新型船用海水淡化装置的设计研究

2020-08-29缪红建侯如山

船舶 2020年4期

缪红建侯如山

（1.江苏南通申通机械有限公司南通226006；2.南通大学机械工程学院南通226019）

引言

淡水，无论对于工作在辽阔海洋上的船舶动力系统，还是船上工作人员的生活，都是极为珍贵的消耗性物资［1］。近些年来，随着海洋资源开采的逐渐深入以及远洋船舶的不断发展，仅靠从陆地上携带运输淡水资源已经远远无法满足船舶发展的需要，因此研究一种便携式海水淡化装置对于远洋船舶极其重要，将直接影响到船的工作能力和船员的居住性。

目前的海水淡化方法主要有蒸馏法、膜分离法、冷冻法等［2］。由于蒸馏法海水进水不需要预处理，产水水质高、维修保养方便、可以利用船舶余热作为热源等一系列特点，在中小型船舶中被广泛使用。蒸馏法板式造水机也因为换热效率高、体积相对较小、安装方便等优点而成为主流产品。国内外对于蒸馏法海水淡化装置的研究从未间断，如文献［3］通过对不同蒸发温度、废热水温度、进料海水温度对造水成本等的计算分析，得出优化设计方案时要重点考虑降低海水蒸发温度，提高废热源温度等因素；文献［4-7］以柴油机余热或太阳能作为驱动力，建立了海水淡化系统热力和传热模型，同时设计搭建了一体化海水淡化装置，进一步分析了淡水产量与热负荷之间的影响关系；文献［8］在蒸馏器底板添加石蜡作为相变材料对海水淡化系统进行优化，系统效率、产水速率和水质得到提升等。上述研究多是从海水淡化热力学过程参数之间的相互影响入手，以提高产水率、水质为目的进行的。目前广泛使用的板式蒸馏造水机主体结构是在一密闭空间中完成海水蒸发、分离和冷凝的整个过程，其中蒸发、冷凝分别由两组不同的换热板片完成。对有限的船舶空间来说，其体积仍显较大，且生产成本较高。针对这一问题，本文从结构角度出发，通过优化板片结构和合理设计流道，提出了一种新型船用海水淡化装置，将海水淡化过程中的蒸发、分离和冷凝集成在一组换热板片内完成，摒弃了原有装置的铜制外壳，明显缩减体积，降低生产成本。

1 新型船用海水淡化装置的结构设计

1.1 分离式造水机简介

前已述及，目前国内船舶市场主流的蒸馏法板式造水机其海水蒸发、冷凝过程分别由两组不同的板片完成（如图1所示），我们称这种结构的造水机为分离式造水机。

图1 分离式造水机原理图

与管壳式造水机相比，分离式造水机体积小、效率高、能耗低、拆卸清洗方便，因而得到广泛应用。由于海水的蒸发与冷凝需要在一个密闭空间内完成，因此这类造水机往往需要一个铜质或不锈钢外壳，即造成装置体积相对较大且生产成本提高等问题。而对于空间有限的船舶来说，缩小空间体积、降低生产成本是最为迫切的需求。

针对以上情况，本文提出一种新型船用海水淡化装置。通过板片结构优化和流道合理设计，使海水淡化过程中的蒸发、分离、冷凝可以集中在同一组板片内进行，板片与板片之间通过压紧板、密封胶垫、螺钉等零部件，即可形成海水淡化所需的密闭空间而无需庞大的外壳，大大缩减了设备的空间体积与成本，且更便于安装与维护。

1.2 新型船用海水淡化装置结构设计

新型船用海水淡化装置的总体结构由整体支架、固定压紧板、活动压紧板、导杆、底部支撑架、换热板片、流体管道等组成，如图2所示。

图2 新型船用海水淡化装置整体结构

本装置在结构上采用普通的三足框架结构设计，稳定性较好。活动压紧板的作用是压紧各板片以形成密闭空间。在板片安装完成后通过拧紧螺母将换热板片沿导杆压实锁紧，板片与板片之间设有密封胶垫。导杆的作用是支撑板片，并在板片安装时起到导向作用，防止安装过程中出现板片错位。底部支撑架的作用是增加机器的支承刚性，防止结构过重而导致整体变形，同时对板片也起到支撑作用，防止换热板片安装过多出现导杆一端弯曲下垂、流体泄漏等问题。

板片主要由起始板、A板、B板以及终止板等组成。排列顺序为两端为起始板和终止板，中间A板与B板交替排列。其中A、B板片结构见图3，其传热部分为人字板波纹，边缘为不同形式的密封胶垫（图中粗黑线部分），在压紧后胶垫隔离海水淡化所需的蒸发区域、分离区域和冷凝区域。

图3 A、B板片结构简图（图中粗黑线为密封圈）

图2中流体管道安装于装置前侧，主要由管道、盐度计、温度计、压力计等组成，管道与机器之间通过法兰螺栓连接固定。其中管道包括缸套水进出口管道、冷海水进出口管道、蒸汽管道、淡水管道以及蒸发海水入口管道等，各流体经过管道流入并均匀分布于各个板片间完成海水淡化过程中的蒸发、冷凝、过滤后从相应的出口流出。流道1为冷海水进出口流向，用蓝色箭头标记，从图中可以看出冷海水在海水吸泵的作用下自装置的上部左侧管道口流入、从右侧管道流出，流出后的冷海水分为两股，一股顺着小管道流入到装置下部对称分布的海水淡化入水口，另一股流向喷射器被排出舷外。流道2为缸套水进出口流向，用红色箭头标记，从图2中可以看出缸套水自装置下部左侧管道口流入、从右侧管道流出。

