繆紅建 侯如山

（1.江蘇南通申通機(jī)械有限公司 南通226006；2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 南通226019）

引 言

淡水，無論對(duì)于工作在遼闊海洋上的船舶動(dòng)力系統(tǒng)，還是船上工作人員的生活，都是極為珍貴的消耗性物資［1］。近些年來，隨著海洋資源開采的逐漸深入以及遠(yuǎn)洋船舶的不斷發(fā)展，僅靠從陸地上攜帶運(yùn)輸?shù)Y源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足船舶發(fā)展的需要，因此研究一種便攜式海水淡化裝置對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶極其重要，將直接影響到船的工作能力和船員的居住性。

目前的海水淡化方法主要有蒸餾法、膜分離法、冷凍法等［2］。由于蒸餾法海水進(jìn)水不需要預(yù)處理，產(chǎn)水水質(zhì)高、維修保養(yǎng)方便、可以利用船舶余熱作為熱源等一系列特點(diǎn)，在中小型船舶中被廣泛使用。蒸餾法板式造水機(jī)也因?yàn)閾Q熱效率高、體積相對(duì)較小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而成為主流產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外對(duì)于蒸餾法海水淡化裝置的研究從未間斷，如文獻(xiàn)［3］通過對(duì)不同蒸發(fā)溫度、廢熱水溫度、進(jìn)料海水溫度對(duì)造水成本等的計(jì)算分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)要重點(diǎn)考慮降低海水蒸發(fā)溫度，提高廢熱源溫度等因素；文獻(xiàn)［4-7］以柴油機(jī)余熱或太陽能作為驅(qū)動(dòng)力，建立了海水淡化系統(tǒng)熱力和傳熱模型，同時(shí)設(shè)計(jì)搭建了一體化海水淡化裝置，進(jìn)一步分析了淡水產(chǎn)量與熱負(fù)荷之間的影響關(guān)系；文獻(xiàn)［8］在蒸餾器底板添加石蠟作為相變材料對(duì)海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)效率、產(chǎn)水速率和水質(zhì)得到提升等。上述研究多是從海水淡化熱力學(xué)過程參數(shù)之間的相互影響入手，以提高產(chǎn)水率、水質(zhì)為目的進(jìn)行的。目前廣泛使用的板式蒸餾造水機(jī)主體結(jié)構(gòu)是在一密閉空間中完成海水蒸發(fā)、分離和冷凝的整個(gè)過程，其中蒸發(fā)、冷凝分別由兩組不同的換熱板片完成。對(duì)有限的船舶空間來說，其體積仍顯較大，且生產(chǎn)成本較高。針對(duì)這一問題，本文從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，通過優(yōu)化板片結(jié)構(gòu)和合理設(shè)計(jì)流道，提出了一種新型船用海水淡化裝置，將海水淡化過程中的蒸發(fā)、分離和冷凝集成在一組換熱板片內(nèi)完成，摒棄了原有裝置的銅制外殼，明顯縮減體積，降低生產(chǎn)成本。

1 新型船用海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 分離式造水機(jī)簡(jiǎn)介

前已述及，目前國(guó)內(nèi)船舶市場(chǎng)主流的蒸餾法板式造水機(jī)其海水蒸發(fā)、冷凝過程分別由兩組不同的板片完成（如圖1所示），我們稱這種結(jié)構(gòu)的造水機(jī)為分離式造水機(jī)。

圖1 分離式造水機(jī)原理圖

與管殼式造水機(jī)相比，分離式造水機(jī)體積小、效率高、能耗低、拆卸清洗方便，因而得到廣泛應(yīng)用。由于海水的蒸發(fā)與冷凝需要在一個(gè)密閉空間內(nèi)完成，因此這類造水機(jī)往往需要一個(gè)銅質(zhì)或不銹鋼外殼，即造成裝置體積相對(duì)較大且生產(chǎn)成本提高等問題。而對(duì)于空間有限的船舶來說，縮小空間體積、降低生產(chǎn)成本是最為迫切的需求。

