廢熱耦合光伏利用海水蒸餾箱的設計研究

戴寶連 田興旺 謝坤然 劉賓 劉旭東 花思宇 孟齊 李天統(tǒng) 張瑜 高明

摘要：為降低海上漁船淡水的負載量，設計了一個簡易高效、節(jié)能綠色的小型海水淡化裝置。裝置由外加保溫材料的蒸餾箱、熱回收盤管、加熱盤管、鼓泡器、海水噴淋頭、太陽能電池板及蓄電池、海水泵、空氣泵、集水槽、淡水箱、過濾器、散熱肋片、無動力風帽等部件組成，利用漁船發(fā)動機尾氣廢熱作為海水淡化的主要熱源，提供海水蒸發(fā)時所需溫度，利用太陽能電池板給蓄電池充電，供給海水泵、空氣泵等所需動力，同時在裝置頂部設置無動力風帽和散熱肋片加速冷卻頂板的冷凝效率。該裝置小型化設計，適應性強。能量回收利用效率高，可以直接按放在漁船上，在海水淡化領域具有很好的商品化應用前景。

關鍵詞：尾氣廢熱;光伏利用，海水淡化

中圖分類號：TK212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0256-03

1引言

伴隨著全球人口快速增長，世界淡水資源日益減少，如何解決淡水的日常供應問題已經(jīng)變成了關系到人類生存發(fā)展的重大問題。其中，海水淡化已經(jīng)成為解決水資源短缺最重要的手段之一，海水淡化實質上就是除去海水里面不適合人類飲用的成分，如礦物質和鹽分，是一種有效獲取淡水的方式。但是常規(guī)的海水淡化是高能耗產(chǎn)業(yè)，且排放溫室氣體及氮氧化合物等污染物質。隨著海水淡化技術日漸成熟，一般的海水淡化方式主要有多級蒸發(fā)、多效蒸餾、反滲透膜法等，目前太陽能海水淡化在使用過程中存在造價高、工作效率低等問題。如何降低淡水制備的能耗或利用自然綠色能源是目前世界淡水制備發(fā)展的重要方向，如果能回收利用廢熱或者將清潔的太陽能與海水淡化結合起來，將是一種非常有發(fā)展前途的節(jié)能環(huán)保技術。

太陽能海水淡化技術一般分為被動式和主動式，被動式系統(tǒng)的動力不是來自于諸如泵、吹風機之類的電力拖動，也不是來自于諸如集熱器之類的額外的主動集熱裝置，完全靠自身采集太陽能促進海水蒸發(fā)。而在主動式系統(tǒng)里面，增裝了一些集熱模塊，從動力到控制，從集熱到散熱，來增強體系內的熱量傳輸和質量傳輸，從而提高裝置的工作溫度。考慮到全部采用太陽能作為集熱、蒸發(fā)和冷凝動力，存在成本較高的問題，本設計采用回收漁船發(fā)動機尾氣廢熱作為海水淡化的主要熱源，利用太陽能電池板給蓄電池充電，向海水泵、空氣泵等提供輸送能耗。

2設計方案

裝置二維平面圖和實物模型圖分別如圖1、2所示。循環(huán)運行過程如下：將漁船發(fā)動機排出的高溫廢氣首先收集到廢熱集罐內，通過流量調節(jié)閥門，高溫尾氣利用自身壓力進入蒸餾箱內的換熱管中加熱海水，降溫后直接排出箱外。原海水通過過濾器預處理，經(jīng)海水泵進入螺旋套筒式熱回收盤管的外套管內，吸收水蒸氣的冷凝潛熱及未蒸發(fā)濃海水的顯熱后，進入噴淋器噴灑在廢熱加熱盤管的外表面，未蒸發(fā)的濃海水落入蒸餾箱下部再次被降溫后的廢熱加熱盤管加熱，溫度較高的濃海水部分經(jīng)排污閥排出，部分經(jīng)三通閥與原海水混合引入到蒸餾箱內，循環(huán)上述過程。淡水槽上部空間的濕空氣在空氣泵循環(huán)抽吸作用下，利用鼓泡器鼓入蒸餾箱內的熱海水中形成上升氣泡，并適時沖刷盤管防止管壁污垢，同時在裝置頂部形成負壓空間，加速低壓蒸汽的產(chǎn)生和收集，通過喇叭形蒸汽管人口進入螺旋套筒式熱回收盤管的內套管，冷凝成淡水收入淡水槽。在頂板和無動力風帽之間具有流通的空氣通道，溫度較低的室外（或海上）空氣在無動力風帽的作用下，流過沖刷頂板上壁面的散熱肋片，然后所產(chǎn)生的濕熱空氣隨著風帽轉動排向外界，該過程利用被動式的自然通風技術，可以有效地降低頂板的表面溫度，從而有利于蒸汽的冷凝收集。

