郭杰杰，王智伟，张 超，李蒙蒙，付文成*

（天津理工大学a.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，b.机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384）

目前，淡水资源缺乏在世界范围内已是不争的事实，也是制约社会发展的主要瓶颈之一，海水淡化是解决淡水资源缺乏的重要途径[1]。但是常规的海水淡化方法会产生一系列的问题。其中最突出的就是能源的消耗、温室效应以及空气污染等问题，因此，寻求用丰富而清洁的太阳能来进行海水淡化必将受到青睐[2]。

常用的海水淡化方法有多级闪蒸法、反渗透法、离子交换法[3]等。其中，多级闪蒸海水淡化法由于其出水质量好，技术成熟等优点，使得该法在海水淡化领域处于领先地位[4]。太阳能中低温集热技术，已经成为我国太阳能利用的普及技术，集热温度可以很轻松达到150℃，非常适合用于海水淡化[5]。本文所设计的基于涡流管的风光互补2级闪蒸海水淡化系统，将风能和太阳能进行联合应用，通过涡流管实现风能向热能的转换利用，用清洁、经济的太阳能和风能代替了化石能源，降低了产水成本。

1 基于涡流管的风光互补2级闪蒸海水淡化系统技术原理

海水箱流出的原始海水经水泵输送至浓盐水箱进行初步预热，随后流入换热器，太阳能真空集热器对其内的循环水进行加热，水泵提供动力使循环水循环，海水经由换热器与循环水完成换热，完成换热的海水被送入1级闪蒸器，真空泵为1级和2级闪蒸器提供真空环境，风力压气机所产生的高压空气由高压空气入口进入涡流管内，涡流管热源端产生热空气加热1级闪蒸器中的热海水，未完成1次闪蒸的海水进入2级闪蒸器，未完成2级闪蒸的海水进入浓盐水箱，由2级闪蒸装置产生的水蒸气进入冷凝器，涡流管冷端产生的冷气流经冷凝器对水蒸气进行冷凝，水蒸气液化成水后由冷凝器出口流入淡水箱，其系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

2 基本参数的设计与选定

设计1级闪蒸器、2级闪蒸器和浓盐水箱的水箱底面直径0.20 m，高0.15 m，体积约4.70 L。

设计海水的入口温度为t1=20℃，质量流量为M=0.04 kg/s。一般而言，用太阳能集热器将海水加热到80℃非常容易实现，但如果加热到100℃以上，需要选用高性能集热器或者增加集热面积，即增加了装置成本[6]，所以设计1级闪蒸器入口海水温度为t2=80℃。考虑到真空泵的实际运行效果，设计1级和2级闪蒸器的真空度为0.80，此时对应的饱和温度为60℃，即设计2级闪蒸器出口温度为t3=60℃，考虑到1级闪蒸器内有涡流管热端加热盘管，故取1级闪蒸器出口温度为t4=72℃，查得不锈钢管的导热系数为13 W/（m·℃）。

选取不锈钢盘管规格为Φ20×1，d=20 mm，内径d1=20-2×1=18（mm），管子截面积A为πd12/4，设计浓盐水箱和1级闪蒸器的不锈钢盘管长度L均为2.50 m，盘管对应的换热面积为F=πdL。

市面上常见的涡流管进气流量为0.12至1.12 m3/s，热端温度可达120℃，故设计涡流管热气流出口端的温度为t5=100℃，流量为V=0.20 m3/min。

3 各部件设计工况下的运行参数

3.1 浓盐水箱的设计运行参数

在本计算中，取海水进出口温度的算术平均值作为定性温度，由于盘管出口温度未知，所以盘管内海水的定性温度无法确定，故本计算需要先假设盘管出口温度进行迭代计算，浓盐水箱处迭代计算过程框图如图2所示。

图2 浓盐水箱处迭代计算过程框图Fig.2 Block diagram of iterative calculation process at the concentrated salt water tank

