林德榮，陳榮明，吳任之，張興文（. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，雅安 6504； . 哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 50090）

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循環(huán)式蒸餾水器設(shè)計(jì)及降溫裝置效果試驗(yàn)

林德榮1，陳榮明1，吳任之1，張興文2
（1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，雅安 625014； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

摘要：針對(duì)目前蒸餾水器存在冷卻水浪費(fèi)嚴(yán)重現(xiàn)象，提出利用風(fēng)扇產(chǎn)生冷風(fēng)對(duì)冷卻水降溫處理達(dá)到循環(huán)冷卻的目的，設(shè)計(jì)出循環(huán)式蒸餾水器，通過理論公式和試驗(yàn)分析確定循環(huán)式蒸餾水器最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳工作參數(shù)。同時(shí)針對(duì)蒸餾水器蒸發(fā)鍋外壁溫度過高，熱量損失嚴(yán)重，而且存在安全隱患，采用真空絕熱板（vacuum insulation panel，VIP）對(duì)蒸發(fā)鍋外壁隔熱處理，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)采用單層VIP蒸發(fā)鍋外壁溫度從96降到43℃，熱量損失8.12 W；采用雙層VIP蒸發(fā)鍋外壁溫度從96降到28℃，熱量損失5.32 W，相對(duì)單層VIP真空絕熱板溫度降低了28.3 %、熱量損失降低了34.5 %，雙層VIP真空絕熱具有良好的隔熱性能，可提高設(shè)備的安全性。降溫裝置的效果試驗(yàn)表明：在室溫25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫50℃的條件下，降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳工作參數(shù)為降溫板水平角度60°、降溫裝置進(jìn)口水流量43.3 mL/s、風(fēng)扇風(fēng)速6.0 m/s，降溫裝置出口水溫為26℃，冷卻水溫度降低了48%，符合冷凝的要求。該研究可為蒸餾水器的改進(jìn)提供結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)參考。

關(guān)鍵詞：水；設(shè)計(jì)；降溫；蒸餾水器；循環(huán)式；降溫裝置；真空絕熱板

林德榮，陳榮明，吳任之，張興文. 循環(huán)式蒸餾水器設(shè)計(jì)及降溫裝置效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（2）：64－70.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.010http://www.tcsae.org

Lin Derong， Chen Rongming， Wu Renzhi， Zhang Xingwen. Design of circulating distilled water device and experiment on effect of cooling device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016，32（2）: 64－70. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.010http://www.tcsae.org

Email：lindr2018@sicau.edu.cn

0　引　言

蒸餾水在食品、科研、醫(yī)療、化工、試驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，蒸餾水的生產(chǎn)主要依靠蒸餾水器。快速和經(jīng)濟(jì)地得到蒸餾水一直是化工生產(chǎn)的重要研究課題，針對(duì)蒸餾水器的改進(jìn)勢在必行。

在國外有研究表明通過降低鍋內(nèi)蒸汽壓，提高真空度，從而降低蒸發(fā)所需的沸點(diǎn)，增加蒸餾水的產(chǎn)量，達(dá)到耗能最低，資源節(jié)約化[1]；Butterton S[2]利用海水，通過過濾、吸附等步驟后進(jìn)行蒸餾；Cor N B[3]從節(jié)約空間的角度出發(fā)，裝置為立體長方形，從上到下包括冷卻區(qū)、加熱區(qū)、蓄水部分，其中蓄水區(qū)安裝在蒸餾水器的最底部，可充分利用空間。美國研制的Zee Weed（一種抗氯微濾中空纖維膜）浸入式超濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)將一組UF膜（ultrafiltratiou membrane，超濾膜）放入體積較大的、盛有待處理水的水槽中，在負(fù)壓下完成超濾過程，而后把超濾出的水送入反滲透處理系統(tǒng)，制備蒸餾水，該系統(tǒng)凈化效率高，但體積大、引入了負(fù)壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]。

