驱动机械蒸汽再压缩系统的水蒸汽压缩机喷雾冷却过程流动和传热传质特性的研究

MVR, abbreviated for Mechanical vapor recompression technology, is a kind of high efficient and eco-friendly vaporization technology. The heart of a MVR system is the water vapor compressor. Superheat has a bad effect on compression performance during dry-compression, which constrains efficiency improvement of MVR system. Spray cooling is an effective method to improve compressor efficiency. The atomization effect and the droplets in the high-speed rotating flow system lead new problems. To solve these problems, heat and mass transfer, flow pattern and thermal characteristics in the high-speed rotating flow field need to be understood. This study intends to understand heat and mass transfer process between injected water and original vapor , the characteristics of temperature distribution by numerical simulation and experimental study, the change of viscosity, resistance and deformation rules caused by drastic temperature change, change of droplet diameter along the transportation and cooling effect, and determine a reasonable theoretical basis of spray cooling design parameters and thermal performance. This project can not only reveal the different characteristics of the water vapor compressor spray cooling process, supplement the understanding of water vapor compressor spray cooling characteristics and improve the efficiency of water vapor compressor, but also provide theoretical guidance and experimental basis for optimization MVR system.

机械蒸汽再压缩热泵（MVR）是一种高效节能环保的蒸发技术，水蒸汽压缩机是其核心部件。水蒸汽干压缩过程中较大的过热度影响了压缩机的性能，降低了系统的效率。喷雾冷却是提高水蒸汽压缩机效率的有效手段，而喷雾过程中高速旋转流场中的液滴的雾化效果、安全性等带来全新的难题，解决这些难题需要掌握高速旋转流场内水雾与水蒸汽的传热传质、流动规律及热力过程特征等。本项目拟开展高速旋转流场中喷入的水雾与原有水蒸汽之间的传热传质过程研究，通过数值模拟和试验研究流道内温度变化特征，掌握剧烈温度分布变化引起的粘性、阻力及变形规律，获得能够跟随水蒸汽流动的临界水雾直径及其冷却特性，给出合理确定喷雾冷却设计参数和热力性能的理论依据。本项目研究不仅能够揭示水蒸汽压缩机喷雾冷却热力过程的不同特征，补充对水蒸汽压缩机喷雾冷却特性的认识，提高水蒸汽压缩机的效率，更为优化MVR热泵系统提供理论指导和试验依据。

机械蒸汽再压缩热泵技术（MVR）是一项高效环保的节能技术，其能耗远远低于多效蒸发器的方案。水蒸汽压缩机是MVR技术的关键，水蒸汽干压缩过程中较大的过热度影响了压缩机的性能，降低了系统的效率。喷雾冷却是提高水蒸汽压缩机效率的有效手段。据估算，对水蒸汽压缩机采用喷雾冷却技术，将使热泵系统的效率提高10%左右，这对于机械蒸汽再压缩热泵系统性能的改善有很大的意义。. 本项目主要研究水蒸汽压缩机的物性特征、压缩机关键部件的气动设计方法、喷雾在压缩机运行过程中的变化特征，搭建了水蒸汽喷雾冷却压缩实验平台，揭示了喷雾压缩对机械蒸汽再压缩系统的影响规律，并提出了最佳喷雾压力、喷雾量和喷雾直径等参数，对实际废水处理系统的水蒸汽压缩机进行了喷雾改造，验证了喷雾对系统效率、有机物和重金属去除率的影响，并提出了一种避免压缩机腐蚀的闭式MVR系统。. IAPWS-IF97的1、2、4区公式是水蒸汽压缩机设计和性能分析的基本公式，该结果对于水蒸汽压缩机叶轮、蜗壳等部件的气动设计以及水蒸汽压缩机的流动分析具有一定的指导意义。研究表明喷雾量在1%-3.5%之间，出口过热度可降低10℃左右，压比提高1%左右，系统SMER提高15kg/kWh；喷雾直径越小，冷却效果越好，微米级喷雾能够明显降低压缩机过热度。以上结果为水蒸汽离心压缩机的喷雾改造提供了实际指导，包括喷雾量、喷雾压力、喷雾直径等参数的确定。MVR系统用于处理含有有机物和重金属的废水时，压缩机经喷雾改造后，从能耗角度看，系统效率有所提高，但从去除率来看，重金属和有机物的去除效率提高不明显。有机物和重金属是废水中最常见的物质，该结果对于废水MVR系统的改造有一定的指导意义。