基于槽式集热原理的新型海水淡化装置

周博+朱品光+王亚迪+权全

摘要：淡水资源稀缺是21世纪我们所面临的重大问题之一，因此发展高效环保的海水淡化工程显得尤为重要。本海水淡化装置采用传统的蒸馏法，结合增湿除湿原理，实现海水的淡化。装置的设计原理综合了余热利用、吸热、蒸发、气压平衡以及冷凝五个方面的因素，对装置的产水率进行提高。结构设计上，本装置分为水蒸气分级产生室、太阳能集热部分、冷凝及淡水集中室、气压平衡循环管道四部分，整个循环过程满足：水量平衡方程和热传导方程。本装置的创新特色体现在对中间传热介质一导热油的利用、余热的利用、以及内置风机等方面。在应用前景方面，可作为小型家用海水淡化装置，或工业锅炉补水，因而应用前景广阔，是一种高效节能，绿色环保的海水淡化装置。

关键词：海水淡化；太阳能集热；节能；绿色环保

1研究背景

1.1海水淡化工程

地球上水资源总量有13.8亿立方公里，其中海水占97.5%，淡水只占2.5%，可供人类直接使用的淡水仅有0.01%。随着全球人口的急速增长和生态环境的日益恶化，我们面临的淡水威胁更加严重。将目光转向海洋，发展海水淡化技术，必然成为一种趋势。海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量。而在众多海水淡化技术中，利用太阳能淡化海水是最为经济环保和具有发展前景的方法之一。

1.2目前国内外海水淡化工程的发展现状

我国海水淡化发展主要是自主研发和国外引进相结合。经过国家科技部的连续3个五年计划（“九五”、“十五”、“十一五”）支持，我国海水淡化工程得到了一定程度的发展。但从总体形势来看，国内拥有自主知识产权的海水淡化技术还比较少，相关设备研发和制造技术还不够成熟。在海水淡化的研究与发展中，逐步以反渗透法、多级闪蒸法和低温多效法为主流研究方法。（1）反渗透法是在海水淡化中应用的一种膜分离技术，通过对特殊材料的加工，制成具有半透膜性能的反渗透膜。它能使水溶液在外加压力作用下选择性透过，以达到海水淡化的目的。（2）多级闪蒸法是通过加热海水达到一定温度，然后在压力逐渐降低的容器中闪蒸汽化，最后冷凝得到淡水。（3）低温多效法是为了降低能耗，将二次蒸汽作为加热蒸汽应用于下一级海水加热中，从而充分利用蒸发耗用的热能。

目前国际通用方法有蒸馏法、电渗析法、膜法和冷冻法。国外主要应用的方法也不尽相同，如西班牙、阿联酋主要用槽形抛物面集热器和MED技术，德国、科威特主要用槽形抛物面集热器和MSF技术。但海水淡化工程建设成本高规模大，依然是各个国家所面临的难题之一。

2设计原理

2.1设计思路

余热利用：传统的蒸发装置，不能利用水循环过程中的余热，造成能源的损失。本装置具有多级利用余热的蒸发装置及冷凝装置。蒸发装置能够将用于上级蒸馏所剩余的热水，流入下一级，并在下一级继续蒸发，蒸发部分总共有三级。水蒸气冷凝时所放出的热量，被冷凝管中的海水所吸收，这部分预热的海水，将被用于加热，再产生水蒸气。这两个过程使水中的余热得到充分利用。

吸热效率：水的比热容大，利用太阳能来直接加热水，不仅水温升高的慢，而且局部的温度高，受热不均匀。与水相比，导热油的比热容小，相同热量下单位质量的导热油上升的温度大，因此传热效率显著。以此来加热水，能够使水受热均匀，温度上升更快。

蒸发效率：海绵具有良好的吸水性以及保水性，热水流经过花洒喷附在海绵的表面，能够减缓水流的速度，增加水与海绵的接触面积，使单位时间产生更多的水蒸气，蒸发的效率提高。