在國內(nèi)，有研究將海水凈化、淡化后進(jìn)行蒸餾，該方法可顯著減少水資源浪費(fèi)[5]，但是該法工序復(fù)雜、成本高；也有從蒸餾水器的安全以及節(jié)約人力方面進(jìn)行研究，如范大昌[6]研制出自動(dòng)報(bào)警蒸餾水器，當(dāng)水位達(dá)到最高水位值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥門接通電源，同時(shí)當(dāng)蒸餾水流出的量達(dá)到容器能裝載的最大容量時(shí)，液面警報(bào)器也會(huì)發(fā)出警報(bào)，避免蒸餾水溢出；宋國強(qiáng)[7]研究用UF膜作用純水裝置的前處理方法，通過優(yōu)化確定UF膜各項(xiàng)參數(shù)，但是UF膜易污染、易堵塞；李斯特等[8]研究發(fā)現(xiàn)施加電場后蒸發(fā)速度約為不施加電場的1.4倍，蒸發(fā)速度隨施加電壓的增高而增高。目前國內(nèi)常用蒸餾水器為電熱式蒸餾水機(jī)（又稱水冷式蒸餾水機(jī)），分為筒式電熱蒸餾水器和玻璃管式電熱蒸餾水器2種[9]。筒式電熱蒸餾水器出水量大、制水成本低，但它采用自來水冷卻，多余冷卻水白白流失[10]；玻璃管式電熱蒸餾水器出水量較小，有過熱、缺水、斷電保護(hù)，但同樣存在水浪費(fèi)問題[11]。水冷式蒸餾水機(jī)生產(chǎn)1 000 mL蒸餾水需要自來水26 L，冷卻水浪費(fèi)量為38.5 mL/s，水資源的利用率為3.8%[12]；同時(shí)蒸餾水機(jī)長時(shí)間使用，蒸發(fā)鍋外壁溫度可達(dá)96℃，存在安全隱患[13]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種循環(huán)式蒸餾水器[14]，對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫處理循環(huán)利用；同時(shí)針對(duì)蒸發(fā)鍋易散熱、外壁溫度過高，設(shè)計(jì)雙層真空隔熱裝置，防止熱能散失，避免外壁溫度過高存在安全隱患。本文旨在完善循環(huán)式蒸餾水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)蒸餾水，提高水資源的利用率。

1　循環(huán)式蒸餾水器的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1循環(huán)式蒸餾水器的結(jié)構(gòu)

該循環(huán)式蒸餾水器主要由蒸餾裝置、降溫裝置和蓄水池三部分組成，三部分通過水管和水泵進(jìn)行連接，形成回路循環(huán)系統(tǒng)。其中蒸餾裝置由加熱器、蒸發(fā)鍋、蒸汽管道和冷凝器組成[15]，雙層真空絕熱板在蒸發(fā)鍋外壁；降溫裝置由降溫板、風(fēng)扇、蓄水池和304不銹鋼外殼組成。蒸發(fā)鍋底部是加熱器，蒸發(fā)鍋頂部設(shè)置有一蒸汽管道，蒸汽管道又設(shè)置于冷凝器內(nèi)部，冷凝器設(shè)置有蒸餾水出水管，第一蓄水池包括采用隔板分隔且上部連通的回流池和溢流池兩個(gè)池體，蒸發(fā)鍋連通至回流池，溢流池底端通過一出水管連通第三蓄水池，第三蓄水池出口端設(shè)置有第二水泵，第二水泵的出口端與自來水總管一起連通至降溫裝置，降溫板底部設(shè)置有第二蓄水池，第二蓄水池的冷卻水經(jīng)設(shè)置于其出口端的第一水泵輸送至回流池形成管道回路。循環(huán)式蒸餾水器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，實(shí)物圖如1b所示。

圖1　循環(huán)式蒸餾水器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖Fig.1　Structure diagram and real products of circulating distiller water device