3技術經(jīng)濟性分析

試驗測試中，漁船發(fā)動機高溫尾氣廢熱加熱盤管用電加熱盤管模擬，海水泵、空氣泵所需的光伏電能也用220V交流電代替。通過調節(jié)空氣泵功率控制鼓氣量，在蒸餾箱內海水液面上下方分設熱電偶T1、T2用于測量蒸汽和海水溫度，蒸餾箱底部放置壓力傳感器測量海水蒸發(fā)量，利用秒表記錄運行時間。液位通過調節(jié)流量閥門控制。其淡水生產(chǎn)成本應該綜合考慮裝置的投資費用、操作與維護費用及能源費用，此小型蒸餾箱由于利用了發(fā)動機廢熱和太陽能，其能源費用是很低的。穩(wěn)定運行時的能效比，也稱造水比（gained output ratio，GOR），可定義為單位時間內蒸餾所得淡水的蒸發(fā)潛熱與裝置運行消耗能源的比值。

式（2）中，me為單位時間海水蒸發(fā)量，即產(chǎn)水率hy，為汽化潛熱;P1、P2和P3分別為海水泵、空氣泵和廢熱加熱盤管的功率。

穩(wěn)定海水溫度為80℃時，海水泵的功率為25w，海水蒸發(fā)量與鼓入空氣量的關系曲線如圖3所示，可以看出隨著鼓風量的增大，海水蒸發(fā)量也是增加的，但是增加的趨勢減緩，說明裝置存在最佳鼓風量和海水流量、溫度的組合。結合測量數(shù)據(jù)，這里引入耗電當量的概念E=（P1+P2+p3）3）/me。計算表明，在空氣泵功率為2w時，蒸餾箱的產(chǎn)水率約為1.72kg/h，折合的耗電當量為2.6kW·h/t，低于目前人工制備淡水的平均耗電功率3～4kW·h/t。

4創(chuàng)新特色及應用前景

4.1創(chuàng)新特色

此新型廢熱利用耦合光伏驅動海水淡化蒸餾箱特色如下。

（1）充分利用回收漁船發(fā)動機排出的高溫尾氣作為海水淡化的主要熱源。

（2）利用螺旋套筒式熱回收盤管既回收了水蒸氣的冷凝潛熱，又利用了濃海水的顯熱，螺旋型設計還增加了接觸換熱時間，從而在提高整體熱量回收效率的同時，得到了可貴的淡水資源。

（3）利用空氣泵循環(huán)抽吸、鼓泡器產(chǎn)生氣泡等加速蒸汽冷凝回收，降低氣相分壓產(chǎn)生更多的低壓蒸汽，同時擾動海水強制對流增強換熱，防止盤管外壁污垢。

（4）太陽能電池板V字形設計，根據(jù)需要可展開面積，吸收太陽光給蓄電池充電，供給海水泵、空氣泵等動力，節(jié)省常規(guī)化石能源的消耗。

（5）對集熱/蒸發(fā)/冷凝進行一體化設計，通過在換熱箱里合理布置海水噴淋器、廢熱加熱盤管及螺旋套筒式熱回收盤管，減少空間浪費使整個裝置緊湊。

（6）蒸餾箱頂部成V字形設計，部分冷凝的淡水隨著蒸汽一起通過喇叭形蒸汽管人口進入螺旋內套管，綜合利用鼓泡蒸發(fā)技術和橫管降膜蒸發(fā)技術增強換熱，提高了蒸發(fā)效率。

（7）裝置頂板下壁面布置一定數(shù)量的吸濕材料條，所形成的槽道結構有助于冷凝水的流動匯集，而上壁面布置散熱肋片有利于頂板的散熱，在頂板與無動力風帽間具有空氣流動通道，利用被動式的自然通風技術進一步降低頂板的溫度，從而提高了蒸發(fā)冷凝效率。

4.2應用前景

該海水蒸餾箱一體化小型化設計，形式新穎，簡單實用。因為有效利用了發(fā)動機尾氣廢熱和太陽能光伏驅動，所以裝置的能源費用在淡水成本中的比重較小，如果減小裝置材料的投資費用（如選用輕質、便宜、無毒且熱導率高的材料、高效保溫材料等）可以進一步降低產(chǎn)水成本。該小型蒸餾箱充分利用海水資源.節(jié)省漁船負載的淡水量，現(xiàn)用現(xiàn)取，為從事海上作業(yè)的人員提供便利。相信在海水淡化領域中的商品化潛力和應用前景很大。

5結論

設計了一個簡易高效、節(jié)能綠色的小型海水淡化蒸餾箱。聯(lián)合利用了發(fā)動機尾氣廢熱和太陽能光伏驅動，設置無動力風帽和散熱肋片提高了蒸發(fā)冷凝效率。該裝置小型化設計、適應性強，能量回收利用效率高，體現(xiàn)了“節(jié)能減排，綠色環(huán)保”的理念。可以直接按放在漁船上，在海水淡化領域具有很好的商品化應用前景。