机械蒸汽再压缩式热泵用于降膜蒸发系统的研究

介绍了一种机械蒸汽再压缩式(MVR)降膜蒸发系统的工艺流程,以水为介质,自主开发并搭建实验平台,采用罗茨风机驱动。使用理论分析和实验相结合的研究方法,探究了本系统在不同的蒸发压力及压缩比下合适的操作域,继而研究了二次蒸汽量、补充水量与压缩比及蒸发压力之间的关系,最后探讨了供热系数COP与压缩比的关系。结果显示,补充水量约占二次蒸汽量的3%~9%,且补充水的量随着压缩比的提高而提高;蒸发压力不变,蒸汽冷却冷凝放热量随着压缩比的增大而增大;压缩比不变,蒸汽冷却冷凝放热量随着蒸发压力的提高而提高;本系统最佳操作压缩比为1.9。     

低温多效海水淡化混流效组系统优化与分析

建立了多个混流点的混流效组低温多效蒸发(LT-MED)海水淡化数学优化模型,将海水视为盐和水的混合物,其焓表达为温度的函数,降低优化模型的非线性程度,使其易于收敛。以比传热面积为优化目标分析了不同流程和参数对系统的影响。结果表明,在喷淋密度为30~80 g/(m·s)时,多混流点系统的造水比与单混流点系统相比提高了12.1%,比传热面积降低了8.4%,优化流程为5效+2效+2效组合;提高首效加热蒸汽温度可有效的减少换热面积,降低制水成本,对系统的造水比影响不大;增加系统效数,可以有效提高造水比。各效等面积蒸发方案造水比比不等面积方案略有下降,比传热面积略有增加。模拟结果与文献中相关数据吻合良好,可为低温多效蒸发海水淡化系统工程化设计提供技术支持。     

低温多效蒸发海水淡化系统热力分析

建立了喷射器低温多效蒸发海水淡化系统的数学模型,计算分析了各种温度损失随温度的变化,并研究了顶值盐水温度、蒸发器效数和动力蒸汽等参数对系统的造水比和生产单位质量淡水所需传热面积的影响。结果表明各种温度损失在末效蒸发器内显著增加;喷射器低温多效蒸发系统的热力特性明显优于多效蒸发系统;通过增加顶值盐水温度、蒸发器效数和动力蒸汽温度,可以实现系统的优化运行。     

两效机械蒸汽再压缩蒸发系统性能分析

基于自回热理论设计出适合于沸点升高较小的含盐溶液的两效机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统,分析表明,相同工况下该系统与单效MVR蒸发系统相比平均节约50.6%的能量消耗。同时,考察了物料沸点升、压缩机压缩比、进料温度对系统COP、总换热面积的影响。研究表明,根据物料沸点升高的不同,选择合适的压缩比有助于合理安排设备投资和操作费用;同时得出设计条件下的最佳进料温度为72.5℃。     

机械蒸汽再压缩技术在石化废水处理系统中的应用研究

针对某石化废水的水质特点,提出了采用板式蒸发强制循环机械蒸汽再压缩工艺回收废水资源。在考虑浓缩液沸点升高及强制循环对系统影响的条件下,建立了MVR系统工艺计算数学模型,分析了蒸发温度、废水温度及压缩比对MVR系统的影响。模型求解结果表明:该废水采用常压蒸发,可降低系统能耗,同时高温进料有利于降低系统的总比传热面积;随着压缩比的增加,压缩机比电耗增加,而系统总比传热面积减小,且其减少的速率减缓,压缩比是控制系统传热温差、压缩机比电耗和总比传热面积的主要因素,压缩比对MVR系统的投资和运行成本的控制起关键性作用,在废水进料温度45℃、浓缩液循环10 m3/h的情况下,废水常压蒸发的适宜操作压缩比为1.4~1.6。     