1.2循環(huán)式蒸餾水器的工作原理

1.2.1蒸餾裝置的工作原理

蒸餾裝置由加熱器、蒸發(fā)鍋、蒸汽管道和冷凝器組成，其工作原理是，電加熱器工作，其加熱器產(chǎn)生大量的熱能與蒸發(fā)鍋中的自來水發(fā)生熱交換使自來水沸騰產(chǎn)生大量的水蒸氣，水蒸氣經(jīng)由蒸汽管道進(jìn)入冷凝器；冷凝器外側(cè)由上至下通有冷的冷卻水，冷凝器銅管內(nèi)的水蒸氣與銅管外側(cè)冷的冷卻水之間進(jìn)行熱交換，水蒸氣變?yōu)橐簯B(tài)的蒸餾水，液態(tài)的蒸餾水由冷凝器下端的蒸餾水出口經(jīng)軟管排到容器中[16]；同時(shí)，熱交換過程中冷卻水吸收較多熱量溫度升高，流至第一蓄水池分為兩部分，一部分進(jìn)入回流池，用于補(bǔ)充蒸發(fā)鍋內(nèi)因水蒸氣蒸發(fā)而產(chǎn)生的自來水消耗，另一部分則流入溢流池通過底下軟管流入第三蓄水池；通過調(diào)整第一水泵的轉(zhuǎn)速使溢流池的水位維持在設(shè)備安全水位線處。

1.2.2降溫裝置的工作原理

該裝置是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，用于對(duì)冷卻水的降溫，主要由：降溫板、風(fēng)扇、蓄水池和304不銹鋼外殼組成；降溫板則由鋁合金百葉窗、管道和紗布構(gòu)成。其工作原理是，第二水泵把第三蓄水池中熱的冷卻水輸送到降溫板上與自來水總管中少量的自來水混合，經(jīng)一根有均勻小孔的管道流到鋪有單層紗布百葉窗上，冷卻水被均勻的分布在紗布上，同時(shí)紗布與百葉窗接觸處會(huì)截留少部分冷卻水，更有利于降溫，通過風(fēng)扇產(chǎn)生的冷風(fēng)對(duì)紗布上分布的熱的冷卻水進(jìn)行蒸發(fā)散熱和對(duì)流散熱，產(chǎn)生的熱氣流從機(jī)殼后側(cè)通風(fēng)口排出，散熱后的冷卻水流入第二蓄水池，通過第一水泵將其送入冷凝器中繼續(xù)對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻[14]。

1.3循環(huán)式蒸餾水器的主要技術(shù)參數(shù)

完成降溫裝置、蒸發(fā)鍋外壁和蓄水池設(shè)計(jì)后，通過水管和水泵與蒸餾水器連接，研制出循環(huán)式蒸餾水器，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2　蒸發(fā)鍋外壁隔熱設(shè)計(jì)和隔熱性能分析

2.1蒸發(fā)鍋外壁隔熱設(shè)計(jì)

目前實(shí)驗(yàn)室蒸餾裝置主要以HS.Z11.5電熱式蒸餾水器、PD500.5多效蒸餾水器、LD500.4.CB多效蒸餾水器等系列為主[17]，其蒸發(fā)鍋外壁均不具有保溫、防燙功能[13]。本設(shè)計(jì)在蒸發(fā)鍋外壁加真空絕熱板進(jìn)行保溫和隔熱作用，有利于減少熱量散失，既能起到防燙的作用，又能節(jié)約能源。真空絕熱板是近年迅速發(fā)展的保溫隔熱材料，是基于真空絕熱原理，通過最大限度提高板內(nèi)真空度并填充芯層絕熱材料來實(shí)現(xiàn)減少對(duì)流和輻射換熱；一般來說，在同等厚度條件下，真空絕熱板具有10倍于傳統(tǒng)材料的優(yōu)異絕熱性能[18]。

2.2真空絕熱板隔熱性能分析

本試驗(yàn)所使用的蒸餾水器電壓為220 V，外壁直徑220 mm，蒸發(fā)鍋外壁溫度為96℃；所使用的真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)為0.003 W/（m·℃），厚度為15 mm。

表1　循環(huán)式蒸餾水器的技術(shù)參數(shù)Table 1 Design technical parameters of circulating distilled water device

在蒸發(fā)鍋外壁加一層真空絕熱板時(shí)，真空絕熱板外部溫度為43℃，根據(jù)傅立葉第一定律計(jì)算熱量損失為8.12 W；在蒸發(fā)鍋外壁加兩層真空絕熱板時(shí)，真空絕熱板外部溫度為28℃，根據(jù)傅立葉第一定律計(jì)算熱量損失為5.32 W。由于雙層真空絕熱板相對(duì)單層真空絕熱板溫度降低了28.3%，熱量損失降低了34.5%，故雙層真空絕熱板性能優(yōu)于單層真空絕熱板，而且雙層真空絕熱板外部溫度為28℃，符合安全值，因此采用雙層真空絕熱板。傅立葉第一定律公式[19]如下

