基于风能利用的机械蒸汽压缩海水淡化系统模拟

发布时间：2020-06-01 21:06

【摘要】：通过对机械蒸汽压缩(mechanical vapor compression,MVC)-多效蒸馏(multi-effect evaporator,MEE)海水淡化系统建立模型,研究了压缩机输入功率与海水淡化系统运行参数之间的关系,分析了系统中压缩机与多效蒸发器之间相互耦合的匹配关系,探讨了辅助能源加热对系统运行状态及产水率的影响,并通过耦合风力发电机模型,研究了系统淡水产率随风电功率随机变化的响应曲线。结果表明:随压缩机输入功率的增加,多效蒸发器效间的传热温差增大,产水率也近似线性增加;辅助能源虽然有助于提高产水率,但其添加量不能超过一定的上限;对于一组平均为7.1m/s的随机风速,海水淡化系统的平均产水率为5.00t/h,平均产水能耗10.2kWh/t,而若采用20%辅助能源加热,可以使平均产水率提高0.21t/h。
【图文】：

化系统性能对风力发电机功率输出的响应。１机械蒸汽压缩海水淡化系统图１给出了一个包含５效蒸发器的机械蒸汽压缩海水淡化示意图。新鲜海水经过与分离后的淡水和浓盐水换热后进入多效蒸发器。在蒸发器中，海水在管外受管内热蒸汽加热蒸发，产生二次蒸汽；而管内蒸汽冷凝成为淡水。每一效产生的二次蒸汽均通过除沫器进入下一效蒸发器中，作为加热蒸发下一效海水的管内热源并同时冷凝为淡水。最后一效的二次蒸汽不再冷凝，而是由机械压缩机吸入进行再压缩，提高其压力和温度，作为第一效蒸发器的管内热源。由于蒸发器的传热和压降损失，最后一效蒸发器的蒸汽流量小于第一效蒸发器的进口蒸汽流量，因此，为保证系统的质量守恒，需要在压缩机出口处进行补水，补水来源可以是外部的或者是系统自身产生的淡水，如图１所示补水为系统自身产水。在整个系统中，能量的输入为机械压缩机处的电功或机械功，，而输出为分离后的淡水和浓海水。图１机械蒸汽压缩海水淡化系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖａｐｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｐｌａｎｔ可以看出，机械蒸汽压缩海水淡化系统主要包括了机械压缩机、补水混合器以及多效蒸发器多个组件，考虑到采用风能作为能源的输入形式，还包括了风力发电机组件。本文将对这些组件分别建立数学模型。２系统模型２．１机械压缩机模型本文选用离心式压缩机作为建模对象。离心式压缩机流量大、效率高，在蒸汽压缩系统中常被采用。根据流体力学的欧拉方程，以及流体在离心式压缩机内的流动损失，可以推导出方程［１３－１４］：Ｗｃ＝ｑｍ（ｕ２ｕθ２－ｕ１ｕθ１）（１）Δ

ｉ－１＋ｑｍｓ，ｉ＝ｑｍｂ，ｉ＋ｑｍｖ，ｉ（９）Φｉ＝ｑｍｗ，ｉ（ｈｖ，ｉ－１－ｈｗ，ｉ）（１０）Φｉ＋ｑｍｓ，ｉｈｓ，ｉ＋ｑｍｂ，ｉ－１ｈｂ，ｉ－１＝ｑｍｖ，ｉｈｖ，ｉ＋ｑｍｗ，ｉｈｗ，ｉ（１１）Φｉ＝ｋｉＡｉΔｔｉ（１２）式中：Φｉ为管内蒸汽冷凝过程的放热量，ｋｉ为有效表面传热系数，Ａｉ为有效换热面积，Δｔｉ为换热温差。图２蒸发器模型示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｖａｐｏｒａｔｏｒ２．３补水混合器模型补水混合器起到了保证系统循环的质量平衡，以及降低压缩机出口蒸汽过热度的作用。由于多效蒸发器末效产生的蒸汽小于第一效进口蒸汽流量，因此需要在蒸发器进口补充一定量的蒸汽以使系统质量流量稳定。另一方面，压缩机出口的蒸汽处于过热状态，如果温度过高会导致蒸发器换热管出现严重的结垢现象，补水混合器降低了蒸发器进口蒸汽的温度，有利于系统的安全运行。在补水混合器中，由流体混合过程的能量守恒可以得到，ｈｖ，ｃ＿ｏｑｍｖ，ｃ＿ｏ＋ｈｗΔｑｍｖ＝ｈｖ，ｍｅｅ＿ｉｎｑｍｖ，ｍｅｅ＿ｉｎ（１３）式中：ｈｖ，ｃ＿ｏ、ｈｗ、ｈｖ，ｍｅｅ＿ｉｎ分别为压缩机出口蒸汽比焓、补水比焓和多效蒸发器进口蒸汽比焓，ｑｍｖ，ｃ＿ｏ和ｑｍｖ，ｍｅｅ＿ｉｎ分别为压缩机出口和蒸发器进口蒸汽的质量流量，Δｑｍｖ＝ｑｍｖ，ｍｅｅ＿ｉｎ－ｑｍｖ，ｃ＿ｏ，为补水流量

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本文编号：2692064