基于自然真空蒸餾技術(shù)(NVD)的海水淡化裝置

陳領(lǐng)民，沈 娜，吳海欣，全 歡，葉成彬

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

在沿海、干旱和半干旱地區(qū)，淡水成為決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)發(fā)展的重要限制因素。在沿海地區(qū)，海水淡化能夠很好地解決這些問題，而能耗高和環(huán)境污染制約了其發(fā)展。利用新能源進(jìn)行海水淡化能夠很好地緩解能耗高和環(huán)境污染的問題，其中沿海地區(qū)風(fēng)能和太陽能豐富，適合作為海水淡化的能源。

尹建華等[1]研究了低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)，雖然該技術(shù)能耗較低，但能耗依然是一大問題，同時(shí)提到膜法的水質(zhì)較熱法低。張夏卿等[2]介紹了全球海水淡化的概況，同樣提到能耗高是海水淡化的一大問題，海水淡化發(fā)展空間大。海水淡化可通過真空蒸餾技術(shù)進(jìn)行，但維持蒸發(fā)室真空度的真空泵需要消耗巨大的電能，真空度越高，抽真空速度和電耗會(huì)顯著增加[3]。Midilli[4]提出了自然真空蒸餾技術(shù)(NVD)，利用海水自重和大氣壓之間的作用自然形成真空環(huán)境，使海水常溫汽化，減少真空泵使用。

Al-Kharabsheh 等[5]對NVD 海水淡化系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明，海水靜壓≤4 kPa 時(shí)，開始發(fā)生汽化。魏京勝等[6]建立了NVD 海水淡化物理模型，提出NVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水淡化要有冷源和熱源，需加裝風(fēng)機(jī)形成對流，從而提高系統(tǒng)效率，即使系統(tǒng)耗電量較少，但輔助系統(tǒng)耗電量仍相對較大。Ayhan 等[7]建立了太陽能NVD 海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算模型，利用巴林地區(qū)的太陽能數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，得出熱海水溫度與環(huán)境溫度相差約20 ℃時(shí)，系統(tǒng)的性能最佳。

NVD技術(shù)利用自然重力形成真空環(huán)境，其設(shè)備具有高度高的特點(diǎn)，在使用電能驅(qū)動(dòng)NVD技術(shù)時(shí)，不需大量的電能，能夠很好地節(jié)能。本文提出一種結(jié)合NVD技術(shù)的裝置，其主要設(shè)備——柱形汽化室創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該裝置在常溫下以風(fēng)能為主，以太陽能和空氣熱能為輔，進(jìn)行海水淡化，同時(shí)產(chǎn)鹽，很好地利用了NVD技術(shù)設(shè)備的高度以及形狀的優(yōu)勢，提高了接受風(fēng)能，同時(shí)又降低了風(fēng)力對設(shè)備的沖擊。由于本裝置不產(chǎn)電，有足夠的風(fēng)能就可以隨時(shí)工作產(chǎn)水，很好地解決了拋棄風(fēng)力的問題。通過理論分析和實(shí)物模型試驗(yàn)對本文提出的裝置——基于NVD技術(shù)的海水淡化裝置進(jìn)行研究，驗(yàn)證風(fēng)能產(chǎn)水的可行性，并提出完善改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)的建議。

1 原理及性能

1.1 工作原理

裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。工作原理如下：風(fēng)能使風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)葉帶動(dòng)真空泵運(yùn)作，真空泵通過抽氣管將柱形汽化室內(nèi)的氣體抽出形成低壓，由于柱形汽化室低壓，海水從裝置底部被抽進(jìn)外表裝設(shè)吸熱片的柱形汽化室；由于氣壓極低，海水沸點(diǎn)降低，同時(shí)有太陽光照射吸熱片且從附近空氣中吸收熱量，海水發(fā)生汽化，真空泵持續(xù)運(yùn)作，將汽化出來的水蒸氣抽走，維持柱形汽化室內(nèi)部的低壓環(huán)境，使海水持續(xù)汽化。水蒸氣通過出氣管被真空泵泵入冷凝器，液化成蒸餾水，收集存放到儲(chǔ)水箱。

注：1-底座；2-結(jié)晶鹽；3-柱形汽化室；4-抽氣管；5-塔筒；6-真空泵；7-風(fēng)葉；8-出氣管；9-冷凝器；10-儲(chǔ)水箱；11-淡水圖1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Structure Design Drawing of the Device