式中W為單位每米損失的熱量，W；l為圓筒的長度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）；t1為內(nèi)壁溫度，℃；t2為外壁溫度，℃；r1為內(nèi)壁半徑，m；r2為外壁半徑，m。

3　降溫裝置各項(xiàng)參數(shù)的分析

3.1風(fēng)速參數(shù)

熱水水面向大氣散熱有3種形式[20]：對(duì)流散熱、蒸發(fā)散熱、輻射散熱。本降溫裝置主要利用風(fēng)扇產(chǎn)生的冷風(fēng)對(duì)水面進(jìn)行散熱，主要考慮對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱。蒸發(fā)系數(shù)公式為[21-22]

式中β為水面蒸發(fā)系數(shù)，W/（m2·hPa）；ω為水面風(fēng)速，m/s；t為水溫度，℃；θ為空氣的干球溫度，℃。

對(duì)流和蒸發(fā)散熱之和以焓差表示為[22]

式中Q為對(duì)流和蒸發(fā)散熱之和，J；P0為大氣壓，hPa；L為水的汽化熱，kJ/kg；ht為水溫t相應(yīng)的飽和空氣焓，kJ/kg；hθ為空氣干球溫度θ的焓，kJ/kg；A為水氣交面面積，m2；βα為蒸發(fā)系數(shù)，βα＝ P0·β/（0.623 L）。

由式（2）和式（3）可知，風(fēng)速與水面散熱成正比。風(fēng)速使接近水表面的空氣連續(xù)不斷地被擾動(dòng)將接近飽和的空氣帶走，代之以干燥的空氣，使蒸發(fā)加速[23]。風(fēng)速越大，蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈，則水面散失的熱量也越多，冷卻水的溫度降低得越快。但是冷卻水的溫度不可能一直降低，當(dāng)冷卻水的溫度降低到室溫后，水面蒸發(fā)已經(jīng)減慢，不管風(fēng)速再繼續(xù)加大，冷卻水的溫度已經(jīng)達(dá)到最低點(diǎn)，因此風(fēng)速有一個(gè)最大值[24]。

由上述的推論可知，發(fā)現(xiàn)影響蒸發(fā)系數(shù)βα的因素有風(fēng)速ω、水溫t和水流速u[20]。由于進(jìn)入降溫裝置冷卻水的溫度是恒定的，可忽略水溫t的影響，故主要考慮風(fēng)速ω和降溫板上水的流速u的影響，所以蒸發(fā)系數(shù)βα是風(fēng)速ω和水流速u的函數(shù)βα＝f（ω,u），其形式由試驗(yàn)決定。

3.2降溫板水平角度參數(shù)

3.2.1降溫板水平角度與降溫板上冷卻水流速關(guān)系分析

降溫板的水平角度直接影響到流經(jīng)降溫板上面的冷卻水的流速，把降溫板上面的冷卻水看成初速度為0的物體進(jìn)行分析，冷卻水在降溫板上受到重力mg和降溫板的支持力N，假設(shè)忽略降溫板的摩擦阻力。根據(jù)物體受力平衡可知

式中m為物體的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；N為物體的支持力，N；γ為降溫板的水平角度，（°）；F為降溫板斜面向下的力，N；ɑ為降溫板斜面向下的加速度，m/s2。

由式（5）可推導(dǎo)出

勻加速運(yùn)動(dòng)物體的位移、加速度和速度關(guān)系為[25]

式中s為降溫板的斜面長度，m；u0為冷卻水的初速度，m/s；T為時(shí)間，s；u1為冷卻水的末速度，m/s。

由于假設(shè)冷卻水的初速度為0，由式（7）和式（8）可推導(dǎo)出末速度u1表達(dá)式為

降溫板上冷卻水的平均流速為

式中u為降溫板上冷卻水的平均流速，m/s。

由式（10）可知，在降溫板斜面長度一定的情況下，降溫板水平角度與降溫板上冷卻水的流速成正比，隨著降溫板水平角度的增大，降溫板上冷卻水的流速也逐漸增大。當(dāng)降溫板水平角度為90o時(shí)，降溫板上冷卻水流速達(dá)到最大。

