蒸汽壓縮蒸餾裝置關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)是國際空間站從尿液中回收凈水在用技術(shù)。該技術(shù)將離心力及微重力環(huán)境共同作用下的氣液流動、分離、沸騰傳熱等問題耦合在一起，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，我國載人航天迫切需要研究這項技術(shù)。
　　本課題在考察美國蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)相關(guān)研究基礎(chǔ)上，采用先局部技術(shù)后整體技術(shù)、先地面重力環(huán)境后微重力環(huán)境的研究策略以及理論分析、數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的研究方法，對蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)所涉及的氣液分離、蒸汽產(chǎn)生、蒸汽壓縮以及維持減壓蒸餾的密封技術(shù)展開了

2、較為全面系統(tǒng)的地面預(yù)研，旨在通過關(guān)鍵技術(shù)的解決，搭建起蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)地面試驗系統(tǒng)。論文主要工作如下:
　　首先在自行設(shè)計的試驗裝置上進(jìn)行了尿液廢水減壓蒸餾技術(shù)水回收試驗，通過水質(zhì)試驗發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器內(nèi)壓力在2kPa到13kPa之間，蒸發(fā)器加熱溫度在39℃到57℃之間進(jìn)行減壓蒸餾試驗時，PH值和電導(dǎo)率均符合生活水質(zhì)要求。通過產(chǎn)水率試驗發(fā)現(xiàn)，平均產(chǎn)水量和產(chǎn)水率隨著蒸發(fā)器加熱溫度和轉(zhuǎn)速的升高而增加、隨著尿液濃度的增加而減小。
　　氣

3、液分離是蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)的第一步，氣液分離后尿液中的含氣量直接影響蒸氣壓縮蒸餾裝置蒸發(fā)過程能否正常進(jìn)行。論文以實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境下的氣液分離為目的，結(jié)合微重力環(huán)境以及被分離介質(zhì)的特點(diǎn)，初步設(shè)計了一種磁力驅(qū)動的錐式動態(tài)氣液分離器，建立了單氣泡在錐式動態(tài)氣液分離器環(huán)形間隙中的運(yùn)動微分方程，基于Fluent軟件，分析了錐式轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度、入口氣液混合物氣液比率、氣液混合物中氣泡直徑大小、氣液混合物的入口流量等參數(shù)對分離效果的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，

4、對內(nèi)錐轉(zhuǎn)鼓和外錐轉(zhuǎn)鼓的開孔位置以及開口方向進(jìn)行了改進(jìn)，改善了分離效果。
　　針對蒸餾單元，從理論上建立了離心慣性力作用下蒸發(fā)器內(nèi)尿液水蒸汽兩相流體流動模型、共軛換熱模型，基于Fluent軟件，通過開發(fā)自定義函數(shù)，將相變潛熱嵌入能量方程;模擬分析了不同旋轉(zhuǎn)速度及溫度下蒸發(fā)器內(nèi)液膜流場熱場分布規(guī)律，揭示了這些參數(shù)對產(chǎn)水率的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):VCD內(nèi)部軸向壓力與徑向壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而上升，產(chǎn)水量與產(chǎn)水率均隨旋轉(zhuǎn)速度和加熱溫度增加而上升，

5、使產(chǎn)水量最大的尿液進(jìn)口流量存在一個最佳值。
　　壓縮機(jī)是蒸汽壓縮蒸餾裝置實(shí)現(xiàn)水蒸氣壓縮的關(guān)鍵部件。為了改善壓縮機(jī)工作性能，提出了一種由圓弧、漸開線、圓弧包絡(luò)線組成的新型三葉羅茨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線，基于Creo2.0完成了三葉直葉和扭葉羅茨壓縮機(jī)的設(shè)計建模?；贔luent軟件采用動網(wǎng)格技術(shù)，對新型直葉和扭葉羅茨壓縮機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了羅茨壓縮機(jī)內(nèi)部壓力場變化規(guī)律以及出口流量脈動規(guī)律。結(jié)果表明，新型三葉羅茨壓縮機(jī)面積利用系數(shù)

6、提高了16％;升壓達(dá)到4000Pa左右，滿足工作要求;新型三葉扭葉羅茨壓縮機(jī)壓力脈動系數(shù)為14.2％，流量脈動系數(shù)為0.33，與傳統(tǒng)型線羅茨壓縮機(jī)相比，排氣口的壓力脈動和流量脈動小，工作更平穩(wěn)。
　　密封是決定蒸汽壓縮蒸餾裝置蒸發(fā)能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵，基于蒸汽壓縮蒸餾裝置的密封要求，擬采用磁性液體密封來解決。首先從理論上對磁性液體密封耐壓能力、磁性液體密封啟動力矩增大機(jī)理進(jìn)行了探究，提出了磁性液體制備時納米磁性顆粒尺度要求，依托我們

7、的現(xiàn)有制備工藝課題組制得密封用二酯基磁性液體;然后初步設(shè)計了蒸汽壓縮蒸餾裝置磁性液體密封結(jié)構(gòu)，基于ANSYS軟件通過數(shù)值模擬得到了密封極齒下磁場分布規(guī)律，并在旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗臺上進(jìn)行了耐壓能力和溫度測試，證明了數(shù)值模擬的正確性;最后開發(fā)了密封極齒下磁場分析的ANSYS參數(shù)化分析命令流，研究了極齒高度、極齒寬度以及槽寬對密封部位磁場的影響規(guī)律，確定了極齒參數(shù)的取值范圍，最后建立了磁性液體密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，使用MATLAB軟件對磁性液體密封結(jié)