周博+朱品光+王亞迪+權(quán)全
摘要:淡水資源稀缺是21世紀(jì)我們所面臨的重大問題之一,因此發(fā)展高效環(huán)保的海水淡化工程顯得尤為重要。本海水淡化裝置采用傳統(tǒng)的蒸餾法,結(jié)合增濕除濕原理,實(shí)現(xiàn)海水的淡化。裝置的設(shè)計(jì)原理綜合了余熱利用、吸熱、蒸發(fā)、氣壓平衡以及冷凝五個(gè)方面的因素,對(duì)裝置的產(chǎn)水率進(jìn)行提高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,本裝置分為水蒸氣分級(jí)產(chǎn)生室、太陽(yáng)能集熱部分、冷凝及淡水集中室、氣壓平衡循環(huán)管道四部分,整個(gè)循環(huán)過程滿足:水量平衡方程和熱傳導(dǎo)方程。本裝置的創(chuàng)新特色體現(xiàn)在對(duì)中間傳熱介質(zhì)一導(dǎo)熱油的利用、余熱的利用、以及內(nèi)置風(fēng)機(jī)等方面。在應(yīng)用前景方面,可作為小型家用海水淡化裝置,或工業(yè)鍋爐補(bǔ)水,因而應(yīng)用前景廣闊,是一種高效節(jié)能,綠色環(huán)保的海水淡化裝置。
關(guān)鍵詞:海水淡化;太陽(yáng)能集熱;節(jié)能;綠色環(huán)保
1研究背景
1.1海水淡化工程
地球上水資源總量有13.8億立方公里,其中海水占97.5%,淡水只占2.5%,可供人類直接使用的淡水僅有0.01%。隨著全球人口的急速增長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的日益惡化,我們面臨的淡水威脅更加嚴(yán)重。將目光轉(zhuǎn)向海洋,發(fā)展海水淡化技術(shù),必然成為一種趨勢(shì)。海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水,是實(shí)現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù),可以增加淡水總量。而在眾多海水淡化技術(shù)中,利用太陽(yáng)能淡化海水是最為經(jīng)濟(jì)環(huán)保和具有發(fā)展前景的方法之一。
1.2目前國(guó)內(nèi)外海水淡化工程的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)海水淡化發(fā)展主要是自主研發(fā)和國(guó)外引進(jìn)相結(jié)合。經(jīng)過國(guó)家科技部的連續(xù)3個(gè)五年計(jì)劃(“九五”、“十五”、“十一五”)支持,我國(guó)海水淡化工程得到了一定程度的發(fā)展。但從總體形勢(shì)來看,國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水淡化技術(shù)還比較少,相關(guān)設(shè)備研發(fā)和制造技術(shù)還不夠成熟。在海水淡化的研究與發(fā)展中,逐步以反滲透法、多級(jí)閃蒸法和低溫多效法為主流研究方法。(1)反滲透法是在海水淡化中應(yīng)用的一種膜分離技術(shù),通過對(duì)特殊材料的加工,制成具有半透膜性能的反滲透膜。它能使水溶液在外加壓力作用下選擇性透過,以達(dá)到海水淡化的目的。(2)多級(jí)閃蒸法是通過加熱海水達(dá)到一定溫度,然后在壓力逐漸降低的容器中閃蒸汽化,最后冷凝得到淡水。(3)低溫多效法是為了降低能耗,將二次蒸汽作為加熱蒸汽應(yīng)用于下一級(jí)海水加熱中,從而充分利用蒸發(fā)耗用的熱能。
目前國(guó)際通用方法有蒸餾法、電滲析法、膜法和冷凍法。國(guó)外主要應(yīng)用的方法也不盡相同,如西班牙、阿聯(lián)酋主要用槽形拋物面集熱器和MED技術(shù),德國(guó)、科威特主要用槽形拋物面集熱器和MSF技術(shù)。但海水淡化工程建設(shè)成本高規(guī)模大,依然是各個(gè)國(guó)家所面臨的難題之一。
