劉靈沖 權(quán)全 吳博華 楊帆

摘? 要：淡水資源的有限性、用水需求的上升性決定了淡水資源問題是目前亟需解決的難題，通過制作高效的海水淡化裝置制取淡水對當(dāng)今世界發(fā)展是至關(guān)重要的。該研究在海水淡化產(chǎn)業(yè)普遍采用的蒸餾法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型海水淡化裝置。該裝置分為3個部分：蒸餾部分、冷凝部分和自動控制部分。該裝置的創(chuàng)新特色體現(xiàn)在對冷凝壁和蒸餾室進行改進提高液滴的收集效率的同時，對廢棄物進行充分利用，且可以滿足不同使用者的需求，具有廣闊的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：海水淡化? 冷凝壁? 液滴脫落半徑? 產(chǎn)水效率

1? 研究背景

我國目前的海水淡化產(chǎn)業(yè)以蒸餾法為主，并且取得了一定的成就。1980年，國家海洋局開展蒸餾法海水淡化的研究[1]。1994年，大港電廠以引進的多級閃蒸海水淡化裝置為參照，研發(fā)出了日產(chǎn)1200t多級閃蒸海水淡化裝置。2004年，我國首次研發(fā)出了日產(chǎn)3000t低溫多效海水淡化工程。2007年首鋼引進了日產(chǎn)的12500t的低溫多效海水淡化裝置。但是可以看出在海水淡化裝置自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平方面仍存在著不足。

國外的海水淡化工程近年來向著規(guī)模化、集成化的方向發(fā)展。國際上多采用蒸餾法和膜法進行海水淡化。目前阿聯(lián)酋根據(jù)蒸餾法和反滲透聯(lián)合技術(shù)建立了世界上最大的海水淡化工廠，德國也利用MSF技術(shù)實現(xiàn)了海水的產(chǎn)業(yè)化。

總結(jié)國內(nèi)外海水淡化的發(fā)展情況，深入探究可以得出蒸發(fā)效率低、建設(shè)成本高仍是制約海水淡化發(fā)展的因素[2]。

由表1可以看出發(fā)展蒸餾法進行海水淡化更為經(jīng)濟有效。在蒸餾法進行海水淡化時需要采用冷凝壁進行海水蒸餾冷卻，普遍采用的冷凝壁設(shè)計為斜面，制作工藝簡單，但是斜面冷凝壁存在冷凝不充分、液滴滑落至冷凝室速度較慢等缺點。

2? 設(shè)計原理

2.1 設(shè)計思路

（1）冷凝效率。傳統(tǒng)的冷凝裝置均采用單層斜面形冷凝壁，制作工藝簡單，但是普遍存在冷凝不充分、液滴滑落至冷凝室速度較慢等問題。因此該裝置設(shè)計了對稱的斜下拱形多層弧壁，弧形的冷凝壁形狀和多層錯疊的結(jié)構(gòu)設(shè)計增大了冷凝面積，提高了液滴的冷凝效率。而且弧形相較于斜面的設(shè)計可以使液滴滑落速度提高，液滴收集效率因此提高。

（2）冷凝液滴脫落。蒸汽在冷凝壁冷凝成為液滴后，如果蒸餾室大小設(shè)計不合適會存在脫落后落入蒸餾室的問題，造成冷凝效率的降低。針對這一問題，該裝置根據(jù)液滴脫落半徑與脫落角的關(guān)系設(shè)計蒸餾室的大小，避免液滴落入蒸餾室中。

（3）濃海水回收。淡化海水一方面可以得到淡水，另一方面也可以得到高濃縮海水。目前電解海水制備氯氣普遍采用濃縮后的海水以提高轉(zhuǎn)化率，而使用直接從海洋中取出的海水，轉(zhuǎn)化率低。因此該裝置利用蒸餾后得到的濃海水制氯，實現(xiàn)了廢棄物利用。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置的結(jié)構(gòu)主要分為3個部分：蒸餾部分、冷凝部分和自動控制部分。

（1）冷凝部分。冷凝部分由對稱的斜下拱形弧壁組成，且為同一弧度的多層錯疊設(shè)計，相較于傳統(tǒng)的單層斜面冷凝壁，增大了蒸汽冷凝的面積，熱量傳遞效率明顯提高。而且液滴滑落速度加快，液滴收集效率提高。冷凝壁設(shè)計圖如圖1所示。

（2）蒸餾部分。蒸餾部分由蒸餾室和包裹在蒸餾室外壁的復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫材料組成。蒸餾室內(nèi)安裝有金屬管，其內(nèi)嵌有電熱絲，可實現(xiàn)對海水的加熱，產(chǎn)生蒸汽。蒸餾室外壁的復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板可實現(xiàn)對加熱海水的保溫，減少熱量的散失。

