侯如山，張小萍，繆紅建

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇南通申通機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226006）

1 引言

船舶在海上航行，淡水是設(shè)備工作和船員生活的重要保障，船用淡水有兩種用途：（1）作為設(shè)備補(bǔ)給水；（2）作為生活用水[1]。海水淡化是保證船舶與海洋工程淡水持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)與補(bǔ)充的有效途徑，直接影響到遠(yuǎn)洋船舶的續(xù)航能力。大型艦船一般每天需補(bǔ)充淡水量約200t[2]。海水淡化方法按海水淡化過程不同，主要有蒸餾法、膜法及離子交換法等[3]。目前船舶市場中蒸餾法海水淡化裝置仍是主導(dǎo)產(chǎn)品，其中板式造水機(jī)因其換熱效率高、占地面積小、使用壽命長、投資小、易于除垢、可靠耐用等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4]。中國市場上90%以上的船用造水機(jī)都是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高。國內(nèi)船用海水淡化裝置研究單位主要有某研究所、某大學(xué)等[5]。某研究所研制的5t/d、50t/d 板式蒸餾造水裝置在民船和軍艦上得到了一定的應(yīng)用，但在能耗和效率方面與國外同類產(chǎn)品相比還有明顯差距。國外近幾年在新型海水淡化方法的研究上也取得了很大進(jìn)展，文獻(xiàn)[6]對多級閃蒸—反滲透潛艇用海水淡化裝置作了研究；另外，還有研究人員在已有淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了電磁混合場海水淡化器和汽缸式閃急蒸餾海水淡化器兩種新的設(shè)計(jì)[7]。目前市場上蒸餾式海水淡化裝置依舊采用兩種分離式板片分別完成海水淡化的蒸發(fā)與冷凝過程，造成了裝置體積大、外殼成本高、板片拆裝清洗困難等問題。隨著板式換熱器單元和單片面積日趨大型化[8-9]及板片設(shè)計(jì)日趨高性能化，針對目前國內(nèi)板式造水機(jī)蒸發(fā)與冷凝空間分離，體積大、能耗高的問題，設(shè)計(jì)了一種整體式板片，集蒸發(fā)、分離、冷凝于一體，拋卻了價(jià)格昂貴的銅質(zhì)或不銹鋼外殼，大大縮減了設(shè)備的空間體積與成本，同時(shí)安裝維護(hù)方便。通過理論計(jì)算和仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了整體式板片的優(yōu)越性和可靠性。

2 整體式板片設(shè)計(jì)及海水淡化過程簡介

2.1 整體式板片設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的海水淡化裝置主要由起始板、A 板、B 板以及終止板組成，如圖1 所示。A、B 板在起始板、終止板之間成對交替安裝，板片之間設(shè)有密封圈，通過兩端的壓緊板和螺桿螺母壓緊固定。這樣板片與板片之間就形成了密閉空間，海水淡化的整個(gè)過程都可在該空間內(nèi)完成，因而無需原先的銅質(zhì)機(jī)體外殼、大大節(jié)約了成本。A、B 板片的面積和對數(shù)決定了海水淡化裝置的容量，其結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。圖2 中A、B 板片結(jié)構(gòu)相似，結(jié)合不同分布形式的密封圈形成了海水淡化過程中的蒸發(fā)區(qū)域、分離區(qū)域和冷凝區(qū)域。板片的材質(zhì)為鈦合金，其特征參數(shù)，如表1 所示。

圖1 海水淡化裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Architecture Graph of Marine Desalination Device

圖2 A、B 板片結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The Architecture Sketch of Plates A and B

表1 板片主要特征參數(shù)Tab.1 Main Feature Parameters of the Plate

2.2 海水淡化過程簡介

當(dāng)壓強(qiáng)較低，海水在低溫時(shí)即可沸騰，產(chǎn)生水蒸汽。蒸餾法海水淡化正是利用這一物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的。板片之間借助密封圈形成了密閉空間，通過噴射泵可以將這一密閉空間抽成近似真空，海水在較低溫度下沸騰產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽經(jīng)過冷凝后，即可形成淡水。