2設(shè)計(jì)原理
2.1設(shè)計(jì)思路
余熱利用:傳統(tǒng)的蒸發(fā)裝置,不能利用水循環(huán)過程中的余熱,造成能源的損失。本裝置具有多級(jí)利用余熱的蒸發(fā)裝置及冷凝裝置。蒸發(fā)裝置能夠?qū)⒂糜谏霞?jí)蒸餾所剩余的熱水,流入下一級(jí),并在下一級(jí)繼續(xù)蒸發(fā),蒸發(fā)部分總共有三級(jí)。水蒸氣冷凝時(shí)所放出的熱量,被冷凝管中的海水所吸收,這部分預(yù)熱的海水,將被用于加熱,再產(chǎn)生水蒸氣。這兩個(gè)過程使水中的余熱得到充分利用。
吸熱效率:水的比熱容大,利用太陽(yáng)能來直接加熱水,不僅水溫升高的慢,而且局部的溫度高,受熱不均勻。與水相比,導(dǎo)熱油的比熱容小,相同熱量下單位質(zhì)量的導(dǎo)熱油上升的溫度大,因此傳熱效率顯著。以此來加熱水,能夠使水受熱均勻,溫度上升更快。
蒸發(fā)效率:海綿具有良好的吸水性以及保水性,熱水流經(jīng)過花灑噴附在海綿的表面,能夠減緩水流的速度,增加水與海綿的接觸面積,使單位時(shí)間產(chǎn)生更多的水蒸氣,蒸發(fā)的效率提高。
氣壓平衡:保持整個(gè)裝置的氣壓平衡,從冷凝的箱體里引出三根管道,分別與蒸餾裝置的三級(jí)相連,保持整個(gè)裝置氣循環(huán)良好。
冷凝效率:為使水蒸氣能夠及時(shí)通過管道,到達(dá)冷凝管冷凝,在傳導(dǎo)蒸汽的管道里面加入小功率風(fēng)機(jī),開動(dòng)風(fēng)機(jī)后,整個(gè)裝置的氣流循環(huán)加快,水蒸氣的循環(huán)加快,從而使冷凝的效率大大提高,產(chǎn)水量也會(huì)相應(yīng)的提高。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本裝置水的流向?yàn)椋?/p>
①冷水通過冷凝管由噴頭噴灑至第一級(jí)水蒸氣產(chǎn)生室的緩水材料上,然后逐級(jí)流到第三級(jí)水蒸氣產(chǎn)生室,在第三級(jí)通過熱油管道加熱水,接著由熱水泵將水泵送至第一級(jí)水蒸氣產(chǎn)生室。②一部分水在前一級(jí)產(chǎn)生室中進(jìn)行蒸發(fā),剩余部分流向后一級(jí)進(jìn)行蒸發(fā),同時(shí)每一級(jí)產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)過輸氣管道由風(fēng)機(jī)鼓入冷凝系統(tǒng)。未蒸發(fā)的水再由第三級(jí)泵送至第一級(jí),往復(fù)循環(huán)。③以蒸汽形式進(jìn)入冷凝裝置的水,通過液化形成所需要的蒸餾水。④冷凝管中的水通過吸收水蒸汽的熱量,溫度上升,然后通過管道,進(jìn)入第三級(jí)水蒸氣產(chǎn)生室,充分加熱后,再進(jìn)入第一級(jí)水蒸氣產(chǎn)生室開始循環(huán)。
本裝置分為四個(gè)結(jié)構(gòu)部分:水蒸氣分級(jí)產(chǎn)生室、太陽(yáng)能集熱部分、冷凝及淡水集中室、氣壓平衡循環(huán):
水蒸氣分級(jí)產(chǎn)生室:此結(jié)構(gòu)分為三個(gè)分級(jí)箱體,由上到下依次為第①、②、③室。泵送至一室的熱水和冷水,經(jīng)過水流分散器均勻散開并混合。利用增濕除濕原理,冷熱溫差大的水在相互噴灑的過程中產(chǎn)生大量水蒸氣。余下的水參與第②、③室的噴灑與蒸發(fā)。
太陽(yáng)能集熱部分:利用自然界清潔能源太陽(yáng)能作為整個(gè)裝置的熱源,為海水的蒸發(fā)提供動(dòng)力。圖中④部分為太陽(yáng)能集熱部分:槽式太陽(yáng)能集熱器:在箱體外部,用于高效收集太陽(yáng)能熱量,以加熱油循環(huán)。加熱油箱:在油循環(huán)下,集熱器收集的熱量循環(huán)到水蒸氣產(chǎn)生室中的加熱油箱,進(jìn)行熱傳遞,將熱量從油傳導(dǎo)給待蒸發(fā)海水,使海水被加熱,之后熱海水被泵送至水蒸氣第①產(chǎn)生室。
