戴寶連 田興旺 謝坤然 劉賓 劉旭東 花思宇 孟齊 李天統(tǒng) 張瑜 高明

摘要：為降低海上漁船淡水的負(fù)載量，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易高效、節(jié)能綠色的小型海水淡化裝置。裝置由外加保溫材料的蒸餾箱、熱回收盤(pán)管、加熱盤(pán)管、鼓泡器、海水噴淋頭、太陽(yáng)能電池板及蓄電池、海水泵、空氣泵、集水槽、淡水箱、過(guò)濾器、散熱肋片、無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽等部件組成，利用漁船發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱作為海水淡化的主要熱源，提供海水蒸發(fā)時(shí)所需溫度，利用太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，供給海水泵、空氣泵等所需動(dòng)力，同時(shí)在裝置頂部設(shè)置無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽和散熱肋片加速冷卻頂板的冷凝效率。該裝置小型化設(shè)計(jì)，適應(yīng)性強(qiáng)。能量回收利用效率高，可以直接按放在漁船上，在海水淡化領(lǐng)域具有很好的商品化應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：尾氣廢熱;光伏利用，海水淡化

中圖分類(lèi)號(hào)：TK212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）16-0256-03

1引言

伴隨著全球人口快速增長(zhǎng)，世界淡水資源日益減少，如何解決淡水的日常供應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)變成了關(guān)系到人類(lèi)生存發(fā)展的重大問(wèn)題。其中，海水淡化已經(jīng)成為解決水資源短缺最重要的手段之一，海水淡化實(shí)質(zhì)上就是除去海水里面不適合人類(lèi)飲用的成分，如礦物質(zhì)和鹽分，是一種有效獲取淡水的方式。但是常規(guī)的海水淡化是高能耗產(chǎn)業(yè)，且排放溫室氣體及氮氧化合物等污染物質(zhì)。隨著海水淡化技術(shù)日漸成熟，一般的海水淡化方式主要有多級(jí)蒸發(fā)、多效蒸餾、反滲透膜法等，目前太陽(yáng)能海水淡化在使用過(guò)程中存在造價(jià)高、工作效率低等問(wèn)題。如何降低淡水制備的能耗或利用自然綠色能源是目前世界淡水制備發(fā)展的重要方向，如果能回收利用廢熱或者將清潔的太陽(yáng)能與海水淡化結(jié)合起來(lái)，將是一種非常有發(fā)展前途的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)一般分為被動(dòng)式和主動(dòng)式，被動(dòng)式系統(tǒng)的動(dòng)力不是來(lái)自于諸如泵、吹風(fēng)機(jī)之類(lèi)的電力拖動(dòng)，也不是來(lái)自于諸如集熱器之類(lèi)的額外的主動(dòng)集熱裝置，完全靠自身采集太陽(yáng)能促進(jìn)海水蒸發(fā)。而在主動(dòng)式系統(tǒng)里面，增裝了一些集熱模塊，從動(dòng)力到控制，從集熱到散熱，來(lái)增強(qiáng)體系內(nèi)的熱量傳輸和質(zhì)量傳輸，從而提高裝置的工作溫度?？紤]到全部采用太陽(yáng)能作為集熱、蒸發(fā)和冷凝動(dòng)力，存在成本較高的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用回收漁船發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱作為海水淡化的主要熱源，利用太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，向海水泵、空氣泵等提供輸送能耗。

2設(shè)計(jì)方案

裝置二維平面圖和實(shí)物模型圖分別如圖1、2所示。循環(huán)運(yùn)行過(guò)程如下：將漁船發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣首先收集到廢熱集罐內(nèi)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥門(mén)，高溫尾氣利用自身壓力進(jìn)入蒸餾箱內(nèi)的換熱管中加熱海水，降溫后直接排出箱外。原海水通過(guò)過(guò)濾器預(yù)處理，經(jīng)海水泵進(jìn)入螺旋套筒式熱回收盤(pán)管的外套管內(nèi)，吸收水蒸氣的冷凝潛熱及未蒸發(fā)濃海水的顯熱后，進(jìn)入噴淋器噴灑在廢熱加熱盤(pán)管的外表面，未蒸發(fā)的濃海水落入蒸餾箱下部再次被降溫后的廢熱加熱盤(pán)管加熱，溫度較高的濃海水部分經(jīng)排污閥排出，部分經(jīng)三通閥與原海水混合引入到蒸餾箱內(nèi)，循環(huán)上述過(guò)程。淡水槽上部空間的濕空氣在空氣泵循環(huán)抽吸作用下，利用鼓泡器鼓入蒸餾箱內(nèi)的熱海水中形成上升氣泡，并適時(shí)沖刷盤(pán)管防止管壁污垢，同時(shí)在裝置頂部形成負(fù)壓空間，加速低壓蒸汽的產(chǎn)生和收集，通過(guò)喇叭形蒸汽管人口進(jìn)入螺旋套筒式熱回收盤(pán)管的內(nèi)套管，冷凝成淡水收入淡水槽。在頂板和無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽之間具有流通的空氣通道，溫度較低的室外（或海上）空氣在無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽的作用下，流過(guò)沖刷頂板上壁面的散熱肋片，然后所產(chǎn)生的濕熱空氣隨著風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)排向外界，該過(guò)程利用被動(dòng)式的自然通風(fēng)技術(shù)，可以有效地降低頂板的表面溫度，從而有利于蒸汽的冷凝收集。

