基于渦流管風光互補2級閃蒸小型模擬海水淡化系統設計

郭杰杰，王智偉，張 超，李蒙蒙，付文成*

（天津理工大學a.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，b.機電工程國家級實驗教學示范中心，天津300384）

目前，淡水資源缺乏在世界范圍內已是不爭的事實，也是制約社會發展的主要瓶頸之一，海水淡化是解決淡水資源缺乏的重要途徑[1]。但是常規的海水淡化方法會產生一系列的問題。其中最突出的就是能源的消耗、溫室效應以及空氣污染等問題，因此，尋求用豐富而清潔的太陽能來進行海水淡化必將受到青睞[2]。

常用的海水淡化方法有多級閃蒸法、反滲透法、離子交換法[3]等。其中，多級閃蒸海水淡化法由于其出水質量好，技術成熟等優點，使得該法在海水淡化領域處于領先地位[4]。太陽能中低溫集熱技術，已經成為我國太陽能利用的普及技術，集熱溫度可以很輕松達到150℃，非常適合用于海水淡化[5]。本文所設計的基于渦流管的風光互補2級閃蒸海水淡化系統，將風能和太陽能進行聯合應用，通過渦流管實現風能向熱能的轉換利用，用清潔、經濟的太陽能和風能代替了化石能源，降低了產水成本。

1 基于渦流管的風光互補2級閃蒸海水淡化系統技術原理

海水箱流出的原始海水經水泵輸送至濃鹽水箱進行初步預熱，隨后流入換熱器，太陽能真空集熱器對其內的循環水進行加熱，水泵提供動力使循環水循環，海水經由換熱器與循環水完成換熱，完成換熱的海水被送入1級閃蒸器，真空泵為1級和2級閃蒸器提供真空環境，風力壓氣機所產生的高壓空氣由高壓空氣入口進入渦流管內，渦流管熱源端產生熱空氣加熱1級閃蒸器中的熱海水，未完成1次閃蒸的海水進入2級閃蒸器，未完成2級閃蒸的海水進入濃鹽水箱，由2級閃蒸裝置產生的水蒸氣進入冷凝器，渦流管冷端產生的冷氣流經冷凝器對水蒸氣進行冷凝，水蒸氣液化成水后由冷凝器出口流入淡水箱，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

2 基本參數的設計與選定

設計1級閃蒸器、2級閃蒸器和濃鹽水箱的水箱底面直徑0.20 m，高0.15 m，體積約4.70 L。

設計海水的入口溫度為t1=20℃，質量流量為M=0.04 kg/s。一般而言，用太陽能集熱器將海水加熱到80℃非常容易實現，但如果加熱到100℃以上，需要選用高性能集熱器或者增加集熱面積，即增加了裝置成本[6]，所以設計1級閃蒸器入口海水溫度為t2=80℃。考慮到真空泵的實際運行效果，設計1級和2級閃蒸器的真空度為0.80，此時對應的飽和溫度為60℃，即設計2級閃蒸器出口溫度為t3=60℃，考慮到1級閃蒸器內有渦流管熱端加熱盤管，故取1級閃蒸器出口溫度為t4=72℃，查得不銹鋼管的導熱系數為13 W/（m·℃）。

選取不銹鋼盤管規格為Φ20×1，d=20 mm，內徑d1=20-2×1=18（mm），管子截面積A為πd12/4，設計濃鹽水箱和1級閃蒸器的不銹鋼盤管長度L均為2.50 m，盤管對應的換熱面積為F=πdL。

市面上常見的渦流管進氣流量為0.12至1.12 m3/s，熱端溫度可達120℃，故設計渦流管熱氣流出口端的溫度為t5=100℃，流量為V=0.20 m3/min。

3 各部件設計工況下的運行參數

3.1 濃鹽水箱的設計運行參數

在本計算中，取海水進出口溫度的算術平均值作為定性溫度，由于盤管出口溫度未知，所以盤管內海水的定性溫度無法確定，故本計算需要先假設盤管出口溫度進行迭代計算，濃鹽水箱處迭代計算過程框圖如圖2所示。

圖2 濃鹽水箱處迭代計算過程框圖Fig.2 Block diagram of iterative calculation process at the concentrated salt water tank

