聚光集熱苦咸水蒸餾裝置中含吸光顆粒水體的光吸收特性

常澤輝，劉 洋，侯 靜，李文龍，鄭宏飛

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；3. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與暖通工程學(xué)院，呼和浩特 010070；

4. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

能源和淡水是人類社會生存和發(fā)展的重要資源，隨著世界人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，到2050年，全球能源需求量將會是現(xiàn)在的2～3倍[1]，淡水需求量也會隨之增加。然而，地球上只有1%的水資源可供人類飲用或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2]。相關(guān)文獻(xiàn)指出，地球表面淡水水位和降雨量正在逐年減少[3]。利用脫鹽技術(shù)對地球表面分布的海水、苦咸水等含鹽水進(jìn)行淡化是一種理想的解決淡水短缺的途徑[4-6]。其中，工業(yè)化含鹽水淡化系統(tǒng)對基礎(chǔ)設(shè)施要求嚴(yán)格、需對進(jìn)料原水進(jìn)行預(yù)處理、適合于大規(guī)模制水，且在制備過程中需要消耗大量化石能源，對環(huán)境造成一定的影響。而目前利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源驅(qū)動脫鹽技術(shù)可以克服工業(yè)化脫鹽技術(shù)存在的弊端，尤其適合于小型和分布式制水需求，加之缺水地區(qū)往往擁有豐富的太陽能資源，使得太陽能含鹽水淡化技術(shù)得到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-10]。

在太陽能含鹽水淡化技術(shù)中，太陽能蒸餾淡化裝置因其工作原理簡單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低廉等特點(diǎn)而適合于干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島等分布式制水使用，但其也存在傳熱熱阻大、對水蒸氣凝結(jié)潛熱利用少、淡水產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。為了改善傳統(tǒng)太陽能蒸餾淡化裝置產(chǎn)水性能、提高裝置運(yùn)行溫度，研究人員將太陽能聚光集熱技術(shù)與蒸餾淡化技術(shù)進(jìn)行了有效耦合[11-13]。Elashmawy[14]在實(shí)際天氣條件下，對比研究了拋物槽式聚光太陽能管式蒸餾淡化裝置的產(chǎn)水性能，結(jié)果表明，該裝置淡水產(chǎn)量增加了676%，而成本下降了45.5%，具有良好的應(yīng)用前景。Wu等[15]為了提高太陽能淡化裝置運(yùn)行溫度，將圓柱線性菲涅爾透射聚光器與多效太陽能淡化裝置進(jìn)行了匹配運(yùn)行，在平均太陽輻照度為867 W/m2時，裝置性能系數(shù)達(dá)到了2.1。Mosleh等[16]研究和分析了槽式拋物聚光熱管真空管組合太陽能蒸餾淡化裝置，結(jié)果表明，裝置淡水產(chǎn)量最大可以達(dá)到0.27 kg/(m2·h)，效率為22.1%，當(dāng)傳熱介質(zhì)改為導(dǎo)熱油時，裝置淡水產(chǎn)量提高到 0.933 kg/(m2·h)。Srithar等[17]提出一種獨(dú)立多效拋物碟式聚光太陽能蒸餾裝置，并與盤式太陽能蒸餾器進(jìn)行性能對比研究，結(jié)果表明，碟式聚光器的使用使得裝置中含鹽水水體運(yùn)行溫度提高到85 ℃，最大淡水產(chǎn)量提高到16.94 kg/(m2·d)。

上述研究中的裝置雖然提高了含鹽水蒸餾過程所需太陽能的能流密度，但無法有效消除高溫運(yùn)行帶來的輻射散熱損失。如果在含鹽水水體內(nèi)進(jìn)行光熱直接轉(zhuǎn)化，就可以實(shí)現(xiàn)換熱過程中輻射熱損的減少，文獻(xiàn)[18]提供了一種在含鹽水中添加大量黑色多孔顆粒以形成吸光顆粒點(diǎn)陣進(jìn)而將光熱轉(zhuǎn)化過程由傳統(tǒng)的表面吸熱改為體內(nèi)換熱的方法。因此，苦咸水水體對入射光的高效吸收將成為上述思想能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。而目前對含顆粒水體對入射光吸收開展的研究較少[19-24]。文獻(xiàn)中多采用太陽能電池電流變化近似為入射光通量來間接研究水體對入射光的吸收機(jī)理[25-26]，無法消除太陽能電池隨測試時間延長而性能衰減給測試結(jié)果帶來的誤差問題。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于聚光集熱苦咸水蒸餾裝置，利用水體直接受熱蒸發(fā)方法減少裝置散熱損失和傳熱換熱環(huán)節(jié)，同時對其光熱轉(zhuǎn)化水體的光吸收特性展開了研究，利用光學(xué)積分箱測試光束穿過含大量黑色多孔顆粒水體的照度變化，分析影響水體光吸收特性的因素，定量給出水體光吸收比與模擬沸騰狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系。