2 热力学性能计算与对比

造水比、单位热耗率以及单位淡水能耗作为评价海水淡化系统最为重要的三大热力学性能指标，不仅能评价出系统设计的合理性，还能指引系统需要优化的方向［9］。

本文以市场主流产品之一——阿法拉伐公司的JWP-26-C80型造水机为比较对象，与新型船用海水淡化装置（整体式板片）进行空间体积和产水量对比。

JWP-26-C80型造水机是一款分离式板式造水机，日产水量为20 t，蒸发区板片与冷凝区板片均为长方形，外形尺寸相同，板片长宽分别为710 mm、250 mm、厚度为0.5 mm，共有40对板片，蒸发区与冷凝区之间间隔约为220 mm，其外壳近似长方体约0.71 m3。新型海水淡化装置无需外壳，若以板片占据相同截面积和相同对数计算，新型（整体式）船用海水淡化装置空间约缩减了近70%，日产水量则提高至25 t。

本文在表1所示工况下进行热力学性能参数计算与分析。

表1 海水淡化装置工况设定

2.1 造水比

造水比是衡量海水淡化系统设计是否合理、高效、经济的最为重要的参数，它是指蒸发装置淡水总产量与盐水加热器所消耗的蒸汽量之比。

造水比定义为：

式中：mW为加热蒸汽的质量流量，kg/h，由于本文所设计的新型海水淡化装置利用机器废热作为热源加热蒸发海水，而非通过消耗蒸汽进行热交换，因而mS可以由机器废热换算成当量蒸汽流量md代替，式（1）变换如下：

新型海水淡化装置日产水产量25 t/d，即式（2）中mW为1 042 kg/h；热缸套水流量60 543 kg/h，热缸套水进口温度为80℃，出口温度为70℃。50℃时淡水的汽化潜热为2 381.9 kJ/kg。80℃时水的比热容Cs为 4.2 kJ/（kg·℃）。

因此，新型海水淡化装置造水比为：

JWP-26-C80型分离式造水机产水量为20 t/d即式（2）中mW为833.333 kg/h，其他条件相同。

分离式海水淡化装置造水比为：

2.2 单位热耗率

单位热耗率是指生产单位淡水蒸汽的放热量，其表示如式（3）所示：

式中：QS为加热蒸汽放热量，kJ/h；

故：

因此，新型船用海水淡化装置单位热耗率为：

分离式海水淡化装置单位热耗率为：

2.3 单位淡水能耗

单位淡水能耗是生产单位质量的淡水所需消耗的能量，是衡量海水淡化系统产水量与能耗关系的重要热力学性能指标。其可表示为：

式中：Th为环境温度，32℃；ΔTj为加热蒸汽的平均温度，℃；ΔTd为当量蒸汽温度，50℃。

因此，新型船用海水淡化装置单位淡水能耗为：

分离式海水淡化装置单位淡水能耗为：

经过计算可得两种海水淡化装置热力学性能结果，如表2所示。

表2 新旧海水淡化装置热力性能计算结果

由表2所示新型船用海水淡化装置（整体式）与JWP-26-C80型造水机（分离式）相比，造水比高，而单位热耗率以及单位淡水能耗低，表明本文所设计的新型海水淡化装置系统在热力性能方面更优越，完全符合我国正在大力推行的节能减排政策。

3 装置结构力学性能仿真与分析

3.1 相关模型建立及条件设置

ANSYS Workbench软件可以集产品设计、仿真、优化功能与一身，帮助设计人员在同一平台上，完成产品研发过程的所有工作，从而大大节约产品研发周期，加快上市步伐，占领市场高点［10］。本文借助ANSYS Workbench中的结构线性静力学分析模块对新型船用海水淡化装置的关键部件进行线性静力学分析，分析其结构是否安全可靠。主要结构各部分材料属性设定参照如下：机器整体支架、导杆采用Q235A，弹性模量E= 2.12×1011N/m2，泊松比μ= 0.288；底部支撑架采用Q235B，弹性模量E= 2.10×1011N/m2，泊松比μ= 0.274；螺栓导杆、螺母垫片采用40Cr，弹性模量E= 2.11×1011N/m2，泊松比μ= 0.277。

在对机器框架结构进行网格划分时，考虑到机器整体支柱外突部分的弯曲，为了使该部分网格划分更加精确，本文对机器框架结构采用四面体网格的划分方法，该方法能够在机器框架的一些关键区域使用曲度和近似尺寸自动细化网格，网格划分效果更佳。网格精度为0.003 m。

机器整体支柱三足与地面设定为固定接触。在非工作状态的时候，机器框架结构的约束主要来自螺栓导杆上了锁紧螺母的预紧力，锁紧螺栓预紧力设为1 000 N。在工作状态时，机器各部分不仅受到锁紧螺栓的预紧力，同时还会受到流体以及换热板片的压力，板片对机器整体支架压力大小设置为1.3 MPa，活动压紧板板片受压面压力大小设置为1.2 MPa。