远洋船舶用蒸馏海水淡化系统试验研究

2021-11-22袁越锦赵泽颖徐英英

机械设计与制造 2021年11期

袁越锦，赵泽颖，徐英英，熊云

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

1 引言

针对中小型远洋船舶，设计了一套蒸馏海水淡化系统，并搭建试验装置，拟通过单因素试验和正交试验探究热源水温度、热源水流量、进料水流量、冷却水流量和蒸馏器内真空度对系统产水率及产水水质的影响，并对正交试验结果进行方差分析和极差分析，得到系统运行最优参数，为蒸馏海水淡化工艺的工况优化和相关设备改进提供了试验数据支持和技术参数指导。

2 试验设备与方法

2.1 试验设备与材料

蒸馏海水淡化系统原理图，如图1所示。首先，将预处理后的原料海水泵送进板式冷凝器，与过热蒸汽进行换热，实现蒸汽的冷凝和原料海水的预热。然后，被预热的原料海水，一部分通入蒸发器，与热源水进行换热（热源水由太阳能集热器产生），产生海水蒸汽和浓盐水：另一部分作为工作流体进入引射器，引射换热器内的不凝性气体和浓盐水。最后，海水蒸气经过折流板和捕沫网的组合过滤，进入冷凝器中与冷却水（原料海水）换热，产生的淡水泵送至淡水箱。

图1 蒸馏海水淡化系统原理图Fig.1 Distilled Desalination System Schematic

试验装置主要由集热器、换热器、引射器、辅助电路及辅助管路组成，设备实物图，如图2所示。试验过程中水流量通过阀门控制，流量大小通过数显流量计呈现：TDS、pH和电导率分别用BTDSSCA-20 型TDS 测试笔、PHS-25 型pH 计测试笔、DDS-307型电导率仪测得。试验材料为模拟海水，由工业盐配制而得，含盐量为35000ppm，TDS为54300mg/L，电导率为59000μs/cm。

图2 试验装置实物图Fig.2 Physical Object of Test Device

2.2 试验方法

2.2.1 单因素试验

产水率试验：以热源水温度、热源水流量、蒸馏器内真空度（以下简称真空度）、进料水流量、冷却水流量为试验因素，以系统产水率为试验指标，控制一个因素变化，其余因素保持不变进行试验。

产水水质试验：以真空度为试验因素，以系统产水pH、电导率及TDS为指标进行试验。

2.2.2 正交试验

方法2：加热鉴别法。取等量水样于两支洁净试管中，加热，在管壁内留下较多水垢的水样是硬水，水垢较少的水样是软水。

选取热源水流量、真空度、冷却水流量、进料水盐度作为试验因素，以产水率、TDS和pH为评价指标，用L9（34）正交表安排试验，重复3次，共27组，如表1所示。评价指标换算为综合分数，满分为1，由以下公式计算得到：

表1 因素水平表Tab.1 Factor Level Table

3 试验结果及分析

3.1 产水率单因素试验

3.1.1 进料水流量与冷却水流量对产水率的影响

系统产水率随进料水流量与冷却水流量变化规律，如图3所示。在其余因素不变的条件下，随进料水流量的增大，产水率先增大后减少，进料海水流量在300L/h时产水率达到最大值92.7L/h。这是由于进料水流量增加时，其流速也相应增大，对流换热强度增强，故海水蒸发速率增大，产水率增大：当进料水流量增大到一定值后，由于蒸馏器内热负荷及换热面积的限制，其热量不足以将蒸馏器内的海水全部蒸发，从而使系统产水率降低。产水率随冷却水流量增加而增大，当冷却水流量增大到4000L/h后，产水率增大速率变缓。这是由于当冷却水流量增大时，蒸馏器内供海水蒸汽凝结的冷量不断增多，凝结速率增大，产水率增大：当冷却水流量增大到一定值后，冷凝器内供蒸汽凝结的冷量接近饱和，产水率趋于稳定。

图3 进料水流量与冷却水流量对产水率的影响Fig.3 Effect of Feed Water and Cooling Water Flow on Production Rate

3.1.2 热源水流量与热源水温度对产水率的影响

系统产水率随热源水流量及温度变化的曲线，如图4所示。由图可得，系统产水率随热源水流量增大近似呈线性增大。这是由于在其余因素不变的情况下，增大热源水流量，即增大了蒸馏器的最大热负荷，所以单位质量的海水吸热量增大，海水的蒸发速率增大，故产水率增大。产水率随热源水温度的升高而增大，当温度超过72℃后，增速趋缓。这是由于热源水温度较低时，单位质量海水的吸热量也相应较少，则海水蒸发速率较小，表现为产水率较小：当热源水温度逐渐增大，板式蒸发器的冷水侧与热水侧传热温差较大，强化了换热强度，加快了海水蒸发的速率，当热源水温度增大到一定程度之后，蒸发过程逼近饱和状态，系统产水率的增速变缓。

