【摘要】：隨著人口的急劇增長(zhǎng)、工業(yè)化和城市化程度的不斷加深、生活水平的日益提高以及環(huán)境污染的加劇,淡水資源短缺問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。海水淡化是從源頭解決淡水資源匱乏的有效手段之一。低溫多效蒸發(fā)(LT-MEE)海水淡化技術(shù)由于具有能耗較低、產(chǎn)品水純度高、化學(xué)藥劑用量少以及腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)小等諸多優(yōu)點(diǎn),受到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。對(duì)熱力過(guò)程進(jìn)行細(xì)致分析和準(zhǔn)確把握,是發(fā)展多效蒸發(fā)海水淡化裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)。本文基于針對(duì)性實(shí)驗(yàn)所建立的數(shù)據(jù)庫(kù),建立了全面的LT-MEE海水淡化系統(tǒng)熱力過(guò)程數(shù)學(xué)模型,對(duì)裝置的熱力性能分析與優(yōu)化方法進(jìn)行了深入研究,旨在推動(dòng)具有完整科學(xué)內(nèi)涵的LT-MEE海水淡化裝置熱力性能分析理論的形成和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。基于熱力學(xué)第一定律和第二定律,建立了全面的LT-MEE海水淡化系統(tǒng)熱力過(guò)程數(shù)學(xué)模型。模型中包含了海水沸點(diǎn)升高和蒸汽流過(guò)傳熱管束、除沫器、蒸汽通道以及管內(nèi)冷凝過(guò)程的流動(dòng)阻力引起的熱力損失,流動(dòng)阻力和傳熱系數(shù)由針對(duì)性實(shí)驗(yàn)所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)得到,使得模型更為準(zhǔn)確全面。通過(guò)與實(shí)際裝置和文獻(xiàn)模型數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了本文所建立數(shù)學(xué)模型的有效性和先進(jìn)性。通過(guò)模擬計(jì)算,得到了二次蒸汽量、濃鹽水鹽度、溫度、傳熱系數(shù)和熱力損失等參數(shù)在各效蒸發(fā)/冷凝器中的分布及其隨設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律,對(duì)LT-MEE海水淡化系統(tǒng)的熱力過(guò)程進(jìn)行了深入分析,探討了進(jìn)料方式、預(yù)熱方式以及與熱力蒸汽壓縮器(TVC)相結(jié)合等因素對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響,對(duì)比分析了MEE和MEE-TVC兩種系統(tǒng)的熱力性能及炯損分布情況。研究結(jié)果表明,流動(dòng)阻力和沸點(diǎn)升高引起的熱力損失對(duì)系統(tǒng)熱力性能具有重要影響,通過(guò)對(duì)熱力過(guò)程的分析,歸納出LT-MEE海水淡化裝置“小溫差、低流阻、飽和態(tài)、高敏感”的熱力過(guò)程特征：當(dāng)以二次蒸汽為預(yù)熱熱源時(shí),預(yù)熱器位置后移、預(yù)熱器溫升增大,均有利于提高裝置的熱力性能；與MEE系統(tǒng)相比,MEE-TVC系統(tǒng)的造水比顯著提高,比冷卻水量和比傳熱面積均有不同程度下降。將準(zhǔn)確熱力過(guò)程模型-響應(yīng)面近似模型-多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的方法應(yīng)用于LT-MEE海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。首先基于總收益需求法,建立了LT-MEE海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型,即經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)-單位質(zhì)量造水成本的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型。然后基于準(zhǔn)確的熱力過(guò)程模型建立LT-MEE海水淡化系統(tǒng)性能參數(shù)的響應(yīng)面近似模型,針對(duì)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題(造水比最大、比炯耗最大和單位質(zhì)量造水成本最小),采用改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法(NSGA-II)對(duì)其進(jìn)行求解,最終得到Pareto最優(yōu)解集。從目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、(火用)損分布和成本構(gòu)成方面,對(duì)比分析了基于不同偏好的最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。優(yōu)化結(jié)果顯示：對(duì)于MEE-TVC海水淡化系統(tǒng),與算例的初始方案相比,從Pareto最優(yōu)解集中篩選出的偏好熱力學(xué)性能最優(yōu)的方案,其造水比提高44.6%,比(火用)耗降低26.7%,偏好經(jīng)濟(jì)學(xué)性能最優(yōu)的方案單位質(zhì)量造水成本減小13.7%,從而表明本文所采用的優(yōu)化方法能夠取得顯著的優(yōu)化效果,同時(shí)也顯示出對(duì)低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。
[Abstract]:With the rapid growth of population, the deepening of industrialization and urbanization, the improvement of living standards and the aggravation of environmental pollution, the shortage of fresh water resources has become a key factor restricting economic development. Chemical technology has attracted much attention from academia and engineering circles because of its advantages such as low energy consumption, high purity of product water, low dosage of chemical reagents and low risk of corrosion and scaling. Detailed analysis and accurate grasp of the thermal process are the basis for the development of optimal design technology of multi-effect evaporative seawater desalination unit. A comprehensive mathematical model of thermal process of LT-MEE seawater desalination system is established based on the database established by the sex experiment. The thermal performance analysis and optimization methods of the