船用蒸餾造水機設(shè)計分析

馮東東，岳鵬飛，張鳳鳴，游先仁，陳順權(quán)，曠萬軍（廣州中國科學(xué)院先進技術(shù)研究所，廣東省膜材料與膜分離重點實驗室，廣東 廣州 5458；深圳市沃爾奔達新能源股份有限公司，廣東 深圳 5803）

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船用蒸餾造水機設(shè)計分析

馮東東1，岳鵬飛1，張鳳鳴1，游先仁1，陳順權(quán)1，曠萬軍2
（1廣州中國科學(xué)院先進技術(shù)研究所，廣東省膜材料與膜分離重點實驗室，廣東 廣州 511458；2深圳市沃爾奔達新能源股份有限公司，廣東 深圳 518103）

摘要：造水機是重要的船舶輔機之一，使用蒸汽或內(nèi)燃機缸套冷卻液余熱作為驅(qū)動熱源，為船舶提供淡水。目前國際市場上船用蒸餾造水機已由管殼式換熱器向板片式換熱器過渡，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計產(chǎn)品和技術(shù)研究比較缺乏。本文為了研究板式蒸餾造水機換熱及流動特性，以內(nèi)燃機冷卻液余熱作為驅(qū)動力，選取實際運行工況，從熱力學(xué)和流體力學(xué)角度分析研究板式蒸餾造水裝置的設(shè)計要點，通過對造水機的板式蒸餾器進行熱力計算和換熱計算，對引射器進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計以及對造水機的整體工藝流程設(shè)計，得到船用板式蒸餾造水機各部分的結(jié)構(gòu)和詳細尺寸參數(shù)。計算得到額定工況下的理論產(chǎn)水量并進行低負荷實驗。結(jié)果表明，造水機產(chǎn)水品質(zhì)和運行特性符合設(shè)計要求，為板式造水機制造和研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：造水機；熱力學(xué)過程；板式蒸餾器；引射器；流動

第一作者：馮東東（1989—），男，碩士，助理工程師，研究方向為低溫多效蒸餾水質(zhì)凈化技術(shù)。聯(lián)系人：張鳳鳴，博士，副研究員，研究方向為低溫多效蒸餾水質(zhì)凈化技術(shù)。E-mail fm.zhang@giat.ac.cn。

造水機（又稱海水淡化機）為船舶提供淡水，是重要的船舶輔機。蒸餾造水機依賴蒸汽或內(nèi)燃機缸套冷卻液余熱作為驅(qū)動熱源，通過對海水進行加熱，產(chǎn)生水蒸氣遇冷凝結(jié)，形成的淡水潔凈度高，是目前主流造水裝置之一[1-2]。蒸餾造水機主機主要由蒸餾器和引射器兩部分構(gòu)成。技術(shù)比較成熟的浸管沸騰式造水機的蒸餾器為管殼式結(jié)構(gòu)[3]，蒸餾器包含豎管蒸發(fā)器和橫管冷凝器，系統(tǒng)采用單吸口式引射器，抽氣和排水接口都連接到吸入室，分別抽出濃鹽水和不凝性氣體。這種引射器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是真空度無法控制，必須保持工作流體速度和壓力足夠大，才能同時抽出不凝性氣體和濃海水；由于蒸發(fā)器排出的海水為飽和狀態(tài)，容易在引射器的吸入口形成汽蝕，影響濃縮液的排出。隨著技術(shù)的發(fā)展，國外輔機廠家推出了板式低溫蒸餾造水機產(chǎn)品[3]。相比管殼式換熱器，板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、壓降小、檢修維護方便等優(yōu)點。同時，引射器結(jié)構(gòu)也有較大改進，提升了抽吸能力，使用單臺引射器同時抽出濃鹽水和不凝性氣體。裝置整體結(jié)構(gòu)更加簡單，運行能耗更低。表1簡單對比了兩種相同產(chǎn)水量的蒸餾造水機的性能差異[4]。