柱形汽化室如圖2所示，其室內(nèi)的海水鹽濃度隨汽化時(shí)間的增長而升高，形成結(jié)晶鹽，大部分結(jié)晶鹽形成后因重力作用下掉，部分結(jié)晶鹽黏附在柱形汽化室內(nèi)壁形成鹽垢，當(dāng)形成一定厚度的鹽垢后會(huì)使光電開關(guān)閉合，光電開關(guān)發(fā)送信號(hào)使除鹽刀上下運(yùn)動(dòng)鏟除鹽垢，鹽垢下掉。所有鹽塊下掉到達(dá)漏斗網(wǎng)，由出鹽口導(dǎo)出鹽塊，再由傳送帶運(yùn)走鹽塊成為副產(chǎn)品。運(yùn)行過程中，由于海水的汽化而吸熱降溫，汽化速率降低，為了保持良好的汽化速率，柱形汽化室需從外界吸收熱量，途徑有兩種：一是利用太陽能的照射給柱形汽化室供熱；二是從空氣中吸收熱量。因此，柱形汽化室外部均勻裝設(shè)涂有吸熱材料的吸熱片，不僅能夠吸收太陽能，還能吸收周圍空氣的熱量，其結(jié)構(gòu)符合流體力學(xué)，能夠很好地讓空氣通過，增加吸熱量。

注：1-底座；2-結(jié)晶鹽；3-傳送帶；4-漏斗網(wǎng)；5-柱形汽化室缸體；6-塔筒；7-抽氣管；8-伸縮桿；9-除鹽刀；10-吸熱片；11-出氣管；12-冷凝器；13-儲(chǔ)水箱；14-淡水圖2 柱形汽化室放大圖Fig.2 Enlarged Drawing of Cylindrical Vaporizing Chamber

圖3為裝置模型結(jié)構(gòu)圖，圖4為模型柱形汽化室結(jié)構(gòu)圖，圖5為裝置實(shí)物模型圖，其結(jié)構(gòu)與上述的理論設(shè)計(jì)有一定的差別，但基本原理不變。模型試驗(yàn)結(jié)束后，將柱形汽化室底部的下法蘭打開，倒出鹽塊。同時(shí)，試驗(yàn)時(shí)為了在風(fēng)能作用下觀察柱形汽化室內(nèi)的情況，不對實(shí)物模型設(shè)計(jì)噴涂有吸熱材料的吸熱片，暫不對熱能影響汽化效果展開研究。

注：1-進(jìn)海水口；2-柱形汽化室缸體；3-風(fēng)葉；4-抽氣管；5-氣壓表；6-真空泵；7-塔筒；8-出氣管；9-冷凝器；10-輸水管；11-量筒圖3 裝置模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Model Structural Diagram of the Device

1.2 性能特性

基于上述理論原理，以現(xiàn)有我國主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)為雛形，理論設(shè)計(jì)如圖1，性能設(shè)想如表1所示。其中，接受風(fēng)能如式(1)。

接受風(fēng)能=1/2CPρA1v3

(1)

其中：Cp——風(fēng)能利用系數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

A1——實(shí)物理論掃掠面積，m2；

v3——風(fēng)速，m/s。

注：1-進(jìn)海水口；2-下法蘭；3-柱形汽化室缸體；4-除鹽刀；5-溫度傳感器；6-伸縮桿；7-上法蘭；8-導(dǎo)線口；9-抽氣管；10-壓力傳感器；11-溫度傳感器；12-光電開關(guān)圖4 模型柱形汽化室結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Chart of Vaporizing Chamber of Cylindrical Model

基于上述理論原理，以亞克力為原料制作柱形汽化室，PVC管材制作塔筒，鐵架制作塔座，購買現(xiàn)有設(shè)備如風(fēng)輪、有電動(dòng)機(jī)的真空泵等，其模型實(shí)物如圖5所示，實(shí)測性能如表2所示。其中，風(fēng)能計(jì)算如式(2)。

圖5 裝置實(shí)物模型Fig.5 Physical Model of the Device

風(fēng)能=1/2CPρA2v3

(2)

其中：Cp——風(fēng)能利用系數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

A2——模型掃掠面積，m2；

v3——風(fēng)速，m/s。

以風(fēng)能為同一能源，分析傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)與本裝置能量轉(zhuǎn)過的效率，其能量轉(zhuǎn)化過程如圖6和圖7所示。由圖6～圖7可知，本裝置的能量利用效率與傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)相比提高了9%～24.3%。

1.3 水質(zhì)分析

海水淡化方法有熱法和膜法，本裝置屬于熱法，其產(chǎn)出的淡水含鹽量低于膜法，且相對傳統(tǒng)的熱法技術(shù)，由于是在常溫下運(yùn)作，溫度較傳統(tǒng)熱法技術(shù)低，鹽分的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較溫和，熵值更大，產(chǎn)出的淡水含鹽量更少。表3為各傳統(tǒng)技術(shù)的水質(zhì)[1]，可見熱法的水質(zhì)含鹽量極少。因此，本裝置的水質(zhì)含鹽量將會(huì)低于5 mg/L。