机械蒸汽再压缩硫酸铵废水处理系统的分析

为全面反应机械蒸汽再压缩硫酸铵废水处理系统的用能情况,提高系统的效率,采用以热力学第二定律为基础的分析方法,对系统进行了分析。将硫酸铵废水视为实际溶液,建立了实际物流的分析模型,运用工厂实测数据对系统进行了分析计算,研究了参量:压缩比、蒸发温度和一效排出浓度对系统效率的影响并根据测算结果提出了改进建议。分析结果表明,该系统总的效率约为12.04%;各设备分析表明,换热器及压缩机是主要的损失部位,二者的损失约占总数的79.5%;参量分析表明,系统的效率随着压缩比的增大而减小,随着蒸发温度的升高而增大,在其他条件允许的情况下,应尽量采用压缩比小的压缩机和维持高的蒸发温度;在文中条件下,当一效排出质量分数为32%时系统的效率最大,应尽可能地维持在该质量分数下排料;消除进入加热器蒸汽的过热可以提高系统的效率。     

低温多效蒸发海水淡化系统性能的实验研究

针对大型海水淡化工程设计关键技术,依托1 t·d-1低温多效蒸发海水淡化实验平台,考察了装置运行性能的稳定性,系统地研究了不同海水进料量及首效蒸汽温度对造水比、浓缩比和产品水质等关键参数的影响。结果表明:在实验条件范围内,随着首效蒸汽温度提高,海水的浓缩比先减小后增加,而首效温度对造水比的影响较小;在一定首效温度下,浓缩比随着海水进料量的增大而减小,而造水比随海水进料量的增大而增大。在实验范围内,产品水的固体总溶解浓度均低于5 ppm。小型海水淡化平台关键技术的实验研究为低温多效海水淡化系统在扩大化中的设计优化提供了参考和借鉴。     

沼气机驱动的风冷热泵系统变工况性能

为高效利用沼气资源并减轻环境污染,构建了基于沼气机驱动的风冷热泵能源综合利用实验装置,重点研究了蒸发温度、冷却水量、沼气机转速等参数对系统性能的影响。实验测试结果表明：冷凝器总负荷随蒸发温度及冷却水量的增加而增大,但增幅较小;回收的沼气机余热随蒸发温度的升高而降低,但降幅较小,通过增大冷却水量可以提高沼气机余热的回收率,同时也增大了系统总供热量;冷却水量对系统性能系数（COP）的影响不具有单调性,在同一工况下,存在一个最佳冷却水量;冷却水量对系统一次能源利用率（PER）的影响幅度不同,冷却水量大时,PER的增幅反而较小。实验工况下,系统COP最高可达5.15,PER最高可达1.68。     

多效蒸发注射用水系统的热力过程优化

针对生产注射用水多效蒸发过程中能耗大及产水不稳定的问题,进行了多效蒸发热力过程系统优化。依据质量守恒和能量守恒方程,建立了蒸发器、预热器和冷凝器数学模型,考虑蒸汽流动阻力损失,基于Matlab/Simulink多体工具箱,以等面积法为原则进行迭代求解。通过模拟计算分析效数、预热方式对系统热力性能的影响。结果表明,效数增加使得系统比传热面积、造水比增加以及比?耗减小,且后两者的变化幅度会逐渐降低。效数低于5时,使用产水预热的方案更优;效数高于5时,混合预热方案更优。混合预热方案下,系统效数较大时,蒸汽在管道内流动引起的温降和压降快速上升,最终导致造水比下降以及比?耗值趋于恒定。     

机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析

机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发系统是一种新型高效节能蒸发技术。它有多个单元设备组成,每个操作节点的控制都对系统运行的稳定性和节能效率至关重要,其中包括进料温度、蒸发压强、蒸汽压缩比、冷凝液温度等。若操作条件不当,不仅会大大降低蒸发效率而且会对设备和管路造成损害。本文建立了一套充分利用能源的MVR蒸发工艺流程,并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算,同时利用Aspen Plus模拟软件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制,研究了循环蒸汽量、补充水的量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。由数据分析可得：原料在饱和液体时进料最佳,冷凝液的温度应保持与蒸发温度的有效温差在5～8 ℃时较好,压缩机的蒸汽压缩比控制在1.8～2.2较为合理。同时可利用冷凝液和浓缩液的余热对原料预热,补充水也可从冷凝液中直接取用。     