國內(nèi)已有研究機構(gòu)對板式蒸餾造水機和引射器性能進行分析研究，相關(guān)文獻仍然不夠全面。韓旭等[5-6]對小型單效船用造水機進行了熱力計算，分析了不同工況下系統(tǒng)熱力狀態(tài)和造水經(jīng)濟性，并對余熱蒸汽驅(qū)動的雙效升膜板式蒸餾過程建模和熱力計算。王曉娟等[7-8]對船舶真空海水淡化裝置引射器進行數(shù)值模擬和實驗研究，得到引射器結(jié)構(gòu)形式和流體物性對其性能的影響關(guān)系。YUAN等[9]對氣液混合雙吸口引射器進行了實驗研究，主要觀察了引射器壓力分布的影響因素。興連祺[10]試制了小型單效板式蒸餾造水機進行實驗研究，主要考察了蒸餾器的傳熱性能。前述文獻對板式蒸餾造水機性能的研究與造水機實際工況有較大偏差，部分實驗裝置真空度為50％～70％[10]，與實際造水機運行真空度90％以上差別較大。目前板式蒸餾造水機主要以內(nèi)燃機冷卻液余熱為熱源，而不是蒸汽余熱[6]；新式引射器為雙吸口非對稱結(jié)構(gòu)，分別抽出濃鹽水和不凝氣體，減少引射器數(shù)量的同時，巧妙避免單吸口引射器產(chǎn)生的濃鹽水汽蝕問題，其結(jié)構(gòu)特點和運行特性還有待研究。根據(jù)板式低溫蒸餾原理及船舶造水輔機實際運行工況，設(shè)計利用內(nèi)燃機缸套冷卻水余熱驅(qū)動的板式低溫蒸餾造水系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各部分進行熱力計算和換熱計算，為板式蒸餾造水機設(shè)計提供參考。

表1　兩種蒸餾造水機性能對比

1　系統(tǒng)工藝設(shè)計

1.1系統(tǒng)主體裝置及流程

系統(tǒng)裝置主要包括蒸餾器（板式蒸發(fā)器和冷凝器）、引射器、熱源水循環(huán)管路、冷卻水循環(huán)管路和淡水抽出管路等組成。系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）冷卻水路徑 將經(jīng)過預(yù)處理的海水通入冷凝器，作為蒸汽凝結(jié)時的冷卻水。預(yù)熱后的海水小部分通過節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器被發(fā)動機冷卻液加熱達到飽和溫度，產(chǎn)生蒸汽，其余的海水進入引射器，通過連接管抽除蒸餾裝置內(nèi)殘余空氣和各種不凝性氣體，使蒸餾裝置維持穩(wěn)定的真空蒸餾環(huán)境。

圖1　船舶柴油機余熱蒸餾海水淡化系統(tǒng)流程

（2）海水蒸發(fā)路徑 海水蒸發(fā)產(chǎn)生的熱蒸汽向上運動，蒸汽中夾裹的含鹽液滴被絲網(wǎng)除沫器捕獲，在重力作用下匯集到蒸餾裝置底部，連同未蒸發(fā)的海水一起通過引射器連續(xù)排出。純凈的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)匯流成淡水，通過淡水抽出泵輸送到淡水箱或者排放到底艙使用。

（3）熱源水路徑 內(nèi)燃機缸套冷卻液通過循環(huán)泵首先經(jīng)過溫控三通流量調(diào)節(jié)閥分配進入蒸餾裝置的蒸發(fā)器，作為熱源加熱海水，換熱后的冷卻液溫度降低，滿足內(nèi)燃機對冷卻液回水溫度的要求，重回內(nèi)燃機。熱源水循環(huán)管路設(shè)置三通流量調(diào)節(jié)閥，使蒸餾造水系統(tǒng)成為旁路，緊急情況下可直接斷開造水系統(tǒng)，不影響內(nèi)燃機正常運行。

1.2系統(tǒng)設(shè)計工況及熱力計算

分析簡化蒸餾器熱力模型，可計算得到系統(tǒng)的主要熱力狀態(tài)點參數(shù)如表2，狀態(tài)點示意見圖2[11]。

表2　系統(tǒng)設(shè)計工況狀態(tài)參數(shù)表

圖2　蒸餾器熱力狀態(tài)點示意圖

蒸餾器穩(wěn)態(tài)模型作如下假設(shè)：

（1）忽略系統(tǒng)熱損耗，遵守能量和質(zhì)量守恒定律；

（2）熱源水和冷卻水缺省物性參數(shù)按常壓狀態(tài)確定；

（3）蒸發(fā)過程蒸汽為飽和蒸汽，冷凝過程過冷度為零；

（4）忽略蒸發(fā)過程中海水鹽度變化對沸點的影響。

根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律，列出蒸餾器模型熱力計算方程組如式(1)～式(7)，熱力計算參數(shù)見表3。