3.2.2降溫板上冷卻水流速與散熱系數(shù)關(guān)系分析

根據(jù)能量守恒原理，降溫裝置散熱的過程應(yīng)滿足降溫板上冷卻水側(cè)散失的熱量等于空氣側(cè)吸收的熱量，即[26]

式中ρ為水的密度，kg/m3；V為降溫板上的水流量，m3/s；Cp為水的定壓比熱容，J/（kg·℃）；t3和t4分別為降溫板進(jìn)口水溫度和出口水溫度，℃；kS為蒸發(fā)散熱系數(shù)，W/（m2·℃）；?tm為空氣側(cè)與水側(cè)的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

流經(jīng)降溫板上的水流量V可用式（12）表示，水流速對(duì)蒸發(fā)散熱系數(shù)的影響可由式（11）和式（12）推出。

式中A0為降溫板上冷卻水橫截面積，m2。

由式（13）可知，水流速與散熱系數(shù)成正比，當(dāng)水流速增加時(shí)，水面的散熱能力也增加。在降溫板蒸發(fā)散熱調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)蒸發(fā)散熱和對(duì)流散熱原理，為了提高降溫裝置的降溫效果，應(yīng)提高空氣側(cè)和降溫板水面?zhèn)鹊纳嵝阅埽諝鈧?cè)的散熱主要影響因素是迎面風(fēng)速；降溫板水面?zhèn)壬岬闹饕绊懸蛩厥墙禍匕迳侠鋮s水的流速，而降溫板上冷卻水的流速又受到降溫板水平角度的影響。薛殿華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，表冷器傳熱系數(shù)隨著水流速的增加而增加，但傳熱系數(shù)的變化斜率是隨著水流速的增加而逐漸變小的，按照這種變化趨勢，傳熱系數(shù)的變化會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，主要是由于水的流速快到一定程度時(shí)其中的能量還來不及進(jìn)行熱交換就流傳了表冷器。這將導(dǎo)致出口水溫降低，進(jìn)出水溫差減小，表冷器傳熱系數(shù)有所下降[28]。因此，可判斷當(dāng)降溫板上冷卻水的流速增加到一定值時(shí)，降溫裝置的散熱系數(shù)將有所下降，所以不是降溫板水平角度越大越好。

3.3降溫裝置進(jìn)口水流量參數(shù)

降溫裝置進(jìn)口水流量等于降溫板上的水流量V，由式（12）知，降溫板上的水流量V受到降溫板斜面面積和降溫板上冷卻水的平均流速的影響。在降溫裝置結(jié)構(gòu)確定后，降溫板斜面面積也就確定，所以影響降溫裝置的注水流量的主要因素是降溫板上冷卻水的平均流速，降溫板上冷卻水的平均流速又受到降溫板的水平角度的影響。同時(shí)，降溫裝置進(jìn)口水流量的多少還要考慮降溫裝置的降溫效率，降溫效率主要由風(fēng)速和流速影響。但是降溫裝置的進(jìn)口水流量不能由式（12）計(jì)算，主要是因?yàn)榻禍匕迳侠鋮s水的流速是一個(gè)變量。降溫裝置的進(jìn)口水流量由第二水泵水流量和自來水總管水流量組成。

降溫裝置進(jìn)口水流量V組成公式為

式中V1表示第二水泵水流量，m3/s；V2表示自來水總管水流量，m3/s。

降溫裝置的進(jìn)口水流量可由第二水泵水流量和自來水總管水流量調(diào)控，由于自來水總管水流量等于蒸餾器蒸餾水的出水量，因此只能通過第二水泵水流量來進(jìn)行調(diào)控。在試驗(yàn)臺(tái)上通過變頻器調(diào)節(jié)水泵頻率來實(shí)現(xiàn)水流量的調(diào)節(jié)[29]，使降溫裝置進(jìn)口水流量達(dá)到穩(wěn)定值，增加降溫裝置的降溫效果。

4　降溫裝置主要參數(shù)的確定及性能試驗(yàn)

