遠(yuǎn)洋船舶用蒸餾海水淡化系統(tǒng)試驗(yàn)研究

袁越錦，趙澤穎，徐英英，熊 云

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 引言

針對(duì)中小型遠(yuǎn)洋船舶，設(shè)計(jì)了一套蒸餾海水淡化系統(tǒng)，并搭建試驗(yàn)裝置，擬通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)探究熱源水溫度、熱源水流量、進(jìn)料水流量、冷卻水流量和蒸餾器內(nèi)真空度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水率及產(chǎn)水水質(zhì)的影響，并對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和極差分析，得到系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)，為蒸餾海水淡化工藝的工況優(yōu)化和相關(guān)設(shè)備改進(jìn)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參數(shù)指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

蒸餾海水淡化系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。首先，將預(yù)處理后的原料海水泵送進(jìn)板式冷凝器，與過(guò)熱蒸汽進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)蒸汽的冷凝和原料海水的預(yù)熱。然后，被預(yù)熱的原料海水，一部分通入蒸發(fā)器，與熱源水進(jìn)行換熱（熱源水由太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生），產(chǎn)生海水蒸汽和濃鹽水：另一部分作為工作流體進(jìn)入引射器，引射換熱器內(nèi)的不凝性氣體和濃鹽水。最后，海水蒸氣經(jīng)過(guò)折流板和捕沫網(wǎng)的組合過(guò)濾，進(jìn)入冷凝器中與冷卻水（原料海水）換熱，產(chǎn)生的淡水泵送至淡水箱。

圖1 蒸餾海水淡化系統(tǒng)原理圖Fig.1 Distilled Desalination System Schematic

試驗(yàn)裝置主要由集熱器、換熱器、引射器、輔助電路及輔助管路組成，設(shè)備實(shí)物圖，如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中水流量通過(guò)閥門控制，流量大小通過(guò)數(shù)顯流量計(jì)呈現(xiàn)：TDS、pH和電導(dǎo)率分別用BTDSSCA-20 型TDS 測(cè)試筆、PHS-25 型pH 計(jì)測(cè)試筆、DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)得。試驗(yàn)材料為模擬海水，由工業(yè)鹽配制而得，含鹽量為35000ppm，TDS為54300mg/L，電導(dǎo)率為59000μs/cm。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical Object of Test Device

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 單因素試驗(yàn)

產(chǎn)水率試驗(yàn)：以熱源水溫度、熱源水流量、蒸餾器內(nèi)真空度（以下簡(jiǎn)稱真空度）、進(jìn)料水流量、冷卻水流量為試驗(yàn)因素，以系統(tǒng)產(chǎn)水率為試驗(yàn)指標(biāo)，控制一個(gè)因素變化，其余因素保持不變進(jìn)行試驗(yàn)。

產(chǎn)水水質(zhì)試驗(yàn)：以真空度為試驗(yàn)因素，以系統(tǒng)產(chǎn)水pH、電導(dǎo)率及TDS為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 正交試驗(yàn)

方法2：加熱鑒別法。取等量水樣于兩支潔凈試管中，加熱，在管壁內(nèi)留下較多水垢的水樣是硬水，水垢較少的水樣是軟水。

選取熱源水流量、真空度、冷卻水流量、進(jìn)料水鹽度作為試驗(yàn)因素，以產(chǎn)水率、TDS和pH為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用L9（34）正交表安排試驗(yàn)，重復(fù)3次，共27組，如表1所示。評(píng)價(jià)指標(biāo)換算為綜合分?jǐn)?shù)，滿分為1，由以下公式計(jì)算得到：

表1 因素水平表Tab.1 Factor Level Table

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 產(chǎn)水率單因素試驗(yàn)