目前冷凝裝置因為蒸發(fā)室與冷凝壁大小設(shè)置不合適，普遍存在冷凝后液滴落入蒸發(fā)室的問題。可以通過冷凝壁和蒸發(fā)室尺寸關(guān)系合理設(shè)計圓柱形蒸發(fā)室的半徑解決這一問題。根據(jù)孔祥雷《壁面液滴脫落和滑落直徑的估算》[3]一文中的結(jié)論液滴脫落半徑表達(dá)式為：

式中：x為液滴脫落半徑;σ為液汽界面的界面張力;α=（αq+αh）/2，其中αq為前半圓浸潤角;αh為后半圓浸潤角;ρ水為密度;β為滑落的角度，范圍為。

利用MATLAB可以計算得到液滴脫落半徑分布在2～6mm之間。

根據(jù)孫美玲《液滴沿圓弧形外壁面流動的數(shù)值模擬》[4]文中脫落角與液滴半徑的關(guān)系式。

式中，為脫落角;v為液滴滑落速度;R為冷凝壁半徑;μ為粘度。

利用MATLAB計算得出，蒸發(fā)室與冷凝壁的大小關(guān)系具體如下。

當(dāng)冷凝壁的半徑R小于0.5m，圓柱形蒸發(fā)室半徑r≤R-cos20°。

當(dāng)冷凝壁的半徑R小于1m，圓柱形蒸發(fā)室半徑r≤R-cos13°。

當(dāng)冷凝壁的半徑R小于2m，圓柱形蒸發(fā)室半徑r≤R-cos9°。

當(dāng)冷凝壁的半徑R小于10m，圓柱形蒸發(fā)室半徑r≤R-cos6°。

當(dāng)冷凝壁的半徑R小于50m，圓柱形蒸發(fā)室半徑r≤R-cos4.8°。

根據(jù)蒸發(fā)室的大小來確定最佳的冷凝壁的大小，合理利用裝置資源，使得冷凝效果在有限的設(shè)備及空間匯總達(dá)到最大。

自動控制部分：由單片機arduino板、水位傳感器、電磁閥和繼電器組成。通過向arduino板中輸入程序來使得蒸餾過程自動化。當(dāng)運行整個系統(tǒng)時，單片機工作，實時讀取蒸餾室中水位情況，根據(jù)其具體情況做出開關(guān)電磁閥和水泵繼電器的反饋操作，使得蒸餾過程全自動化進行。當(dāng)水位傳感器監(jiān)測到蒸餾室中水位低于預(yù)測水位時，此時蒸餾室中海水為高濃縮海水，出水口的電磁閥門在電信號作用下打開，排出高濃縮海水。此后入水口的電磁閥門開啟，實現(xiàn)海水的注入。當(dāng)水位傳感器監(jiān)測到蒸餾室中水位高于預(yù)測水位時，入水口的電磁閥門在電信號作用下關(guān)閉。實現(xiàn)了高濃縮海水自動排出與自動注入的目的。

該裝置的工作過程：由自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)海水的自動注入，從入水口流經(jīng)電磁閥進入到蒸發(fā)室中，蒸發(fā)室中的電熱絲對海水進行加熱變成蒸汽，蒸汽上升至冷凝壁冷凝成液滴后，滑落至冷凝室中經(jīng)排水管排出。

3? 創(chuàng)新特色

（1）采用弧形板面的冷凝壁。弧形板面具有冷凝面積大、液體在其上滑落速度較大的優(yōu)點，使熱量轉(zhuǎn)移效率得到提高，使液滴滑落速度得到提增大，因此液滴收集效率比普通斜面高。

（2）采用多層錯疊設(shè)計的冷凝壁。多層錯疊的鋁板具有與外界空氣的接觸面積大，蒸汽冷凝產(chǎn)生的熱量釋放到外界快的優(yōu)點，因此熱傳遞效率和冷凝速率均比普通斜面高。

（3）根據(jù)冷凝壁的尺寸設(shè)計蒸發(fā)室尺寸。防止冷凝液滴落入蒸發(fā)室中，使得冷凝效果在有限的設(shè)備及空間匯總達(dá)到最大。

（4）廢棄物利用。電解蒸餾廢棄物高濃縮海水制取氯氣，相對于直接獲取的海水來說，提高了轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)了對廢棄物的有效利用，是一種理想的制取氯氣的方法。

參考文獻

[1] 陳笑.基于PV/T的擴容蒸發(fā)式海水淡化裝置性能及分析[D].華北電力大學(xué)，2019.

[2] 周博，朱品光，王亞迪，等.基于槽式集熱原理的新型海水淡化裝置[J].城市地理，2017（16）：192-194.

[3] 孔祥雷，張東輝，趙忠超，等.壁面液滴脫落和滑落直徑的估算[C]//中國工程熱物理學(xué)會（傳熱傳質(zhì)學(xué)），2010.

[4] 孫美玲，陳石，王輝，等.液滴沿圓弧形外壁面流動的數(shù)值模擬[C]//中國工程熱物理學(xué)會，2012.