表1 裝置理論實(shí)物性能Tab.1 Theoretical Physical Performance of the Device

表2 裝置模型性能Tab.2 Model Performance of the Device

圖6 傳統(tǒng)海水淡化能量轉(zhuǎn)化過程Fig.6 Energy Conversion Process of Traditional Seawater Desalination

圖7 裝置能量轉(zhuǎn)化過程Fig.7 Energy Conversion Process of the Device

表3 傳統(tǒng)技術(shù)水質(zhì)Tab.3 Water Quality of Traditional Technology

2 裝置模型的運(yùn)行工況及性能分析

2.1 裝置可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

利用150 W的電機(jī)，模擬風(fēng)力驅(qū)動(dòng)裝置模型的真空泵，分別汽化未加熱的25 ℃淡水、加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水、未加熱的25 ℃海水和加熱至沸騰后溫度降為45 ℃的淡水(加熱至沸騰后的淡水已揮發(fā)大量溶解氣體)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 裝置驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Confirmatory Experiment Data of the Device

圖8 氣壓與風(fēng)速的關(guān)系Fig.8 Relationship between Air Pressure and Wind Speed

對比汽化未加熱的25 ℃淡水和加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水試驗(yàn)初期，后者由于加熱過，溶解在其中的空氣已溢出，產(chǎn)生的氣泡較少。由于淡水汽化比溶解在其中的氣體溢出要困難，且隨著氣泡減少，溶解在淡水中的空氣也減少了。通過兩組試驗(yàn)的初期對比以及試驗(yàn)自身前后期氣泡數(shù)量的對比，得出淡水溶解有空氣。

對比未加熱的25 ℃淡水和未加熱的25 ℃海水試驗(yàn)前期，海水產(chǎn)生較少的氣泡，說明海水的汽化速率較淡水慢；未加熱的25 ℃海水試驗(yàn)前后期對比，說明其溶解有空氣。

對比加熱至沸騰后溫度降為25 ℃的淡水和加熱至沸騰后溫度降為45 ℃的淡水，后者試驗(yàn)前后期都能劇烈沸騰，說明提高溫度能提高汽化速率。

以上試驗(yàn)證明了裝置原理的可行性。

2.2 模擬海水淡化試驗(yàn)

常溫25 ℃時(shí)，利用海水進(jìn)行試驗(yàn)，不同風(fēng)速時(shí)，柱形汽化室在上一風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)束的相應(yīng)風(fēng)速極限氣壓值上繼續(xù)試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8可知，風(fēng)速增加時(shí)，氣壓降低并逐漸趨于平緩，并穩(wěn)定在一個(gè)氣壓值，其原因是海水汽化的速率和真空泵泵出氣體的速率相同，達(dá)到了相應(yīng)的極限氣壓。隨著風(fēng)速的提高，每個(gè)風(fēng)速在原有氣壓值下到達(dá)極限氣壓所需的時(shí)間越短，原因是氣壓越低，海水汽化的速率越快，能迅速填補(bǔ)缺失的氣壓值。因此，汽化速率的增加使氣壓值達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間更少。

由于各地域的海水成分以及濃度都不相同，且海水的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系沒有標(biāo)準(zhǔn)可參考，在此以相應(yīng)極限氣壓下淡水的沸點(diǎn)作為海水沸點(diǎn)的參考，取相應(yīng)風(fēng)速下得到的極限氣壓值，得到圖9，隨著風(fēng)速的提高，極限氣壓越低，并有趨于平緩的趨勢，觀察淡水的沸點(diǎn)參考線，其沸點(diǎn)也會(huì)降低，可推出海水的沸點(diǎn)也會(huì)降低。

基于以上試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：風(fēng)速越高，極限氣壓越低，汽化速率越快；淡水和海水在汽化的初期會(huì)有較多的氣泡產(chǎn)生，原因是溶解在其中的氣體揮發(fā)了出來；對海水進(jìn)行加熱可極大加快汽化速率；不同的液體，其汽化的速率不同，因此，在風(fēng)速相等的情況下，不同的液體在柱形汽化室所能達(dá)到的極限氣壓值也會(huì)不同；本裝置模型選用的是旋片式真空泵，其泵出氣體的腔室較小，加快泵出氣體的速率，就得增加轉(zhuǎn)速，在試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)功率非常充足，大于150 W，但風(fēng)葉在相應(yīng)風(fēng)速下具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，盡管風(fēng)葉轉(zhuǎn)速很高，但轉(zhuǎn)速依然達(dá)不到此真空泵所需的轉(zhuǎn)速，許多風(fēng)能利用不上，極限氣壓值很難降低，海水難以在常溫下汽化。

因此，提出如下模型的改進(jìn)建議：選用腔室較大的真空泵或給原有真空泵加設(shè)增速齒輪組，更好地選用風(fēng)葉類型和尺寸，合理設(shè)計(jì)配套的柱形汽化室尺寸參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及改進(jìn)裝置

