遠洋船舶用蒸餾海水淡化系統試驗研究

袁越錦，趙澤穎，徐英英，熊 云

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

1 引言

針對中小型遠洋船舶，設計了一套蒸餾海水淡化系統，并搭建試驗裝置，擬通過單因素試驗和正交試驗探究熱源水溫度、熱源水流量、進料水流量、冷卻水流量和蒸餾器內真空度對系統產水率及產水水質的影響，并對正交試驗結果進行方差分析和極差分析，得到系統運行最優參數，為蒸餾海水淡化工藝的工況優化和相關設備改進提供了試驗數據支持和技術參數指導。

2 試驗設備與方法

2.1 試驗設備與材料

蒸餾海水淡化系統原理圖，如圖1所示。首先，將預處理后的原料海水泵送進板式冷凝器，與過熱蒸汽進行換熱，實現蒸汽的冷凝和原料海水的預熱。然后，被預熱的原料海水，一部分通入蒸發器，與熱源水進行換熱（熱源水由太陽能集熱器產生），產生海水蒸汽和濃鹽水：另一部分作為工作流體進入引射器，引射換熱器內的不凝性氣體和濃鹽水。最后，海水蒸氣經過折流板和捕沫網的組合過濾，進入冷凝器中與冷卻水（原料海水）換熱，產生的淡水泵送至淡水箱。

圖1 蒸餾海水淡化系統原理圖Fig.1 Distilled Desalination System Schematic

試驗裝置主要由集熱器、換熱器、引射器、輔助電路及輔助管路組成，設備實物圖，如圖2所示。試驗過程中水流量通過閥門控制，流量大小通過數顯流量計呈現：TDS、pH和電導率分別用BTDSSCA-20 型TDS 測試筆、PHS-25 型pH 計測試筆、DDS-307型電導率儀測得。試驗材料為模擬海水，由工業鹽配制而得，含鹽量為35000ppm，TDS為54300mg/L，電導率為59000μs/cm。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Physical Object of Test Device

2.2 試驗方法

2.2.1 單因素試驗

產水率試驗：以熱源水溫度、熱源水流量、蒸餾器內真空度（以下簡稱真空度）、進料水流量、冷卻水流量為試驗因素，以系統產水率為試驗指標，控制一個因素變化，其余因素保持不變進行試驗。

產水水質試驗：以真空度為試驗因素，以系統產水pH、電導率及TDS為指標進行試驗。

2.2.2 正交試驗

方法2：加熱鑒別法。取等量水樣于兩支潔凈試管中，加熱，在管壁內留下較多水垢的水樣是硬水，水垢較少的水樣是軟水。

選取熱源水流量、真空度、冷卻水流量、進料水鹽度作為試驗因素，以產水率、TDS和pH為評價指標，用L9（34）正交表安排試驗，重復3次，共27組，如表1所示。評價指標換算為綜合分數，滿分為1，由以下公式計算得到：

表1 因素水平表Tab.1 Factor Level Table

3 試驗結果及分析

3.1 產水率單因素試驗

3.1.1 進料水流量與冷卻水流量對產水率的影響

系統產水率隨進料水流量與冷卻水流量變化規律，如圖3所示。在其余因素不變的條件下，隨進料水流量的增大，產水率先增大后減少，進料海水流量在300L/h時產水率達到最大值92.7L/h。這是由于進料水流量增加時，其流速也相應增大，對流換熱強度增強，故海水蒸發速率增大，產水率增大：當進料水流量增大到一定值后，由于蒸餾器內熱負荷及換熱面積的限制，其熱量不足以將蒸餾器內的海水全部蒸發，從而使系統產水率降低。產水率隨冷卻水流量增加而增大，當冷卻水流量增大到4000L/h后，產水率增大速率變緩。這是由于當冷卻水流量增大時，蒸餾器內供海水蒸汽凝結的冷量不斷增多，凝結速率增大，產水率增大：當冷卻水流量增大到一定值后，冷凝器內供蒸汽凝結的冷量接近飽和，產水率趨于穩定。

圖3 進料水流量與冷卻水流量對產水率的影響Fig.3 Effect of Feed Water and Cooling Water Flow on Production Rate

3.1.2 熱源水流量與熱源水溫度對產水率的影響

系統產水率隨熱源水流量及溫度變化的曲線，如圖4所示。由圖可得，系統產水率隨熱源水流量增大近似呈線性增大。這是由于在其余因素不變的情況下，增大熱源水流量，即增大了蒸餾器的最大熱負荷，所以單位質量的海水吸熱量增大，海水的蒸發速率增大，故產水率增大。產水率隨熱源水溫度的升高而增大，當溫度超過72℃后，增速趨緩。這是由于熱源水溫度較低時，單位質量海水的吸熱量也相應較少，則海水蒸發速率較小，表現為產水率較小：當熱源水溫度逐漸增大，板式蒸發器的冷水側與熱水側傳熱溫差較大，強化了換熱強度，加快了海水蒸發的速率，當熱源水溫度增大到一定程度之后，蒸發過程逼近飽和狀態，系統產水率的增速變緩。

圖4 熱源水溫度及熱源水流量對產水率的影響Fig.4 Effect of Heat Water Temperature and Flow on Water Production Rate

