超聲波海水淡化裝置的設(shè)計(jì)研究

洪立洋 高明宇 張建業(yè) 呂凱偉 馮蒙麗

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

當(dāng)前我國面臨著嚴(yán)峻的島嶼糾紛，而這些島嶼的淡水短缺問題嚴(yán)重制約了我駐守官兵戰(zhàn)斗力的生成，島嶼駐守官兵常常因?yàn)榈貌坏匠渥愕牡a(bǔ)給而無法對島嶼進(jìn)行全天候的戰(zhàn)備巡邏.海水淡化是解決海防士兵淡水補(bǔ)給困難的有效途徑，傳統(tǒng)的海水淡化方法主要有熱法海水淡化、冷凍法海水淡化和膜法海水淡化［1］，熱法海水淡化和冷凍法海水淡化對能源要求較高，不適用于野外作戰(zhàn)的實(shí)際；膜法海水淡化對結(jié)垢、污染、PH值和氧化劑的控制要求嚴(yán)格，不利于單兵作戰(zhàn)攜帶.本文基于超聲波霧化原理，利用Multisim和Matlab仿真軟件研究了超聲波發(fā)射器振蕩頻率與霧化水蒸氣中鹽度之間的關(guān)系，結(jié)合半導(dǎo)體冷凝技術(shù)給出了一種便攜式海水淡化裝置的設(shè)計(jì)思路.該海水淡化裝置對能源需求小，可利用太陽能供電，實(shí)現(xiàn)了在無市電情況下的正常工作，進(jìn)而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)海水淡化裝置對能源依賴性大和冷凝裝置不便捷等方面的不足.

1 超聲波海水淡化裝置設(shè)計(jì)方案

超聲波海水淡化裝置主要有太陽能供電、超聲波霧化、半導(dǎo)體冷凝3個(gè)模塊，如圖1所示.當(dāng)海水進(jìn)入到超聲波霧化模塊后，在超聲波空化作用下，海水上層表面空化為水霧，空化后的水霧在鼓風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入水蒸氣冷凝空間，該空間由半導(dǎo)體冷凝模塊控制冷凝溫度，保證空化后的水霧能夠冷凝結(jié)成水，并在集水裝置的作用下匯集.

圖1 設(shè)計(jì)方案

2 超聲波海水淡化裝置原理

2.1 太陽能供電模塊

太陽能是一種清潔無污染的能源，其分布廣泛，目前太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)很成熟，本文綜合考慮單兵作戰(zhàn)的實(shí)際情況以及整個(gè)裝置實(shí)際耗能需要，選用規(guī)格為130mm×110mm×15mm［2］，功率為10W的薄膜太陽能電池板10塊，為超聲波霧化裝置提供電能，采用折疊式的安裝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)太陽能電池板自由拆裝，便于攜帶，保證該海水淡化裝置在復(fù)雜環(huán)境下的正常工作.

2.2 超聲波霧化模塊

2.2.1 超聲波霧化淡化海水的原理

超聲霧化是強(qiáng)超聲在液體中傳播時(shí)，引起的特有的物理現(xiàn)象.高能量的超聲波在液體媒介傳遞過程中存在著正負(fù)壓強(qiáng)交變周期，當(dāng)正壓力作用時(shí)，介質(zhì)分子被擠壓，分子間距離縮短，密度加大；當(dāng)負(fù)壓力作用時(shí)，分子間被拉伸，分子間距離逐漸加大，當(dāng)負(fù)壓達(dá)到某一臨界值時(shí)能將液體“拉斷”，從而在液體中形成局部氣化或蒸氣空腔，被稱為空穴或空化泡.由于正負(fù)壓強(qiáng)交替作用，由負(fù)壓轉(zhuǎn)換為正壓的過程中，伴隨空穴的崩潰在空穴周圍將產(chǎn)生5000K的高溫，局部產(chǎn)生500個(gè)大氣壓的高壓.霧化過程中，霧化粒子的直徑D與超聲波振蕩頻率f之間存在相關(guān)性，并滿足關(guān)系式：，其中，T 為液體表面張力；ρ為液體密度；參數(shù)α＝0.34［3］.在工程應(yīng)用中霧化粒子直徑與超聲波振蕩頻率之間的關(guān)系式可近似為：，k為比例系數(shù).

參考某商家［4］提供的振蕩頻率與粒子直徑關(guān)系的部分實(shí)驗(yàn)值見表1.