1 新型基于聚光集熱苦咸水蒸餾裝置

本文所研究的苦咸水蒸餾裝置，采用了多效蒸餾技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚光集熱苦咸水蒸餾裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of solar-concentrating brackish water distillation device

聚光集熱苦咸水蒸餾裝置的工作原理是:入射太陽光經(jīng)碟式聚光器反射形成高密度光能，通過半球玻璃殼透射到添加有大量黑色多孔吸光顆粒的苦咸水中，并完成光熱直接轉(zhuǎn)化，被半球玻璃殼表面和水體反射的光線經(jīng)二次拋物聚光器反射后再次匯聚到水體內(nèi)被吸收轉(zhuǎn)化，受熱苦咸水水體在其水表面蒸發(fā)，生成的水蒸氣在對應(yīng)盛水冷凝盤下表面凝結(jié)成淡水，匯集到三角淡水收集槽內(nèi)，經(jīng)淡水輸出管排出，水蒸氣凝結(jié)時釋放潛熱經(jīng)盛水冷凝盤傳遞給其內(nèi)部的苦咸水進(jìn)而繼續(xù)生成水蒸氣，然后在其上方圓錐冷凝盤下表面凝結(jié)生成淡水，其他各效淡水生成過程與此相同?？嘞趟畠λ鋬?nèi)進(jìn)料苦咸水通過進(jìn)水管進(jìn)入裝置過程中，從下向上逐效吸收各效內(nèi)水蒸氣凝結(jié)潛熱并同時將管外水蒸氣凝結(jié)生成淡水，預(yù)熱后的進(jìn)料苦咸水最后進(jìn)入裝置頂端的盛水冷凝盤內(nèi)，太陽光通過這一效上方玻璃通光板繼續(xù)加熱該進(jìn)料苦咸水，使其受熱蒸發(fā)，并在玻璃蓋板下表面凝結(jié)生成淡水，而每一效苦咸水的進(jìn)料均采用自重力進(jìn)水方式從上向下通過浮球和進(jìn)水套無動力自動完成。

聚光集熱苦咸水蒸餾裝置具有如下特點(diǎn)：1）利用碟式聚光器改變?nèi)肷涮柟鈧鞑シ较蛐纬闪烁呙芏裙饽?，同時利用二次拋物聚光器反射溢出光線進(jìn)而減少了太陽能在光熱轉(zhuǎn)化過程中的損失；2）通過在苦咸水中添加黑色多孔顆粒作為入射高密度光能的光吸收材料，實(shí)現(xiàn)了在苦咸水水體內(nèi)部光熱轉(zhuǎn)化，進(jìn)而受熱蒸餾，減少傳統(tǒng)可選擇性吸收涂層表面吸光生熱造成的輻射散熱損失，提高光熱轉(zhuǎn)化效率；3）利用受熱水蒸氣向上浮升特點(diǎn)，沿水蒸氣浮升方向布置多個盛水冷凝盤，多次回收水蒸氣冷凝時釋放的潛熱，能夠?qū)崿F(xiàn)水蒸氣所含熱量分級多梯次利用；4）利用回?zé)峒夹g(shù)提高了進(jìn)料苦咸水的溫度，縮短了裝置受熱啟動時間，提高裝置淡水產(chǎn)量。