3技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

試驗(yàn)測(cè)試中，漁船發(fā)動(dòng)機(jī)高溫尾氣廢熱加熱盤(pán)管用電加熱盤(pán)管模擬，海水泵、空氣泵所需的光伏電能也用220V交流電代替。通過(guò)調(diào)節(jié)空氣泵功率控制鼓氣量，在蒸餾箱內(nèi)海水液面上下方分設(shè)熱電偶T1、T2用于測(cè)量蒸汽和海水溫度，蒸餾箱底部放置壓力傳感器測(cè)量海水蒸發(fā)量，利用秒表記錄運(yùn)行時(shí)間。液位通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥門(mén)控制。其淡水生產(chǎn)成本應(yīng)該綜合考慮裝置的投資費(fèi)用、操作與維護(hù)費(fèi)用及能源費(fèi)用，此小型蒸餾箱由于利用了發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱和太陽(yáng)能，其能源費(fèi)用是很低的。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的能效比，也稱(chēng)造水比（gained output ratio，GOR），可定義為單位時(shí)間內(nèi)蒸餾所得淡水的蒸發(fā)潛熱與裝置運(yùn)行消耗能源的比值。

式（2）中，me為單位時(shí)間海水蒸發(fā)量，即產(chǎn)水率hy，為汽化潛熱;P1、P2和P3分別為海水泵、空氣泵和廢熱加熱盤(pán)管的功率。

穩(wěn)定海水溫度為80℃時(shí)，海水泵的功率為25w，海水蒸發(fā)量與鼓入空氣量的關(guān)系曲線如圖3所示，可以看出隨著鼓風(fēng)量的增大，海水蒸發(fā)量也是增加的，但是增加的趨勢(shì)減緩，說(shuō)明裝置存在最佳鼓風(fēng)量和海水流量、溫度的組合。結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)，這里引入耗電當(dāng)量的概念E=（P1+P2+p3）3）/me。計(jì)算表明，在空氣泵功率為2w時(shí)，蒸餾箱的產(chǎn)水率約為1.72kg/h，折合的耗電當(dāng)量為2.6kW·h/t，低于目前人工制備淡水的平均耗電功率3～4kW·h/t。

4創(chuàng)新特色及應(yīng)用前景

4.1創(chuàng)新特色

此新型廢熱利用耦合光伏驅(qū)動(dòng)海水淡化蒸餾箱特色如下。

（1）充分利用回收漁船發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫尾氣作為海水淡化的主要熱源。

（2）利用螺旋套筒式熱回收盤(pán)管既回收了水蒸氣的冷凝潛熱，又利用了濃海水的顯熱，螺旋型設(shè)計(jì)還增加了接觸換熱時(shí)間，從而在提高整體熱量回收效率的同時(shí)，得到了可貴的淡水資源。

（3）利用空氣泵循環(huán)抽吸、鼓泡器產(chǎn)生氣泡等加速蒸汽冷凝回收，降低氣相分壓產(chǎn)生更多的低壓蒸汽，同時(shí)擾動(dòng)海水強(qiáng)制對(duì)流增強(qiáng)換熱，防止盤(pán)管外壁污垢。

（4）太陽(yáng)能電池板V字形設(shè)計(jì)，根據(jù)需要可展開(kāi)面積，吸收太陽(yáng)光給蓄電池充電，供給海水泵、空氣泵等動(dòng)力，節(jié)省常規(guī)化石能源的消耗。

（5）對(duì)集熱/蒸發(fā)/冷凝進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)在換熱箱里合理布置海水噴淋器、廢熱加熱盤(pán)管及螺旋套筒式熱回收盤(pán)管，減少空間浪費(fèi)使整個(gè)裝置緊湊。

（6）蒸餾箱頂部成V字形設(shè)計(jì)，部分冷凝的淡水隨著蒸汽一起通過(guò)喇叭形蒸汽管人口進(jìn)入螺旋內(nèi)套管，綜合利用鼓泡蒸發(fā)技術(shù)和橫管降膜蒸發(fā)技術(shù)增強(qiáng)換熱，提高了蒸發(fā)效率。

（7）裝置頂板下壁面布置一定數(shù)量的吸濕材料條，所形成的槽道結(jié)構(gòu)有助于冷凝水的流動(dòng)匯集，而上壁面布置散熱肋片有利于頂板的散熱，在頂板與無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽間具有空氣流動(dòng)通道，利用被動(dòng)式的自然通風(fēng)技術(shù)進(jìn)一步降低頂板的溫度，從而提高了蒸發(fā)冷凝效率。

4.2應(yīng)用前景

該海水蒸餾箱一體化小型化設(shè)計(jì)，形式新穎，簡(jiǎn)單實(shí)用。因?yàn)橛行Ю昧税l(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱和太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)，所以裝置的能源費(fèi)用在淡水成本中的比重較小，如果減小裝置材料的投資費(fèi)用（如選用輕質(zhì)、便宜、無(wú)毒且熱導(dǎo)率高的材料、高效保溫材料等）可以進(jìn)一步降低產(chǎn)水成本。該小型蒸餾箱充分利用海水資源.節(jié)省漁船負(fù)載的淡水量，現(xiàn)用現(xiàn)取，為從事海上作業(yè)的人員提供便利。相信在海水淡化領(lǐng)域中的商品化潛力和應(yīng)用前景很大。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易高效、節(jié)能綠色的小型海水淡化蒸餾箱。聯(lián)合利用了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱和太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)，設(shè)置無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽和散熱肋片提高了蒸發(fā)冷凝效率。該裝置小型化設(shè)計(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)，能量回收利用效率高，體現(xiàn)了“節(jié)能減排，綠色環(huán)?！钡睦砟睢？梢灾苯影捶旁跐O船上，在海水淡化領(lǐng)域具有很好的商品化應(yīng)用前景。