船用蒸馏造水机设计分析

冯东东，岳鹏飞，张凤鸣，游先仁，陈顺权，旷万军（广州中国科学院先进技术研究所，广东省膜材料与膜分离重点实验室，广东 广州 5458；深圳市沃尔奔达新能源股份有限公司，广东 深圳 5803）



船用蒸馏造水机设计分析

冯东东1，岳鹏飞1，张凤鸣1，游先仁1，陈顺权1，旷万军2
（1广州中国科学院先进技术研究所，广东省膜材料与膜分离重点实验室，广东 广州 511458；2深圳市沃尔奔达新能源股份有限公司，广东 深圳 518103）

摘要：造水机是重要的船舶辅机之一，使用蒸汽或内燃机缸套冷却液余热作为驱动热源，为船舶提供淡水。目前国际市场上船用蒸馏造水机已由管壳式换热器向板片式换热器过渡，国内相关设计产品和技术研究比较缺乏。本文为了研究板式蒸馏造水机换热及流动特性，以内燃机冷却液余热作为驱动力，选取实际运行工况，从热力学和流体力学角度分析研究板式蒸馏造水装置的设计要点，通过对造水机的板式蒸馏器进行热力计算和换热计算，对引射器进行结构改进设计以及对造水机的整体工艺流程设计，得到船用板式蒸馏造水机各部分的结构和详细尺寸参数。计算得到额定工况下的理论产水量并进行低负荷实验。结果表明，造水机产水品质和运行特性符合设计要求，为板式造水机制造和研发提供参考。

关键词：造水机；热力学过程；板式蒸馏器；引射器；流动

第一作者：冯东东（1989—），男，硕士，助理工程师，研究方向为低温多效蒸馏水质净化技术。联系人：张凤鸣，博士，副研究员，研究方向为低温多效蒸馏水质净化技术。E-mail fm.zhang@giat.ac.cn。

造水机（又称海水淡化机）为船舶提供淡水，是重要的船舶辅机。蒸馏造水机依赖蒸汽或内燃机缸套冷却液余热作为驱动热源，通过对海水进行加热，产生水蒸气遇冷凝结，形成的淡水洁净度高，是目前主流造水装置之一[1-2]。蒸馏造水机主机主要由蒸馏器和引射器两部分构成。技术比较成熟的浸管沸腾式造水机的蒸馏器为管壳式结构[3]，蒸馏器包含竖管蒸发器和横管冷凝器，系统采用单吸口式引射器，抽气和排水接口都连接到吸入室，分别抽出浓盐水和不凝性气体。这种引射器的优点是结构简单，缺点是真空度无法控制，必须保持工作流体速度和压力足够大，才能同时抽出不凝性气体和浓海水；由于蒸发器排出的海水为饱和状态，容易在引射器的吸入口形成汽蚀，影响浓缩液的排出。随着技术的发展，国外辅机厂家推出了板式低温蒸馏造水机产品[3]。相比管壳式换热器，板式换热器具有传热系数高、结构紧凑、压降小、检修维护方便等优点。同时，引射器结构也有较大改进，提升了抽吸能力，使用单台引射器同时抽出浓盐水和不凝性气体。装置整体结构更加简单，运行能耗更低。表1简单对比了两种相同产水量的蒸馏造水机的性能差异[4]。

国内已有研究机构对板式蒸馏造水机和引射器性能进行分析研究，相关文献仍然不够全面。韩旭等[5-6]对小型单效船用造水机进行了热力计算，分析了不同工况下系统热力状态和造水经济性，并对余热蒸汽驱动的双效升膜板式蒸馏过程建模和热力计算。王晓娟等[7-8]对船舶真空海水淡化装置引射器进行数值模拟和实验研究，得到引射器结构形式和流体物性对其性能的影响关系。YUAN等[9]对气液混合双吸口引射器进行了实验研究，主要观察了引射器压力分布的影响因素。兴连祺[10]试制了小型单效板式蒸馏造水机进行实验研究，主要考察了蒸馏器的传热性能。前述文献对板式蒸馏造水机性能的研究与造水机实际工况有较大偏差，部分实验装置真空度为50％～70％[10]，与实际造水机运行真空度90％以上差别较大。目前板式蒸馏造水机主要以内燃机冷却液余热为热源，而不是蒸汽余热[6]；新式引射器为双吸口非对称结构，分别抽出浓盐水和不凝气体，减少引射器数量的同时，巧妙避免单吸口引射器产生的浓盐水汽蚀问题，其结构特点和运行特性还有待研究。根据板式低温蒸馏原理及船舶造水辅机实际运行工况，设计利用内燃机缸套冷却水余热驱动的板式低温蒸馏造水系统，并对系统各部分进行热力计算和换热计算，为板式蒸馏造水机设计提供参考。