2 淡化裝置水體光吸收特性理論分析

碟式聚光集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的高密度光能與含有大量黑色多孔顆?？嘞趟w作用實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化過程中，入射光線在水體內(nèi)會發(fā)生包括吸收、散射、反射和折射等一系列復(fù)雜的物理過程，這個過程也將影響入射太陽光能否被水體高效吸收和轉(zhuǎn)化效果，通過研究水體對入射光的吸收特性將會為上述轉(zhuǎn)化機(jī)理的優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在水體中添加額定數(shù)量吸光顆粒可以使得水體內(nèi)形成多粒子懸浮點(diǎn)陣，利用顆粒表面多孔結(jié)構(gòu)吸收入射太陽光，吸光的顆粒表面溫度升高，將在水體內(nèi)形成多點(diǎn)熱源，隨著入射光的不斷補(bǔ)充，水體溫度就會升高，從而滿足苦咸水蒸餾所需熱量。影響水體光吸收特性的因素包括顆粒材質(zhì)、顆粒在水體內(nèi)豐度、顆粒粒徑以及水體內(nèi)氣泡幕等。借助檢測光學(xué)元件通光率的重要測試元件—積分箱（integrating box），可以間接測試研究水體光吸收特性[27]。積分箱外觀為立方體結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)內(nèi)表面均勻噴涂白色光學(xué)反射漆。在水體光吸收特性測試中，進(jìn)入水體的入射光照度易于測量，通過水體后的入射光經(jīng)水體吸收、反射和折射等作用后呈漫射狀，難于精確測量其照度，積分箱的使用可以準(zhǔn)確測量通過水體后光照度的變化。

光學(xué)積分箱內(nèi)、外照度值的變化率可以用照度比例因子來描述[28]，具體計(jì)算見式（1）。

式中CF為照度比例因子，Ein為積分箱內(nèi)照度測量值，lx，F(xiàn)a為積分箱進(jìn)光口處照度測量值，lx，Eout為積分箱水平面照度值，lx。

為了表征含有大量黑色顆?？嘞趟w的光吸收特性，提出新的無因次參數(shù)“光吸收比”，其定義為光穿過普通水體進(jìn)入積分箱內(nèi)的照度值與光穿過含有吸光顆粒水體進(jìn)入積分箱內(nèi)的照度值之比。計(jì)算公式如式（2）。

式中K為光吸收比，Einw為穿過普通水體積分箱內(nèi)照度測量值，lx，Einb為穿過含有吸光顆粒水體積分箱內(nèi)照度測量值，lx。光吸收比越大表明測試水體對入射光的吸收能力越強(qiáng)。

3 淡化裝置水體光吸收特性測試系統(tǒng)

3.1 水體光吸收特性測試系統(tǒng)及設(shè)備參數(shù)

測試中，分別對模擬受熱溫升狀態(tài)和模擬沸騰狀態(tài)運(yùn)行條件下含有黑色多孔顆粒水體的光吸收特性進(jìn)行研究。性能測試試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水體光吸收特性測試系統(tǒng)Fig.2 Measurement system of light absorption properties

試驗(yàn)中，在玻璃水槽內(nèi)布置多個微型擾流泵（WAVER-2000，廣東日生集團(tuán)有限公司，深圳）以驅(qū)動黑色多孔顆粒在水體內(nèi)形成光吸收顆粒點(diǎn)陣模擬受熱溫升狀態(tài)下的水體運(yùn)行工況。利用空氣泵（AV4002，成都新為誠科技有限責(zé)任公司，成都）將空氣通過位于水槽底部的微孔氣石鼓入水體模擬沸騰水體運(yùn)行工況。積分箱由厚1 cm膠合板粘接而成，尺寸為30 cm ×30 cm ×30 cm，入光口尺寸為15 cm ×30 cm。玻璃水槽由超白玻璃粘接而成，橫截面尺寸為15 cm ×30 cm，與積分箱入光口尺寸一致，并嵌入入光口。環(huán)境照度和積分箱內(nèi)照度分別由照度計(jì)（TES1399，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，臺灣）測量得到，相對誤差為3%。入射平行光由帶拋物反射瓦的氙氣燈珠（BX100，深圳市神火照明有限公司，深圳）產(chǎn)生，照度可調(diào)。為了提高水體光吸收性能，所添加顆粒均為黑色多孔材質(zhì)。

3.2 測試方法

測試過程在光學(xué)暗室內(nèi)完成，保持室內(nèi)光照度≤1 lx。測試前，對積分箱進(jìn)行了校核，改變?nèi)肷涔庹斩龋瑴y試積分箱內(nèi)、外照度值，計(jì)算得到積分箱照度比例因子。然后測試平行光束穿過普通水體后進(jìn)入積分箱內(nèi)的照度值，在通過改變水體內(nèi)添加黑色多孔顆粒豐度（δ，單位水體內(nèi)所含顆粒質(zhì)量，g/L）、材質(zhì)、顆粒粒徑、沸騰程度（空氣泵工作氣壓）等參數(shù)形成不同的測試水體后，測試平行光穿過測試水體進(jìn)入積分箱內(nèi)的照度值，計(jì)算得到不同運(yùn)行工況下水體光吸收比，分析影響測試水體光吸收比的機(jī)理。