冷凝及淡水集中室:將水蒸氣從分級(jí)產(chǎn)生室中引出至冷凝室,熱的水蒸氣遇冷進(jìn)行熱交換,液化成純凈水,在室壁凝結(jié)最后收集在純凈水箱中。
氣壓平衡循環(huán):在冷凝室與水蒸氣產(chǎn)生室之間采用循環(huán)式導(dǎo)氣結(jié)構(gòu),采用內(nèi)置風(fēng)機(jī)循環(huán),使空氣帶動(dòng)水蒸氣在裝置內(nèi)部進(jìn)行流動(dòng),而熱量損失比較小,冷凝效果比外界引入冷空氣效果好。
3創(chuàng)新特色
(1)采用導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì):導(dǎo)熱油具有抗熱裂化和化學(xué)氧化的性能,傳熱效率好、熱穩(wěn)定性好,加熱均勻,調(diào)溫控制準(zhǔn)確,操作方便等優(yōu)點(diǎn),使海水加熱速率比一般介質(zhì)快;
(2)充分利用余熱:上一級(jí)蒸發(fā)裝置冷熱水混合剩下的水具有一定的熱量,流到下一級(jí)裝置,蒸發(fā)時(shí)應(yīng)用了余熱,從而減少熱量損失和浪費(fèi):
(3)內(nèi)置風(fēng)機(jī):防止引入外部冷空氣,避免水蒸氣在氣體流通管道內(nèi)液化:
(4)分散水流:增大海水與空氣接觸面積,加快蒸發(fā);
(5)用緩沖材料:減緩水流速,延長(zhǎng)水在蒸發(fā)室停留時(shí)間,充分蒸發(fā)。
綜上,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于組裝、本裝置產(chǎn)出純凈水效率高,易于推廣。
4應(yīng)用前景
(1)太陽(yáng)能是取之不盡的清潔可再生能源,海水淡化則是從海洋獲得淡水的主要技術(shù),兩者相互結(jié)合是實(shí)現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù),可以增加淡水總量,且不受時(shí)空和氣候影響。同時(shí)經(jīng)過淡化的海水,水質(zhì)好、價(jià)格漸趨合理,可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。因而本裝置可作為小型海水淡化裝置可為沿海居民提供飲用水,若批量生產(chǎn)該裝置,還可為工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。
(2)太陽(yáng)能海水淡化與常規(guī)的現(xiàn)代海水淡化技術(shù)緊密結(jié)合起來,先進(jìn)的制造工藝和強(qiáng)化后的傳熱技術(shù),則是建立高效節(jié)能的太陽(yáng)能海水淡化工程的主要出路之一。建設(shè)環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會(huì)是對(duì)我國(guó)未來發(fā)展的要求,而太陽(yáng)能海水淡化工程則是這一發(fā)展規(guī)劃下的熱點(diǎn)之一。本新型海水淡化裝置,可作為海島供水,戰(zhàn)略儲(chǔ)備用水。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生建設(shè)起重要的作用。
致謝:在本研究中,感謝國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的資助。感謝在此期間,學(xué)校給我這次寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì),權(quán)全副教授對(duì)我悉心的指導(dǎo),以及隊(duì)友和同學(xué)提出的意見和建議。