針對(duì)以上情況，本文提出一種新型船用海水淡化裝置。通過板片結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流道合理設(shè)計(jì)，使海水淡化過程中的蒸發(fā)、分離、冷凝可以集中在同一組板片內(nèi)進(jìn)行，板片與板片之間通過壓緊板、密封膠墊、螺釘?shù)攘悴考?，即可形成海水淡化所需的密閉空間而無需龐大的外殼，大大縮減了設(shè)備的空間體積與成本，且更便于安裝與維護(hù)。

1.2 新型船用海水淡化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型船用海水淡化裝置的總體結(jié)構(gòu)由整體支架、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、導(dǎo)桿、底部支撐架、換熱板片、流體管道等組成，如圖2所示。

圖2 新型船用海水淡化裝置整體結(jié)構(gòu)

本裝置在結(jié)構(gòu)上采用普通的三足框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性較好?；顒?dòng)壓緊板的作用是壓緊各板片以形成密閉空間。在板片安裝完成后通過擰緊螺母將換熱板片沿導(dǎo)桿壓實(shí)鎖緊，板片與板片之間設(shè)有密封膠墊。導(dǎo)桿的作用是支撐板片，并在板片安裝時(shí)起到導(dǎo)向作用，防止安裝過程中出現(xiàn)板片錯(cuò)位。底部支撐架的作用是增加機(jī)器的支承剛性，防止結(jié)構(gòu)過重而導(dǎo)致整體變形，同時(shí)對(duì)板片也起到支撐作用，防止換熱板片安裝過多出現(xiàn)導(dǎo)桿一端彎曲下垂、流體泄漏等問題。

板片主要由起始板、A板、B板以及終止板等組成。排列順序?yàn)閮啥藶槠鹗及搴徒K止板，中間A板與B板交替排列。其中A、B板片結(jié)構(gòu)見圖3，其傳熱部分為人字板波紋，邊緣為不同形式的密封膠墊（圖中粗黑線部分），在壓緊后膠墊隔離海水淡化所需的蒸發(fā)區(qū)域、分離區(qū)域和冷凝區(qū)域。

圖3 A、B板片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖中粗黑線為密封圈）

圖2中流體管道安裝于裝置前側(cè)，主要由管道、鹽度計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)等組成，管道與機(jī)器之間通過法蘭螺栓連接固定。其中管道包括缸套水進(jìn)出口管道、冷海水進(jìn)出口管道、蒸汽管道、淡水管道以及蒸發(fā)海水入口管道等，各流體經(jīng)過管道流入并均勻分布于各個(gè)板片間完成海水淡化過程中的蒸發(fā)、冷凝、過濾后從相應(yīng)的出口流出。流道1為冷海水進(jìn)出口流向，用藍(lán)色箭頭標(biāo)記，從圖中可以看出冷海水在海水吸泵的作用下自裝置的上部左側(cè)管道口流入、從右側(cè)管道流出，流出后的冷海水分為兩股，一股順著小管道流入到裝置下部對(duì)稱分布的海水淡化入水口，另一股流向噴射器被排出舷外。流道2為缸套水進(jìn)出口流向，用紅色箭頭標(biāo)記，從圖2中可以看出缸套水自裝置下部左側(cè)管道口流入、從右側(cè)管道流出。

2 熱力學(xué)性能計(jì)算與對(duì)比

造水比、單位熱耗率以及單位淡水能耗作為評(píng)價(jià)海水淡化系統(tǒng)最為重要的三大熱力學(xué)性能指標(biāo)，不僅能評(píng)價(jià)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，還能指引系統(tǒng)需要優(yōu)化的方向［9］。

本文以市場(chǎng)主流產(chǎn)品之一——阿法拉伐公司的JWP-26-C80型造水機(jī)為比較對(duì)象，與新型船用海水淡化裝置（整體式板片）進(jìn)行空間體積和產(chǎn)水量對(duì)比。