4 結(jié)果與分析

4.1 積分箱校核

通過改變積分箱入光口處光照度，測試積分箱內(nèi)部照度變化值，二者對應(yīng)曲線及擬合函數(shù)如圖3所示。

圖3 積分箱內(nèi)照度隨環(huán)境照度變化Fig.3 Variation of internal illuminance of integrating box with external illuminance

從圖 3中可以看出，對于給定結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)表面光學(xué)反射特性的積分箱，其內(nèi)部測試照度值隨外部照度值增加而增大，且呈線性變化關(guān)系，經(jīng)過函數(shù)擬合，照度比例因子計(jì)算值為0.193 78，與文獻(xiàn)[29-30]中給出的理論結(jié)果吻合，表明所選用光學(xué)積分箱能夠?qū)λw光吸收特性進(jìn)行測試。

4.2 添加不同材質(zhì)顆粒水體光吸收特性

為了在水體內(nèi)形成光吸收多顆粒點(diǎn)陣，需要所添加吸光顆粒材質(zhì)的密度滿足與待蒸發(fā)水體密度接近以及表面多孔等條件。鑒于此，試驗(yàn)中選用竹炭（ρ=0.89 g/cm3）和陶瓷（ρ=1.06 g/cm3）作為測試顆粒，改變空氣泵工作壓力，模擬水體不同沸騰狀態(tài)，水體光吸收比隨氣體壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 含不同材質(zhì)水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.4 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different particle material

從圖 4中可以看出，在相同顆粒豐度條件下，含有陶瓷吸光顆粒水體光吸收比要大于含有竹炭吸光顆粒水體光吸收比，且隨著氣體壓力的增加二者差距逐漸增大。當(dāng)空氣泵的氣體壓力為14 kPa時，含有陶瓷吸光顆粒水體光吸收比是含有竹炭吸光顆粒的2.12倍。這主要是由于隨著水體沸騰程度的增加，水體中氣泡數(shù)量隨之增多，所含顆粒運(yùn)動加劇，密度小的竹炭顆粒易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，不能有效吸收穿過水體的光束。

4.3 水體參數(shù)對光吸收性能的影響

選用陶瓷材質(zhì)吸光顆粒作為后續(xù)測試水體的添加顆粒，苦咸水水體在吸收高密度光能過程中，水體經(jīng)過受熱溫升和沸騰運(yùn)行 2個光熱轉(zhuǎn)化階段。在光學(xué)暗室內(nèi)，利用水槽內(nèi)擾流泵擾動顆粒模擬受熱溫升狀態(tài)，測試所添加顆粒粒徑變化對水體光吸收比的影響機(jī)理。測試中，分別挑選粒徑為0.5和1.0 mm的黑色陶瓷顆粒作為測試對比顆粒，2種測試水體光吸收比隨顆粒豐度變化曲線如圖5所示。

圖5 含不同粒徑顆粒水體光吸收比隨豐度的變化Fig.5 Variation of light absorption rate of water body with particle abundance under different particle diameter

圖 5曲線表明，在模擬受熱溫升過程中，水體光吸收比隨顆粒粒徑減小而增加，隨顆粒豐度增大而增大。為了分析顆粒豐度在最大時水體光吸收比的變化規(guī)律，選擇顆粒豐度為6.7 g/L，含有粒徑為0.5 mm顆粒水體光吸收比比含有粒徑為1.0 mm顆粒水體增加9.0%。其主要原因?yàn)樵谙嗤w粒豐度條件下，粒徑小的顆粒的總比表面積要大于粒徑大的顆粒。所以，為了有效地提高水體光熱轉(zhuǎn)換效率，可以在水體中添加粒徑小的陶瓷顆粒。

通過改變空氣泵工作壓力，模擬水體沸騰運(yùn)行時顆粒擾流和氣泡生長的多相流工況。測試顆粒粒徑選用0.5 mm，水體光吸收比隨空氣泵氣體壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 含不同豐度水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.6 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different particle abundance

