機械蒸汽再壓縮式低溫蒸發海水淡化蒸發性能實驗研究

東華大學環境科學與工程學院

國家環境保護紡織污染防治工程技術中心 王曄琪 周亞素 鞠婉蘭

機械蒸汽再壓縮式低溫蒸發海水淡化蒸發性能實驗研究

東華大學環境科學與工程學院

國家環境保護紡織污染防治工程技術中心 王曄琪 周亞素 鞠婉蘭

建立了一套機械蒸汽再壓縮式低溫蒸發海水淡化系統，以人工配制的鹽水為對象，對機械蒸汽再壓縮低溫蒸發海水淡化系統進行實驗研究，主要研究壓縮機壓縮比和蒸發溫度對系統蒸發性能的影響。實驗結果表明：產水率和壓縮機比功耗隨蒸發溫度和壓縮比的升高而升高，且壓縮比對蒸發性能的影響較大。從節能及經濟性角度上看，在滿足產水要求和防結垢、防腐蝕需求下，選取較小的壓縮比，和較大的蒸發溫度有助于提高產水率，節約能耗。

機械蒸汽再壓縮系統；低溫蒸發；壓縮比；蒸發溫度；產水率

引言

21世紀以來，隨著人口增加，工農業生產加速發展，水資源問題也日益緊張。由于海洋中蘊藏著豐富的水資源，人們把目光投向了海水淡化[1,2]。

海水淡化技術就是將海水中鹽分和水分分離的技術，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(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、多效蒸發和反滲透法已大規模應用于海水淡化中[4-6]，但是多效蒸發和多級閃蒸設備復雜龐大，需要消耗大量蒸汽，熱效率低，在實際生產中并不節能；反滲透法雖然節能，但是對海水預處理要求較高，淡水出水純度較低，后期保養維護成本高。而機械蒸汽再壓縮海水淡化法由于其結構緊湊，對海水的預處理要求低，只需消耗一點生蒸汽使海水蒸發，有效回收二次蒸汽中的潛熱進行循環，無需冷卻水，同時可以在較低的溫度下進行操作，降低熱損失，減少海水的結垢和腐蝕危害，后期保養維護成本較低，節能效果顯著，在近幾年得到了廣泛的關注和大力的發展[7-9]。

本文針對所建立的小型機械蒸汽再壓縮法海水淡化系統平臺，設計產水率為20kg/h，采用水平管降膜蒸發-冷凝器，羅茨式壓縮機，主要研究蒸發溫度、壓縮機壓縮比對蒸發性能的影響。

1 實驗系統介紹

機械蒸汽再壓縮技術（mechanical vapor recompression，簡稱MVR）是利用蒸發器自身產生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源需求的一項節能技術。料液在蒸發器內產生二次蒸汽，經過壓縮機的壓縮，壓力和溫度得以升高，被送到蒸發器的加熱室當作加熱蒸汽使用，使料液維持蒸發狀態，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低溫蒸發海水淡化系統的流程，為了充分利用冷凝水和濃海水的余熱，進料海水由水泵分成兩股，經過兩個預熱器預熱，然后匯合成狀態5，由循環泵送入蒸發器內由噴嘴噴淋到換熱管上，形成水平管降膜蒸發。在蒸發器中，為了控制換熱管外的海水結垢，蒸發是在真空負壓的情況下操作的，海水在低溫狀態下實現蒸發，當蒸發出來的蒸汽狀態6，再由壓縮機將蒸汽抽走，并加壓到狀態7，輸送到蒸發器中的冷凝管道內，冷凝放熱成液態水（狀態8），高壓蒸汽冷凝放出的顯熱和潛熱用于加熱蒸發管道外的海水。冷凝下來的淡水經過預熱器換熱，回收部分顯熱后作為產品淡水（狀態10）。而蒸發器內未被蒸發的濃海水在達到排放要求后經過預熱器后排出（狀態11），否則作為循環液與進料海水混合繼續循環蒸發（狀態5）。

圖1 機械蒸汽再壓縮式低溫蒸發海水淡化系統圖

2 實驗研究

2.1 產水率與比功耗

評價MVR低溫蒸發海水淡化系統的主要性能指標為產水率Mdw和比功耗wb：

（1）產水率Mdw，每小時產生的淡水量，它是衡量MVR低溫蒸發海水淡化系統性能的指標。

（2）比功耗，生產單位體積淡水所消耗的能量，它是影響海水淡化系統成本的重要因素，是衡量MVR低溫蒸發海水淡化系統經濟性和節能性的指標，由于在機械蒸汽再壓縮技術中壓縮機是蒸汽蒸發循環換熱的驅動設備，對蒸發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為產水率，其單位為kg/h；Ws,n為壓縮機消耗的功率，其單位為W。