4.1降溫裝置進(jìn)口水流量參數(shù)的確定

由式（14）知，降溫裝置的進(jìn)口水流量由兩部分組成。經(jīng)測定蒸餾水器正常工作蒸餾水出水量為1.6 mL/s，因此自來水總管的進(jìn)水量為1.6 mL/s。第二水泵在額定工作電壓下，水流量是41.7 mL/s。因此由式（14）可求出降溫裝置的進(jìn)口水流量為43.3 mL/s。

4.2降溫板水平角度參數(shù)的確定

由前面對(duì)降溫板水平角度參數(shù)的分析可知，降溫板水平角度與降溫板上冷卻水的流速成正比，隨著降溫板水平角度的增大，降溫板上冷卻水的流速也逐漸增大；同時(shí)水的流速與蒸發(fā)散熱系數(shù)成正比，隨著水的流速增大，蒸發(fā)散熱系數(shù)也增大[26]。但是當(dāng)降溫板上冷卻水的流速增加到一定值時(shí)，降溫裝置的散熱系數(shù)將有所下降[30]。因此降溫板水平角度間接對(duì)蒸發(fā)散熱系數(shù)產(chǎn)生影響。因此需要通過試驗(yàn)確定降溫板最佳的水平角度，在室溫溫度為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫度為50℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/s、風(fēng)速為5.0 m/s的條件下，分別測定不同降溫板水平角度下對(duì)降溫裝置出口水溫度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　降溫板角度對(duì)降溫裝置出口水溫度的影響Fig.2　Effect of cooling plate angle on outlet water temperature of temperature reducing device

由圖2可知，降溫裝置出口水溫度隨著降溫板水平角度增大而減小，但是降溫裝置出口水溫度的變化斜率是隨著降溫板水平的角度增大而逐漸變小的。按照這種變化趨勢，降溫裝置的出口水溫度會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)降溫板水平角度達(dá)到60°時(shí)降溫裝置的出口水溫度達(dá)到最低28℃。由式（10）和式（13）可知，這主要是因?yàn)殡S著降溫板水平角度的增大，降溫板上冷卻水的流速也增大，又因?yàn)槔鋮s水的流速與蒸發(fā)散熱系數(shù)呈正比[24]，所以降溫裝置出口水溫度逐漸降低。但是隨著降溫板水平角度超過60°后，降溫裝置的出口水溫度變化不明顯，而且有上升的趨勢。這主要是因?yàn)殡S著降溫板水平角度增大降溫板上冷卻水流速快到一定程度時(shí)，降溫板上的冷卻水的能量來不及進(jìn)行散熱就流出降溫裝置，導(dǎo)致降溫裝置的出口水溫度變化不明顯甚至有上升的趨勢[28]。

由試驗(yàn)分析可知，當(dāng)室溫溫度為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫度為50℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/s、風(fēng)速為5.0 m/s的條件下，降溫板水平角度達(dá)到60°時(shí)，降溫裝置的出口水溫度最低，散熱效果最好，出口水溫為28℃。

4.3風(fēng)速參數(shù)的確定

由前面對(duì)風(fēng)速參數(shù)分析可知，風(fēng)速與水面的蒸發(fā)散熱和對(duì)流散熱成正比，隨著風(fēng)速的增加，水面的熱量散失加快[22]。但是風(fēng)速不可能無限增加，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一定值后降溫裝置出口水溫將趨于穩(wěn)定[24]。因此需要通過試驗(yàn)確定風(fēng)扇最佳的風(fēng)速，在室溫為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫為50℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/s、降溫板水平角度為60°的條件下，分別測定風(fēng)扇不同風(fēng)速下對(duì)降溫裝置出口水溫的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)降溫裝置出口水溫度的影響Fig.3　Effect of fan speed on outlet water temperature of temperature reducing device