從圖 6中可以看出，水體光吸收比隨著空氣泵工作壓力的增加，即水體模擬沸騰程度的加劇而增大，且隨著水體顆粒豐度的增大而增大。當(dāng)空氣泵氣體壓力為14 kPa，顆粒豐度為6.7 g/L時水體光吸收比是顆粒豐度為0.75 g/L時的4.94倍，表明增加顆粒豐度可以有效提高水體光吸收特性，其中水體在沸騰時產(chǎn)生的氣泡幕對于入射光也起到了一定吸收作用。這也表明，水體的沸騰程度會增大水體的光吸收比。

苦咸水淡化裝置中光熱轉(zhuǎn)化過程主要在裝置底部水體內(nèi)完成，因而在實(shí)際運(yùn)行中需要選擇水體容量的大小，水體容量太大將會增加水體的熱惰性，使得水體受熱溫升所需時間延長，影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行時間。鑒于此，通過改變玻璃水槽的長度，即改變光束在水體中傳播的距離（光程），研究水體容量變化與光吸收特性的關(guān)系，測試光程分別選為15和30 cm，不同光程對水體光吸收比影響曲線如圖7所示。

圖7 不同光程水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.7 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different optical path

從圖 7可以看出，在相同模擬沸騰運(yùn)行工況，相同顆粒豐度下，增加光束在水體內(nèi)傳播距離可以增大水體光吸收比。其原因是光程的增加，使得吸收入射光的顆?？偙缺砻娣e增大，參與光吸收、光散射、光折射的氣泡數(shù)量增多，從而水體光吸收比增大?？梢赃m當(dāng)增加水體容量以延長入射光在水體中的傳播距離，提高水體的光吸收比。

上述研究結(jié)果表明，當(dāng)水體內(nèi)顆粒豐度和粒徑不變時，光吸收比隨氣體壓力增大而增加。為了定量研究水體光吸收比隨氣體壓力變化的函數(shù)關(guān)系，選擇顆粒粒徑為0.5 mm，光程為15 cm的水體作為研究對象，對模擬沸騰運(yùn)行工況下，不同顆粒豐度水體光吸收比隨氣體壓力變化關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，如表1所示。

表1 水體光吸收比隨氣體壓力變化擬合函數(shù)Table 1 Fitted functions of light absorption rate with air pressure variation

表 1函數(shù)擬合結(jié)果表明，在不同顆粒豐度條件下，含有黑色多孔陶瓷顆粒水體光吸收比與氣體壓力（模擬沸騰運(yùn)行工況）呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2變化范圍為0.97～0.99。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)太陽能苦咸水淡化裝置存在傳熱換熱距離大、熱利用效率低、淡水產(chǎn)量小等缺陷，鑒于此，本文提出一種基于聚光集熱苦咸水蒸餾淡化裝置，通過碟式聚光和二次拋物聚光的組合提高了裝置對入射太陽光的吸收，待處理苦咸水水體直接吸光受熱蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對蒸餾裝置的熱驅(qū)動，減小了光熱轉(zhuǎn)化過程中的熱損失。其中，水體內(nèi)光熱直接轉(zhuǎn)化成為了上述思想實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，本文通過在水體內(nèi)添加大量黑色多孔顆粒提高了水體光吸收比，并對影響光吸收特性的機(jī)理展開了研究和分析。

1）在苦咸水中添加密度相近黑色多孔顆?？梢蕴岣咚w光吸收性能，含有陶瓷材質(zhì)吸光顆粒的水體光吸收比是含有竹炭材質(zhì)顆粒水體光吸收比的2.12倍。

2）在受熱溫升階段，水體光吸收比隨顆粒粒徑減小而增加，隨顆粒豐度增加而增大，在相同運(yùn)行條件下，含有粒徑為 0.5 mm顆粒的水體光吸收比比含有粒徑為1.0 mm顆粒水體最大可以增加9.0%。

3）增加水體中黑色多孔顆粒豐度可以有效增加其光吸收比，且在模擬沸騰運(yùn)行條件下，增加比率隨沸騰程度增大而增加，當(dāng)空氣泵氣體壓力為14 kPa時，含顆粒豐度為6.7 g/L水體光吸收比是含顆粒豐度為0.75 g/L水體的4.94倍。

4）含黑色多孔顆粒水體光吸收比與水體沸騰程度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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