主机余热耦合太阳能的低温海水淡化系统

主机余热耦合太阳能的低温海水淡化系统

陈玉兰任建军陈露

（重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆400074）

摘要：海水的低温淡化是使海水在一个高真空的容积中，在一个较低温度下沸腾汽化的过程。本新型系统通过钢架结构将海水淡化单元抬高形成稳定的被动真空。海水经过太阳能预热器预热后通过蒸发器内，利用主机缸套水持续对蒸发器内的液体进行加热。产生的二次蒸汽进入冷凝器中，与从舷外泵入的海水换热冷凝，二次蒸汽产生了蒸汽压力梯度，蒸汽自发向冷凝器移动，制取的淡水由于重力的作用下送往淡水柜。该系统减少了系统对外界的热损失，能量利用率高，在低温下进行海水淡化，减少了结垢的危害，制取的淡水质量较高。

关键词：海水淡化；被动真空；蒸馏；余热；太阳能；真空沸腾

引言

地球上满足人类的工业、农业和家庭生活的淡水供给约占地球总水量的1%，而海洋中占据了地球97%的水量[1]。真空沸腾是海水在具有一定真空度的容器中在较低温度下沸腾汽化的过程，海水的沸点随着绝对压力的下降而降低[2]。降低压力从而降低海水的沸点是一种有效的方式。最具经济性的制造低压方法还是利用重力与大气压力产生被动真空,从而减少了制造真空所需的能量。太阳能也可用于热能或者进行发电以电能的形式参与海水的淡化过程。但简单的太阳能利用的主要缺点是效率不高，平均为35%[2]。

使用柴油机做主推进装置的船舶，在行进过程中产生的这些热能几乎50%的转换为指示功，很大一部分的热量被排气和冷却水带走。因此，主机的废热利用成为了研究的重要问题。

1分析该方法的可行性

在以柴油机为主推进装置的船舶上，柴油机会产生大量的热能，以型号为MAN12K98ME/MC的柴油机来说，其热平衡如图一所示。大约50%的热量用来做功，其中主机的缸套冷却水也带走了很高的热量，其温度高达353K（80℃）[3]，其有很高的利用价值。

在此基础上，本文设计了一个新的系统：主机余热耦合太阳能的低温海水淡化系统

2系统工作原理

给出了该系统的原理的示意图。该系统的真空是利用钢架结构将海水淡化单元抬高。通过供应管道和排放管道中的静水压强与大气压力的平衡产生真空。

理论上产生绝对真空时，钢架结构将蒸发器抬高不超过10m的高度。

将浓缩盐水柜和淡水柜设置在机舱，在甲板上利用钢架结构将海水淡化单元抬高至离淡水柜距离10m的位置，在蒸发器中产生被动真空，在真空度很高的情况下，可使海水的沸点降低至40℃，这大大减少了在常压下将海水加热至沸腾的热量。

首先将要进行淡化的海水经海水泵由舷外泵入管道内，系统运行期间，海水泵向太阳能预热器，与冷凝器中的二次蒸汽发生热交换，蒸汽冷凝的同时，又对进口海水进行了预热，减少了系统对外界的热损失。而后经过太阳能的再次加热，送入具有一定真空度的蒸发器中，在蒸发器中，海水又经过主机缸套水的持续加热，保证蒸发器里的海水能持续被加热而沸腾。产生的蒸汽被冷凝后送往淡水柜储存。

在机舱内的淡水和浓缩盐水收集柜与大气相通，使淡水和浓缩盐水在重力的作用下流下，在开启系统之前，关闭所有的阀门制造真空环境，随后控制阀门，系统准备就绪。该系统中，要保证蒸发器中有水没过主机缸套水的换热管路。

该系统需要使水位保持在大致范围内，我们对该系统进行简单的数学建模：

由质量守恒定理可得：

忽略由于盐水水柱与蒸发器内浓缩盐水的热传导，忽略蒸发器对外的热传递。

能量守恒：

该系统需要注意保持蒸发器中的水位在合适的范围内，可在蒸发器液面上设置球阀，保持在合理的水位范围[4]。由上式可知，在恒定的给水速率下，海水盐浓度基本保持不变，在蒸发器的下方输送浓缩盐水的管路中设置一个盐度开关，在盐浓度上升时，开关开大，使含盐量下降；在盐浓度降低时，开关关小，时含盐量回升，即可保持蒸发器中由合理的水位。由于上述推断很多情况并未考虑，这里只是对该系统进行粗略的计算。

3结语

船舶上除主机之外还有很多船用设备也会产生很大的余热，这些可以按照一定方法加以利用。在该系统中，可以在进入蒸发器之前加装一个三通阀，交替或一并向系统供热。

采用被动真空的利用太阳能和余热的真空沸腾式海水淡化系统，在大气和重力的自然作用下，通过平衡供应管路和排出管路中的静水压强和大气压力产生一个稳定的真空，且自然地保持真空，降低了制造真空的额能量。海水的预热由经过再次加热的主机缸套冷却水提供，在蒸发器中保持海水持续沸腾的热量由太阳能提供，提供给该系统的能量会大大降低。但此系统的制造工艺简单，真空易于维持，制造淡水的成本很低，该系统可以与船舶其它的设施余热相耦合，可操作的空间很大。采用此系统可一定程度上降低污染和船舶的营运成本，减少对外界的排放，减轻污染。

参考文献

[1]J.H.Tay,S.C.Low,S.Jeyaseelan.Vacuumdesalinationforwaterpurificationusingwasteheat[J].Deaslination106(1996)131-135

[2]S.AI-Kharabsheh，D.YogiGoswami.Experimentalstudyanofinnovativesolarwaterdesalinationsystemutilizingapassivevacuumtechnique[J].SolarEnergy75(2003)395-401

[3]任全水.《船舶动力装置的热力学分析》[D].哈尔滨工程大学，2012