從圖3可知，降溫裝置出口水溫度隨著風(fēng)扇風(fēng)速的增大而逐漸減小，而后逐漸趨與平穩(wěn)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6 m/s時(shí)，降溫裝置的出口水溫度最低為26℃。由式（2）和式（3）分析可知，首先隨著風(fēng)扇風(fēng)速的增大，降溫板的水面蒸發(fā)系數(shù)也增大，降溫板水面熱量散失也加快，所以降溫裝置出口水溫逐漸降低。當(dāng)風(fēng)速增大到6 m/s后，降溫裝置出口水溫趨于平穩(wěn)，這主要是因?yàn)槔鋮s水的水溫降低到接近室溫，蒸發(fā)散熱的驅(qū)動(dòng)力減小[31]；同時(shí)由于風(fēng)速過大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇功率過大產(chǎn)生部分熱量，影響降溫效果[32]。風(fēng)扇的最佳風(fēng)速受到環(huán)境溫度的影響，在不同的環(huán)境溫度下均存在一個(gè)最佳的風(fēng)速，而且這個(gè)最佳風(fēng)速隨著環(huán)境溫度的降低而降低[24]。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)室溫溫度為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫度為50℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/s、降溫板水平角度為60°的條件下，風(fēng)扇的風(fēng)速為6 m/s時(shí)，降溫裝置的出口水溫度最低，散熱效果最好，出口水溫為26℃。

4.4降溫裝置性能試驗(yàn)

通過以上試驗(yàn)可知，降溫板的水平角度和風(fēng)扇的風(fēng)速對(duì)降溫裝置的出口水溫度都有影響。為了進(jìn)一步說明2個(gè)因素對(duì)降溫裝置的出口水溫度影響大小，及通過最優(yōu)組合試驗(yàn)尋找降溫裝置各項(xiàng)參數(shù)的最佳值。在室溫溫度為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫度為50℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/s條件下，風(fēng)扇的風(fēng)速分別設(shè)置為0、5、6、7 m/s，降溫板水平角度分別設(shè)置為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，進(jìn)行組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　降溫裝置試驗(yàn)效果Fig.4　Experimental temperature reducing device effects

由圖4可知，當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，隨著降溫板水平角度升高，降溫裝置出口水溫先逐漸降低然后趨于平穩(wěn)略有升高；而當(dāng)風(fēng)速為5、6、7 m/s時(shí)，隨著降溫板水平角度升高，降溫裝置出口水溫迅速下降然后趨于平穩(wěn)，降溫裝置出口水溫變化明顯。由此說明，降溫板的水平角度變化對(duì)降溫裝置降溫效果影響小，而風(fēng)扇風(fēng)速的變化對(duì)降溫裝置的降溫效果影響大，所以風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)降溫裝置降溫起到主要作用[33]。風(fēng)扇風(fēng)速的均勻性、吹上降溫板的角度及環(huán)境的濕度對(duì)降溫裝置的降溫都起到影響作用[34]。同時(shí)由圖4可知，在不同的風(fēng)速下，隨著降溫板水平角度的升高，降溫裝置出口水溫變化趨勢一致，水溫先迅速下降然后趨于平穩(wěn)。同時(shí)從圖4可知，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s、降溫板角度為60°時(shí)，降溫裝置出口水溫最低，最低溫度為26℃。

由以上試驗(yàn)可知，在室溫溫度為25℃、降溫裝置進(jìn)口水溫度為50℃條件下，降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳工作參數(shù)為降溫裝置的進(jìn)口水流量43.3 mL/s、降溫板水平角度60°、風(fēng)扇風(fēng)速6 m/s。降溫裝置的進(jìn)口水流量、降溫板水平角度、風(fēng)扇風(fēng)速主要參數(shù)確定后，降溫裝置的結(jié)構(gòu)也就確定。在以上條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得降溫裝置出口水溫度為26℃，溫度降低了48%，降溫裝置出口水溫度符合冷凝要求，可用于蒸餾器的蒸餾水降溫。

5　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)出了一種循環(huán)式蒸餾水器，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，證明該循環(huán)式蒸餾水器具有以下性能：

1）在蒸發(fā)鍋外壁采用單層真空絕熱板（vacuum insulation panel，VIP）蒸發(fā)鍋外壁溫度從96降到43℃，熱量損失8.12 W；采用雙層真空絕熱板蒸發(fā)鍋外壁溫度從96降到28℃，熱量損失5.32 W，相對(duì)單層真空絕熱板溫度降低了28.3 %、熱量損失降低了34.5 %，雙層真空絕熱具有良好的隔熱性能和減少熱量損失的目的，提高設(shè)備的安全性能。

