太阳能海水淡化在船舶上的应用研究

[摘要]该文针对船舶的实际情况研究了一种实施性较强的太阳能海水淡化的方法—直热式海水淡化，该装置包括海水提取装置，真空管太阳能热水器、热水箱、闪蒸室、蒸发冷凝器、真空泵、冷凝器、循环水泵、淡水箱以及将它们连接的管路。通过对直热式海水淡化装置的运用条件和船舶的运行条件的结合提出了该装置实施的可行性。

关键词： 太阳能；海水淡化；蒸馏法

中图分类号：TK511文献标识码： A

淡水在船舶航行中是必不可少的，机器的正常运转，船员的正常生活都离不开淡水的使用。而在茫茫大海中的获取淡水却是一个必须要解决的问题，所以远洋船只必须配有海水淡化装置淡化。通常情况下，海水淡化装置非常的昂贵而且得到淡水的话还要消耗大量的能源，而且很多的海水淡化装置还会去产生要害物质。现实中的淡化废水不是简单的毒性叠加，而是一个毒药的“满汉全席”。通过复杂的机理，盐度、碱度、高温和化学属性很有可能相互增强。然而我们对这些潜在的复合毒性还知之甚少，需要更多相关的研究来揭示其中的奥秘。另一方面，海边生态环境对淡化废水的排放也有很大影响。例如，海底的海草、水藻和珊瑚礁都能降低海水的流动和海底沉淀物的迁移，从而把废水排放问题转换为局部环境的灾难。因此，淡化废水排放口的位置应该尽量躲开这种海底动植物茂密的地方。

1直热式（多级蒸馏）太阳能海水淡化技术及其在船上的应用研究

直热式太阳能海水淡化装置的特征在于海水提取装置通过管路将海水直接送入太阳能热水器，被加热的海水再经管路通过存储热水箱后进入闪蒸室、蒸发冷凝器并最终连接冷凝器，冷凝出淡水储存到淡水罐，未被蒸发的浓海水储存到浓海水罐。本实用新型和现有技术相比：具有海水直接进入真空管太阳能热水器，太阳能直接加热海水，且把闪蒸与低温多效相结合的特点，产生淡水，本实用新型减少一台换热器，并使第一级的闪蒸温度提高３－５℃。本装置可以提高12％热效

1.1 船舶运行过程中对太阳能海水淡化装置影响

（1）海水中存在大量的微生物、细菌和藻类。海水中细菌、藻类的繁殖和微生物的生长不仅会给取水设施带来许多麻烦，而且会直接影响海水淡化设备及工艺管道的正常运转。

（2）风浪、潮汐作用使海水中混杂大量泥沙，浊度变化大，易造成海水预处理系统运转不稳定。

（3）海水具有较大的腐蚀性，海水预处理系统设备要考虑腐蚀性。

1.2 直热式海水淡水装置的工作原理

海水淡化的根本问题在于将海水中的盐分和杂质分离出去。蒸馏淡化的过程其实就是水蒸气形成的过程，其原理如同海水受热形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。目前，船舶上大多都使用系统的蒸发造水装置，其制水的基本过程是：首先将海水加热使之蒸发汽化，然后再使所得蒸汽重新凝结，从而形成含盐量很少的淡水。因为，盐分有几乎不溶于低压蒸汽的这一固有性质，所以，通过汽化能达到淡化海水的目的。其工作原理见图1。

海水首先进入冷凝器中预热、脱气，而后被分成两股物流。一股作为冷却水排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料。进料海水加入阻垢剂后被引入到蒸发器的后几级中。

料液经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上，然后沿顶排管以薄膜形式向下流动，部分水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而蒸发。二次蒸汽在下一级中冷凝成产品水，剩余料液由泵输送到蒸发器的下一个级组中，该组的操作温度比上一组略高，在新的级组中重复喷淋、蒸发、冷凝过程。剩余的料液由泵往高温组输送，最后在温度最高的级组中以浓缩液的形式离开装置。