基于热力蒸汽压缩蒸发的油田污水淡化系统及分析

针对油田污水污染物成分复杂、污染性强不适合膜法脱盐的特点和淡水消耗与余热资源共存的实际,提出用热力蒸汽压缩（TVC）蒸发技术对油田污水进行集中脱盐处理的技术方案。建立了基于TVC的油田污水脱盐系统的工艺流程设计计算模型,系统分析了蒸发温度等主要运行参数的影响。结果表明：系统性能系数随蒸发温度的降低而增大,降低蒸发温度有助于减少主蒸汽消耗,但所付出的代价是总传热面积和污水泵流量的增大;TVC系统的热力学完善度相对较低,与多效蒸发系统联合使用是改善系统性能的基本途径之一。尽管如此,对于油田生产来说,当存在合适的余热资源时,简单的单效TVC系统仍不失为合理的技术方案。     

Thermal analysis of ME—TVC+MEE desalination systems

Thermal analysis of three different configurations of a multi-effect thermal vapor compression desalting system is presented: conventional ME—TVC,ME—TVC with regenerative feed heaters (ME—TVC,FH) and ME—TVC coupled with a conventional MEE system (ME—TVC+MEE). The analysis is based on the First and Second Law of Thermodynamics. A parametric study was carried out to investigate the impact of motive steam pressure, temperature difference per effect, top brine temperature, feed seawater temperature and motive steam flow rate on the system's performance for each configuration. The exergy analysis showed that irreversibilities in the steam ejector and evaporators are the main sources of exergy destruction in the three configurations. When steam is supplied directly from the boiler to all configurations, results showed that the first effect was responsible for about 50% of the total effect exergy destruction. The study also showed that the decrease in exergy destruction is more pronounced than the decrease in the gain ratio at lower values of motive steam pressure. Lowering the temperature difference across the effects, by increasing the surface area, decreases the specific heat consumption. On the other hand, exergy losses are small at low temperature differences and low top brine temperature. The analysis showed that the third configuration (ME—TVC+MEE) has two main features compared to ME—TVC and ME—TVC, FH. First it has a lower compression ratio, which makes the motive steam capable of compressing larger amounts of the entrained vapor; as a result, the amount of motive steam is reduced. Second, the configuration can be used for large-scale production.     

Steady-State Analysis of the Multiple Effect Evaporation Desalination Process

Mathematical modeling of the multiple effect evaporation (MEE) desalination process has been carried out to determine the effects of the important design and operating variables on the parameters controlling the cost of producing fresh water. The model assumes the practical case of constant heat transfer areas for both the evaporators and feed preheaters in all effects. In addition, the model considered the impact of the vapor leak in the venting system, the variation in thermodynamic losses from one effect to another, the dependence of the physical properties of water on salinity and temperature, and the influence of noncondensable gases on the heat transfer coefficients in the evaporators and the feed preheaters. The modified fixed-point iterative procedure is used to solve the large number of highly nonlinear equations describing the MEE desalting system. The algorithm consists of 10 calculation blocks and 6 logical blocks. The algorithm is implemented using L-A-S computer aided language. Results show that the heat transfer coefficients increase with the boiling temperature. Also, the heat transfer coefficient in the evaporator is always higher than that in the feed preheater at the same boiling temperature. The plant thermal performance ratio is nearly independent of the top brine temperature and strongly related to the number of effects. The specific heat transfer area increases by raising the number of effects and reducing the top brine temperature. The effect of the top brine temperature on the specific heat transfer area is more pronounced with a larger number of effects. The required specific heat transfer areas at a top brine temperature of 100°C are 30.3% and 26% of that required at 60°C when the number of effects are 6 and 12, respectively. The specific flow rate of cooling water is nearly constant at different values of top brine temperature and tapers off at a high rate as the number of effects is increased. Two correlations are developed to relate the heat transfer coefficients in the preheater and the evaporator to the boiling temperature. Design correlations are also developed to describe variations in the plant thermal performance, the specific heat transfer area, and the specific flow rate of cooling water in terms of the top brine temperature and the number of effects.     