3.1.3 真空度對產水率的影響

系統產水率隨真空度的變化規律，如圖5所示。由圖可知，隨著真空度的增大，產水率逐漸增大，真空度超過88kPa后增速有所減緩。這是由于在其余因素不變的條件下，蒸發器內真空度較低，對應的飽和蒸汽溫度較大，即海水的蒸發溫度較大，蒸發同樣多的海水，所需要熱量更多，而蒸餾器內熱負荷是一定的，所以海水蒸發速率相對較慢，產水率較低：隨著真空度逐漸增大，對應的飽和蒸汽溫度變低，海水蒸發速率變快，產水率越大。當真空度增大到一定值后，蒸發器的熱負荷近乎足夠蒸發全部海水，故系統產水率增速減緩。

圖5 真空度對產水率的影響Fig.5 Effect of Vacuum on Water Production Rate

3.1.4 產水水質單因素試驗

淡化水電導率、pH 及TDS 隨真空度的變化曲線，如圖6 所示。淡化水電導率隨真空度的增大而減少，這是由于水的電導率與其所含的可溶性離子有關，可溶性離子含量越高，電導率越大，隨著真空度的增大，蒸餾器內進料水對應的飽和溫度降低，可溶性離子的溶解度減小，海水蒸汽中的可溶性離子含量減少，固出產淡水的電導率降低：淡化水pH在（6.3～6.4）間波動，較為穩定，這是由于pH值的大小僅與水中氫離子的濃度有關，而真空度對水的電離平衡影響不大，所以淡化水pH值受真空度的影響較小：淡化水的TDS隨真空度增大而下降，真空度大于87kPa之后，下降速度變緩，這是由于隨著真空度的增大，海水的蒸發溫度降低，可溶性固體不易被蒸發出來，從而使淡化水TDS減小，當真空度增大到一定值后，海水的蒸發溫度減小幅度變小，能被蒸發出來的可溶性固體量基本不變淡化水TDS也就趨于穩定。

圖6 真空度對系統產水pH值和電導率的影響Fig.6 Effect of Vacuum on pH and Conductivity of Fresh Water

3.2 正交試驗

3.2.1 試驗結果的極差分析

蒸餾海水淡化裝置的正交試驗方案及極差分析，如表2 所示。運用SPSS[15]軟件對綜合得分進行極差分析后可知，各試驗因素對海水淡化裝置性能影響的主次順序為A、D、C、B：優方案為A3D1C3B3，即綜合指標下最佳的工藝參數為熱源水流量5500L/h，真空度86kPa，冷卻水流量4500 L/h，進料水鹽度45ppt。

表2 正交試驗極差分析表Tab.2 Orthogonal Test Range Analysis

3.2.2 試驗結果的方差分析

運用SPSS軟件對試驗數據進行方差分析，產水率方差分析結果、TDS方差分析結果、pH方差分析結果，如表3～表5所示。

表3 系統產水率方差分析表Tab.3 Variance Analysis of System Water Production

表4 TDS方差分析表Tab.4 Variance Analysis of TDS

表5 pH方差分析表Tab.5 Variance Analysis of pH

據表3分析可知，對于產水率，因素A，FA=12.40，因素B，FB=0.65，因素C，FC=10.21，因素D，FD=0.31，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），說明熱源水流量對產水率的影響最大：FC大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），說明冷卻水流量對產水率的影響程度為“顯著”，僅次于熱源水流量：FB和FD均小于F0.05（2，18），說明真空度和進料水鹽度對產水率無明顯影響。

據表4 分析可知，對于TDS，因素A，FA=0.29，因素B，FB=5.68，因素C，FC=0.29，因素D，FD=3.73，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FB和FD均大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），說明真空度與進料水鹽度對出產淡水的TDS影響程度均為“顯著”，而FB大于FD，說明真空度的影響略大于進料水鹽度：FA和FC均小于F0.05（2，18），說明熱源水流量和冷卻水流量對出產淡水TDS無明顯影響。

據表5 分析可知，對于產水率，因素A，FA=0.5，因素B，FB=0.07，因素C，FC=0.07，因素D，FD=6.50，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），說明進料水鹽度對出產淡水pH的影響為“高度顯著”：FB、FC和FD均小于F0.05（2，18），說明熱源水流量、真空度和冷卻水流量對出產淡水pH無明顯影響。

4 結論

（1）隨著熱源水溫度、熱源水流量、真空度、進料水流量、冷卻水流量的增大，系統產水率呈上升趨勢，但上升到一定程度后，上升速率減緩，進料水流量增大到一定程度后，產水率甚至出現下降趨勢。

（2）隨著真空度的增大，系統產水pH值變化不大，維持在6.4左右，電導率呈現減小趨勢，系統產水的TDS減小并逐漸趨向穩定。

（3）系統最佳工況條件為熱源水流量5500L/h，真空度86kPa，冷卻水流量4500 L/h，進料水鹽度45ppt。

（4）根據對正交試驗結果的方差分析可知，對系統產水率影響最大的因素為熱源水流量，對出產淡水TDS影響最大的因素是真空度，對出產淡水pH影響最大的是進料水鹽度。