首先是蒸發(fā)過程，如圖1 所示。主機(jī)缸套水由流道2 處流入，由于A 板缸套水入水口周圍無密封圈，缸套水?dāng)U散至A 板蒸發(fā)區(qū)域的同時(shí)會繼續(xù)前進(jìn)，由于B 板缸套水出入口孔周圍有密封圈，缸套水在B 板蒸發(fā)區(qū)域不擴(kuò)散，缸套水流經(jīng)B 板缸套水入水口后擴(kuò)散至下一組A 板的蒸發(fā)區(qū)域，交替循環(huán)至終止板后，最終沿著流道2 箭頭方向流出；同時(shí)，海水由流道1 處兩個(gè)海水入水口處流入，由于A 板上海水入口處有密封圈，故海水只流經(jīng)A板而不擴(kuò)散，直至B 板。B 板上海水入口處周圍的密封圈有一缺口，海水?dāng)U散至B 板蒸發(fā)區(qū)的同時(shí)，也繼續(xù)向前流動。此過程中，A、B 板交替排列，缸套水的熱量即通過換熱板片傳遞給海水，海水經(jīng)過加熱至一定溫度蒸發(fā)為水蒸氣上升至分離區(qū)。

分離過程：海水被加熱至水蒸汽上升，水蒸汽中會帶有含鹽水滴，在上升過程中，因重力作用會滴落分離，經(jīng)板片兩側(cè)布設(shè)的密封圈導(dǎo)流，濃鹽水沿流道5 排出舷外。

冷凝過程：水蒸汽上升至冷凝區(qū)后，由于B 板冷凝區(qū)側(cè)面密封圈不完整，蒸汽會在壓強(qiáng)差的作用下進(jìn)入B 板冷凝區(qū)；同時(shí)，冷凝海水由流道3 進(jìn)入，由于A 板上部冷凝海水出入口處無密封圈，故海水?dāng)U散至A 板冷凝區(qū)域的同時(shí)會繼續(xù)前進(jìn)，由于B 板冷凝海水出入口孔周圍設(shè)有密封圈，故冷凝海水在B 板處不擴(kuò)散，冷凝海水流經(jīng)B 板冷凝海水入水口后擴(kuò)散至下一組A 板的冷凝區(qū)域，交替循環(huán)至終止板后，最終沿著圖1 中流道3 箭頭方向流出。此過程中，冷海水通過板片與水蒸汽交換熱量，水蒸汽冷凝成為淡水，在重力作用下流至流道4 中流進(jìn)淡水倉。由流道3 流出的海水一部分直接排出舷外，一部分流流入流道1 中作為待蒸發(fā)海水使用，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)海水的初步加熱。

圖1 中起始板各孔與相應(yīng)的管道相連，1 號與3 號箭頭處表示海水流動方向，2 號箭頭處表示缸套水流動方向，4 號箭頭處表示淡水流動方向，5 號箭頭處表示排出海水的流動方向。

3 海水淡化能力理論計(jì)算與對比

3.1 海水淡化裝置體積計(jì)算對比

目前國內(nèi)船舶市場上最為普遍的是板式造水機(jī)，其中阿法拉伐公司產(chǎn)品占據(jù)市場份額最大。這里是以阿法拉伐公司主流產(chǎn)品之一JWP-26-C80 型造水機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造的，再與所設(shè)計(jì)的整體式板片造水機(jī)進(jìn)行空間體積和產(chǎn)水量對比。

JWP-26-C80 型造水機(jī)是一款分離式板式造水機(jī)，蒸發(fā)區(qū)板片與冷凝區(qū)板片均為長方形，外形尺寸相同，板片長寬分別為710mm、250mm、厚度為0.5mm，共有40 對板片。蒸發(fā)區(qū)與冷凝區(qū)之間間隔約為220mm，其外殼近視為長方體，長、寬、高分別為1010mm、970mm、720mm。所占空間為：

所設(shè)計(jì)的海水淡化裝置無需外殼，若以板片占據(jù)相同空間體積為據(jù)設(shè)計(jì)整體式板片，則板片長寬尺寸可設(shè)計(jì)成為710mm、720mm、厚度為0.5mm，同樣以板片波紋高度為5mm、40 對板片計(jì)算，整體式海水淡化裝置空間約為：