气压平衡：保持整个装置的气压平衡，从冷凝的箱体里引出三根管道，分别与蒸馏装置的三级相连，保持整个装置气循环良好。

冷凝效率：为使水蒸气能够及时通过管道，到达冷凝管冷凝，在传导蒸汽的管道里面加入小功率风机，开动风机后，整个装置的气流循环加快，水蒸气的循环加快，从而使冷凝的效率大大提高，产水量也会相应的提高。

2.2结构设计

本装置水的流向为：

①冷水通过冷凝管由喷头喷洒至第一级水蒸气产生室的缓水材料上，然后逐级流到第三级水蒸气产生室，在第三级通过热油管道加热水，接着由热水泵将水泵送至第一级水蒸气产生室。②一部分水在前一级产生室中进行蒸发，剩余部分流向后一级进行蒸发，同时每一级产生的水蒸气经过输气管道由风机鼓入冷凝系统。未蒸发的水再由第三级泵送至第一级，往复循环。③以蒸汽形式进入冷凝装置的水，通过液化形成所需要的蒸馏水。④冷凝管中的水通过吸收水蒸汽的热量，温度上升，然后通过管道，进入第三级水蒸气产生室，充分加热后，再进入第一级水蒸气产生室开始循环。

本装置分为四个结构部分：水蒸气分级产生室、太阳能集热部分、冷凝及淡水集中室、气压平衡循环：

水蒸气分级产生室：此结构分为三个分级箱体，由上到下依次为第①、②、③室。泵送至一室的热水和冷水，经过水流分散器均匀散开并混合。利用增湿除湿原理，冷热温差大的水在相互喷洒的过程中产生大量水蒸气。余下的水参与第②、③室的喷洒与蒸发。

太阳能集热部分：利用自然界清洁能源太阳能作为整个装置的热源，为海水的蒸发提供动力。图中④部分为太阳能集热部分：槽式太阳能集热器：在箱体外部，用于高效收集太阳能热量，以加热油循环。加热油箱：在油循环下，集热器收集的热量循环到水蒸气产生室中的加热油箱，进行热传递，将热量从油传导给待蒸发海水，使海水被加热，之后热海水被泵送至水蒸气第①产生室。

冷凝及淡水集中室：将水蒸气从分级产生室中引出至冷凝室，热的水蒸气遇冷进行热交换，液化成纯净水，在室壁凝结最后收集在纯净水箱中。

气压平衡循环：在冷凝室与水蒸气产生室之间采用循环式导气结构，采用内置风机循环，使空气带动水蒸气在装置内部进行流动，而热量损失比较小，冷凝效果比外界引入冷空气效果好。

3创新特色

（1）采用导热油为传热介质：导热油具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效率好、热稳定性好，加热均匀，调温控制准确，操作方便等优点，使海水加热速率比一般介质快；

（2）充分利用余热：上一级蒸发装置冷热水混合剩下的水具有一定的热量，流到下一级装置，蒸发时应用了余热，从而减少热量损失和浪费：

（3）内置风机：防止引入外部冷空气，避免水蒸气在气体流通管道内液化：

（4）分散水流：增大海水與空气接触面积，加快蒸发；

（5）用缓冲材料：减缓水流速，延长水在蒸发室停留时间，充分蒸发。

综上，结构简单、易于组装、本装置产出纯净水效率高，易于推广。

4应用前景

（1）太阳能是取之不尽的清洁可再生能源，海水淡化则是从海洋获得淡水的主要技术，两者相互结合是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响。同时经过淡化的海水，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。因而本装置可作为小型海水淡化装置可为沿海居民提供饮用水，若批量生产该装置，还可为工业锅炉补水等稳定供水。

（2）太阳能海水淡化与常规的现代海水淡化技术紧密结合起来，先进的制造工艺和强化后的传热技术，则是建立高效节能的太阳能海水淡化工程的主要出路之一。建设环境友好型和资源节约型社会是对我国未来发展的要求，而太阳能海水淡化工程则是这一发展规划下的热点之一。本新型海水淡化装置，可作为海岛供水，战略储备用水。在社会经济发展、民生建设起重要的作用。

致谢：在本研究中，感谢国家级大学生创新创业训练项目的资助。感谢在此期间，学校给我这次宝贵的学习机会，权全副教授对我悉心的指导，以及队友和同学提出的意见和建议。