热力蒸汽再压缩机制及增压特性研究

摘要

含盐特别是高盐废水的任意排放对环境造成严重影响，引起广泛关注。当前处理高盐废水仅有热法技术具有技术可行性，其热经济性是关键问题。在热法技术中，将蒸汽再压缩装置嵌入含盐废水多效蒸发流程中可有效利用二次蒸汽的潜热，具有明显的节能效果。机械蒸气再压缩技术热经济性最好，但核心真空蒸汽压缩机开发困难，技术推广缓慢。热力蒸汽再压缩（TVR）技术利用中低品质驱动蒸汽实现二次蒸汽潜热的部分利用，具有一定的节能效果和广泛的应用场合。当前，TVR技术核心设备包括基于定常流动的蒸汽喷射器和基于非定常流动的动态压力交换喷射器和波转子增压器等，其增压引射性能直接影响着TVR技术的热经济性。
　　本文完成蒸汽喷射器的设计校核程序，并针对静态蒸汽喷射器的结构及其与波转子增压器的性能进行充分研究，由此提出了驱动蒸汽和二次蒸汽的三维空间动量交换机制。尝试在驱动喷嘴上、下游放置旋流发生元件以引入周向动量交换，增强动量交换能力、降低蒸汽喷射器的轴向尺寸。本文通过数值分析和实验研究方式主要完成如下相关工作：
　　（1）基于水蒸气热力学模型，建立并完成以气体动力学和热力学理论的设计校核程序，设计结果与实验结果相比误差小于22.5%。以此为基础，利用计算流体力学完成蒸汽喷射器结构优化工作，发现驱动喷嘴出口距离混合室恒截面入口距离、混合室长度、驱动喷嘴扩散段与轴向夹角和混合室恒截面段半径这四个主要结构参数均存在一个最优值使喷射系数最大。
　　（2）完成搭建多效蒸发含盐水处理TVR实验平台，并整合文中多种蒸汽喷射器以及波转子增压器。利用该实验平台完成传统蒸汽喷射器与波转子增压器的实验研究，并发现在本文工况下，波转子增压器的增压比比传统蒸汽喷射器的增压比升高185%。但蒸汽喷射器具有结构简单、不存在动密封和引射性能优越等优势，更便于其开展进一步研究改进。
　　（3）针对所发现的传统蒸汽喷射器的动量交换能力不足的缺点，提出了驱动喷嘴内上、下游放置预旋流发生元件形成前置静态旋流蒸汽喷射器（Pre-SCSE）与后置静态旋流蒸汽喷射器（Post-SCSE）两种空间动量交换增强机制解决方案，并进行了详细的数值分析和实验研究，相关结论如下：
　　① Pre-SCSE与Post-SCSE均对空间动量交换能力有明显的改善。齿数8、齿高为1mm的Post-SCSE比动压比率（DPR）为2:1的Pre-SCSE的有效动压比率提高17.3倍，表明其具有更高的空间动量交换能力。
　　②在标准工况下，DPR的升高会缩短Pre-SCSE的主射流及冷凝区域长度，进而可以缩短混合室长度。在壅塞工况下，DPR的升高会提升Pre-SCSE的喷射系数，并且其喷射系数均高于传统蒸汽喷射器。
　　③ Post-SCSE在混合室中的径向湍流强度和湍流范围更广，并且其相比于传统蒸汽喷射器的混合室长度可以缩短近20.8%。在标准工况下文中的Post-SCSE均比传统蒸汽喷射器拥有更高的喷射系数。齿数及齿高的变化对Post-SCSE的喷射系数、主射流长度、混合室中径向主射流的形状以及近壁面冷凝情况等都具有明显的影响。其中齿高的增加最大可以缩短混合室长度的20%。
　　④在静态旋流蒸汽喷射器基础上，本文提出了后旋流动态蒸汽喷射器（Post-CDSE），并申报2项国家发明专利（201510286589.0、201710042657.8）。经过研究发现，Post-CDSE混合室长度可以比传统蒸汽喷射器缩短许多，并且混合室出口处的整流环可以将切向速度重新回收为轴向速度。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 含盐水处理技术分类及比较

1.3 喷射器的研究进展

1.4 气波增压技术研究进展

1.5 本文研究对象及内容

2 蒸汽喷射器设计及校核方法研究

2.1 蒸汽喷射器的结构及工作原理

2.2 蒸汽喷射器的设计方法研究

2.3 蒸汽喷射器的校核方法研究

2.4 设计方法与校核方法的对比研究

2.5 本章小结

3 蒸汽喷射器数值模型、边界条件及网格划分

3.1 物理模型

3.2 控制方程

3.3 湿蒸汽流动方程与相变模型

3.4 湍流模型

3.5 边界条件

3.6 网格划分及无关性

3.7 本章小结

4 多效蒸发含盐水处理实验平台及热力蒸汽再压缩装置研究

4.1 多效蒸发含盐水处理实验平台

4.2 传统蒸汽喷射器的结构研究

4.3 波转子增压器

4.4 本章小结

5 蒸汽喷射器空间动量交换增强研究

5.1 蒸汽喷射器空间动量交换增强方案

5.2 预旋流蒸汽喷射器的数值分析及实验研究

5.3 后旋流动态蒸汽喷射器的数值分析

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录A

附录B

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