JWP-26-C80型造水機(jī)是一款分離式板式造水機(jī)，日產(chǎn)水量為20 t，蒸發(fā)區(qū)板片與冷凝區(qū)板片均為長(zhǎng)方形，外形尺寸相同，板片長(zhǎng)寬分別為710 mm、250 mm、厚度為0.5 mm，共有40對(duì)板片，蒸發(fā)區(qū)與冷凝區(qū)之間間隔約為220 mm，其外殼近似長(zhǎng)方體約0.71 m3。新型海水淡化裝置無需外殼，若以板片占據(jù)相同截面積和相同對(duì)數(shù)計(jì)算，新型（整體式）船用海水淡化裝置空間約縮減了近70%，日產(chǎn)水量則提高至25 t。

本文在表1所示工況下進(jìn)行熱力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算與分析。

表1 海水淡化裝置工況設(shè)定

2.1 造水比

造水比是衡量海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、高效、經(jīng)濟(jì)的最為重要的參數(shù)，它是指蒸發(fā)裝置淡水總產(chǎn)量與鹽水加熱器所消耗的蒸汽量之比。

造水比定義為：

式中：mW為加熱蒸汽的質(zhì)量流量，kg/h，由于本文所設(shè)計(jì)的新型海水淡化裝置利用機(jī)器廢熱作為熱源加熱蒸發(fā)海水，而非通過消耗蒸汽進(jìn)行熱交換，因而mS可以由機(jī)器廢熱換算成當(dāng)量蒸汽流量md代替，式（1）變換如下：

新型海水淡化裝置日產(chǎn)水產(chǎn)量25 t/d，即式（2）中mW為1 042 kg/h；熱缸套水流量60 543 kg/h，熱缸套水進(jìn)口溫度為80℃，出口溫度為70℃。50℃時(shí)淡水的汽化潛熱為2 381.9 kJ/kg。80℃時(shí)水的比熱容Cs為 4.2 kJ/（kg·℃）。

因此，新型海水淡化裝置造水比為：

JWP-26-C80型分離式造水機(jī)產(chǎn)水量為20 t/d即式（2）中mW為833.333 kg/h，其他條件相同。

分離式海水淡化裝置造水比為：

2.2 單位熱耗率

單位熱耗率是指生產(chǎn)單位淡水蒸汽的放熱量，其表示如式（3）所示：

式中：QS為加熱蒸汽放熱量，kJ/h；

故：

因此，新型船用海水淡化裝置單位熱耗率為：

分離式海水淡化裝置單位熱耗率為：

2.3 單位淡水能耗

單位淡水能耗是生產(chǎn)單位質(zhì)量的淡水所需消耗的能量，是衡量海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水量與能耗關(guān)系的重要熱力學(xué)性能指標(biāo)。其可表示為：

式中：Th為環(huán)境溫度，32℃；ΔTj為加熱蒸汽的平均溫度，℃；ΔTd為當(dāng)量蒸汽溫度，50℃。

因此，新型船用海水淡化裝置單位淡水能耗為：

分離式海水淡化裝置單位淡水能耗為：

經(jīng)過計(jì)算可得兩種海水淡化裝置熱力學(xué)性能結(jié)果，如表2所示。

表2 新舊海水淡化裝置熱力性能計(jì)算結(jié)果

由表2所示新型船用海水淡化裝置（整體式）與JWP-26-C80型造水機(jī)（分離式）相比，造水比高，而單位熱耗率以及單位淡水能耗低，表明本文所設(shè)計(jì)的新型海水淡化裝置系統(tǒng)在熱力性能方面更優(yōu)越，完全符合我國(guó)正在大力推行的節(jié)能減排政策。