表1　两种蒸馏造水机性能对比

1　系统工艺设计

1.1系统主体装置及流程

系统装置主要包括蒸馏器（板式蒸发器和冷凝器）、引射器、热源水循环管路、冷却水循环管路和淡水抽出管路等组成。系统流程如图1所示。

（1）冷却水路径 将经过预处理的海水通入冷凝器，作为蒸汽凝结时的冷却水。预热后的海水小部分通过节流装置进入蒸发器被发动机冷却液加热达到饱和温度，产生蒸汽，其余的海水进入引射器，通过连接管抽除蒸馏装置内残余空气和各种不凝性气体，使蒸馏装置维持稳定的真空蒸馏环境。

图1　船舶柴油机余热蒸馏海水淡化系统流程

（2）海水蒸发路径 海水蒸发产生的热蒸汽向上运动，蒸汽中夹裹的含盐液滴被丝网除沫器捕获，在重力作用下汇集到蒸馏装置底部，连同未蒸发的海水一起通过引射器连续排出。纯净的蒸汽在冷凝器中凝结汇流成淡水，通过淡水抽出泵输送到淡水箱或者排放到底舱使用。

（3）热源水路径 内燃机缸套冷却液通过循环泵首先经过温控三通流量调节阀分配进入蒸馏装置的蒸发器，作为热源加热海水，换热后的冷却液温度降低，满足内燃机对冷却液回水温度的要求，重回内燃机。热源水循环管路设置三通流量调节阀，使蒸馏造水系统成为旁路，紧急情况下可直接断开造水系统，不影响内燃机正常运行。

1.2系统设计工况及热力计算

分析简化蒸馏器热力模型，可计算得到系统的主要热力状态点参数如表2，状态点示意见图2[11]。

表2　系统设计工况状态参数表

图2　蒸馏器热力状态点示意图

蒸馏器稳态模型作如下假设：

（1）忽略系统热损耗，遵守能量和质量守恒定律；

（2）热源水和冷却水缺省物性参数按常压状态确定；

（3）蒸发过程蒸汽为饱和蒸汽，冷凝过程过冷度为零；

（4）忽略蒸发过程中海水盐度变化对沸点的影响。

根据质量和能量守恒定律，列出蒸馏器模型热力计算方程组如式(1)～式(7)，热力计算参数见表3。

表3　蒸馏器热力计算参数表

2　装置结构设计

2.1蒸馏器

板式换热器由多块换热板片叠加形成过流面，可根据热负荷量对板片数量进行调整，从而改变换热面积，满足不同的造水产量。金属钛具有优良的耐海水化学腐蚀性和较高的换热系数，常用于海水热交换设备。设计选用可拆卸式单程钛板换热器。

受船舱空间限制，要求蒸馏器尺寸小，且结构简单，便于安装和运行维护。单效蒸馏器是小型淡化机的常见方式。选用单效板式蒸馏器，设计合理的换热面积和尺寸，满足产水和安装要求。对于流道形式和尺寸确定的换热板片，可根据生产商提供的选型计算公式，结合换热介质的物性参数和热力状态参数，计算得到板片的换热系数，从而确定总体换热面积，如图3所示。选型设计参数见表4。

蒸发器和冷凝器内冷侧和热侧流体流道走向设计如图4和图5所示。板片规格有两种，区别是其中一种底部一侧带有节流作用的布液小孔，用于释放海水或排出凝结水。

图3　板式蒸发/冷凝器换热计算程序框图

表4　蒸发/冷凝器选型设计参数表

2.2引射器

引射器的性能直接决定了系统的真空条件，间接影响了系统能耗及造水能力。在蒸馏造水过程中，冷却回水只有一小部分进入蒸发器内加热蒸发，余下的大量冷却水直接排掉。设计使用这部分冷却水作为引射器动力。