假設濃鹽水箱盤管出口溫度t6為40℃，即海水的定性溫度為30℃，查取定性溫度下的物性參數，計算管內流速：u=V/A，雷諾數：Re=μl/v。

管內對流換熱準則關系式[7]為：

圓管層流：

湍流：

式中，流體被加熱時，n=0.40；流體被冷卻時，n=0.30。

過渡流：

選取準則關系式，求得換熱系數h=809.041 W/（m·2K）。

將濃鹽水箱中的濃鹽水視作靜止的，即可忽略盤管外壁與濃鹽水箱內的對流熱阻。盤管內壁與海水間的對流熱阻為：

盤管壁的導熱熱阻[8]為：

能量方程式為：

式中，cp為海水定性溫度下的比熱容，kJ/（kg·K）；Δt1為傳熱溫差：Δt1=t3-（t1+t6）/2，K；Δts為海水溫升：Δts=t6-t1，K。

由以上各式求得t6=41℃，計算的海水出口溫度與假設的海水出口溫度相差不大，在1℃的允許誤差范圍內，可近似認為海水在濃鹽水箱盤管的出口溫度t6為41℃。

3.2 太陽能集熱器的運行參數

海水在換熱器的進口溫度t6為41℃，出口溫度t1為80℃，Δt=t1-t6，其定性溫度為60.5℃，此時，cp=4.179 kJ/（kg·K）。

能量方程式為：

即太陽能集熱器在理想無損耗情況下的運行功率應為6.686 4 kW。

3.3 1級閃蒸器的運行參數

在本計算中，取熱氣流進出口溫度的算術平均值作為定性溫度，由于盤管出口溫度未知，所以盤管內熱氣流的定性溫度無法確定，故本計算需要先假設盤管出口溫度進行迭代計算，1級閃蒸器處迭代計算框圖如圖3所示。

圖3 1級閃蒸器處迭代計算框圖Fig.3 The iterative calculation block diagram at the first stage flash evaporator

假設熱氣流的出口端溫度t7為80℃，即熱氣流的定性溫度為90℃，查取定性溫度下熱氣流的物性參數，計算管內流速：u=V/A，雷諾數：Re=μl/v。選取上述準則關系式求得換熱系數h=156.508 W/（m2·K）。

將1級閃蒸器中的海水視作靜止的，即可忽略盤管外壁與1級閃蒸器內海水的對流熱阻。

盤管內壁與熱氣流間的對流熱阻為：

盤管壁的導熱熱阻為：

能量平衡方程式為：

式中，cp′為定性溫度下渦流管熱氣流的比熱容，kJ/（kg·K）；M′為渦流管熱氣流的質量流量kg/s；Δt2為傳熱溫差，Δt2=（t5+t7）/2-（t2+t4），K；Δt′為渦流管熱氣流溫降，Δt′=t5-t7，K。

以上各式解得t7=73.5℃，與假設的80℃相差較大，故進行第二次迭代計算，假定熱氣流出口端溫度為74℃，由相同計算步驟得t7=73.5℃，兩次迭代計算的結果相同，即渦流管熱氣流在1級閃蒸器盤管出口處的溫度為73.5℃。

4 淡水產量

4.1 1級閃蒸器在設計工況下的淡水產量

1級閃蒸器的真空度為0.80，此時的飽和溫度為60℃，對應的汽化潛熱r1=2 357.6 kJ/kg。

能量方程式為：

式中，cp′為定性溫度下渦流管熱氣流的比熱容，kJ/（kg·K）；M′為渦流管熱氣流的質量流量，kg/s；Δt′為渦流管熱氣流溫降：Δt′=t5-t7，K；cp3為1級閃蒸器內海水定性溫度下的比熱容，kJ/（kg·K）；M為海水的質量流量，kg/s；Δt3為1級閃蒸器內海水的溫降，Δt3=t2-t4，K；D1為1級閃蒸器的淡水產量，kg/s。

由式（11）解得D1=0.68×10-3kg/s=2.448 kg/h。

4.2 2級閃蒸器在設計工況下的淡水產量

2級閃蒸器的真空度為0.80，此時的飽和溫度為60℃，對應的汽化潛熱r1=2 357.6 kJ/kg。

能量方程式為：

式中，cp4為2級閃蒸器內海水定性溫度下的比熱容，kJ/（kg·K）；M為海水的質量流量，kg/s；Δt4為2級閃蒸器內海水的溫降Δt4=t4-t3，K；D2為2級閃蒸器的淡水產量，kg/s。

由式（12）解得D2=8.347 7×10-4kg/s=3 kg/h。

5 結論

本文對基于渦流管的風光互補2級閃蒸小型模擬海水淡化系統進行了設計計算，設計工況為海水進口溫度20℃、進口流量0.04 kg/s，考慮到真空泵的運行效率，確定了各級閃蒸器的真空度和出口溫度，并對渦流管出口流量溫度和盤管管徑等基本參數進行了選定。通過傳熱計算，得出了海水預熱后的溫度和海水在1級閃蒸器的出口溫度等關鍵參數，初步確定了太陽能集熱器和渦流管等模擬部件的基本參數，根據得到的關鍵參數，計算得出1級閃蒸器的淡水產率為2.448 kg/h，2級閃蒸器的淡水產率為3.000 kg/h，為后期的模擬實驗做了比較好的鋪墊準備。