一種設有冷凝壁的海水淡化裝置

劉靈沖 權全 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今世界發展是至關重要的。該研究在海水淡化產業普遍采用的蒸餾法的基礎上，設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。該裝置的創新特色體現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，具有廣闊的應用空間。

關鍵詞：海水淡化? 冷凝壁? 液滴脫落半徑? 產水效率

1? 研究背景

我國目前的海水淡化產業以蒸餾法為主，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，研發出了日產1200t多級閃蒸海水淡化裝置。2004年，我國首次研發出了日產3000t低溫多效海水淡化工程。2007年首鋼引進了日產的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新與產業發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?；?、集成化的方向發展。國際上多采用蒸餾法和膜法進行海水淡化。目前阿聯酋根據蒸餾法和反滲透聯合技術建立了世界上最大的海水淡化工廠，德國也利用MSF技術實現了海水的產業化。

總結國內外海水淡化的發展情況，深入探究可以得出蒸發效率低、建設成本高仍是制約海水淡化發展的因素[2]。

由表1可以看出發展蒸餾法進行海水淡化更為經濟有效。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? 設計原理

2.1 設計思路

（1）冷凝效率。傳統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構設計增大了冷凝面積，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，該裝置根據液滴脫落半徑與脫落角的關系設計蒸餾室的大小，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化率，而使用直接從海洋中取出的海水，轉化率低。因此該裝置利用蒸餾后得到的濃海水制氯，實現了廢棄物利用。

2.2 結構設計

該裝置的結構主要分為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計，相較于傳統的單層斜面冷凝壁，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合聚苯乙烯泡沫保溫材料組成。蒸餾室內安裝有金屬管，其內嵌有電熱絲，可實現對海水的加熱，產生蒸汽。蒸餾室外壁的復合聚苯乙烯泡沫保溫板可實現對加熱海水的保溫，減少熱量的散失。

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

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。

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

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，蒸發室與冷凝壁的大小關系具體如下。

當冷凝壁的半徑R小于0.5m，圓柱形蒸發室半徑r≤R-cos20°。

當冷凝壁的半徑R小于1m，圓柱形蒸發室半徑r≤R-cos13°。

當冷凝壁的半徑R小于2m，圓柱形蒸發室半徑r≤R-cos9°。

當冷凝壁的半徑R小于10m，圓柱形蒸發室半徑r≤R-cos6°。

當冷凝壁的半徑R小于50m，圓柱形蒸發室半徑r≤R-cos4.8°。

根據蒸發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備及空間匯總達到最大。

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。當運行整個系統時，單片機工作，實時讀取蒸餾室中水位情況，根據其具體情況做出開關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。當水位傳感器監測到蒸餾室中水位低于預測水位時，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，實現海水的注入。當水位傳感器監測到蒸餾室中水位高于預測水位時，入水口的電磁閥門在電信號作用下關閉。實現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：由自動控制系統實現海水的自動注入，從入水口流經電磁閥進入到蒸發室中，蒸發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，滑落至冷凝室中經排水管排出。

3? 創新特色

（1）采用弧形板面的冷凝壁?；⌒伟迕婢哂欣淠娣e大、液體在其上滑落速度較大的優點，使熱量轉移效率得到提高，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，蒸汽冷凝產生的熱量釋放到外界快的優點，因此熱傳遞效率和冷凝速率均比普通斜面高。

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

（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，提高了轉化率，實現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的擴容蒸發式海水淡化裝置性能及分析[D].華北電力大學，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]//中國工程熱物理學會（傳熱傳質學），2010.

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