超声波海水淡化装置的设计研究

洪立洋 高明宇 张建业 吕凯伟 冯蒙丽

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

当前我国面临着严峻的岛屿纠纷，而这些岛屿的淡水短缺问题严重制约了我驻守官兵战斗力的生成，岛屿驻守官兵常常因为得不到充足的淡水补给而无法对岛屿进行全天候的战备巡逻.海水淡化是解决海防士兵淡水补给困难的有效途径，传统的海水淡化方法主要有热法海水淡化、冷冻法海水淡化和膜法海水淡化［1］，热法海水淡化和冷冻法海水淡化对能源要求较高，不适用于野外作战的实际；膜法海水淡化对结垢、污染、PH值和氧化剂的控制要求严格，不利于单兵作战携带.本文基于超声波雾化原理，利用Multisim和Matlab仿真软件研究了超声波发射器振荡频率与雾化水蒸气中盐度之间的关系，结合半导体冷凝技术给出了一种便携式海水淡化装置的设计思路.该海水淡化装置对能源需求小，可利用太阳能供电，实现了在无市电情况下的正常工作，进而弥补了传统海水淡化装置对能源依赖性大和冷凝装置不便捷等方面的不足.

1 超声波海水淡化装置设计方案

超声波海水淡化装置主要有太阳能供电、超声波雾化、半导体冷凝3个模块，如图1所示.当海水进入到超声波雾化模块后，在超声波空化作用下，海水上层表面空化为水雾，空化后的水雾在鼓风机的作用下进入水蒸气冷凝空间，该空间由半导体冷凝模块控制冷凝温度，保证空化后的水雾能够冷凝结成水，并在集水装置的作用下汇集.

图1 设计方案

2 超声波海水淡化装置原理

2.1 太阳能供电模块

太阳能是一种清洁无污染的能源，其分布广泛，目前太阳能发电技术已经很成熟，本文综合考虑单兵作战的实际情况以及整个装置实际耗能需要，选用规格为130mm×110mm×15mm［2］，功率为10W的薄膜太阳能电池板10块，为超声波雾化装置提供电能，采用折叠式的安装设计实现太阳能电池板自由拆装，便于携带，保证该海水淡化装置在复杂环境下的正常工作.

2.2 超声波雾化模块

2.2.1 超声波雾化淡化海水的原理

超声雾化是强超声在液体中传播时，引起的特有的物理现象.高能量的超声波在液体媒介传递过程中存在着正负压强交变周期，当正压力作用时，介质分子被挤压，分子间距离缩短，密度加大；当负压力作用时，分子间被拉伸，分子间距离逐渐加大，当负压达到某一临界值时能将液体“拉断”，从而在液体中形成局部气化或蒸气空腔，被称为空穴或空化泡.由于正负压强交替作用，由负压转换为正压的过程中，伴随空穴的崩溃在空穴周围将产生5000K的高温，局部产生500个大气压的高压.雾化过程中，雾化粒子的直径D与超声波振荡频率f之间存在相关性，并满足关系式：，其中，T 为液体表面张力；ρ为液体密度；参数α＝0.34［3］.在工程应用中雾化粒子直径与超声波振荡频率之间的关系式可近似为：，k为比例系数.

参考某商家［4］提供的振荡频率与粒子直径关系的部分实验值见表1.

表1 振荡频率与粒子直径关系的部分实验值

表2 实验值、公式计算值与误差率

由实验值与计算值之间的误差率可知，本文建立的雾化粒子直径计算模型误差较小，可满足工程应用要求.

超声波雾化产生的水雾中含盐量与水雾分子直径相关，水雾分子直径越小，其所含的盐量越低，当水雾分子直径达到水蒸气分子直径时，超声波雾化产生的水雾与蒸发产生的水蒸气成分基本一致，从而可以达到盐水完全分离的目的.实际应用中雾化产生的粒子直径无需达到分子级别，当粒子直径达到分子直径一千倍时，雾化粒子的含盐量就可达到饮用水含盐量的标准，对应的超声波振荡频率约为28.8MHz.

2.2.2 超声波雾化器电路

图2 超声波振荡器发射电路

目前常用的超声波振荡器发射电路［5］如图2所示，利用 Multisim软件对该电路进行仿真研究.该超声波振荡器电路中，市电经桥式整流，C1、C2滤波后供振荡频器工作，L2和C4、C7所组成的并联谐振回路决定震荡的幅度，该电路的震荡频率由L1、C3决定.通过Multisim仿真得出震荡频率f与L1、C3满足关系式

2.3 半导体冷凝模块

2.3.1 半导体冷凝原理

半导体制冷片［6］通过改变直流电流的极性来实现制冷或加热.如图3所示，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端.

2.3.2 半导体冷凝模块的结构设计

目前市场上销售的半导体冷凝片单片功率为15W，冷端制冷面积小，如图4所示.冷凝片工作时，冷端温度降到摄氏零度以下，空气中的水蒸气在制冷片冷端降温后迅速结冰，由于冰层的散热性差，影响了后续水蒸气的凝结，大大降低了制冷片的工作效率，因此对该制冷片进行重新设计.

首先将半导体冷凝片冷端贴于图5（a）中所示的容器两侧，容器中间空腔部分装满导冷液，制冷片通电后，冷端对空腔中的冷凝液进行降温，容器出液口连接水泵，将容器中的导冷液抽到图5（b）中所示的铜管阵列中，再回流入制冷容器，形成导冷液在容器——铜管阵列——容器中的循环流动.超声波雾化模块产生的水雾在鼓风机的作用下，导入到半导体冷凝模块，水雾与铜管阵列进行充分热交换后，降温凝结成水滴.

3 结语

1）该海水淡化装置采用超声波雾化和半导体冷凝技术相结合，具有噪音低、便捷等优势，适用于海防士兵单兵作战时隐蔽性高的要求.而超声波雾化器和半导体冷凝片具有低能耗的优势，只需太阳能电池板供电就可满足设备的能耗需求，适用于单兵作战时补给困难的实际.折叠式的太阳能电池板结构设计，便于单兵作战时的携带.

2）由于电力电子器件制造工艺的制约，在超声波振荡器电路中要想达到淡化海水的振荡频率，对电力电子开关制造提出了较高的要求.

图3 半导体制冷片工作原理

图4 半导体制冷片

图5 半导体冷凝模块

［1］ 解利听，李凭力.海水淡化技术现状及各种淡化方法评述［J］.化工进展，2003，22（10）：1081－10 84.

［2］ 陆均.太阳能发电地面应用的前景及发展方向［J］.新能源，1995，17（2）：9－12.

［3］ 土国辉，周兆英.压电驱动微喷雾粒特性的理论和实验分析［J］.仪器仪表学报，2002，23（5）.