表3　蒸餾器熱力計算參數(shù)表

2　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1蒸餾器

板式換熱器由多塊換熱板片疊加形成過流面，可根據(jù)熱負荷量對板片數(shù)量進行調(diào)整，從而改變換熱面積，滿足不同的造水產(chǎn)量。金屬鈦具有優(yōu)良的耐海水化學(xué)腐蝕性和較高的換熱系數(shù)，常用于海水熱交換設(shè)備。設(shè)計選用可拆卸式單程鈦板換熱器。

受船艙空間限制，要求蒸餾器尺寸小，且結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和運行維護。單效蒸餾器是小型淡化機的常見方式。選用單效板式蒸餾器，設(shè)計合理的換熱面積和尺寸，滿足產(chǎn)水和安裝要求。對于流道形式和尺寸確定的換熱板片，可根據(jù)生產(chǎn)商提供的選型計算公式，結(jié)合換熱介質(zhì)的物性參數(shù)和熱力狀態(tài)參數(shù)，計算得到板片的換熱系數(shù)，從而確定總體換熱面積，如圖3所示。選型設(shè)計參數(shù)見表4。

蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)冷側(cè)和熱側(cè)流體流道走向設(shè)計如圖4和圖5所示。板片規(guī)格有兩種，區(qū)別是其中一種底部一側(cè)帶有節(jié)流作用的布液小孔，用于釋放海水或排出凝結(jié)水。

圖3　板式蒸發(fā)/冷凝器換熱計算程序框圖

表4　蒸發(fā)/冷凝器選型設(shè)計參數(shù)表

2.2引射器

引射器的性能直接決定了系統(tǒng)的真空條件，間接影響了系統(tǒng)能耗及造水能力。在蒸餾造水過程中，冷卻回水只有一小部分進入蒸發(fā)器內(nèi)加熱蒸發(fā)，余下的大量冷卻水直接排掉。設(shè)計使用這部分冷卻水作為引射器動力。

利用計算流體動力學(xué)軟件，結(jié)合引射卷吸原理[12]，設(shè)計一個兩級吸口的引射器裝置，如圖6所示，其兩級吸口分別用于對蒸餾器進行抽氣和排液。兩級吸口引射器的設(shè)計重點是，前后兩級吸口的真空度不能差別太大，否則會導(dǎo)致第二級吸口的真空度過低，蒸餾器內(nèi)真空度過高，對濃縮海水形成逆流壓力，造成濃縮海水積液不能排出。兩級吸口的真空度差異必須小于蒸餾器內(nèi)濃縮海水液位與引射器吸口之間高度產(chǎn)生的重力勢能，見式(8)。

圖4　蒸發(fā)器流道及介質(zhì)流向示意圖

圖5　冷凝器流道及介質(zhì)流向示意圖

圖6　兩級吸口引射器結(jié)構(gòu)示意圖

引射器的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計參數(shù)如下所述（表5）。

（1）噴嘴 一般采用收縮圓錐形成流線型，收斂角度為30°。

（2）喉管 喉管距L1對引射器的性能有很大影響，一般可采用式(9)選取。

表5　引射器設(shè)計參數(shù)

（3）混合管 混合管長度過短，流體不能均勻混合，導(dǎo)致混合管出口出的流速分布不均勻，使隨后經(jīng)過擴散管的損失過大（流速不均勻分布不利于流體在擴散管中將動能轉(zhuǎn)化為壓力能）。相反過長的混合管將增加沿程阻力，根據(jù)實驗表明，混合管的長度可按式(10)選取，且圓柱形的混合管相比于其他形狀更有利于恢復(fù)壓力。

（4）擴散管 擴散管的作用是將噴射流體的動能變?yōu)閴毫δ堋U散損失與擴散管入口流速分布，擴散角以及擴散斷面直徑之比有關(guān)。一般采用的擴散角a取5°～8°；擴散管長度可按式(11)選取。當擴散斷面面積比小于4時，可采用分段擴散管以減少擴散損失。

引射器內(nèi)部氣液混合流動機理比較復(fù)雜，目前沒有比較全面的性能計算方程。對引射器進行冷態(tài)實驗驗證，結(jié)果表明，在設(shè)計工況的冷卻水流量下，引射器入口壓力0.35MPa，兩級吸口的真空度分別達到94kPa和92kPa，真空度微差異相當于0.2m液位高度，遠小于引射器與蒸餾器內(nèi)濃縮海水之間高度0.5m，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.3其他部件