在MVR運行過程中，低溫蒸發有利于防止海水高溫結垢腐蝕而影響蒸發器的傳熱效率，通常MVR在低于80℃的溫度下運行，而產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，有必要研究蒸發溫度和壓縮比對蒸發性能的影響。

本文以人工配置的鹽水為原料，實驗平臺設計產水率為20kg/h，來模擬機械蒸汽再壓縮式低溫蒸發海水淡化研究，分析壓縮機壓縮比ε和蒸發溫度Tb對產水率Mdw和比功耗wb兩個性能指標的影響。

2.2 壓縮機壓縮比ε

壓縮機壓縮比是蒸發冷凝實驗中的重要參數，壓縮比直接影響到壓縮機的功耗，同時決定了蒸發冷凝器內的傳熱溫差，從而影響到換熱量和系統產水率。在保持海水噴淋量和壓縮機抽氣量不變的情況下，分別控制不同的三個蒸發溫度（Tb=65℃，Tb=70℃，Tb=75℃），觀察產水率和比功耗隨壓縮比的變化，測試數據如圖2～圖4所示。

圖2 壓縮比對產水率的影響

圖3 壓縮比對壓縮機功耗的影響

圖4 壓縮比對比功耗的影響

圖2和圖3反映在三個不同蒸發溫度下，壓縮機壓縮比對產水率和功耗的影響。在保持蒸發溫度不變的工況下，隨著壓縮機壓縮比的增加，由于傳熱溫差增大，換熱量的增大引起產水率增大，但壓縮機的功耗也增加，且基本呈線性增加。對于蒸發溫度為75℃的工況下，壓縮比從1.5增加到1.9，其產水率從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功耗也大幅增加，如圖3所示，其對應的壓縮機功耗從1170.8W上升到1779.9W，增加了609.1W，即52.0%。壓縮機功耗的增加量大于產水率的增加量，即單位產水量的功耗增加，由此可見增大壓縮比，從產水率角度看，雖然產水量增加，但是壓縮機耗功增加更加明顯，造成系統比功耗上升，由圖4可見，其對應的比功耗由68.87kWh/m3上升到78.76kWh/m3，增加了9.89kWh/m3，上升了14.36%。因此，系統壓縮比不能太大。但壓縮比過小，由于換熱管內外傳熱溫差太小，換熱量太低會導致產水量不足，壓縮機吸氣量過小，系統運行不穩定。在本實驗中，當壓縮比在1.5以下時，產水率驟減，系統運行不穩定。因此，對于一定容量的系統其壓縮比有一定范圍，對于本實驗系統壓縮比在1.5～1.9比較合理。

2.3 蒸發溫度Tb

低溫蒸發實驗中，蒸發溫度主要通過真空泵調節真空度來控制，蒸發溫度也是影響蒸發性能的主要參數。較高的蒸發溫度會引起結垢和腐蝕風險[11]，嚴重影響設備的使用壽命；較低蒸發溫度使得系統真空度提高，蒸汽比容大，相同產水量下需要的壓縮機較大，設備密封性要求更高。綜合考慮，本實驗蒸發溫度范圍為60-80℃（蒸發壓力19.932-47.373kPa）。

圖5 蒸發溫度對產水率的影響

圖6 蒸發溫度對壓縮機功耗的影響

圖7 蒸發溫度對比功耗的影響

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

3 結論

本文針對所建立的機械蒸汽再壓縮低溫蒸發海水淡化系統，以人工配置的鹽水作為對象，實驗研究了壓縮機壓縮比和蒸發溫度對產水率和比功耗的影響。結果表明：

（1）增大壓縮比，有利于增加產水量，但是壓縮機耗功增加更加明顯，造成系統比功耗上升，因此，系統壓縮比不能太大。但壓縮比過小，由于換熱管內外傳熱溫差太小，換熱量太低會導致產水量不足，壓縮機吸氣量過小，系統運行不穩定。因此，對于一定容量的系統其壓縮比有一定范圍，對于本實驗系統壓縮比在1.5～1.9比較合理。

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

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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，東華大學碩士研究生。周亞素（1964-），女，東華大學教授，研究生導師。