3.1.1 進(jìn)料水流量與冷卻水流量對(duì)產(chǎn)水率的影響

系統(tǒng)產(chǎn)水率隨進(jìn)料水流量與冷卻水流量變化規(guī)律，如圖3所示。在其余因素不變的條件下，隨進(jìn)料水流量的增大，產(chǎn)水率先增大后減少，進(jìn)料海水流量在300L/h時(shí)產(chǎn)水率達(dá)到最大值92.7L/h。這是由于進(jìn)料水流量增加時(shí)，其流速也相應(yīng)增大，對(duì)流換熱強(qiáng)度增強(qiáng)，故海水蒸發(fā)速率增大，產(chǎn)水率增大：當(dāng)進(jìn)料水流量增大到一定值后，由于蒸餾器內(nèi)熱負(fù)荷及換熱面積的限制，其熱量不足以將蒸餾器內(nèi)的海水全部蒸發(fā)，從而使系統(tǒng)產(chǎn)水率降低。產(chǎn)水率隨冷卻水流量增加而增大，當(dāng)冷卻水流量增大到4000L/h后，產(chǎn)水率增大速率變緩。這是由于當(dāng)冷卻水流量增大時(shí)，蒸餾器內(nèi)供海水蒸汽凝結(jié)的冷量不斷增多，凝結(jié)速率增大，產(chǎn)水率增大：當(dāng)冷卻水流量增大到一定值后，冷凝器內(nèi)供蒸汽凝結(jié)的冷量接近飽和，產(chǎn)水率趨于穩(wěn)定。

圖3 進(jìn)料水流量與冷卻水流量對(duì)產(chǎn)水率的影響Fig.3 Effect of Feed Water and Cooling Water Flow on Production Rate

3.1.2 熱源水流量與熱源水溫度對(duì)產(chǎn)水率的影響

系統(tǒng)產(chǎn)水率隨熱源水流量及溫度變化的曲線，如圖4所示。由圖可得，系統(tǒng)產(chǎn)水率隨熱源水流量增大近似呈線性增大。這是由于在其余因素不變的情況下，增大熱源水流量，即增大了蒸餾器的最大熱負(fù)荷，所以單位質(zhì)量的海水吸熱量增大，海水的蒸發(fā)速率增大，故產(chǎn)水率增大。產(chǎn)水率隨熱源水溫度的升高而增大，當(dāng)溫度超過(guò)72℃后，增速趨緩。這是由于熱源水溫度較低時(shí)，單位質(zhì)量海水的吸熱量也相應(yīng)較少，則海水蒸發(fā)速率較小，表現(xiàn)為產(chǎn)水率較?。寒?dāng)熱源水溫度逐漸增大，板式蒸發(fā)器的冷水側(cè)與熱水側(cè)傳熱溫差較大，強(qiáng)化了換熱強(qiáng)度，加快了海水蒸發(fā)的速率，當(dāng)熱源水溫度增大到一定程度之后，蒸發(fā)過(guò)程逼近飽和狀態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)水率的增速變緩。

圖4 熱源水溫度及熱源水流量對(duì)產(chǎn)水率的影響Fig.4 Effect of Heat Water Temperature and Flow on Water Production Rate

3.1.3 真空度對(duì)產(chǎn)水率的影響

系統(tǒng)產(chǎn)水率隨真空度的變化規(guī)律，如圖5所示。由圖可知，隨著真空度的增大，產(chǎn)水率逐漸增大，真空度超過(guò)88kPa后增速有所減緩。這是由于在其余因素不變的條件下，蒸發(fā)器內(nèi)真空度較低，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度較大，即海水的蒸發(fā)溫度較大，蒸發(fā)同樣多的海水，所需要熱量更多，而蒸餾器內(nèi)熱負(fù)荷是一定的，所以海水蒸發(fā)速率相對(duì)較慢，產(chǎn)水率較低：隨著真空度逐漸增大，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度變低，海水蒸發(fā)速率變快，產(chǎn)水率越大。當(dāng)真空度增大到一定值后，蒸發(fā)器的熱負(fù)荷近乎足夠蒸發(fā)全部海水，故系統(tǒng)產(chǎn)水率增速減緩。

圖5 真空度對(duì)產(chǎn)水率的影響Fig.5 Effect of Vacuum on Water Production Rate

3.1.4 產(chǎn)水水質(zhì)單因素試驗(yàn)

淡化水電導(dǎo)率、pH 及TDS 隨真空度的變化曲線，如圖6 所示。淡化水電導(dǎo)率隨真空度的增大而減少，這是由于水的電導(dǎo)率與其所含的可溶性離子有關(guān)，可溶性離子含量越高，電導(dǎo)率越大，隨著真空度的增大，蒸餾器內(nèi)進(jìn)料水對(duì)應(yīng)的飽和溫度降低，可溶性離子的溶解度減小，海水蒸汽中的可溶性離子含量減少，固出產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率降低：淡化水pH在（6.3～6.4）間波動(dòng)，較為穩(wěn)定，這是由于pH值的大小僅與水中氫離子的濃度有關(guān)，而真空度對(duì)水的電離平衡影響不大，所以淡化水pH值受真空度的影響較小：淡化水的TDS隨真空度增大而下降，真空度大于87kPa之后，下降速度變緩，這是由于隨著真空度的增大，海水的蒸發(fā)溫度降低，可溶性固體不易被蒸發(fā)出來(lái)，從而使淡化水TDS減小，當(dāng)真空度增大到一定值后，海水的蒸發(fā)溫度減小幅度變小，能被蒸發(fā)出來(lái)的可溶性固體量基本不變淡化水TDS也就趨于穩(wěn)定。