蒸發(fā)器和冷凝器之間設(shè)置聚四氟乙烯絲網(wǎng)除沫器。非金屬絲網(wǎng)除沫器具有比表面積大、重量輕、分離效率高、壓降阻力小、安裝方便等優(yōu)點。用于蒸餾淡化系統(tǒng)的除沫器，選材時不僅要考慮其汽液分離效率和壓降，還要考慮材料本身對海水腐蝕的耐性。聚四氟乙烯是一種耐化學(xué)腐蝕較好的材料，由其組成的絲網(wǎng)具有耐腐蝕、除沫性能優(yōu)異、密度小、成本低等優(yōu)點[13]。絲網(wǎng)除沫器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。此外，配置一臺極限真空度為93％的凝水泵用于淡水產(chǎn)出。

表6　絲網(wǎng)除沫器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4整體結(jié)構(gòu)

造水機整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，采用不銹鋼材料覆蓋保溫層制作。系統(tǒng)整體尺寸為1000mm× 700mm×1100mm，重約350kg。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，且控制元件較少。通過監(jiān)測內(nèi)燃機冷卻液溫度實現(xiàn)系統(tǒng)的自動啟停；熱源冷卻液循環(huán)的旁路流量調(diào)節(jié)設(shè)計，可以最大限度減少對內(nèi)燃機工作的反饋影響。同時，系統(tǒng)吸收的熱源熱量也是柴油機冷卻水必須耗散的熱量，整個淡化系統(tǒng)相當于內(nèi)燃機的散熱系統(tǒng)，節(jié)省原本的散熱功耗。對系統(tǒng)進行實驗測試，熱源水溫度72℃，熱負荷為50kW，原海水電導(dǎo)率49mS/cm，系統(tǒng)抽氣真空度達到90％，產(chǎn)水量0.013～0.016kg/s，熱利用率約為75％；產(chǎn)水電導(dǎo)率降至19μS/cm，除鹽率＞99.5％，符合蒸餾造水水質(zhì)要求。提高系統(tǒng)熱負荷至額定工況，可有效降低熱耗散率，造水機產(chǎn)水量會對應(yīng)增加。

圖7　造水機主體裝置結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)論

對船舶海水淡化方法進行比較分析，利用發(fā)動機冷卻水余熱，設(shè)計一套板式蒸餾和兩級引射抽真空結(jié)合的海水淡化系統(tǒng)。對系統(tǒng)蒸餾裝置進行熱力計算分析，得到系統(tǒng)熱力狀態(tài)和主要運行性能參數(shù)，確定了主體裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計工況下產(chǎn)水量0.06 kg/s，可以較好滿足中小型漁船的淡水需求。設(shè)計兩級吸口引射器，解決真空蒸餾系統(tǒng)的存液問題。實驗結(jié)果表明引射器在系統(tǒng)設(shè)計工況下各吸口真空度均能達到設(shè)計要求。實驗運行檢驗結(jié)果表明，造水機熱利用率高，造水品質(zhì)符合淡化要求。

符 號 說 明

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Design and analysis of marine distillation fresh water generator

FENG Dongdong1，YUE Pengfei1，ZHANG Fengming1，YOU Xianren1，CHEN Shunquan1，KUANG Wanjun2
（1Guangdong Key Laboratory of Membrane Materials and Membrane Separation，Guangzhou Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 511458，Guangdong，China；2Shenzhen Very Power New Energy Co.，Ltd.，Shenzhen 518103，Guangdong，China.）

Abstract：Fresh water generator is one of the important marine auxiliaries. It uses steam or cooling liquid waste heat from internal combustion engine cylinder as the driving heat source and provides fresh water for the ship. It is a trend that tube and shell heat exchanger was replaced by the plate type heat exchanger in the field of marine distillation fresh water generator while the design of relevant products is scarce in literatures in China. Operating conditions were selected through study of thermodynamic calculation and heat transfer calculation of distiller. The structure of ejector device was improved to improve performance. These are all for the sake of the overall process design for the fresh water generator from the perspective of thermodynamics and fluid mechanics. The driving force of the fresh water generator is internal combustion engine cooling fluid waste heat. Theoretical yield of fresh water was calculated with analysis and research the design key points of the generator at operation features. The experimental results showed that the fresh water quality and the operating characteristicsof the fresh water generator meet the design requirements. It can provide reference for plate type fresh water generator manufacture and research.

Key words：fresh water generator；thermodynamics process；plate distiller；ejector；flow

中圖分類號：TK 11+5

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1056–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.014

收稿日期：2015-09-28；修改稿日期：2015-11-29。

基金項目：深圳市技術(shù)開發(fā)項目（CXZZ20150528141008015）、廣東省重大科技專項粵港招標項目（2012A090200001）、南沙區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目（2013P013）及廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項目（2013B091100003）。