利用计算流体动力学软件，结合引射卷吸原理[12]，设计一个两级吸口的引射器装置，如图6所示，其两级吸口分别用于对蒸馏器进行抽气和排液。两级吸口引射器的设计重点是，前后两级吸口的真空度不能差别太大，否则会导致第二级吸口的真空度过低，蒸馏器内真空度过高，对浓缩海水形成逆流压力，造成浓缩海水积液不能排出。两级吸口的真空度差异必须小于蒸馏器内浓缩海水液位与引射器吸口之间高度产生的重力势能，见式(8)。

图4　蒸发器流道及介质流向示意图

图5　冷凝器流道及介质流向示意图

图6　两级吸口引射器结构示意图

引射器的结构选型及设计参数如下所述（表5）。

（1）喷嘴 一般采用收缩圆锥形成流线型，收敛角度为30°。

（2）喉管 喉管距L1对引射器的性能有很大影响，一般可采用式(9)选取。

表5　引射器设计参数

（3）混合管 混合管长度过短，流体不能均匀混合，导致混合管出口出的流速分布不均匀，使随后经过扩散管的损失过大（流速不均匀分布不利于流体在扩散管中将动能转化为压力能）。相反过长的混合管将增加沿程阻力，根据实验表明，混合管的长度可按式(10)选取，且圆柱形的混合管相比于其他形状更有利于恢复压力。

（4）扩散管 扩散管的作用是将喷射流体的动能变为压力能。扩散损失与扩散管入口流速分布，扩散角以及扩散断面直径之比有关。一般采用的扩散角a取5°～8°；扩散管长度可按式(11)选取。当扩散断面面积比小于4时，可采用分段扩散管以减少扩散损失。

引射器内部气液混合流动机理比较复杂，目前没有比较全面的性能计算方程。对引射器进行冷态实验验证，结果表明，在设计工况的冷却水流量下，引射器入口压力0.35MPa，两级吸口的真空度分别达到94kPa和92kPa，真空度微差异相当于0.2m液位高度，远小于引射器与蒸馏器内浓缩海水之间高度0.5m，系统稳定运行。

3.3其他部件

蒸发器和冷凝器之间设置聚四氟乙烯丝网除沫器。非金属丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、分离效率高、压降阻力小、安装方便等优点。用于蒸馏淡化系统的除沫器，选材时不仅要考虑其汽液分离效率和压降，还要考虑材料本身对海水腐蚀的耐性。聚四氟乙烯是一种耐化学腐蚀较好的材料，由其组成的丝网具有耐腐蚀、除沫性能优异、密度小、成本低等优点[13]。丝网除沫器的结构参数如表6所示。此外，配置一台极限真空度为93％的凝水泵用于淡水产出。

表6　丝网除沫器结构参数

2.4整体结构

造水机整体结构如图7所示，采用不锈钢材料覆盖保温层制作。系统整体尺寸为1000mm× 700mm×1100mm，重约350kg。系统结构简单，体积小，且控制元件较少。通过监测内燃机冷却液温度实现系统的自动启停；热源冷却液循环的旁路流量调节设计，可以最大限度减少对内燃机工作的反馈影响。同时，系统吸收的热源热量也是柴油机冷却水必须耗散的热量，整个淡化系统相当于内燃机的散热系统，节省原本的散热功耗。对系统进行实验测试，热源水温度72℃，热负荷为50kW，原海水电导率49mS/cm，系统抽气真空度达到90％，产水量0.013～0.016kg/s，热利用率约为75％；产水电导率降至19μS/cm，除盐率＞99.5％，符合蒸馏造水水质要求。提高系统热负荷至额定工况，可有效降低热耗散率，造水机产水量会对应增加。

图7　造水机主体装置结构图

3　结论

对船舶海水淡化方法进行比较分析，利用发动机冷却水余热，设计一套板式蒸馏和两级引射抽真空结合的海水淡化系统。对系统蒸馏装置进行热力计算分析，得到系统热力状态和主要运行性能参数，确定了主体装置的结构尺寸。设计工况下产水量0.06 kg/s，可以较好满足中小型渔船的淡水需求。设计两级吸口引射器，解决真空蒸馏系统的存液问题。实验结果表明引射器在系统设计工况下各吸口真空度均能达到设计要求。实验运行检验结果表明，造水机热利用率高，造水品质符合淡化要求。

符 号 说 明

参考文献

[1]张新营. 某型船用海水淡化装置故障分析及排除[J]. 中国修船，2011，24（4）：21-23.