表1 振蕩頻率與粒子直徑關(guān)系的部分實(shí)驗(yàn)值

表2 實(shí)驗(yàn)值、公式計(jì)算值與誤差率

由實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之間的誤差率可知，本文建立的霧化粒子直徑計(jì)算模型誤差較小，可滿足工程應(yīng)用要求.

超聲波霧化產(chǎn)生的水霧中含鹽量與水霧分子直徑相關(guān)，水霧分子直徑越小，其所含的鹽量越低，當(dāng)水霧分子直徑達(dá)到水蒸氣分子直徑時(shí)，超聲波霧化產(chǎn)生的水霧與蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣成分基本一致，從而可以達(dá)到鹽水完全分離的目的.實(shí)際應(yīng)用中霧化產(chǎn)生的粒子直徑無需達(dá)到分子級(jí)別，當(dāng)粒子直徑達(dá)到分子直徑一千倍時(shí)，霧化粒子的含鹽量就可達(dá)到飲用水含鹽量的標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的超聲波振蕩頻率約為28.8MHz.

2.2.2 超聲波霧化器電路

圖2 超聲波振蕩器發(fā)射電路

目前常用的超聲波振蕩器發(fā)射電路［5］如圖2所示，利用 Multisim軟件對該電路進(jìn)行仿真研究.該超聲波振蕩器電路中，市電經(jīng)橋式整流，C1、C2濾波后供振蕩頻器工作，L2和C4、C7所組成的并聯(lián)諧振回路決定震蕩的幅度，該電路的震蕩頻率由L1、C3決定.通過Multisim仿真得出震蕩頻率f與L1、C3滿足關(guān)系式

2.3 半導(dǎo)體冷凝模塊

2.3.1 半導(dǎo)體冷凝原理

半導(dǎo)體制冷片［6］通過改變直流電流的極性來實(shí)現(xiàn)制冷或加熱.如圖3所示，當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端.

2.3.2 半導(dǎo)體冷凝模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場上銷售的半導(dǎo)體冷凝片單片功率為15W，冷端制冷面積小，如圖4所示.冷凝片工作時(shí)，冷端溫度降到攝氏零度以下，空氣中的水蒸氣在制冷片冷端降溫后迅速結(jié)冰，由于冰層的散熱性差，影響了后續(xù)水蒸氣的凝結(jié)，大大降低了制冷片的工作效率，因此對該制冷片進(jìn)行重新設(shè)計(jì).

首先將半導(dǎo)體冷凝片冷端貼于圖5（a）中所示的容器兩側(cè)，容器中間空腔部分裝滿導(dǎo)冷液，制冷片通電后，冷端對空腔中的冷凝液進(jìn)行降溫，容器出液口連接水泵，將容器中的導(dǎo)冷液抽到圖5（b）中所示的銅管陣列中，再回流入制冷容器，形成導(dǎo)冷液在容器——銅管陣列——容器中的循環(huán)流動(dòng).超聲波霧化模塊產(chǎn)生的水霧在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，導(dǎo)入到半導(dǎo)體冷凝模塊，水霧與銅管陣列進(jìn)行充分熱交換后，降溫凝結(jié)成水滴.

3 結(jié)語

1）該海水淡化裝置采用超聲波霧化和半導(dǎo)體冷凝技術(shù)相結(jié)合，具有噪音低、便捷等優(yōu)勢，適用于海防士兵單兵作戰(zhàn)時(shí)隱蔽性高的要求.而超聲波霧化器和半導(dǎo)體冷凝片具有低能耗的優(yōu)勢，只需太陽能電池板供電就可滿足設(shè)備的能耗需求，適用于單兵作戰(zhàn)時(shí)補(bǔ)給困難的實(shí)際.折疊式的太陽能電池板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于單兵作戰(zhàn)時(shí)的攜帶.

2）由于電力電子器件制造工藝的制約，在超聲波振蕩器電路中要想達(dá)到淡化海水的振蕩頻率，對電力電子開關(guān)制造提出了較高的要求.

圖3 半導(dǎo)體制冷片工作原理

圖4 半導(dǎo)體制冷片

圖5 半導(dǎo)體冷凝模塊

［1］ 解利聽，李憑力.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及各種淡化方法評(píng)述［J］.化工進(jìn)展，2003，22（10）：1081－10 84.

［2］ 陸均.太陽能發(fā)電地面應(yīng)用的前景及發(fā)展方向［J］.新能源，1995，17（2）：9－12.

［3］ 土國輝，周兆英.壓電驅(qū)動(dòng)微噴霧粒特性的理論和實(shí)驗(yàn)分析［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23（5）.