基于自然真空蒸餾技術(NVD)的海水淡化裝置

陳領民，沈 娜，吳海欣，全 歡，葉成彬

(華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州 510800)

在沿海、干旱和半干旱地區，淡水成為決定經濟發展和生態發展的重要限制因素。在沿海地區，海水淡化能夠很好地解決這些問題，而能耗高和環境污染制約了其發展。利用新能源進行海水淡化能夠很好地緩解能耗高和環境污染的問題，其中沿海地區風能和太陽能豐富，適合作為海水淡化的能源。

尹建華等[1]研究了低溫多效蒸餾海水淡化技術，雖然該技術能耗較低，但能耗依然是一大問題，同時提到膜法的水質較熱法低。張夏卿等[2]介紹了全球海水淡化的概況，同樣提到能耗高是海水淡化的一大問題，海水淡化發展空間大。海水淡化可通過真空蒸餾技術進行，但維持蒸發室真空度的真空泵需要消耗巨大的電能，真空度越高，抽真空速度和電耗會顯著增加[3]。Midilli[4]提出了自然真空蒸餾技術(NVD)，利用海水自重和大氣壓之間的作用自然形成真空環境，使海水常溫汽化，減少真空泵使用。

Al-Kharabsheh 等[5]對NVD 海水淡化系統的性能進行了理論分析，結果表明，海水靜壓≤4 kPa 時，開始發生汽化。魏京勝等[6]建立了NVD 海水淡化物理模型，提出NVD技術實現海水淡化要有冷源和熱源，需加裝風機形成對流，從而提高系統效率，即使系統耗電量較少，但輔助系統耗電量仍相對較大。Ayhan 等[7]建立了太陽能NVD 海水淡化系統的計算模型，利用巴林地區的太陽能數據進行了計算，得出熱海水溫度與環境溫度相差約20 ℃時，系統的性能最佳。

NVD技術利用自然重力形成真空環境，其設備具有高度高的特點，在使用電能驅動NVD技術時，不需大量的電能，能夠很好地節能。本文提出一種結合NVD技術的裝置，其主要設備——柱形汽化室創新設計，該裝置在常溫下以風能為主，以太陽能和空氣熱能為輔，進行海水淡化，同時產鹽，很好地利用了NVD技術設備的高度以及形狀的優勢，提高了接受風能，同時又降低了風力對設備的沖擊。由于本裝置不產電，有足夠的風能就可以隨時工作產水，很好地解決了拋棄風力的問題。通過理論分析和實物模型試驗對本文提出的裝置——基于NVD技術的海水淡化裝置進行研究，驗證風能產水的可行性，并提出完善改進裝置結構的建議。

1 原理及性能

1.1 工作原理

裝置結構設計如圖1所示。工作原理如下：風能使風葉轉動，風葉帶動真空泵運作，真空泵通過抽氣管將柱形汽化室內的氣體抽出形成低壓，由于柱形汽化室低壓，海水從裝置底部被抽進外表裝設吸熱片的柱形汽化室；由于氣壓極低，海水沸點降低，同時有太陽光照射吸熱片且從附近空氣中吸收熱量，海水發生汽化，真空泵持續運作，將汽化出來的水蒸氣抽走，維持柱形汽化室內部的低壓環境，使海水持續汽化。水蒸氣通過出氣管被真空泵泵入冷凝器，液化成蒸餾水，收集存放到儲水箱。

注：1-底座；2-結晶鹽；3-柱形汽化室；4-抽氣管；5-塔筒；6-真空泵；7-風葉；8-出氣管；9-冷凝器；10-儲水箱；11-淡水圖1 裝置結構設計圖Fig.1 Structure Design Drawing of the Device

柱形汽化室如圖2所示，其室內的海水鹽濃度隨汽化時間的增長而升高，形成結晶鹽，大部分結晶鹽形成后因重力作用下掉，部分結晶鹽黏附在柱形汽化室內壁形成鹽垢，當形成一定厚度的鹽垢后會使光電開關閉合，光電開關發送信號使除鹽刀上下運動鏟除鹽垢，鹽垢下掉。所有鹽塊下掉到達漏斗網，由出鹽口導出鹽塊，再由傳送帶運走鹽塊成為副產品。運行過程中，由于海水的汽化而吸熱降溫，汽化速率降低，為了保持良好的汽化速率，柱形汽化室需從外界吸收熱量，途徑有兩種：一是利用太陽能的照射給柱形汽化室供熱；二是從空氣中吸收熱量。因此，柱形汽化室外部均勻裝設涂有吸熱材料的吸熱片，不僅能夠吸收太陽能，還能吸收周圍空氣的熱量，其結構符合流體力學，能夠很好地讓空氣通過，增加吸熱量。

注：1-底座；2-結晶鹽；3-傳送帶；4-漏斗網；5-柱形汽化室缸體；6-塔筒；7-抽氣管；8-伸縮桿；9-除鹽刀；10-吸熱片；11-出氣管；12-冷凝器；13-儲水箱；14-淡水圖2 柱形汽化室放大圖Fig.2 Enlarged Drawing of Cylindrical Vaporizing Chamber