device are studied in depth. The purpose is to promote the formation of the theory of thermal performance analysis of LT-MEE seawater desalination device with complete scientific connotation and the development of advanced technology. Based on the first and second laws of mechanics, a comprehensive mathematical model for the thermal process of LT-MEE seawater desalination system is established. The model includes the thermal losses caused by the elevation of seawater boiling point and the flow resistance of steam through heat transfer tube bundles, demisters, steam passages and condensation process in tubes. The flow resistance and heat transfer coefficient are established by pertinent experiments. The validity and advancement of the mathematical model established in this paper are verified by comparing with the actual equipment and the data of the literature model. The parameters of secondary steam, salinity of concentrated brine, temperature, heat transfer coefficient and thermal loss are obtained by simulation calculation. The thermal process of LT-MEE seawater desalination system is analyzed in detail. The effects of feed mode, preheating mode and combination with thermodynamic vapor compressor (TVC) on the thermal performance of the system are discussed. The thermal performance and the distribution of the enthalpy loss of MEE and MEE-TVC systems are compared and analyzed. The results show that the thermal loss caused by flow resistance and boiling point increase has an important influence on the thermal performance of the system. Through the analysis of the thermal process, the thermal process characteristics of LT-MEE seawater desalination unit with "small temperature difference, low flow resistance, saturated state, high sensitivity" are summarized. Compared with MEE system, the water-making ratio of MEE-TVC system is significantly increased, and the specific cooling water volume and specific heat transfer area are reduced to varying degrees. In the optimization design of the system, the economic model of LT-MEE seawater desalination system, i.e. the detailed mathematical model of economic performance evaluation index-unit quality water production cost, is established based on the total revenue demand method. Then the response surface approximation model of the performance parameters of LT-MEE seawater desalination system is established based on the accurate thermodynamic process model. An improved multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) is used to solve the traditional multi-objective optimization problem (maximum water-making ratio, maximum specific energy consumption and minimum unit quality water-making cost). The Pareto optimal solution set is obtained. The optimization based on different preferences is compared and analyzed in terms of objective function, design variables, (exergy) loss distribution and cost composition. The optimization results show that, for MEE-TVC seawater desalination system, compared with the initial scheme of the example, the scheme with the optimum thermodynamic performance selected from the Pareto optimal solution set has 44.6% higher water-making ratio, 26.7% lower exergy consumption and 13.7% lower water-making cost per unit quality of the scheme with the optimum economic performance. This shows that the optimization method adopted in this paper can achieve remarkable optimization results, and also shows the necessity of optimizing the design of low-temperature multi-effect evaporative seawater desalination system.
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P747

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本文編號(hào)：2233575