選用給原有真空泵加設(shè)增速齒輪組的改進(jìn)方式，用不同風(fēng)速對裝置進(jìn)行試驗(yàn)，測量風(fēng)葉最大轉(zhuǎn)速、到達(dá)極限氣壓值時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、從101.3 kPa降到極限氣壓值所需時(shí)間、極限氣壓值，如表5所示。制作風(fēng)速與風(fēng)能、風(fēng)速與風(fēng)葉最大轉(zhuǎn)速、風(fēng)速與到達(dá)極限氣壓時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、風(fēng)速與從101.3 kPa降到對應(yīng)風(fēng)速的極限氣壓值所需時(shí)間、風(fēng)速與極限氣壓值的關(guān)系，如圖10～圖14所示。

表5 試驗(yàn)記錄Tab.5 Records of Experiments

隨著風(fēng)速的提高，風(fēng)能呈多項(xiàng)式上升(圖10)；但風(fēng)葉最大轉(zhuǎn)速呈線性上升(圖11)；在每個(gè)風(fēng)速下達(dá)到極限氣壓，風(fēng)葉穩(wěn)定時(shí)的平均轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速提高呈對數(shù)逐漸上升平緩(圖12)；隨著風(fēng)速的增加，極限氣壓變化呈冪函數(shù)平緩下降(圖13)；隨著極限氣壓下降，轉(zhuǎn)速呈冪函數(shù)上升(圖14)。當(dāng)150 W的電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)能驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 920 r/min，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫緩慢沸騰；當(dāng)風(fēng)能>150 W時(shí)，風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速不能達(dá)到2 920 r/min，因此，帶動(dòng)的真空泵的轉(zhuǎn)速不能提升至2 920 r/min，綜上，裝置需要加裝增速裝置。若想海水在常溫下劇烈沸騰，需將氣壓降低到2 kPa以下，代入圖14，得出所需轉(zhuǎn)速，計(jì)算增速變比，如表6所示。后續(xù)裝置的增速改進(jìn)工作將按照表6的數(shù)據(jù)進(jìn)行，以期達(dá)到常溫沸騰的汽化效果。

圖10 風(fēng)速與風(fēng)能Fig.10 Wind Speed and Wind Energy

圖11 風(fēng)速與風(fēng)葉最大轉(zhuǎn)速Fig.11 Wind Speed and Maximum Revolution Speed of Wind Blade

圖12 風(fēng)速與穩(wěn)定時(shí)風(fēng)葉平均轉(zhuǎn)速Fig.12 Wind Speed and Average Revolution Speed at Stable Time

圖13 風(fēng)速與極限氣壓Fig.13 Wind Speed and Extreme Pressure

圖14 極限氣壓與維持的轉(zhuǎn)速Fig.14 Extreme Pressure and Speed

表6 真空泵轉(zhuǎn)速Tab.6 Revolution Speed of Vacuum Pump

3 結(jié)論

本文提出了一種基于NVD技術(shù)的海水淡化裝置，設(shè)計(jì)目的是常溫下能夠以風(fēng)能為主，太陽能和空氣熱能為輔，基于NVD技術(shù)，考慮NVD技術(shù)所需的高度，結(jié)合水平軸風(fēng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對裝置整體合理設(shè)計(jì)，對裝置的設(shè)備——柱形汽化室特別設(shè)計(jì)，使裝置不僅能夠汽化海水，還能產(chǎn)鹽。從理論分析和模型試驗(yàn)結(jié)果來看，該裝置可實(shí)現(xiàn)上述目的，且水質(zhì)含鹽量較傳統(tǒng)熱法更低，有利于降低傳統(tǒng)海水淡化的能耗，能量轉(zhuǎn)化效率理論上可提高9%～24.3%；該裝置使NVD技術(shù)與水平軸風(fēng)電機(jī)結(jié)合起來，充分利用沿海豐富的風(fēng)能[8]；特別設(shè)計(jì)的柱形汽化室能夠很好地解決結(jié)垢問題，使鹽分得以收集，且能夠利用太陽能和空氣熱能對內(nèi)部的海水供熱。經(jīng)過本次模型的試驗(yàn)和分析，汽化初期產(chǎn)生的氣體含有溶解在海水中的空氣。在真空泵恒定輸出功率下，改變海水的溫度對汽化的速率影響很大，升高溫度有利于汽化。此模型試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，模型的輸入功率不足，產(chǎn)水量極少，原因是轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速低，功率轉(zhuǎn)化效率低。因此，真空泵的輸出功率需加大，采取的改進(jìn)方法是增設(shè)增速組，加快真空泵的轉(zhuǎn)速，以期達(dá)到常溫沸騰的氣壓條件。