2）通過自主設(shè)計(jì)的降溫裝置，利用理論公式對(duì)降溫裝置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行試驗(yàn)確定降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳工作參數(shù)。在室溫25℃、降溫裝置進(jìn)口水流量為43.3 mL/min、降溫板水平角度為60°、風(fēng)速為6.0 m/s、進(jìn)口水溫50℃條件下，降溫裝置的降溫效果最好，可將50的冷卻水降低到26℃，冷卻水溫度降低了48%，符合冷凝要求，實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)利用的目的。

3）該循環(huán)式蒸餾水器主要由蒸餾裝置、降溫裝置和蓄水池組成，通過水管和水泵連接，形成回路循環(huán)系統(tǒng)。設(shè)備中有3個(gè)蓄水池，當(dāng)自來水壓力減小或者停水時(shí)，2個(gè)水泵能將蓄水池中的冷卻水抽回冷卻器中對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻，同時(shí)將部分冷卻水送入蒸發(fā)鍋內(nèi)，使鍋內(nèi)的自來水不至于在很短的時(shí)間內(nèi)燒干，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

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Design of circulating distilled water device and experiment on effect of cooling device

Lin Derong1, Chen Rongming1, Wu Renzhi1, Zhang Xingwen2
（1. College of Food Science, Sichuɑn Agriculturɑl University, Yɑ’ɑn 625014, Chinɑ;
2. Stɑte Key Lɑborɑtory of Urbɑn Wɑter Resource ɑnd Environment, Hɑrbin Institute of Technology, Hɑrbin 150090, Chinɑ）

Abstract:Water crisis is potentially the most serious environmental problem. Due to the enormously wasteful and therefore non-sustainable use of water， groundwater levels are decreasing at an alarming rate. The water distillation units used in almost every science laboratory， need to use water to cool the steam and thus provide distilled water. Distilled water device is a kind of equipment for preparing distilled water. With the development of science and technology， the demand for distilled water will be larger and larger. However， in terms of either energy efficiency or security， there is a certain gap between water distiller supply and social development requirement. In this paper， a new type of circulating distilled water device is designed. The device consists of 3 parts: distillation unit， cooling device and impounding reservoir， and the 3 components are connected by pipes and pumps to form a loop circulation system. The distillation unit consists of 4 parts: heater， pot of vaporization， steam pipe and condenser; double vacuum insulation panels （VIPs） are used in the heat insulation of the vaporization pot wall. The cooling device consists of 4 parts: cooling plate， fan， impounding reservoir and stainless steel casing. To decrease the temperature of outer wall of the evaporator pan， VIPs are used for the insulation of outer walls. The excellent thermal insulation properties of VIPs make them widely applied in energy conservation fields， especially in building engineering. Experiment shows that double VIPs have good insulation properties and can improve the safety of the device. Theoretical and experimental modal analysis determines the optimal structure of distilled water device and the optimum working parameters during the circulating process. The effects of temperature on cooling device are obtained mainly through accelerated testing. The optimal regularization parameters of cooling device are cooling plate’s horizontal angle of 60°， water flow of 43.3 mL/s and fan speed of 6.0 m/s. Outlet water temperature of cooling device is 26°C， which meets the humidity requirements for forming condensation. The device is an improvement on a simple distillation apparatus. It can prevent overheating and accidents effectively. All of the needed components and appliances can be readily bought from the market. It is simple to manufacture， low in cost and dependable in its functions. In this article， the distilled water device is designed as a circulation system， and various structural parameters of cooling device are optimized. The results can provide the reference for improving the structural design of circulating distilled water device， the safety performance of the equipment， the efficient production of distilled water and hence the use of water resources.

Keywords:water; design; cooling; distilled water device; circulation; temperature reducing device; vacuum insulation panels

作者簡介：林德榮，男（漢族），江西吉安人，講師，博士，主要從事食品科學(xué)與工程技術(shù)研究。雅安四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，625014。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31340032）

收稿日期：2015-05-18

修訂日期：2015-12-18

中圖分類號(hào)：O6-333; TB472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-02-0064-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.010