整體式海水淡化裝置體積減少量計(jì)算如下：

對比發(fā)現(xiàn)海水淡化裝置在運(yùn)用了整體式板片后，裝置的體積縮減了近3/4。

3.2 海水淡化裝置產(chǎn)水量計(jì)算對比

整個(gè)海水淡化過程實(shí)際是熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原則，可建立海水淡化的數(shù)學(xué)模型。質(zhì)量平衡方程為：mf=mb+md

蒸發(fā)器的能量方程為：

式中：ms—系統(tǒng)流量；mf—海水上水量；mb—濃鹽水排放量；md—淡水量（kg/s）；Sf—濃海水濃度；Sb—海水濃度；Qe—蒸發(fā)器中的換熱量（kJ）；Ae—蒸發(fā)器換熱面積（m2）；Uc—系統(tǒng)板片換熱系數(shù)（W/（m2·k））；Ue—蒸發(fā)器換熱系數(shù)；Tf—冷海水溫度；Tb—排放的濃海水溫度；Td—淡水溫度；Ts—熱缸套水溫度（℃）；Cp—水的比熱（kJ/（kg·℃））；λs—系統(tǒng)傳熱系數(shù)；λv—水的汽化潛熱（kJ/kg）。

3.2.1 分離式海水淡化裝置產(chǎn)水量計(jì)算

海水32℃時(shí)，海水含鹽量為41000mg/kg，濃海水含鹽量為60000mg/kg，可近似的進(jìn)行如下計(jì)算：

32℃時(shí)水的比熱容為4.18kJ/（kg·℃）；海水淡化裝置真空度89%時(shí)，蒸汽區(qū)域溫度為50℃，其對應(yīng)的λv為2595kJ/kg。入口海水溫度為32℃，入口熱缸套水溫度為80℃。分離式JWP-26-C80型海水淡化裝置蒸發(fā)器換熱面積為0.085m2，板片對數(shù)為40 對，利用等雷諾數(shù)法測得板片總傳熱系數(shù)為6500W/（m2·k）。

3.2.2 整體式海水淡化裝置產(chǎn)水量計(jì)算

所設(shè)計(jì)的整體式板片蒸發(fā)器換熱面積為0.105m2，其它參數(shù)參照分離式造水機(jī)，其產(chǎn)水量計(jì)算如下：

整體式海水淡化裝置產(chǎn)水增加量計(jì)算如下：

較分離式海水淡化裝置，運(yùn)用整體式板片的海水淡化裝置產(chǎn)水量提高了近1/4。

4 海水淡化過程仿真與分析

4.1 相關(guān)模型建立及條件設(shè)置

4.1.1 模型建立

ANSYS CFX 作為世界上第一個(gè)唯一采用全隱式耦合算法的流體力學(xué)分析程序，適合多相流、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜流場且結(jié)果精確穩(wěn)定[10]。故借助ANSYS Workbench 平臺，選用其中CFX 模塊對海水淡化過程進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。

4.1.2 網(wǎng)格劃分

所研究的整體式板片流道模型復(fù)雜多變，因此選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以把流道模型分為兩個(gè)區(qū)域，波紋區(qū)和導(dǎo)流區(qū)為一個(gè)區(qū)域，其余為另一個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域可以劃分不同類型的網(wǎng)格，以此達(dá)到網(wǎng)格劃分的最大精度[11]。

4.1.3 邊界條件

冷熱流體通過板片接觸面進(jìn)行傳熱，其他各面設(shè)為絕緣面，壁面邊界條件采用無滑移壁面條件[12]，出口處均采用壓力出口條件，即冷熱流體的出口壓力均設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。其邊界條件設(shè)置，如表2 所示。

表2 邊界條件Tab.2 The Boundary Condition

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 整體式板片流道內(nèi)的溫度場分析

模型A 和B 板間流體的溫度場分布，如圖3 所示。從圖中可以看出，在熱缸套水流道區(qū)域，隨著流體從入口到出口，熱流體的溫度從80℃變?yōu)?0℃均勻降低，而冷凝海水流道則恰恰相反，溫度從32℃變?yōu)?1℃均勻升高，從而達(dá)到換熱的作用。