[2]解利昕，李凭力，王世昌. 海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J].化工进展，2003，22（10）：1081-1084.

[3]苗超，谢春刚，冯厚军，等. 船用海水淡化技术发展现状与研究建议[J]. 船舶工程，2011，33（6）：6-9.

[4]吴甲斌. 船用海水淡化装置[M]. 北京：人民交通出版社，1985：19-29.

[5]韩旭，马学虎，兰忠，等. 船用海水淡化机性能分析[J]. 化工进展，2009，28（s2）：276-278.

[6]韩旭. 小型船舶余热海水淡化系统性能研究[D]. 大连：大连理工大学，2013.

[7]王晓娟，宋绍忠，王银涛，等. 船舶真空海水淡化装置引射器喷嘴直径对引射特性影响研究[J]. 船舶工程，2012，34（6）：23-74.

[8]王晓娟，张博，高春林，等. 船用真空海水淡化装置液-汽引射器的数值模拟及试验研究[J]. 热能动力工程，2011，26（6）：700-774.

[9]YUAN Guofeng，ZHANG Lixi，ZHANG Hefei，et al. Numerical and experimental investigation of performance of the liquid–gas and liquid jet pumps in desalination systems[J]. Desalination，2011，276：89-95.

[10]兴连祺. 小型单效低温沸腾海水淡化机的实验研究[D]. 大连：大连理工大学，2012.

[11]徐士鸣，崔夏菁，陈顺权，等. 多效蒸馏/多级闪蒸太阳能海水淡化系统数值模拟：第1部分——模型建立及设计工况下换热设备结构参数确定[J]. 可持续能源，2012（3）：61-67.

[12]陆宏圻. 喷射技术理论及应用[M]. 武汉：武汉大学出版社，2004：378-393.

[13]冯东东. 聚四氟乙烯丝网用于蒸馏除沫的实验特性研究[D]. 大连：大连理工大学，2014.

Design and analysis of marine distillation fresh water generator

FENG Dongdong1，YUE Pengfei1，ZHANG Fengming1，YOU Xianren1，CHEN Shunquan1，KUANG Wanjun2
（1Guangdong Key Laboratory of Membrane Materials and Membrane Separation，Guangzhou Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 511458，Guangdong，China；2Shenzhen Very Power New Energy Co.，Ltd.，Shenzhen 518103，Guangdong，China.）

Abstract：Fresh water generator is one of the important marine auxiliaries. It uses steam or cooling liquid waste heat from internal combustion engine cylinder as the driving heat source and provides fresh water for the ship. It is a trend that tube and shell heat exchanger was replaced by the plate type heat exchanger in the field of marine distillation fresh water generator while the design of relevant products is scarce in literatures in China. Operating conditions were selected through study of thermodynamic calculation and heat transfer calculation of distiller. The structure of ejector device was improved to improve performance. These are all for the sake of the overall process design for the fresh water generator from the perspective of thermodynamics and fluid mechanics. The driving force of the fresh water generator is internal combustion engine cooling fluid waste heat. Theoretical yield of fresh water was calculated with analysis and research the design key points of the generator at operation features. The experimental results showed that the fresh water quality and the operating characteristicsof the fresh water generator meet the design requirements. It can provide reference for plate type fresh water generator manufacture and research.

Key words：fresh water generator；thermodynamics process；plate distiller；ejector；flow

中图分类号：TK 11+5

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）04–1056–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.014

收稿日期：2015-09-28；修改稿日期：2015-11-29。

基金项目：深圳市技术开发项目（CXZZ20150528141008015）、广东省重大科技专项粤港招标项目（2012A090200001）、南沙区高新技术产业化项目（2013P013）及广东省中国科学院全面战略合作项目（2013B091100003）。