蒸汽压缩蒸馏装置关键技术研究

发布时间：2018-05-11 04:01

本文选题：尿液回收 + 产水率　；参考：《北京交通大学》2016年博士论文

【摘要】：蒸汽压缩蒸馏技术是国际空间站从尿液中回收净水在用技术。该技术将离心力及微重力环境共同作用下的气液流动、分离、沸腾传热等问题耦合在一起,具有相当的复杂性,我国载人航天迫切需要研究这项技术。本课题在考察美国蒸汽压缩蒸馏技术相关研究基础上,采用先局部技术后整体技术、先地面重力环境后微重力环境的研究策略以及理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法,对蒸汽压缩蒸馏技术所涉及的气液分离、蒸汽产生、蒸汽压缩以及维持减压蒸馏的密封技术展开了较为全面系统的地面预研,旨在通过关键技术的解决,搭建起蒸汽压缩蒸馏技术地面试验系统。论文主要工作如下：首先在自行设计的试验装置上进行了尿液废水减压蒸馏技术水回收试验,通过水质试验发现,蒸发器内压力在2 kPa到13 kPa之间,蒸发器加热温度在39℃到57℃之间进行减压蒸馏试验时,PH值和电导率均符合生活水质要求。通过产水率试验发现,平均产水量和产水率随着蒸发器加热温度和转速的升高而增加、随着尿液浓度的增加而减小。气液分离是蒸汽压缩蒸馏技术的第一步,气液分离后尿液中的含气量直接影响蒸气压缩蒸馏装置蒸发过程能否正常进行。论文以实现微重力环境下的气液分离为目的,结合微重力环境以及被分离介质的特点,初步设计了一种磁力驱动的锥式动态气液分离器,建立了单气泡在锥式动态气液分离器环形间隙中的运动微分方程,基于Fluent软件,分析了锥式转鼓的旋转速度、入口气液混合物气液比率、气液混合物中气泡直径大小、气液混合物的入口流量等参数对分离效果的影响,并根据分析结果,对内锥转鼓和外锥转鼓的开孔位置以及开口方向进行了改进,改善了分离效果。针对蒸馏单元,从理论上建立了离心惯性力作用下蒸发器内尿液水蒸汽两相流体流动模型、共轭换热模型,基于Fluent软件,通过开发自定义函数,将相变潜热嵌入能量方程；模拟分析了不同旋转速度及温度下蒸发器内液膜流场热场分布规律,揭示了这些参数对产水率的影响。经分析发现：VCD内部轴向压力与径向压力随转速的增加而上升,产水量与产水率均随旋转速度和加热温度增加而上升,使产水量最大的尿液进口流量存在一个最佳值。压缩机是蒸汽压缩蒸馏装置实现水蒸气压缩的关键部件。为了改善压缩机工作性能,提出了一种由圆弧、渐开线、圆弧包络线组成的新型三叶罗茨压缩机转子型线,基于Creo2.0完成了三叶直叶和扭叶罗茨压缩机的设计建模。基于Fluent软件采用动网格技术,对新型直叶和扭叶罗茨压缩机内部流场进行了数值模拟,得到了罗茨压缩机内部压力场变化规律以及出口流量脉动规律。结果表明,新型三叶罗茨压缩机面积利用系数提高了16%;升压达到4000Pa左右,满足工作要求；新型三叶罗茨压缩机压力脉动系数为14.2%，流量脉动系数为0.33.与传统型线罗茨压缩机相比.排气口的压力脉动和流量脉动小,工作更平稳。密封是决定蒸汽压缩蒸馏装置蒸发能否正常进行的关键,基于蒸汽压缩蒸馏装置的密封要求,拟采用磁性液体密封来解决。首先从理论上对磁性液体密封耐压能力、磁性液体密封启动力矩增大机理进行了探究,提出了磁性液体制备时纳米磁性颗粒尺度要求,依托我们的现有制备工艺课题组制得密封用二酯基磁性液体：然后初步设计了蒸汽压缩蒸馏装置磁性液体密封结构,基于ANSYS软件通过数值模拟得到了密封极齿下磁场分布规律,并在旋转密封实验台上进行了耐压能力和温度测试,证明了数值模拟的正确性；最后开发了密封极齿下磁场分析的ANSYS参数化分析命令流,研究了极齿高度、极齿宽度以及槽宽对密封部位磁场的影响规律,确定了极齿参数的取值范围,最后建立了磁性液体密封结构的优化模型,使用MATLAB软件对磁性液体密封结构进行优化,达到了减小磁性液体密封结构重量的目标。最后设计了能进行水回收试验的系统试验装置,开发了温度和压力测定程序。论文的研究结论,可为蒸气压缩蒸馏技术的进一步研究提供基础。
[Abstract]:On the basis of the research of the technology of steam compression and distillation , the research methods of vapor - liquid separation , steam generation , steam compression and maintenance of vacuum distillation under the action of centrifugal force and micro - gravity environment have been carried out .
In order to improve the working performance of the compressor , a new type of three - blade Roots compressor rotor - type line composed of circular arc , involute and circular arc envelope is presented .
The pressure fluctuation coefficient of a new type three - lobe Roots compressor is 14.2 % , and the flow pulsation coefficient is 0.33 . Compared with the traditional line Roots compressor , the pressure fluctuation and the flow pulsation of the exhaust port are small and the operation is more stable .
In the end , the ANSYS parametric analysis command flow is developed for the analysis of magnetic field under sealed polar tooth . The influence law of pole tooth height , tooth width and groove width on the magnetic field in the sealing part is studied . The optimal model of magnetic liquid sealing structure is established . Finally , the system test device for water recovery test is designed , temperature and pressure measuring procedure is developed . The research conclusion of this paper can provide the basis for further research of vapor compression distillation technology .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.8

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