船舶机械蒸汽压缩海水淡化装置性能分析

陈金增，李光华，李雁飞

(海军工程大学船舶与动力学院，武汉 湖北 430033)

船舶机械蒸汽压缩海水淡化装置性能分析

陈金增，李光华，李雁飞

(海军工程大学船舶与动力学院，武汉 湖北 430033)

在分析机械蒸汽压缩海水淡化装置工作过程基础上，给出了该型装置的数学模型。以产水量5 t/d的装置为例，分析了装置工作性能随蒸发温度的变化规律。结果表明，随着蒸发温度的提高，产水量增大，压缩机耗功相应增大。

蒸汽压缩;海水淡化;船舶机械

0 引言

船舶远海航行，人员、设备需要消耗大量淡水，因此，大中型船舶都装备有海水淡化装置。传统的海水淡化方法有蒸馏法和膜分离法。蒸馏法海水淡化因水质好在船舶上获得广泛应用［1］，目前在船舶上广泛使用的主要有真空单效蒸馏、多级闪蒸及机械蒸汽压缩蒸馏等。文献［2］针对某型机械蒸汽压缩海水淡化装置的实际运行研究，通过理论计算与实际运行结果比较证明，虽然设计蒸发温度为70℃，但在70～98℃运行范围内，产水量随蒸发温度的提高而增大;文献［3］对某船用机械蒸汽压缩淡化装置进行了变工况分析，研究表明，随着蒸发温度的提高，压缩机耗功增大，当蒸发温度为90℃时耗功最大;文献［4］对不同的热泵作为热源的海水淡化系统进行了热力分析，研究表明，对于机械蒸汽压缩海水淡化装置，随着蒸发温度的提高，比能耗有所减小;文献［5］分析了机械蒸汽压缩淡化装置进水温度、蒸发温度、冷凝温度对产水量的影响;文献［6］设计了1套2 t/d的小型机械蒸汽压缩海水淡化装置并进行了实验研究，研究表明，产水量随蒸发温度的提高而增大。

1 机械蒸汽压缩海水淡化装置的工作过程

图1所示为船用机械蒸汽压缩海水淡化装置简图。该装置由压缩机、蒸发器、热交换器组成。其主要特点是结构紧凑，独立性好，不需要其他热源，可直接由电机驱动，尤其适用于船舶用小型海水淡化。下面介绍该装置的工作过程。

图1 机械蒸汽压缩海水淡化装置简图Fig.1 The sketch of MVC sea-water desalination

图1中舷外温度为tw、流量为Mf的海水经泵供入热交换器吸收浓海水及淡水的热量后，温度升高至tf进入蒸发器，沿蒸发器中的垂直蒸发管向下流，在流动过程中吸收管外加热蒸汽的热量，部分蒸发获得二次蒸汽，未蒸发的海水流向蒸发器底部，通过浓海水泵抽出，经热交换器排到舷外;二次蒸汽在蒸发器内向上流动，经汽水分离器分离出其中携带的水珠后进入压缩机，在压缩机内受到绝热压缩，温度、压力提高，从压缩机排出后进入蒸发管外部作为热源加热管内海水，蒸汽凝结后作为产品水经淡水泵抽出，经热交换器后，进入淡水舱储存。热交换器采用板式换热器，内部分3个流道，分别为海水、浓海水、淡水流道，以回收淡水和浓海水的热量。为保证装置正常启动获得蒸汽，蒸发器底部设置电加热器，在启动时，首先给电加热器通电，加热蒸发器内海水获得蒸汽，随着蒸汽的产生，压缩机工作，此时停止部分电加热器，依靠压缩蒸汽作为热源装置即可稳定工作。

由装置工作过程可以看出，若忽略装置的对外散热损失，压缩机耗功主要用于补充浓海水和淡水带走的热量，因此减小浓海水和淡水带走的热量是本装置降低能耗的关键。为此，采用传热效果良好的板式热交换器作为废热回收元件，可以显著降低能耗;另一方面，蒸发器内蒸汽与海水间的换热效果也是装置效率的重要影响因素，为提高换热系数，主要采用降膜蒸发技术来强化传热。本文计算采用降膜蒸发传热。

2 装置的数学模型

为分析问题方便，假设:

1)蒸发器、热交换器、压缩机是绝热的，对外无散热损失。

2)忽略汽水分离器的阻力及管路阻力。

3)压缩过程是绝热过程。

4)忽略水的含盐量对比热容的影响及海水浓缩造成的蒸发温度升高。

压缩机工作过程的h－s图如图2所示。

温度tv和压力pv的饱和蒸汽经等熵压缩，压力升高至ps，进入蒸发器管外进行等压冷凝至饱和温度

图2 压缩过程的h－s图Fig.2 The h－s diagram of mechanical vapor compression process

td，进一步冷却至饱和水，将汽化潜热传给管内海水。

根据质量守恒原理，供入装置的海水流量Mf等于产品水流量Md和浓海水排放量Mb之和，即

根据能量守恒原理，蒸发器内的能量平衡方程为:

式中:λs为压缩后蒸汽压力对应的汽化潜热，kJ/kg;λv为蒸发压力对应的汽化潜热，kJ/kg;cpv和cp为蒸汽和水的比热容，kJ/kg·℃;t's，ts为压后温度及压缩机吸汽温度，℃。

板式热交换器内的能量平衡方程为:

压缩机耗功为:

式中:m为蒸汽绝热压缩指数;η为压缩机效率;Ps和Pv为压缩机吸排压力，Pa;Vv为压缩机吸入蒸汽体积流量，m3/s。

3 分析及讨论

以某船用5 t/d海水淡化装置为例，压缩机为罗茨式压缩机，设压缩比为1.3，压缩机效率0.85，舷外海水温度为25℃，计算中认为ts=tb。为保证产品水水质，设排泄系数ε为2.5，计算蒸发温度ts在65～100℃范围变化时，装置产水量和单位产水量的压缩机耗功，计算结果如图3和图4所示。实际装置的蒸发器为普通管式换热器，表1列出了装置的实际运行参数。

表1 装置的实际运行参数Tab.1 The operation datas of the desalination plant

计算结果与实际运行结果比较可以看出，计算产水量显著高于实际运行产水量，约为实际产水量的1.78倍。分析原因，除上述假设条件造成理论计算产水量大外，降膜蒸发技术的应用是装置效率提高的主要原因，通过降膜蒸发换热系数与普通管式换热系数比较，在蒸发温度100℃时，换热系数提高约25%［1］，造成理论计算效率显著高于实际效率。

由图3和图4可以看出，蒸发温度不同，产水量变化较大，而且随着蒸发温度的提高，产水量增大，相应的压缩机耗功增大。装置实际使用中要获得更多的淡水，应提高蒸发温度，同时要时刻检测产品水水质。由于蒸发温度的提高，适当增多装置的除垢次数，以保证装置的效率。

4 结语

通过计算分析及实际装置运行比较可以看出，对于机械蒸汽压缩海水淡化装置，适当提高装置的蒸发温度可以增大装置的产水量，蒸发温度在90～100℃范围内，装置效率较高;采用降膜蒸发技术，装置的单位产水能耗可以显著降低，从提高蒸汽压缩海水淡化装置效率角度，具有广阔的前景。

［1］陈金增.船舶海水淡化及节能技术研究［D］.武汉:华中科技大学，2010.

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［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.

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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

陈金增(1966－)，男，博士，副教授，主要从事舰船海水淡化及节能技术研究。