基于槽式集熱原理的新型海水淡化裝置

周博+朱品光+王亞迪+權(quán)全

摘要：淡水資源稀缺是21世紀(jì)我們所面臨的重大問題之一，因此發(fā)展高效環(huán)保的海水淡化工程顯得尤為重要。本海水淡化裝置采用傳統(tǒng)的蒸餾法，結(jié)合增濕除濕原理，實現(xiàn)海水的淡化。裝置的設(shè)計原理綜合了余熱利用、吸熱、蒸發(fā)、氣壓平衡以及冷凝五個方面的因素，對裝置的產(chǎn)水率進(jìn)行提高。結(jié)構(gòu)設(shè)計上，本裝置分為水蒸氣分級產(chǎn)生室、太陽能集熱部分、冷凝及淡水集中室、氣壓平衡循環(huán)管道四部分，整個循環(huán)過程滿足：水量平衡方程和熱傳導(dǎo)方程。本裝置的創(chuàng)新特色體現(xiàn)在對中間傳熱介質(zhì)一導(dǎo)熱油的利用、余熱的利用、以及內(nèi)置風(fēng)機(jī)等方面。在應(yīng)用前景方面，可作為小型家用海水淡化裝置，或工業(yè)鍋爐補(bǔ)水，因而應(yīng)用前景廣闊，是一種高效節(jié)能，綠色環(huán)保的海水淡化裝置。

關(guān)鍵詞：海水淡化；太陽能集熱；節(jié)能；綠色環(huán)保

1研究背景

1.1海水淡化工程

地球上水資源總量有13.8億立方公里，其中海水占97.5%，淡水只占2.5%，可供人類直接使用的淡水僅有0.01%。隨著全球人口的急速增長和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，我們面臨的淡水威脅更加嚴(yán)重。將目光轉(zhuǎn)向海洋，發(fā)展海水淡化技術(shù)，必然成為一種趨勢。海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，可以增加淡水總量。而在眾多海水淡化技術(shù)中，利用太陽能淡化海水是最為經(jīng)濟(jì)環(huán)保和具有發(fā)展前景的方法之一。

1.2目前國內(nèi)外海水淡化工程的發(fā)展現(xiàn)狀

我國海水淡化發(fā)展主要是自主研發(fā)和國外引進(jìn)相結(jié)合。經(jīng)過國家科技部的連續(xù)3個五年計劃（“九五”、“十五”、“十一五”）支持，我國海水淡化工程得到了一定程度的發(fā)展。但從總體形勢來看，國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的海水淡化技術(shù)還比較少，相關(guān)設(shè)備研發(fā)和制造技術(shù)還不夠成熟。在海水淡化的研究與發(fā)展中，逐步以反滲透法、多級閃蒸法和低溫多效法為主流研究方法。（1）反滲透法是在海水淡化中應(yīng)用的一種膜分離技術(shù)，通過對特殊材料的加工，制成具有半透膜性能的反滲透膜。它能使水溶液在外加壓力作用下選擇性透過，以達(dá)到海水淡化的目的。（2）多級閃蒸法是通過加熱海水達(dá)到一定溫度，然后在壓力逐漸降低的容器中閃蒸汽化，最后冷凝得到淡水。（3）低溫多效法是為了降低能耗，將二次蒸汽作為加熱蒸汽應(yīng)用于下一級海水加熱中，從而充分利用蒸發(fā)耗用的熱能。

目前國際通用方法有蒸餾法、電滲析法、膜法和冷凍法。國外主要應(yīng)用的方法也不盡相同，如西班牙、阿聯(lián)酋主要用槽形拋物面集熱器和MED技術(shù)，德國、科威特主要用槽形拋物面集熱器和MSF技術(shù)。但海水淡化工程建設(shè)成本高規(guī)模大，依然是各個國家所面臨的難題之一。

2設(shè)計原理

2.1設(shè)計思路

余熱利用：傳統(tǒng)的蒸發(fā)裝置，不能利用水循環(huán)過程中的余熱，造成能源的損失。本裝置具有多級利用余熱的蒸發(fā)裝置及冷凝裝置。蒸發(fā)裝置能夠?qū)⒂糜谏霞壵麴s所剩余的熱水，流入下一級，并在下一級繼續(xù)蒸發(fā)，蒸發(fā)部分總共有三級。水蒸氣冷凝時所放出的熱量，被冷凝管中的海水所吸收，這部分預(yù)熱的海水，將被用于加熱，再產(chǎn)生水蒸氣。這兩個過程使水中的余熱得到充分利用。

吸熱效率：水的比熱容大，利用太陽能來直接加熱水，不僅水溫升高的慢，而且局部的溫度高，受熱不均勻。與水相比，導(dǎo)熱油的比熱容小，相同熱量下單位質(zhì)量的導(dǎo)熱油上升的溫度大，因此傳熱效率顯著。以此來加熱水，能夠使水受熱均勻，溫度上升更快。

蒸發(fā)效率：海綿具有良好的吸水性以及保水性，熱水流經(jīng)過花灑噴附在海綿的表面，能夠減緩水流的速度，增加水與海綿的接觸面積，使單位時間產(chǎn)生更多的水蒸氣，蒸發(fā)的效率提高。