图4 热源水温度及热源水流量对产水率的影响Fig.4 Effect of Heat Water Temperature and Flow on Water Production Rate

3.1.3 真空度对产水率的影响

系统产水率随真空度的变化规律，如图5所示。由图可知，随着真空度的增大，产水率逐渐增大，真空度超过88kPa后增速有所减缓。这是由于在其余因素不变的条件下，蒸发器内真空度较低，对应的饱和蒸汽温度较大，即海水的蒸发温度较大，蒸发同样多的海水，所需要热量更多，而蒸馏器内热负荷是一定的，所以海水蒸发速率相对较慢，产水率较低：随着真空度逐渐增大，对应的饱和蒸汽温度变低，海水蒸发速率变快，产水率越大。当真空度增大到一定值后，蒸发器的热负荷近乎足够蒸发全部海水，故系统产水率增速减缓。

图5 真空度对产水率的影响Fig.5 Effect of Vacuum on Water Production Rate

3.1.4 产水水质单因素试验

淡化水电导率、pH 及TDS 随真空度的变化曲线，如图6 所示。淡化水电导率随真空度的增大而减少，这是由于水的电导率与其所含的可溶性离子有关，可溶性离子含量越高，电导率越大，随着真空度的增大，蒸馏器内进料水对应的饱和温度降低，可溶性离子的溶解度减小，海水蒸汽中的可溶性离子含量减少，固出产淡水的电导率降低：淡化水pH在（6.3～6.4）间波动，较为稳定，这是由于pH值的大小仅与水中氢离子的浓度有关，而真空度对水的电离平衡影响不大，所以淡化水pH值受真空度的影响较小：淡化水的TDS随真空度增大而下降，真空度大于87kPa之后，下降速度变缓，这是由于随着真空度的增大，海水的蒸发温度降低，可溶性固体不易被蒸发出来，从而使淡化水TDS减小，当真空度增大到一定值后，海水的蒸发温度减小幅度变小，能被蒸发出来的可溶性固体量基本不变淡化水TDS也就趋于稳定。

图6 真空度对系统产水pH值和电导率的影响Fig.6 Effect of Vacuum on pH and Conductivity of Fresh Water

3.2 正交试验

3.2.1 试验结果的极差分析

蒸馏海水淡化装置的正交试验方案及极差分析，如表2 所示。运用SPSS[15]软件对综合得分进行极差分析后可知，各试验因素对海水淡化装置性能影响的主次顺序为A、D、C、B：优方案为A3D1C3B3，即综合指标下最佳的工艺参数为热源水流量5500L/h，真空度86kPa，冷却水流量4500 L/h，进料水盐度45ppt。

表2 正交试验极差分析表Tab.2 Orthogonal Test Range Analysis

3.2.2 试验结果的方差分析

运用SPSS软件对试验数据进行方差分析，产水率方差分析结果、TDS方差分析结果、pH方差分析结果，如表3～表5所示。

表3 系统产水率方差分析表Tab.3 Variance Analysis of System Water Production

表4 TDS方差分析表Tab.4 Variance Analysis of TDS

表5 pH方差分析表Tab.5 Variance Analysis of pH

据表3分析可知，对于产水率，因素A，FA=12.40，因素B，FB=0.65，因素C，FC=10.21，因素D，FD=0.31，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），说明热源水流量对产水率的影响最大：FC大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），说明冷却水流量对产水率的影响程度为“显著”，仅次于热源水流量：FB和FD均小于F0.05（2，18），说明真空度和进料水盐度对产水率无明显影响。

据表4 分析可知，对于TDS，因素A，FA=0.29，因素B，FB=5.68，因素C，FC=0.29，因素D，FD=3.73，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FB和FD均大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），说明真空度与进料水盐度对出产淡水的TDS影响程度均为“显著”，而FB大于FD，说明真空度的影响略大于进料水盐度：FA和FC均小于F0.05（2，18），说明热源水流量和冷却水流量对出产淡水TDS无明显影响。

据表5 分析可知，对于产水率，因素A，FA=0.5，因素B，FB=0.07，因素C，FC=0.07，因素D，FD=6.50，而F0.05（2，18）=3.55，F0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），说明进料水盐度对出产淡水pH的影响为“高度显著”：FB、FC和FD均小于F0.05（2，18），说明热源水流量、真空度和冷却水流量对出产淡水pH无明显影响。