废热耦合光伏利用海水蒸馏箱的设计研究

戴宝连 田兴旺 谢坤然 刘宾 刘旭东 花思宇 孟齐 李天统 张瑜 高明

摘要：为降低海上渔船淡水的负载量，设计了一个简易高效、节能绿色的小型海水淡化装置。装置由外加保温材料的蒸馏箱、热回收盘管、加热盘管、鼓泡器、海水喷淋头、太阳能电池板及蓄电池、海水泵、空气泵、集水槽、淡水箱、过滤器、散热肋片、无动力风帽等部件组成，利用渔船发动机尾气废热作为海水淡化的主要热源，提供海水蒸发时所需温度，利用太阳能电池板给蓄电池充电，供给海水泵、空气泵等所需动力，同时在装置顶部设置无动力风帽和散热肋片加速冷却顶板的冷凝效率。该装置小型化设计，适应性强。能量回收利用效率高，可以直接按放在渔船上，在海水淡化领域具有很好的商品化应用前景。

关键词：尾气废热;光伏利用，海水淡化

中图分类号：TK212 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0256-03

1引言

伴随着全球人口快速增长，世界淡水资源日益减少，如何解决淡水的日常供应问题已经变成了关系到人类生存发展的重大问题。其中，海水淡化已经成为解决水资源短缺最重要的手段之一，海水淡化实质上就是除去海水里面不适合人类饮用的成分，如矿物质和盐分，是一种有效获取淡水的方式。但是常规的海水淡化是高能耗产业，且排放温室气体及氮氧化合物等污染物质。随着海水淡化技术日渐成熟，一般的海水淡化方式主要有多级蒸发、多效蒸馏、反渗透膜法等，目前太阳能海水淡化在使用过程中存在造价高、工作效率低等问题。如何降低淡水制备的能耗或利用自然绿色能源是目前世界淡水制备发展的重要方向，如果能回收利用废热或者将清洁的太阳能与海水淡化结合起来，将是一种非常有发展前途的节能环保技术。

太阳能海水淡化技术一般分为被动式和主动式，被动式系统的动力不是来自于诸如泵、吹风机之类的电力拖动，也不是来自于诸如集热器之类的额外的主动集热装置，完全靠自身采集太阳能促进海水蒸发。而在主动式系统里面，增装了一些集热模块，从动力到控制，从集热到散热，来增强体系内的热量传输和质量传输，从而提高装置的工作温度。考虑到全部采用太阳能作为集热、蒸发和冷凝动力，存在成本较高的问题，本设计采用回收渔船发动机尾气废热作为海水淡化的主要热源，利用太阳能电池板给蓄电池充电，向海水泵、空气泵等提供输送能耗。

2设计方案

装置二维平面图和实物模型图分别如图1、2所示。循环运行过程如下：将渔船发动机排出的高温废气首先收集到废热集罐内，通过流量调节阀门，高温尾气利用自身压力进入蒸馏箱内的换热管中加热海水，降温后直接排出箱外。原海水通過过滤器预处理，经海水泵进入螺旋套筒式热回收盘管的外套管内，吸收水蒸气的冷凝潜热及未蒸发浓海水的显热后，进入喷淋器喷洒在废热加热盘管的外表面，未蒸发的浓海水落入蒸馏箱下部再次被降温后的废热加热盘管加热，温度较高的浓海水部分经排污阀排出，部分经三通阀与原海水混合引入到蒸馏箱内，循环上述过程。淡水槽上部空间的湿空气在空气泵循环抽吸作用下，利用鼓泡器鼓入蒸馏箱内的热海水中形成上升气泡，并适时冲刷盘管防止管壁污垢，同时在装置顶部形成负压空间，加速低压蒸汽的产生和收集，通过喇叭形蒸汽管人口进入螺旋套筒式热回收盘管的内套管，冷凝成淡水收入淡水槽。在顶板和无动力风帽之间具有流通的空气通道，温度较低的室外（或海上）空气在无动力风帽的作用下，流过冲刷顶板上壁面的散热肋片，然后所产生的湿热空气随着风帽转动排向外界，该过程利用被动式的自然通风技术，可以有效地降低顶板的表面温度，从而有利于蒸汽的冷凝收集。