圖3為裝置模型結構圖，圖4為模型柱形汽化室結構圖，圖5為裝置實物模型圖，其結構與上述的理論設計有一定的差別，但基本原理不變。模型試驗結束后，將柱形汽化室底部的下法蘭打開，倒出鹽塊。同時，試驗時為了在風能作用下觀察柱形汽化室內的情況，不對實物模型設計噴涂有吸熱材料的吸熱片，暫不對熱能影響汽化效果展開研究。

注：1-進海水口；2-柱形汽化室缸體；3-風葉；4-抽氣管；5-氣壓表；6-真空泵；7-塔筒；8-出氣管；9-冷凝器；10-輸水管；11-量筒圖3 裝置模型結構圖Fig.3 Model Structural Diagram of the Device

1.2 性能特性

基于上述理論原理，以現有我國主流風力發電機外形結構為雛形，理論設計如圖1，性能設想如表1所示。其中，接受風能如式(1)。

接受風能=1/2CPρA1v3

(1)

其中：Cp——風能利用系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

A1——實物理論掃掠面積，m2；

v3——風速，m/s。

注：1-進海水口；2-下法蘭；3-柱形汽化室缸體；4-除鹽刀；5-溫度傳感器；6-伸縮桿；7-上法蘭；8-導線口；9-抽氣管；10-壓力傳感器；11-溫度傳感器；12-光電開關圖4 模型柱形汽化室結構圖Fig.4 Chart of Vaporizing Chamber of Cylindrical Model

基于上述理論原理，以亞克力為原料制作柱形汽化室，PVC管材制作塔筒，鐵架制作塔座，購買現有設備如風輪、有電動機的真空泵等，其模型實物如圖5所示，實測性能如表2所示。其中，風能計算如式(2)。

圖5 裝置實物模型Fig.5 Physical Model of the Device

風能=1/2CPρA2v3

(2)

其中：Cp——風能利用系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

A2——模型掃掠面積，m2；

v3——風速，m/s。

以風能為同一能源，分析傳統海水淡化技術與本裝置能量轉過的效率，其能量轉化過程如圖6和圖7所示。由圖6～圖7可知，本裝置的能量利用效率與傳統海水淡化技術相比提高了9%～24.3%。

1.3 水質分析

海水淡化方法有熱法和膜法，本裝置屬于熱法，其產出的淡水含鹽量低于膜法，且相對傳統的熱法技術，由于是在常溫下運作，溫度較傳統熱法技術低，鹽分的分子擴散運動較溫和，熵值更大，產出的淡水含鹽量更少。表3為各傳統技術的水質[1]，可見熱法的水質含鹽量極少。因此，本裝置的水質含鹽量將會低于5 mg/L。

表1 裝置理論實物性能Tab.1 Theoretical Physical Performance of the Device

表2 裝置模型性能Tab.2 Model Performance of the Device

圖6 傳統海水淡化能量轉化過程Fig.6 Energy Conversion Process of Traditional Seawater Desalination

圖7 裝置能量轉化過程Fig.7 Energy Conversion Process of the Device

表3 傳統技術水質Tab.3 Water Quality of Traditional Technology

2 裝置模型的運行工況及性能分析

2.1 裝置可行性驗證試驗

利用150 W的電機，模擬風力驅動裝置模型的真空泵，分別汽化未加熱的25 ℃淡水、加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水、未加熱的25 ℃海水和加熱至沸騰后溫度降為45 ℃的淡水(加熱至沸騰后的淡水已揮發大量溶解氣體)，其試驗數據如表4所示。

表4 裝置驗證試驗數據Tab.4 Confirmatory Experiment Data of the Device

圖8 氣壓與風速的關系Fig.8 Relationship between Air Pressure and Wind Speed

對比汽化未加熱的25 ℃淡水和加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水試驗初期，后者由于加熱過，溶解在其中的空氣已溢出，產生的氣泡較少。由于淡水汽化比溶解在其中的氣體溢出要困難，且隨著氣泡減少，溶解在淡水中的空氣也減少了。通過兩組試驗的初期對比以及試驗自身前后期氣泡數量的對比，得出淡水溶解有空氣。

對比未加熱的25 ℃淡水和未加熱的25 ℃海水試驗前期，海水產生較少的氣泡，說明海水的汽化速率較淡水慢；未加熱的25 ℃海水試驗前后期對比，說明其溶解有空氣。

對比加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水和加熱至沸騰后溫度降為45 ℃的淡水，后者試驗前后期都能劇烈沸騰，說明提高溫度能提高汽化速率。

以上試驗證明了裝置原理的可行性。

2.2 模擬海水淡化試驗

常溫25 ℃時，利用海水進行試驗，不同風速時，柱形汽化室在上一風速試驗結束的相應風速極限氣壓值上繼續試驗，得到的數據如圖8所示。由圖8可知，風速增加時，氣壓降低并逐漸趨于平緩，并穩定在一個氣壓值，其原因是海水汽化的速率和真空泵泵出氣體的速率相同，達到了相應的極限氣壓。隨著風速的提高，每個風速在原有氣壓值下到達極限氣壓所需的時間越短，原因是氣壓越低，海水汽化的速率越快，能迅速填補缺失的氣壓值。因此，汽化速率的增加使氣壓值達到穩定值所需的時間更少。

