一种设有冷凝壁的海水淡化装置
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作者:刘灵冲 权全 吴博华 杨帆
摘 要：淡水资源的有限性、用水需求的上升性决定了淡水资源问题是目前亟需解决的难题，通过制作高效的海水淡化装置制取淡水对当今世界发展是至关重要的。该研究在海水淡化产业普遍采用的蒸馏法的基础上，设计了一种新型海水淡化装置。该装置分为3个部分：蒸馏部分、冷凝部分和自动控制部分。該装置的创新特色体现在对冷凝壁和蒸馏室进行改进提高液滴的收集效率的同时，对废弃物进行充分利用，且可以满足不同使用者的需求，具有广阔的应用空间。
关键词：海水淡化 冷凝壁 液滴脱落半径 产水效率
1 研究背景
我国目前的海水淡化产业以蒸馏法为主，并且取得了一定的成就。1980年，国家海洋局开展蒸馏法海水淡化的研究[1]。1994年，大港电厂以引进的多级闪蒸海水淡化装置为参照，研发出了日产1200t多级闪蒸海水淡化装置。2004年，我国首次研发出了日产3000t低温多效海水淡化工程。2007年首钢引进了日产的12500t的低温多效海水淡化装置。但是可以看出在海水淡化装置自主创新与产业发展水平方面仍存在着不足。
国外的海水淡化工程近年来向着规模化、集成化的方向发展。国际上多采用蒸馏法和膜法进行海水淡化。目前阿联酋根据蒸馏法和反渗透联合技术建立了世界上最大的海水淡化工厂，德国也利用MSF技术实现了海水的产业化。
总结国内外海水淡化的发展情况，深入探究可以得出蒸发效率低、建设成本高仍是制约海水淡化发展的因素[2]。
由表1可以看出发展蒸馏法进行海水淡化更为经济有效。在蒸馏法进行海水淡化时需要采用冷凝壁进行海水蒸馏冷却，普遍采用的冷凝壁设计为斜面，制作工艺简单，但是斜面冷凝壁存在冷凝不充分、液滴滑落至冷凝室速度较慢等缺点。
2 设计原理
2.1 设计思路
（1）冷凝效率。传统的冷凝装置均采用单层斜面形冷凝壁，制作工艺简单，但是普遍存在冷凝不充分、液滴滑落至冷凝室速度较慢等问题。因此该装置设计了对称的斜下拱形多层弧壁，弧形的冷凝壁形状和多层错叠的结构设计增大了冷凝面积，提高了液滴的冷凝效率。而且弧形相较于斜面的设计可以使液滴滑落速度提高，液滴收集效率因此提高。
（2）冷凝液滴脱落。蒸汽在冷凝壁冷凝成为液滴后，如果蒸馏室大小设计不合适会存在脱落后落入蒸馏室的问题，造成冷凝效率的降低。针对这一问题，该装置根据液滴脱落半径与脱落角的关系设计蒸馏室的大小，避免液滴落入蒸馏室中。
（3）浓海水回收。淡化海水一方面可以得到淡水，另一方面也可以得到高浓缩海水。目前电解海水制备氯气普遍采用浓缩后的海水以提高转化率，而使用直接从海洋中取出的海水，转化率低。因此该装置利用蒸馏后得到的浓海水制氯，实现了废弃物利用。
2.2 结构设计
该装置的结构主要分为3个部分：蒸馏部分、冷凝部分和自动控制部分。
（1）冷凝部分。冷凝部分由对称的斜下拱形弧壁组成，且为同一弧度的多层错叠设计，相较于传统的单层斜面冷凝壁，增大了蒸汽冷凝的面积，热量传递效率明显提高。而且液滴滑落速度加快，液滴收集效率提高。冷凝壁设计图如图1所示。
（2）蒸馏部分。蒸馏部分由蒸馏室和包裹在蒸馏室外壁的复合聚苯乙烯泡沫保温材料组成。蒸馏室内安装有金属管，其内嵌有电热丝，可实现对海水的加热，产生蒸汽。蒸馏室外壁的复合聚苯乙烯泡沫保温板可实现对加热海水的保温，减少热量的散失。
