，研究表明，隨著蒸發溫度的提高，壓縮機耗功增大，當蒸發溫度為90℃時耗功最大;文獻［4］對不同的熱泵作為熱源的海水淡化系統進行了熱力分析，研究表明，對于機械蒸汽壓縮海水淡化裝置，隨著蒸發溫度的提高，比能耗有所減小;文獻［5］分析了機械蒸汽壓縮淡化裝置進水溫度、蒸發溫度、冷凝溫度對產水量的影響;文獻［6］設計了1套2 t/d的小型機械蒸汽壓縮海水淡化裝置并進行了實驗研究，研究表明，產水量隨蒸發溫度的提高而增大。

1 機械蒸汽壓縮海水淡化裝置的工作過程

圖1所示為船用機械蒸汽壓縮海水淡化裝置簡圖。該裝置由壓縮機、蒸發器、熱交換器組成。其主要特點是結構緊湊，獨立性好，不需要其他熱源，可直接由電機驅動，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進入蒸發器，沿蒸發器中的垂直蒸發管向下流，在流動過程中吸收管外加熱蒸汽的熱量，部分蒸發獲得二次蒸汽，未蒸發的海水流向蒸發器底部，通過濃海水泵抽出，經熱交換器排到舷外;二次蒸汽在蒸發器內向上流動，經汽水分離器分離出其中攜帶的水珠后進入壓縮機，在壓縮機內受到絕熱壓縮，溫度、壓力提高，從壓縮機排出后進入蒸發管外部作為熱源加熱管內海水，蒸汽凝結后作為產品水經淡水泵抽出，經熱交換器后，進入淡水艙儲存。熱交換器采用板式換熱器，內部分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，蒸發器底部設置電加熱器，在啟動時，首先給電加熱器通電，加熱蒸發器內海水獲得蒸汽，隨著蒸汽的產生，壓縮機工作，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，蒸發器內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，主要采用降膜蒸發技術來強化傳熱。本文計算采用降膜蒸發傳熱。

2 裝置的數學模型

為分析問題方便，假設:

1)蒸發器、熱交換器、壓縮機是絕熱的，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溫度升高。

壓縮機工作過程的h－s圖如圖2所示。

溫度tv和壓力pv的飽和蒸汽經等熵壓縮，壓力升高至ps，進入蒸發器管外進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，進一步冷卻至飽和水，將汽化潛熱傳給管內海水。

根據質量守恒原理，供入裝置的海水流量Mf等于產品水流量Md和濃海水排放量Mb之和，即

根據能量守恒原理，蒸發器內的能量平衡方程為:

式中:λs為壓縮后蒸汽壓力對應的汽化潛熱，kJ/kg;λv為蒸發壓力對應的汽化潛熱，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吸汽溫度，℃。

板式熱交換器內的能量平衡方程為:

壓縮機耗功為:

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

3 分析及討論

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

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

計算結果與實際運行結果比較可以看出，計算產水量顯著高于實際運行產水量，約為實際產水量的1.78倍。分析原因，除上述假設條件造成理論計算產水量大外，降膜蒸發技術的應用是裝置效率提高的主要原因，通過降膜蒸發換熱系數與普通管式換熱系數比較，在蒸發溫度100℃時，換熱系數提高約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，蒸發溫度不同，產水量變化較大，而且隨著蒸發溫度的提高，產水量增大，相應的壓縮機耗功增大。裝置實際使用中要獲得更多的淡水，應提高蒸發溫度，同時要時刻檢測產品水水質。由于蒸發溫度的提高，適當增多裝置的除垢次數，以保證裝置的效率。

4 結語

通過計算分析及實際裝置運行比較可以看出，對于機械蒸汽壓縮海水淡化裝置，適當提高裝置的蒸發溫度可以增大裝置的產水量，蒸發溫度在90～100℃范圍內，裝置效率較高;采用降膜蒸發技術，裝置的單位產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.船舶海水淡化及節能技術研究［D］.武漢:華中科技大學，2010.

CHEN Jin-zeng.The reseach of marine desalination and energy reserve［D］.Wuhan:HuazhongUniversityof Science ＆ Technology，2010.

［2］ALY N H，EL-FIQI A K.Mechanical vapor compression desalination system:A case study［J］.Desalination，2003，158:143－150.

［3］CHEN J Z，LI G H.A study of marine mechanical vapor compression desalination plant［J］.WEC，2004，F － A:62－65.

［4］AL-JUWAYHEL F，EL-DESSOUKY H，et al.Analysis of single-effect evaporator desalination systems combined with vapor compression heat pumps［J］.Desalination，1997，114:253－275.

［5］VEZA J M.Mechanical vapor compression desalination plants:A case study［J］.Desalination，1995，101:1 －10.

［6］焦冬生，王軍.機械蒸汽壓縮海水淡化系統的性能分析［J］.中國科學技術大學學報，2009，39(1):76 －82.

JIAO Dong-sheng，WANG jun.Performence ofthe mechanical vapor compression desalination system［J］.Journal of University of Science ＆ Technology of China，2009，39(1):76 －82.

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能技術研究。