3技术经济性分析

试验测试中，渔船发动机高温尾气废热加热盘管用电加热盘管模拟，海水泵、空气泵所需的光伏电能也用220V交流电代替。通过调节空气泵功率控制鼓气量，在蒸馏箱内海水液面上下方分设热电偶T1、T2用于测量蒸汽和海水温度，蒸馏箱底部放置压力传感器测量海水蒸发量，利用秒表记录运行时间。液位通过调节流量阀门控制。其淡水生产成本应该综合考虑装置的投资费用、操作与维护费用及能源费用，此小型蒸馏箱由于利用了发动机废热和太阳能，其能源费用是很低的。稳定运行时的能效比，也称造水比（gained output ratio，GOR），可定义为单位时间内蒸馏所得淡水的蒸发潜热与装置运行消耗能源的比值。

式（2）中，me为单位时间海水蒸发量，即产水率hy，为汽化潜热;P1、P2和P3分别为海水泵、空气泵和废热加热盘管的功率。

稳定海水温度为80℃时，海水泵的功率为25w，海水蒸发量与鼓入空气量的关系曲线如图3所示，可以看出随着鼓风量的增大，海水蒸发量也是增加的，但是增加的趋势减缓，说明装置存在最佳鼓风量和海水流量、温度的组合。结合测量数据，这里引入耗电当量的概念E=（P1+P2+p3）3）/me。计算表明，在空气泵功率为2w时，蒸馏箱的产水率约为1.72kg/h，折合的耗电当量为2.6kW·h/t，低于目前人工制备淡水的平均耗电功率3～4kW·h/t。

4创新特色及应用前景

4.1创新特色

此新型废热利用耦合光伏驱动海水淡化蒸馏箱特色如下。

（1）充分利用回收渔船发动机排出的高温尾气作为海水淡化的主要热源。

（2）利用螺旋套筒式热回收盘管既回收了水蒸气的冷凝潜热，又利用了浓海水的显热，螺旋型设计还增加了接触换热时间，从而在提高整体热量回收效率的同时，得到了可贵的淡水资源。

（3）利用空气泵循环抽吸、鼓泡器产生气泡等加速蒸汽冷凝回收，降低气相分压产生更多的低压蒸汽，同时扰动海水强制对流增强换热，防止盘管外壁污垢。

（4）太阳能电池板V字形设计，根据需要可展开面积，吸收太阳光给蓄电池充电，供给海水泵、空气泵等动力，节省常规化石能源的消耗。

（5）对集热/蒸发/冷凝进行一体化设计，通过在换热箱里合理布置海水喷淋器、废热加热盘管及螺旋套筒式热回收盘管，减少空间浪费使整个装置紧凑。

（6）蒸馏箱顶部成V字形设计，部分冷凝的淡水随着蒸汽一起通过喇叭形蒸汽管人口进入螺旋内套管，综合利用鼓泡蒸发技术和横管降膜蒸发技术增强换热，提高了蒸发效率。

（7）装置顶板下壁面布置一定数量的吸湿材料条，所形成的槽道结构有助于冷凝水的流动汇集，而上壁面布置散热肋片有利于顶板的散热，在顶板与无动力风帽间具有空气流动通道，利用被动式的自然通风技术进一步降低顶板的温度，从而提高了蒸发冷凝效率。

4.2应用前景

该海水蒸馏箱一体化小型化设计，形式新颖，简单实用。因为有效利用了发动机尾气废热和太阳能光伏驱动，所以装置的能源费用在淡水成本中的比重较小，如果减小装置材料的投资费用（如选用轻质、便宜、无毒且热导率高的材料、高效保温材料等）可以进一步降低产水成本。该小型蒸馏箱充分利用海水资源.节省渔船负载的淡水量，现用现取，为从事海上作业的人员提供便利。相信在海水淡化领域中的商品化潜力和应用前景很大。

5结论

设计了一个简易高效、节能绿色的小型海水淡化蒸馏箱。联合利用了发动机尾气废热和太阳能光伏驱动，设置无动力风帽和散热肋片提高了蒸发冷凝效率。该装置小型化设计、适应性强，能量回收利用效率高，体现了“节能减排，绿色环保”的理念。可以直接按放在渔船上，在海水淡化领域具有很好的商品化应用前景。