3 裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真與分析

3.1 相關(guān)模型建立及條件設(shè)置

ANSYS Workbench軟件可以集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化功能與一身，幫助設(shè)計(jì)人員在同一平臺(tái)上，完成產(chǎn)品研發(fā)過程的所有工作，從而大大節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)周期，加快上市步伐，占領(lǐng)市場(chǎng)高點(diǎn)［10］。本文借助ANSYS Workbench中的結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析模塊對(duì)新型船用海水淡化裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行線性靜力學(xué)分析，分析其結(jié)構(gòu)是否安全可靠。主要結(jié)構(gòu)各部分材料屬性設(shè)定參照如下：機(jī)器整體支架、導(dǎo)桿采用Q235A，彈性模量E= 2.12×1011N/m2，泊松比μ= 0.288；底部支撐架采用Q235B，彈性模量E= 2.10×1011N/m2，泊松比μ= 0.274；螺栓導(dǎo)桿、螺母墊片采用40Cr，彈性模量E= 2.11×1011N/m2，泊松比μ= 0.277。

在對(duì)機(jī)器框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到機(jī)器整體支柱外突部分的彎曲，為了使該部分網(wǎng)格劃分更加精確，本文對(duì)機(jī)器框架結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格的劃分方法，該方法能夠在機(jī)器框架的一些關(guān)鍵區(qū)域使用曲度和近似尺寸自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分效果更佳。網(wǎng)格精度為0.003 m。

機(jī)器整體支柱三足與地面設(shè)定為固定接觸。在非工作狀態(tài)的時(shí)候，機(jī)器框架結(jié)構(gòu)的約束主要來自螺栓導(dǎo)桿上了鎖緊螺母的預(yù)緊力，鎖緊螺栓預(yù)緊力設(shè)為1 000 N。在工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)器各部分不僅受到鎖緊螺栓的預(yù)緊力，同時(shí)還會(huì)受到流體以及換熱板片的壓力，板片對(duì)機(jī)器整體支架壓力大小設(shè)置為1.3 MPa，活動(dòng)壓緊板板片受壓面壓力大小設(shè)置為1.2 MPa。

3.2 仿真結(jié)果分析

下頁圖4所示為非工作狀態(tài)與工作狀態(tài)時(shí)框架結(jié)構(gòu)的整體變形圖；圖5所示為工作狀態(tài)時(shí)整體支架受力變形圖和應(yīng)力圖；圖6所示為螺栓導(dǎo)桿在工作狀態(tài)時(shí)受力變形圖和應(yīng)力圖。

圖4表明，由于工作狀態(tài)時(shí)的海水淡化裝置框架結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力均比非工作狀態(tài)時(shí)大很多，所以仿真分析應(yīng)以工作狀態(tài)為依據(jù)。

圖4 框架結(jié)構(gòu)整體變形圖

圖5 整體支架受力變形圖和應(yīng)力圖

圖6 螺栓導(dǎo)桿受力變形圖和應(yīng)力圖

從圖5、圖6可知整體支架在工作狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力為103.99 MPa，其材料為Q235A，抗拉強(qiáng)度為370 MPa；螺栓導(dǎo)桿最大應(yīng)力為173.31 MPa，螺栓導(dǎo)桿材料為980 MPa，均能夠滿足強(qiáng)度要求。

由圖4還可以看出框架結(jié)構(gòu)（除螺栓外）最大變形量出現(xiàn)在工作狀態(tài)時(shí)的整體支架上，變形量為5.71 mm，其大小與板體寬度的比值為5.71/850= 0.006 7?？梢娮冃瘟肯鄬?duì)較小，符合要求。

4 結(jié) 語

本文提出的新型船用海水淡化裝置，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新，相較于分離式海水淡化裝置在體積縮小的同時(shí)，熱力學(xué)性能以及產(chǎn)水量等方面均有所提高，降低了生產(chǎn)成本，必將受到廣大船東青睞。

本裝置的成功研制有效提高了國(guó)產(chǎn)船用造水機(jī)的使用性能，為提高我國(guó)船配產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化率，降低造船業(yè)成本起到了積極推動(dòng)作用。