蒸汽被输入到第一效的蒸发管内并在管内冷凝，管外海水产生与冷凝量基本等量的一次蒸汽。由于第二效的操作压力要低于第一级，二次蒸汽在经过汽液分离器后，进入下一级传热管。蒸发、冷凝过程在各级重复，每级均产生基本等量的蒸馏水，最后一级的蒸汽在冷凝器中被海水冷凝。

图1直热式太阳能海水淡化装置系统图

第一效的冷凝液返回蒸汽发生器，其余级的冷凝液进入产品水罐，各级产品水罐相连。由于各级压力不同使产品水闪蒸，并将热量带回蒸发器。这样，产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却，回收的热量可提高系统的总效率。被冷却的产品水由产品水泵输送到产品水储罐。这样生产出来的产品水是平均含盐量小5mg/L 的纯水。

浓盐水从第一级呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，过热的浓盐水被闪蒸以回收其热量。经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经过浓盐水泵排回大海。不凝气在冷凝器中富集，由真空泵抽出。

采用真空泵一方面是为了能够使用低温加热工质，有效地利用船舶动力装置的废热，当真空度为93％（绝对压力为6.86kPa）时，海水的沸点相应为38.66℃，这样就能利用原来无法利用的温度仅为60℃～75℃的柴油机缸套冷却水作为加热工质，以提高动力装置的经济性，另一方面是为了减少海水在蒸发器加热管中的结垢。

蒸汽动力装置的船舶以蒸汽作为制水装置的加热工质，为了节省蒸汽的耗量，提高装置的产水比，即淡水产量与热蒸汽耗量之比，需要采用多效蒸发造水装置，就是将两个以上的单级装置串联起来，多效蒸发把第一级蒸发器产生的二次蒸汽作为压力较低的第二级蒸发器的热源。此时，下一级的工作压力一定要低于上一级，并成为上一级的冷凝器。通常单效蒸发装置每耗1kg加热蒸汽约造淡水0.92kg，而双效装置可获得1.75kg淡水，这样多效蒸发造水显然是很经济的。

1.3造水装置真空度建立

淡水装置中要建立起必要的真空度，当蒸发器所产生的二次蒸发不断地进入冷凝器，经冷却和凝结之后产生的凝结水也是不断地被抽出，所以在稳定工作条件下，由于蒸发凝结，冷凝器中的压力大大降低，从而造成一定的真空度。冷凝器中的蒸汽压力取决于蒸汽的凝结温度。流过冷凝器的冷却水温越低，蒸汽的凝结温度也越低。如冷却蒸汽的海水温度为20℃，并略去冷却面的传热温差不计，那么，蒸汽的最低凝结温度就可能达到20℃。根据水蒸气的性质，其对应的饱和压力为2.3kPa（绝对），亦即冷凝器中的压力达到2.3kPa这样低的数值。由于蒸发器和冷凝器是相互连通的，所以整个蒸发冷凝器组中就能保持比大气压（101.3kPa（绝对））低得多的真空度。由此可见，只要向冷凝器不断供应足够的低温冷却水，使进入冷凝器的二次蒸汽能够及时凝结，并不断地抽出蒸汽的凝结水，也就可以建立起稳定的真空度。

2结论

根据用户要求及海水性质，有关基本原始经济技术数据如下：系统淡水产量=2555*10kg/a，海水排放温度为30℃，原料海水比热cp,in=3.9kJ·℃/kg盐度35，原料海水成本取值为1.2￥/kJ，冷凝器冷却水为原料海水；设计温度Tin=70℃；蒸发器级数n=6；环境温度为25℃；环境压力为0.1MPa；原料海水温度为10℃；淡水的NaCl质量浓度为50 mg／L。非能量费用见表1．循环泵、真空泵、排水泵、海水泵的非能量费用分别计入太阳能集热系统、闪蒸室、蒸发器、冷凝器的设备直接投资中，经计算机编程计算得到表2的优化结果。

表1各子系统的非能量费用

参考文献

[1]吴彬. 海水淡化产业发展实务全书. 青海科技电子出版社.1999年

[2] 罗运俊，李元哲，赵承龙主编．太阳热水器原理制造与施工化工工业出版社.1998年

[3] 中国太阳能利用协会主编．新编太阳能产品设计与太阳能利用．中国科技文化出版社2000年