氣壓平衡：保持整個裝置的氣壓平衡，從冷凝的箱體里引出三根管道，分別與蒸餾裝置的三級相連，保持整個裝置氣循環(huán)良好。

冷凝效率：為使水蒸氣能夠及時通過管道，到達(dá)冷凝管冷凝，在傳導(dǎo)蒸汽的管道里面加入小功率風(fēng)機(jī)，開動風(fēng)機(jī)后，整個裝置的氣流循環(huán)加快，水蒸氣的循環(huán)加快，從而使冷凝的效率大大提高，產(chǎn)水量也會相應(yīng)的提高。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置水的流向為：

①冷水通過冷凝管由噴頭噴灑至第一級水蒸氣產(chǎn)生室的緩水材料上，然后逐級流到第三級水蒸氣產(chǎn)生室，在第三級通過熱油管道加熱水，接著由熱水泵將水泵送至第一級水蒸氣產(chǎn)生室。②一部分水在前一級產(chǎn)生室中進(jìn)行蒸發(fā)，剩余部分流向后一級進(jìn)行蒸發(fā)，同時每一級產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)過輸氣管道由風(fēng)機(jī)鼓入冷凝系統(tǒng)。未蒸發(fā)的水再由第三級泵送至第一級，往復(fù)循環(huán)。③以蒸汽形式進(jìn)入冷凝裝置的水，通過液化形成所需要的蒸餾水。④冷凝管中的水通過吸收水蒸汽的熱量，溫度上升，然后通過管道，進(jìn)入第三級水蒸氣產(chǎn)生室，充分加熱后，再進(jìn)入第一級水蒸氣產(chǎn)生室開始循環(huán)。

本裝置分為四個結(jié)構(gòu)部分：水蒸氣分級產(chǎn)生室、太陽能集熱部分、冷凝及淡水集中室、氣壓平衡循環(huán)：

水蒸氣分級產(chǎn)生室：此結(jié)構(gòu)分為三個分級箱體，由上到下依次為第①、②、③室。泵送至一室的熱水和冷水，經(jīng)過水流分散器均勻散開并混合。利用增濕除濕原理，冷熱溫差大的水在相互噴灑的過程中產(chǎn)生大量水蒸氣。余下的水參與第②、③室的噴灑與蒸發(fā)。

太陽能集熱部分：利用自然界清潔能源太陽能作為整個裝置的熱源，為海水的蒸發(fā)提供動力。圖中④部分為太陽能集熱部分：槽式太陽能集熱器：在箱體外部，用于高效收集太陽能熱量，以加熱油循環(huán)。加熱油箱：在油循環(huán)下，集熱器收集的熱量循環(huán)到水蒸氣產(chǎn)生室中的加熱油箱，進(jìn)行熱傳遞，將熱量從油傳導(dǎo)給待蒸發(fā)海水，使海水被加熱，之后熱海水被泵送至水蒸氣第①產(chǎn)生室。

冷凝及淡水集中室：將水蒸氣從分級產(chǎn)生室中引出至冷凝室，熱的水蒸氣遇冷進(jìn)行熱交換，液化成純凈水，在室壁凝結(jié)最后收集在純凈水箱中。

氣壓平衡循環(huán)：在冷凝室與水蒸氣產(chǎn)生室之間采用循環(huán)式導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)置風(fēng)機(jī)循環(huán)，使空氣帶動水蒸氣在裝置內(nèi)部進(jìn)行流動，而熱量損失比較小，冷凝效果比外界引入冷空氣效果好。

3創(chuàng)新特色

（1）采用導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)：導(dǎo)熱油具有抗熱裂化和化學(xué)氧化的性能，傳熱效率好、熱穩(wěn)定性好，加熱均勻，調(diào)溫控制準(zhǔn)確，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，使海水加熱速率比一般介質(zhì)快；

（2）充分利用余熱：上一級蒸發(fā)裝置冷熱水混合剩下的水具有一定的熱量，流到下一級裝置，蒸發(fā)時應(yīng)用了余熱，從而減少熱量損失和浪費(fèi)：

（3）內(nèi)置風(fēng)機(jī)：防止引入外部冷空氣，避免水蒸氣在氣體流通管道內(nèi)液化：

（4）分散水流：增大海水與空氣接觸面積，加快蒸發(fā)；

（5）用緩沖材料：減緩水流速，延長水在蒸發(fā)室停留時間，充分蒸發(fā)。

綜上，結(jié)構(gòu)簡單、易于組裝、本裝置產(chǎn)出純凈水效率高，易于推廣。

4應(yīng)用前景

（1）太陽能是取之不盡的清潔可再生能源，海水淡化則是從海洋獲得淡水的主要技術(shù)，兩者相互結(jié)合是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響。同時經(jīng)過淡化的海水，水質(zhì)好、價格漸趨合理，可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。因而本裝置可作為小型海水淡化裝置可為沿海居民提供飲用水，若批量生產(chǎn)該裝置，還可為工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。

（2）太陽能海水淡化與常規(guī)的現(xiàn)代海水淡化技術(shù)緊密結(jié)合起來，先進(jìn)的制造工藝和強(qiáng)化后的傳熱技術(shù)，則是建立高效節(jié)能的太陽能海水淡化工程的主要出路之一。建設(shè)環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會是對我國未來發(fā)展的要求，而太陽能海水淡化工程則是這一發(fā)展規(guī)劃下的熱點(diǎn)之一。本新型海水淡化裝置，可作為海島供水，戰(zhàn)略儲備用水。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生建設(shè)起重要的作用。

致謝：在本研究中，感謝國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的資助。感謝在此期間，學(xué)校給我這次寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會，權(quán)全副教授對我悉心的指導(dǎo)，以及隊友和同學(xué)提出的意見和建議。