同時(shí)從溫度分布可以看出，上半板片在同一垂直截面上，流道下部的流體溫度低，上部溫度高，即下半部分冷凝相比上半部分快，這是由于冷流體從上板片下側(cè)入口流入流道后出現(xiàn)的流量分布不均勻的情況。但上半板片上下溫差偏差在10℃以內(nèi)、變化較小，同時(shí)遠(yuǎn)離入口的上半部分流道的冷流體流量分布范圍幾乎與入口處冷流體流量相當(dāng)，避免由于范圍相差較大出現(xiàn)局部流體溫升快的現(xiàn)象。從溫度分布圖可以進(jìn)一步證明冷流體分布均勻、溫差小、邊角處無局部高低溫點(diǎn)與換熱死區(qū)、冷凝效果較好。

下半板片在溫度分布上，總體分布趨勢為中間流道流體溫度高，四周溫度低，即下半板片中間區(qū)域換熱相比其它部分快。這是由于熱流體從上板片上側(cè)入口流入流道后，在重力作用下熱流體先流向下部、再逐漸擴(kuò)散到整個(gè)下半板片區(qū)域。但下半板片中間與四周溫差偏差也在10℃以內(nèi)、變化較小，同時(shí)從溫度分布圖上可以看出，中間區(qū)域的熱流體流量分布與四周流體流量相當(dāng)，避免局部流體溫降快的現(xiàn)象。而且下半板片在除中間高溫區(qū)外相同顏色溫度范圍內(nèi)再無局部高溫點(diǎn)，各個(gè)溫度區(qū)域分布均勻、溫差較小，換熱效果較好。

所設(shè)計(jì)的一對A、B 板片的溫度分布圖，如圖4 所示。由圖4可以看出，A 板片冷凝區(qū)溫度分布主要受冷凝海水溫度影響，溫度由內(nèi)到外逐步增加，從（32～46）℃。A 板蒸發(fā)區(qū)溫度分布正好相反，其主要受海水溫度影響，因而其溫度分布由內(nèi)到外逐步降低，溫度由（80～51）℃。與A 板相比B 板蒸發(fā)與冷凝區(qū)除了冷熱溫度范圍大小不同以外，溫度變化形式則完全一樣。其板片冷凝區(qū)域溫度由內(nèi)到外從（32～46）℃逐步升高，蒸發(fā)區(qū)域溫度由內(nèi)到外從（72～51）℃逐步降低。經(jīng)分析整體式板片完全可以達(dá)到理想的換熱效果、能夠?qū)崿F(xiàn)海水的淡化。

圖3 整體式板片間流體溫度分布圖Fig.3 Fluid Temperature Distribution Between Integrate Plates

圖4 A、B 板片溫度分布圖Fig.4 Temperature Distribution Between Plates A and B

4.2.2 整體式板片流道內(nèi)的速度場分析

整體式海水淡化過程中冷熱流體區(qū)域的速度場分布圖，如圖5 所示。從圖中可以看出，上半板片的冷凝區(qū)域，冷流體入口處以及拐角處流速高，拐角處不易形成“死區(qū)”。中間界面速度較低是因?yàn)槠湮挥诎迤虚g，入口處以及拐角處流體擠壓形成滯留，從而速度降低，其速度分布是規(guī)律的、均勻的，說明流動已充分的展開。下半板片也是如此，在熱流體以及冷海水入口處流速高、其余部分流速低形成規(guī)律的、均勻的流速分布。這樣的流速分布更易使得流體流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，使得流體在波紋中呈螺旋狀向前流動，在兩板交接的邊緣地帶易產(chǎn)生旋渦，最終使的換熱器的換熱得到增強(qiáng)。

圖5 整體式板片間流體速度分布Fig.5 Fluid Velocity Distribution Between Integrate Plates

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的海水淡化裝置整體式板片集合了分離式板片的蒸發(fā)、冷凝以及過濾三部分，換熱效率更佳，在清洗拆卸上更方便，大大縮減了海水淡化裝置的體積與外殼成本、提高了淡水產(chǎn)量，更適用于未來遠(yuǎn)洋船舶海水淡化裝置的使用。