熱管式真空蒸發(fā)器海水淡化技術(shù)分析

楊海南

摘 要：本文介紹了熱管的組成及其工作原理，以及真空蒸發(fā)器的組成，分析了熱管的傳熱極限計(jì)算過程以及真空蒸發(fā)器海水淡化技術(shù)對淡水產(chǎn)量的影響因素，為熱管式真空蒸發(fā)器的發(fā)展提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：熱管 真空 蒸發(fā)器 海水淡化

引 言

在當(dāng)今工業(yè)飛速發(fā)展的今天，淡水資源緊缺已經(jīng)成為世界各國發(fā)展中不得不面對的嚴(yán)峻問題。而根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)約36%的人口缺少干凈安全的飲用水，7.8 億人面臨飲水困難。[1]在地球表面，海洋面積比陸地表面積的四分之三還要多。而在地球總水量中，海洋大約擁有了近95%儲(chǔ)水量，因此在全球淡水資源嚴(yán)重緊缺的情況下，海水淡化體現(xiàn)的越來越重要。

1.熱管式真空蒸發(fā)器的原理與流程

熱管通常由蒸發(fā)段、絕熱段組成。但是有的熱管還含有冷凝段。所謂的真空指的是管內(nèi)為高度真空，在它的真空環(huán)境里面填裝的有適量的工作介質(zhì)，并且使用相應(yīng)的材料采用多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

熱管蒸發(fā)器主要由壓力容器、接管、控制儀表、分布器、除沫器、熱管等組成。在壓力容器中產(chǎn)生蒸氣。對于傳熱元件來講，熱管在其中的作用無可替代，目的就是讓壓力容器中的海水受熱進(jìn)行熱交換而蒸發(fā)。熱管蒸發(fā)段的熱量傳給熱管，管內(nèi)工質(zhì)吸收熱量然后再將熱量變成蒸氣然后到冷凝段釋放熱量變成液體，由于受到重力作用再次回到蒸發(fā)段。[2]往復(fù)這個(gè)過程，就將海水蒸發(fā)進(jìn)行脫鹽處理，其裝置如圖1所示。[3]

2.熱管式真空蒸發(fā)器海水淡化的技術(shù)發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，海水淡化技術(shù)目前及未來的發(fā)展趨勢是朝著低能耗，高效率，大規(guī)?；哪繕?biāo)發(fā)展。目前，已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的熱管蒸發(fā)器，因其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱系數(shù)較大、輕便、熱阻小、部件固定、易維修等優(yōu)點(diǎn)。[4]被當(dāng)做目前的一種主流技術(shù)用于海水淡化工業(yè)。

下端熱管在外部加熱裝置的加熱狀態(tài)下將熱量吸收，并傳遞到上端熱管；蒸發(fā)段內(nèi)的熱量通過熱管傳遞到冷凝段；蒸汽凝結(jié)的位置為在冷凝段的上方；熱量通過工質(zhì)和管壁傳給冷源；最后冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段中。

熱管的熱導(dǎo)系數(shù)比金屬要好。由于其熱阻低，不易產(chǎn)生溫差波動(dòng)，所以熱管的傳熱特性很穩(wěn)定。

3.熱管的傳熱極限計(jì)算

在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中，萬事萬物都達(dá)不了理想的狀態(tài)。因此真空蒸發(fā)器中的熱管傳熱系數(shù)也是有一定的最大值的，即存在一定的極限。其熱負(fù)荷也是有限的。實(shí)際上有許多因素制約著熱管的傳熱能力。它們包括聲速，蒸汽壓力和結(jié)構(gòu)，熱管的尺寸、形狀、工作介質(zhì)、工作溫度等影響著傳熱極限。熱管傳遞功率是有限制的，存在著傳熱極限 ，典型熱管傳熱極限有：攜帶極限、毛細(xì)極限、粘性極限、沸騰極限、聲速極限、冷凝極限。[5]

3.1重力熱管的攜帶傳熱極限計(jì)算

4.影響熱管真空蒸發(fā)器海水淡化產(chǎn)量的因素

大量的研究表明，在熱管式真空蒸發(fā)器海水淡化技術(shù)中，主要的影響因素有：熱管真空部分的工質(zhì)的選擇、熱管管材的確定。熱管主要靠其內(nèi)部工質(zhì)的相變和其流動(dòng)過程中質(zhì)量的轉(zhuǎn)移來傳遞熱量的。所以考慮工質(zhì)的時(shí)候要注意一下幾點(diǎn)：（1）工質(zhì)的熱穩(wěn)定性以及工質(zhì)材料和熱管材質(zhì)兩者間之間要符合相似相容原理。假如工質(zhì)和熱管材料不相容，熱管的性能就會(huì)降低甚至?xí)斐蔁峁苁?；?）作為熱管中工質(zhì)包括：①汽化潛熱高；②導(dǎo)熱系數(shù)大；③粘度低；④表面張力系數(shù)大；⑤潤濕能力高；⑥沸點(diǎn)適當(dāng)；（3）安全及經(jīng)濟(jì)性。應(yīng)該采用易燃、易爆、有毒的工質(zhì)來作為熱管中的工作介質(zhì)，否則一旦發(fā)生事故時(shí)后果會(huì)很嚴(yán)重，造成的損失也無法估計(jì)。同時(shí)，選擇管材時(shí)也必須從多個(gè)角度和維度出發(fā)。具體的要求有以下幾點(diǎn)：（1）材料的強(qiáng)度、剛度、柔韌性等基本力學(xué)性能；（2）材料的使用壽命和平均更換頻率；（3）材料的來源、制造成本。

5.結(jié)束語

在淡水資源極度缺乏的今天，海水資源取之不盡，用之不竭。因此，海水淡化技術(shù)不失為一個(gè)合理優(yōu)先的選擇，即滿足了人們的有水需求和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又能造福于我們的子孫后代。熱管式真空蒸發(fā)器的海水淡化技術(shù)由于產(chǎn)量高、水質(zhì)好，得到了世界水資源缺乏各國的高度重視，相信在未來，熱管式真空蒸發(fā)器海水淡化技術(shù)必定為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Anthony Bennett. 50th Anniversary：Desalination：50 years of progress， Filtration Separatio[J].2013，50（3）：32-39

[2] 馬麗春，李菊香.熱管式蒸發(fā)器和管束式蒸發(fā)器應(yīng)用分析[J].南京化工大學(xué)報(bào)，2000（6）：82-85.

[3] 郭雪華.熱管式真空蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與研究[D].大連理工大學(xué).2000.

[4] 王俊紅，高乃云，范玉柱，施利毅.海水淡化的發(fā)展及應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2008，28（5）：6-9.

[5] 杜軍，程冉冉，鄭喜洋.重力換熱器的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析[J].機(jī)械制造，2016（3）.