假设浓盐水箱盘管出口温度t6为40℃，即海水的定性温度为30℃，查取定性温度下的物性参数，计算管内流速：u=V/A，雷诺数：Re=μl/v。

管内对流换热准则关系式[7]为：

圆管层流：

湍流：

式中，流体被加热时，n=0.40；流体被冷却时，n=0.30。

过渡流：

选取准则关系式，求得换热系数h=809.041 W/（m·2K）。

将浓盐水箱中的浓盐水视作静止的，即可忽略盘管外壁与浓盐水箱内的对流热阻。盘管内壁与海水间的对流热阻为：

盘管壁的导热热阻[8]为：

能量方程式为：

式中，cp为海水定性温度下的比热容，kJ/（kg·K）；Δt1为传热温差：Δt1=t3-（t1+t6）/2，K；Δts为海水温升：Δts=t6-t1，K。

由以上各式求得t6=41℃，计算的海水出口温度与假设的海水出口温度相差不大，在1℃的允许误差范围内，可近似认为海水在浓盐水箱盘管的出口温度t6为41℃。

3.2 太阳能集热器的运行参数

海水在换热器的进口温度t6为41℃，出口温度t1为80℃，Δt=t1-t6，其定性温度为60.5℃，此时，cp=4.179 kJ/（kg·K）。

能量方程式为：

即太阳能集热器在理想无损耗情况下的运行功率应为6.686 4 kW。

3.3 1级闪蒸器的运行参数

在本计算中，取热气流进出口温度的算术平均值作为定性温度，由于盘管出口温度未知，所以盘管内热气流的定性温度无法确定，故本计算需要先假设盘管出口温度进行迭代计算，1级闪蒸器处迭代计算框图如图3所示。

图3 1级闪蒸器处迭代计算框图Fig.3 The iterative calculation block diagram at the first stage flash evaporator

假设热气流的出口端温度t7为80℃，即热气流的定性温度为90℃，查取定性温度下热气流的物性参数，计算管内流速：u=V/A，雷诺数：Re=μl/v。选取上述准则关系式求得换热系数h=156.508 W/（m2·K）。

将1级闪蒸器中的海水视作静止的，即可忽略盘管外壁与1级闪蒸器内海水的对流热阻。

盘管内壁与热气流间的对流热阻为：

盘管壁的导热热阻为：

能量平衡方程式为：

式中，cp′为定性温度下涡流管热气流的比热容，kJ/（kg·K）；M′为涡流管热气流的质量流量kg/s；Δt2为传热温差，Δt2=（t5+t7）/2-（t2+t4），K；Δt′为涡流管热气流温降，Δt′=t5-t7，K。

以上各式解得t7=73.5℃，与假设的80℃相差较大，故进行第二次迭代计算，假定热气流出口端温度为74℃，由相同计算步骤得t7=73.5℃，两次迭代计算的结果相同，即涡流管热气流在1级闪蒸器盘管出口处的温度为73.5℃。

4 淡水产量

4.1 1级闪蒸器在设计工况下的淡水产量

1级闪蒸器的真空度为0.80，此时的饱和温度为60℃，对应的汽化潜热r1=2 357.6 kJ/kg。

能量方程式为：

式中，cp′为定性温度下涡流管热气流的比热容，kJ/（kg·K）；M′为涡流管热气流的质量流量，kg/s；Δt′为涡流管热气流温降：Δt′=t5-t7，K；cp3为1级闪蒸器内海水定性温度下的比热容，kJ/（kg·K）；M为海水的质量流量，kg/s；Δt3为1级闪蒸器内海水的温降，Δt3=t2-t4，K；D1为1级闪蒸器的淡水产量，kg/s。

由式（11）解得D1=0.68×10-3kg/s=2.448 kg/h。

4.2 2级闪蒸器在设计工况下的淡水产量

2级闪蒸器的真空度为0.80，此时的饱和温度为60℃，对应的汽化潜热r1=2 357.6 kJ/kg。

能量方程式为：

式中，cp4为2级闪蒸器内海水定性温度下的比热容，kJ/（kg·K）；M为海水的质量流量，kg/s；Δt4为2级闪蒸器内海水的温降Δt4=t4-t3，K；D2为2级闪蒸器的淡水产量，kg/s。

由式（12）解得D2=8.347 7×10-4kg/s=3 kg/h。

5 结论

本文对基于涡流管的风光互补2级闪蒸小型模拟海水淡化系统进行了设计计算，设计工况为海水进口温度20℃、进口流量0.04 kg/s，考虑到真空泵的运行效率，确定了各级闪蒸器的真空度和出口温度，并对涡流管出口流量温度和盘管管径等基本参数进行了选定。通过传热计算，得出了海水预热后的温度和海水在1级闪蒸器的出口温度等关键参数，初步确定了太阳能集热器和涡流管等模拟部件的基本参数，根据得到的关键参数，计算得出1级闪蒸器的淡水产率为2.448 kg/h，2级闪蒸器的淡水产率为3.000 kg/h，为后期的模拟实验做了比较好的铺垫准备。