圖6 真空度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水pH值和電導(dǎo)率的影響Fig.6 Effect of Vacuum on pH and Conductivity of Fresh Water

3.2 正交試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

蒸餾海水淡化裝置的正交試驗(yàn)方案及極差分析，如表2 所示。運(yùn)用SPSS[15]軟件對(duì)綜合得分進(jìn)行極差分析后可知，各試驗(yàn)因素對(duì)海水淡化裝置性能影響的主次順序?yàn)锳、D、C、B：優(yōu)方案為A3D1C3B3，即綜合指標(biāo)下最佳的工藝參數(shù)為熱源水流量5500L/h，真空度86kPa，冷卻水流量4500 L/h，進(jìn)料水鹽度45ppt。

表2 正交試驗(yàn)極差分析表Tab.2 Orthogonal Test Range Analysis

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，產(chǎn)水率方差分析結(jié)果、TDS方差分析結(jié)果、pH方差分析結(jié)果，如表3～表5所示。

表3 系統(tǒng)產(chǎn)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

據(jù)表3分析可知，對(duì)于產(chǎn)水率，因素A，F(xiàn)A=12.40，因素B，F(xiàn)B=0.65，因素C，F(xiàn)C=10.21，因素D，F(xiàn)D=0.31，而F0.05（2，18）=3.55，F(xiàn)0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），說(shuō)明熱源水流量對(duì)產(chǎn)水率的影響最大：FC大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），說(shuō)明冷卻水流量對(duì)產(chǎn)水率的影響程度為“顯著”，僅次于熱源水流量：FB和FD均小于F0.05（2，18），說(shuō)明真空度和進(jìn)料水鹽度對(duì)產(chǎn)水率無(wú)明顯影響。

據(jù)表4 分析可知，對(duì)于TDS，因素A，F(xiàn)A=0.29，因素B，F(xiàn)B=5.68，因素C，F(xiàn)C=0.29，因素D，F(xiàn)D=3.73，而F0.05（2，18）=3.55，F(xiàn)0.01（2，18）=6.01。FB和FD均大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），說(shuō)明真空度與進(jìn)料水鹽度對(duì)出產(chǎn)淡水的TDS影響程度均為“顯著”，而FB大于FD，說(shuō)明真空度的影響略大于進(jìn)料水鹽度：FA和FC均小于F0.05（2，18），說(shuō)明熱源水流量和冷卻水流量對(duì)出產(chǎn)淡水TDS無(wú)明顯影響。

據(jù)表5 分析可知，對(duì)于產(chǎn)水率，因素A，F(xiàn)A=0.5，因素B，F(xiàn)B=0.07，因素C，F(xiàn)C=0.07，因素D，F(xiàn)D=6.50，而F0.05（2，18）=3.55，F(xiàn)0.01（2，18）=6.01。FA大于F0.01（2，18），說(shuō)明進(jìn)料水鹽度對(duì)出產(chǎn)淡水pH的影響為“高度顯著”：FB、FC和FD均小于F0.05（2，18），說(shuō)明熱源水流量、真空度和冷卻水流量對(duì)出產(chǎn)淡水pH無(wú)明顯影響。

4 結(jié)論

（1）隨著熱源水溫度、熱源水流量、真空度、進(jìn)料水流量、冷卻水流量的增大，系統(tǒng)產(chǎn)水率呈上升趨勢(shì)，但上升到一定程度后，上升速率減緩，進(jìn)料水流量增大到一定程度后，產(chǎn)水率甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（2）隨著真空度的增大，系統(tǒng)產(chǎn)水pH值變化不大，維持在6.4左右，電導(dǎo)率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，系統(tǒng)產(chǎn)水的TDS減小并逐漸趨向穩(wěn)定。

（3）系統(tǒng)最佳工況條件為熱源水流量5500L/h，真空度86kPa，冷卻水流量4500 L/h，進(jìn)料水鹽度45ppt。

（4）根據(jù)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析可知，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水率影響最大的因素為熱源水流量，對(duì)出產(chǎn)淡水TDS影響最大的因素是真空度，對(duì)出產(chǎn)淡水pH影響最大的是進(jìn)料水鹽度。