袁越錦，趙澤穎，徐英英，熊 云

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

1 引言

針對中小型遠洋船舶，設計了一套蒸餾海水淡化系統(tǒng)，并搭建試驗裝置，擬通過單因素試驗和正交試驗探究熱源水溫度、熱源水流量、進料水流量、冷卻水流量和蒸餾器內真空度對系統(tǒng)產水率及產水水質的影響，并對正交試驗結果進行方差分析和極差分析，得到系統(tǒng)運行最優(yōu)參數(shù)，為蒸餾海水淡化工藝的工況優(yōu)化和相關設備改進提供了試驗數(shù)據(jù)支持和技術參數(shù)指導。

2 試驗設備與方法

2.1 試驗設備與材料

蒸餾海水淡化系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。首先，將預處理后的原料海水泵送進板式冷凝器，與過熱蒸汽進行換熱，實現(xiàn)蒸汽的冷凝和原料海水的預熱。然后，被預熱的原料海水，一部分通入蒸發(fā)器，與熱源水進行換熱（熱源水由太陽能集熱器產生），產生海水蒸汽和濃鹽水：另一部分作為工作流體進入引射器，引射換熱器內的不凝性氣體和濃鹽水。最后，海水蒸氣經過折流板和捕沫網的組合過濾，進入冷凝器中與冷卻水（原料海水）換熱，產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，設備實物圖，如圖2所示。試驗過程中水流量通過閥門控制，流量大小通過數(shù)顯流量計呈現(xiàn)：TDS、pH和電導率分別用BTDSSCA-20 型TDS 測試筆、PHS-25 型pH 計測試筆、DDS-307型電導率儀測得。試驗材料為模擬海水，由工業(yè)鹽配制而得，含鹽量為35000ppm，TDS為54300mg/L，電導率為59000μs/cm。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Physical Object of Test Device

2.2 試驗方法

2.2.1 單因素試驗

產水率試驗：以熱源水溫度、熱源水流量、蒸餾器內真空度（以下簡稱真空度）、進料水流量、冷卻水流量為試驗因素，以系統(tǒng)產水率為試驗指標，控制一個因素變化，其余因素保持不變進行試驗。

產水水質試驗：以真空度為試驗因素，以系統(tǒng)產水pH、電導率及TDS為指標進行試驗。

2.2.2 正交試驗

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、進料水鹽度作為試驗因素，以產水率、TDS和pH為評價指標，用L9（34）正交表安排試驗，重復3次，共27組，如表1所示。評價指標換算為綜合分數(shù)，滿分為1，由以下公式計算得到：

表1 因素水平表Tab.1 Factor Level Table

3 試驗結果及分析

3.1 產水率單因素試驗

3.1.1 進料水流量與冷卻水流量對產水率的影響

系統(tǒng)產水率隨進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，隨進料水流量的增大，產水率先增大后減少，進料海水流量在300L/h時產水率達到最大值92.7L/h。這是由于進料水流量增加時，其流速也相應增大，對流換熱強度增強，故海水蒸發(fā)速率增大，產水率增大：當進料水流量增大到一定值后，由于蒸餾器內熱負荷及換熱面積的限制，其熱量不足以將蒸餾器內的海水全部蒸發(fā)，從而使系統(tǒng)產水率降低。產水率隨冷卻水流量增加而增大，當冷卻水流量增大到4000L/h后，產水率增大速率變緩。這是由于當冷卻水流量增大時，蒸餾器內供海水蒸汽凝結的冷量不斷增多，凝結速率增大，產水率增大：當冷卻水流量增大到一定值后，冷凝器內供蒸汽凝結的冷量接近飽和，產水率趨于穩(wěn)定。

圖3 進料水流量與冷卻水流量對產水率的影響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產水率的影響

系統(tǒng)產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荷，所以單位質量的海水吸熱量增大，海水的蒸發(fā)速率增大，故產水率增大。產水率隨熱源水溫度的升高而增大，當溫度超過72℃后，增速趨緩。這是由于熱源水溫度較低時，單位質量海水的吸熱量也相應較少，則海水蒸發(fā)速率較小，表現(xiàn)為產水率較?。寒敓嵩此疁囟戎饾u增大，板式蒸發(fā)器的冷水側與熱水側傳熱溫差較大，強化了換熱強度，加快了海水蒸發(fā)的速率，當熱源水溫度增大到一定程度之后，蒸發(fā)過程逼近飽和狀態(tài)，系統(tǒng)產水率的增速變緩。

圖4 熱源水溫度及熱源水流量對產水率的影響Fig.4 Effect of Heat Water Temperature and Flow on Water Production Rate

3.1.3 真空度對產水率的影響

系統(tǒng)產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，產水率逐漸增大，真空度超過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)器內真空度較低，對應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，而蒸餾器內熱負荷是一定的，所以海水蒸發(fā)速率相對較慢，產水率較低：隨著真空度逐漸增大，對應的飽和蒸汽溫度變低，海水蒸發(fā)速率變快，產水率越大。當真空度增大到一定值后，蒸發(fā)器的熱負荷近乎足夠蒸發(fā)全部海水，故系統(tǒng)產水率增速減緩。

圖5 真空度對產水率的影響Fig.5 Effect of Vacuum on Water Production Rate

3.1.4 產水水質單因素試驗

淡化水電導率、pH 及TDS 隨真空度的變化曲線，如圖6 所示。淡化水電導率隨真空度的增大而減少，這是由于水的電導率與其所含的可溶性離子有關，可溶性離子含量越高，電導率越大，隨著真空度的增大，蒸餾器內進料水對應的飽和溫度降低，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，固出產淡水的電導率降低：淡化水pH在（6.3～6.4）間波動，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，而真空度對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?。旱腡DS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，從而使淡化水TDS減小，當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 真空度對系統(tǒng)產水pH值和電導率的影響Fig.6 Effect of Vacuum on pH and Conductivity of Fresh Water

3.2 正交試驗

3.2.1 試驗結果的極差分析

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

表2 正交試驗極差分析表Tab.2 Orthogonal Test Range Analysis

3.2.2 試驗結果的方差分析

運用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，產水率方差分析結果、TDS方差分析結果、pH方差分析結果，如表3～表5所示。

表3 系統(tǒng)產水率方差分析表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，對于產水率，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），說明熱源水流量對產水率的影響最大：FC大于F0.05（2，18）而小于F0.01（2，18），說明冷卻水流量對產水率的影響程度為“顯著”，僅次于熱源水流量：FB和FD均小于F0.05（2，18），說明真空度和進料水鹽度對產水率無明顯影響。

據(jù)表4 分析可知，對于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），說明真空度與進料水鹽度對出產淡水的TDS影響程度均為“顯著”，而FB大于FD，說明真空度的影響略大于進料水鹽度：FA和FC均小于F0.05（2，18），說明熱源水流量和冷卻水流量對出產淡水TDS無明顯影響。

據(jù)表5 分析可知，對于產水率，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），說明進料水鹽度對出產淡水pH的影響為“高度顯著”：FB、FC和FD均小于F0.05（2，18），說明熱源水流量、真空度和冷卻水流量對出產淡水pH無明顯影響。

4 結論

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

（2）隨著真空度的增大，系統(tǒng)產水pH值變化不大，維持在6.4左右，電導率呈現(xiàn)減小趨勢，系統(tǒng)產水的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，進料水鹽度45ppt。

（4）根據(jù)對正交試驗結果的方差分析可知，對系統(tǒng)產水率影響最大的因素為熱源水流量，對出產淡水TDS影響最大的因素是真空度，對出產淡水pH影響最大的是進料水鹽度。