蒸汽喷射压缩器的变工况特性模拟与分析

采用改进热力学,建立了蒸汽喷射压缩器变工况特性数值计算模型。结合水蒸气物性程序,对热压缩海水淡化系统中的蒸汽喷射压缩器的变工况性能进行了计算,分析了工作蒸汽压力、引射压力、混合蒸汽压力的变化对引射系数的影响。计算结果表明,当压缩蒸汽的压力高于设计值时,引射系数随压缩压力的增大而减小,而当压缩低于设计值时,引射系数保持不变;提高引射蒸汽压力会引起引射系数的增大;主动蒸汽压力偏离设计值时,主动蒸汽压力的降低（低于设计值）或提高均会引起喷射器性能的降低。     

蒸汽喷射压缩器的变工况特性分析

蒸汽喷射压缩器工作特性对系统性能产生很大的影响。文中采用气体动力函数法,建立了蒸汽喷射压缩器变工况特性数值计算模型,对热压缩海水淡化系统中的蒸汽喷射压缩器的变工况性能进行了计算,分析了工作蒸汽压力、引射压力、混合蒸汽压力对喷射系数的影响。计算结果表明,当压缩蒸汽的压力低于一定值时,喷射系数保持不变;喷射压缩器特性对蒸发压力的变化最为敏感,引射压力的微小变化将导致喷射器性能的明显变化;而提高工作蒸汽压力,在一定范围内可以提高喷射器的性能,但超过一定数值后反而会引起喷射器性能的降低。与试验结果对比表明,采用该方法能够正确地预测喷射压缩器的工作性能。     

海水淡化与水源热泵联合系统性能与成本研究

提出了低温多效海水淡化装置与水源热泵联合系统技术,建立了联合系统数学模型,并利用MATLAB编制程序进行了求解,分析了末效二次蒸汽温度对联合系统热力性能与成本的影响,并且与低温多效海水淡化系统进行了成本比较。计算结果表明:在文章的计算范围内,随着末效二次蒸汽温度的升高,加热蒸汽量减少,蒸发器总传热面积增大,驱动蒸汽量减少,供热水量减少,综合效果是淡水成本增加。其他参数相同的情况下,与低温多效海水淡化系统相比,联合系统的淡水成本节省11.68%。     

Design of single-effect mechanical vapor compression

This paper presents a comprehensive design model of the single effect mechanical vapor compression process. Previous literature models focused on determination of the heat transfer area and compressor power consumption. Several new design features included in this study are the evaporator dimensions, demister dimensions, dimensions of the non-condensable gases venting orifice, and capacity of the vacuum system. The model equations include fundamental mass and energy equations; power consumption of the vapor compressor; and a well tested set of correlations for calculations of the physical properties of the vapor and liquid streams, heat transfer coefficients, and thermodynamic losses. Dependence of system variables on temperature and salinity makes the system equations nonlinear and requires an iterative solution. System performance is discussed as a function of the product flow rate, brine boiling temperature, temperature difference of the saturated boiling brine and compressed vapor, and length of the evaporator tube. Comparison of the design results against available field data shows good agreement for the predictions of specific power consumption and specific heat transfer area.     

水制冷剂及水蒸气压缩机研究现状和展望

水作为第4代制冷剂具有绿色环保（ODP=0,GWP<1）、原料易得、成本低廉、安全性好、稳定性高以及汽化潜热大等诸多优势,完全可以满足环保要求从而应用在热泵空调系统中;但是水蒸气分子量低、比容大以及绝热指数高也决定了水蒸气系统具有压差小、压比大、单位容积制冷量小、容积流量大、排气温度高等特点,对水蒸气制冷系统用的压缩机也提出了更高的要求。目前使用的水蒸气压缩机主要有离心式、螺杆式以及罗茨式,离心式压缩机虽然容积流量大,但是单级压比小,对液滴敏感,排气温升问题突出,叶片以及壳体材料要求高,经济成本高,适用于大流量,小压比的系统;螺杆式压缩机稳定性好,压比大,可以满足湿压缩要求,但是它容积流量有限,可用于小流量,大压比的系统;罗茨式压缩机振动小,结构简单,但是它的压比同样也比较小,适用于中小冷量,大温升系统。为了促进水制冷剂在生产生活领域的广泛使用,针对不同使用场合和供汽需求,研究开发与之适用的压缩机是未来制冷技术发展的一个重要方向。     

基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明：工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。