目前冷凝装置因为蒸发室与冷凝壁大小设置不合适，普遍存在冷凝后液滴落入蒸发室的问题。可以通过冷凝壁和蒸发室尺寸关系合理设计圆柱形蒸发室的半径解决这一问题。根据孔祥雷《壁面液滴脱落和滑落直径的估算》[3]一文中的结论液滴脱落半径表达式为：
式中：x为液滴脱落半径;σ为液汽界面的界面张力;α=（αq+αh）/2，其中αq为前半圆浸润角;αh为后半圆浸润角;ρ水为密度;β为滑落的角度，范围为。
利用MATLAB可以计算得到液滴脱落半径分布在2～6mm之间。
根据孙美玲《液滴沿圆弧形外壁面流动的数值模拟》[4]文中脱落角与液滴半径的关系式。
式中，为脱落角;v为液滴滑落速度;R为冷凝壁半径;μ为粘度。
利用MATLAB计算得出，蒸发室与冷凝壁的大小关系具体如下。
当冷凝壁的半径R小于0.5m，圆柱形蒸发室半径r≤R-cos20°。
当冷凝壁的半径R小于1m，圆柱形蒸发室半径r≤R-cos13°。
当冷凝壁的半径R小于2m，圆柱形蒸发室半径r≤R-cos9°。
当冷凝壁的半径R小于10m，圆柱形蒸发室半径r≤R-cos6°。
当冷凝壁的半径R小于50m，圆柱形蒸发室半径r≤R-cos4.8°。
根据蒸发室的大小来确定最佳的冷凝壁的大小，合理利用装置资源，使得冷凝效果在有限的设备及空间汇总达到最大。
自动控制部分：由单片机arduino板、水位传感器、电磁阀和继电器组成。通过向arduino板中输入程序来使得蒸馏过程自动化。当运行整个系统时，单片机工作，实时读取蒸馏室中水位情况，根据其具体情况做出开关电磁阀和水泵继电器的反馈操作，使得蒸馏过程全自动化进行。当水位传感器监测到蒸馏室中水位低于预测水位时，此时蒸馏室中海水为高浓缩海水，出水口的电磁阀门在电信号作用下打开，排出高浓缩海水。此后入水口的电磁阀门开启，实现海水的注入。当水位传感器监测到蒸馏室中水位高于预测水位时，入水口的电磁阀门在电信号作用下关闭。实现了高浓缩海水自动排出与自动注入的目的。
该装置的工作过程：由自动控制系统实现海水的自动注入，从入水口流经电磁阀进入到蒸发室中，蒸发室中的电热丝对海水进行加热变成蒸汽，蒸汽上升至冷凝壁冷凝成液滴后，滑落至冷凝室中经排水管排出。
3 创新特色
（1）采用弧形板面的冷凝壁。弧形板面具有冷凝面积大、液体在其上滑落速度较大的优点，使热量转移效率得到提高，使液滴滑落速度得到提增大，因此液滴收集效率比普通斜面高。
（2）采用多层错叠设计的冷凝壁。多层错叠的铝板具有与外界空气的接触面积大，蒸汽冷凝产生的热量释放到外界快的优点，因此热传递效率和冷凝速率均比普通斜面高。
（3）根据冷凝壁的尺寸设计蒸发室尺寸。防止冷凝液滴落入蒸发室中，使得冷凝效果在有限的设备及空间汇总达到最大。
（4）废弃物利用。电解蒸馏废弃物高浓缩海水制取氯气，相对于直接获取的海水来说，提高了转化率，实现了对废弃物的有效利用，是一种理想的制取氯气的方法。
参考文献
[1] 陈笑.基于PV/T的扩容蒸发式海水淡化装置性能及分析[D].华北电力大学，2019.
[2] 周博，朱品光，王亚迪，等.基于槽式集热原理的新型海水淡化装置[J].城市地理，2017（16）：192-194.
[3] 孔祥雷，张东辉，赵忠超，等.壁面液滴脱落和滑落直径的估算[C]//中国工程热物理学会（传热传质学），2010.
[4] 孙美玲，陈石，王辉，等.液滴沿圆弧形外壁面流动的数值模拟[C]//中国工程热物理学会，2012.
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