由于各地域的海水成分以及濃度都不相同，且海水的沸點與氣壓的關系沒有標準可參考，在此以相應極限氣壓下淡水的沸點作為海水沸點的參考，取相應風速下得到的極限氣壓值，得到圖9，隨著風速的提高，極限氣壓越低，并有趨于平緩的趨勢，觀察淡水的沸點參考線，其沸點也會降低，可推出海水的沸點也會降低。

基于以上試驗現象和數據，得出如下結論：風速越高，極限氣壓越低，汽化速率越快；淡水和海水在汽化的初期會有較多的氣泡產生，原因是溶解在其中的氣體揮發了出來；對海水進行加熱可極大加快汽化速率；不同的液體，其汽化的速率不同，因此，在風速相等的情況下，不同的液體在柱形汽化室所能達到的極限氣壓值也會不同；本裝置模型選用的是旋片式真空泵，其泵出氣體的腔室較小，加快泵出氣體的速率，就得增加轉速，在試驗時，風功率非常充足，大于150 W，但風葉在相應風速下具有相應的轉速，盡管風葉轉速很高，但轉速依然達不到此真空泵所需的轉速，許多風能利用不上，極限氣壓值很難降低，海水難以在常溫下汽化。

因此，提出如下模型的改進建議：選用腔室較大的真空泵或給原有真空泵加設增速齒輪組，更好地選用風葉類型和尺寸，合理設計配套的柱形汽化室尺寸參數。

2.3 試驗數據及改進裝置

選用給原有真空泵加設增速齒輪組的改進方式，用不同風速對裝置進行試驗，測量風葉最大轉速、到達極限氣壓值時的穩定轉速、從101.3 kPa降到極限氣壓值所需時間、極限氣壓值，如表5所示。制作風速與風能、風速與風葉最大轉速、風速與到達極限氣壓時穩定轉速、風速與從101.3 kPa降到對應風速的極限氣壓值所需時間、風速與極限氣壓值的關系，如圖10～圖14所示。

表5 試驗記錄Tab.5 Records of Experiments

隨著風速的提高，風能呈多項式上升(圖10)；但風葉最大轉速呈線性上升(圖11)；在每個風速下達到極限氣壓，風葉穩定時的平均轉速隨著風速提高呈對數逐漸上升平緩(圖12)；隨著風速的增加，極限氣壓變化呈冪函數平緩下降(圖13)；隨著極限氣壓下降，轉速呈冪函數上升(圖14)。當150 W的電動機模擬風能驅動裝置時，轉速為2 920 r/min，能夠實現常溫緩慢沸騰；當風能>150 W時，風葉的轉速不能達到2 920 r/min，因此，帶動的真空泵的轉速不能提升至2 920 r/min，綜上，裝置需要加裝增速裝置。若想海水在常溫下劇烈沸騰，需將氣壓降低到2 kPa以下，代入圖14，得出所需轉速，計算增速變比，如表6所示。后續裝置的增速改進工作將按照表6的數據進行，以期達到常溫沸騰的汽化效果。

圖10 風速與風能Fig.10 Wind Speed and Wind Energy

圖11 風速與風葉最大轉速Fig.11 Wind Speed and Maximum Revolution Speed of Wind Blade

圖12 風速與穩定時風葉平均轉速Fig.12 Wind Speed and Average Revolution Speed at Stable Time

圖13 風速與極限氣壓Fig.13 Wind Speed and Extreme Pressure

圖14 極限氣壓與維持的轉速Fig.14 Extreme Pressure and Speed

表6 真空泵轉速Tab.6 Revolution Speed of Vacuum Pump

3 結論

本文提出了一種基于NVD技術的海水淡化裝置，設計目的是常溫下能夠以風能為主，太陽能和空氣熱能為輔，基于NVD技術，考慮NVD技術所需的高度，結合水平軸風電機的結構優勢，對裝置整體合理設計，對裝置的設備——柱形汽化室特別設計，使裝置不僅能夠汽化海水，還能產鹽。從理論分析和模型試驗結果來看，該裝置可實現上述目的，且水質含鹽量較傳統熱法更低，有利于降低傳統海水淡化的能耗，能量轉化效率理論上可提高9%～24.3%；該裝置使NVD技術與水平軸風電機結合起來，充分利用沿海豐富的風能[8]；特別設計的柱形汽化室能夠很好地解決結垢問題，使鹽分得以收集，且能夠利用太陽能和空氣熱能對內部的海水供熱。經過本次模型的試驗和分析，汽化初期產生的氣體含有溶解在海水中的空氣。在真空泵恒定輸出功率下，改變海水的溫度對汽化的速率影響很大，升高溫度有利于汽化。此模型試驗研究中發現，模型的輸入功率不足，產水量極少，原因是轉軸轉速低，功率轉化效率低。因此，真空泵的輸出功率需加大，采取的改進方法是增設增速組，加快真空泵的轉速，以期達到常溫沸騰的氣壓條件。