太陽能低壓蒸餾海水性能研究

于博文，季 旭，閆磊磊，李吉淑，李秋玫，張海麟

(1.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院，云南 昆明 650500)

目前全球有20多個國家和地區(qū)嚴重缺水[1]，18億人面臨淡水供應不足的問題[2]。太陽能海水淡化是增加淡水供應的途徑之一，將低壓與傳統(tǒng)海水淡化相結合是提高淡水產(chǎn)量的有效方法[3]。

低壓與海水淡化相結合的技術得到國內(nèi)外學者的廣泛關注。Rahimi-Ahar Z[4]等人提出了一種在加濕器內(nèi)進行低壓處理的加濕除濕海水淡化系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)降低加濕器壓力，淡水產(chǎn)量可達1.07 L/h·m2，GOR最高可達3.43。Tian[5]等人設計了一種微波供能的低壓蒸餾海水淡化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對比傳統(tǒng)太陽能海水淡化系統(tǒng)，淡水產(chǎn)量有顯著提升。Rahimi-Ahar Z[6]等人用兩種不同的工藝進行低壓增濕除濕海水淡化實驗，當壓力從0.09 MPa降到0.01 MPa，兩種工藝淡水產(chǎn)量均可提高50%，蒸餾水的成本分別為0.034 S|/L和0.041 S|/L。

文章采用復合拋物聚光器(CPC)集熱的低壓蒸餾方式進行海水淡化。在低壓環(huán)境下，只需提供系統(tǒng)中低品位能源就能完成海水的淡化。為此，文章提出一種太陽能低壓蒸餾海水系統(tǒng)，為低壓式太陽能海水淡化系統(tǒng)的應用提供一定參考。

1 工作原理及系統(tǒng)建構

圖1是太陽能低壓蒸餾海水系統(tǒng)原理圖。

圖1 太陽能低壓蒸餾海水系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要由CPC、蒸餾室、冷凝器、真空泵組成。每組獨立的CPC通過U型導熱管連通，有效集熱面積為1.07 m2。系統(tǒng)將水作為傳熱工質。在運行時主要分為傳熱工質循環(huán)。海水汽化并冷凝成淡水、海水預熱三個部分。(1)傳熱工質循環(huán)。CPC將低能流密度的太陽光線集中起來用于加熱傳熱工質，傳熱工質在水泵的作用下進入蒸餾室底部的換熱盤管中與海水進行換熱，與海水充分換熱后流回CPC繼續(xù)加熱，形成一個循環(huán)。(2)海水汽化并冷凝成淡水。真空泵(2X-8A)與氣液分離器相連接，氣液分離器、冷凝器和蒸餾室密閉連接。這樣連接的作用為：①真空泵工作時可以迅速將蒸餾室內(nèi)的空氣排出，使蒸餾室內(nèi)形成低壓環(huán)境；②防止蒸餾室內(nèi)被汽化的海水進入真空泵；③為被汽化的海水進入冷凝器提供動力。當蒸餾室內(nèi)壓力降低，海水的飽和溫度也隨之降低，因此，被加熱的海水迅速汽化，海水中的鹽跟淡水分離，被汽化后的淡水蒸汽在空氣流的帶動下流出蒸餾室，順著管道流進冷凝器被冷凝成淡水，再經(jīng)汽水分離器收集得到淡水。(3)海水預熱。將海水通入冷凝器中與淡水蒸汽換熱，淡水蒸汽被冷凝的同時海水也被預熱，預熱后的海水通入蒸餾室中進行下一輪的加熱并汽化。實驗采用壓力真空表(Y100-BF)監(jiān)測蒸餾室內(nèi)的壓力，用鉑熱電阻K型溫度傳感器(MIK-WZPK-PT100)連接無紙記錄儀(MlK-R6000C)記錄傳熱工質在蒸餾室進出口的溫度及蒸餾室內(nèi)溫度等，記錄間隔為30 min。

2 實驗理論計算

2.1 系統(tǒng)傳熱分析

該系統(tǒng)由CPC吸收太陽輻射轉換為熱能，其中管道、冷凝器等均采用保溫棉進行保溫處理，產(chǎn)生的熱損可忽略不計，系統(tǒng)熱損主要為CPC及蒸餾器與外界環(huán)境的換熱損失。蒸餾系統(tǒng)的瞬時熱平衡方程表示為：

Qcpc-Qs,cpc+Qre=Qw

=Qh+Qre

=Qu+Qs,d+Qre

=QL+Qn+Qs,d+Qre

(1)

式中:Qcpc——CPC吸收的有效熱能，J；Qs,cpc——CPC熱損，J；Qre——二次循環(huán)進CPC的傳熱工質的熱量，J；Qw——CPC傳遞到傳熱工質的熱量，J；Qh——換熱盤管與蒸餾室的換熱量，J；Qu——用于海水汽化的熱量，J；Qs,d——蒸餾器熱損，J；QL——海水汽化所需的總潛熱，J；Qn——海水汽化所需要的總顯熱，J。

CPC吸收的有效太陽輻射能，Qcpc表示為[7]：

Qcpc=HAr(τgαm)

(2)

式中:H——垂直接收面上太陽輻照強度，W/m2；Ar——玻璃蓋板有效面積，m2；τgαm——玻璃蓋板透過率與真空內(nèi)管吸收性涂層吸收率乘積，%。

CPC組件的熱損失Qs,cpc由頂部熱損失Qt和側面、底面熱損失Qbe組成。CPC頂部熱損失表示為：

Qt=ArUtΔTca

(3)

式中:Ut——頂部熱損失系數(shù)；ΔTca——CPC內(nèi)部空間溫度與環(huán)境溫度差，K。

側面、底面熱損失表示為：

Qbe=(Ab+Ae)UbeΔTca

(4)

式中：Ube——底部、側面熱損系數(shù)；Ab+Ae——CPC底面和側面總面積，m2。

傳熱工質自CPC集熱器所吸收的熱量表示為：

Qw=AUhWΔTU

(5)

式中:hW——傳熱工質與U型導熱管的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；AU——U型導熱管內(nèi)表面積，m2；ΔTU——U型導熱管與傳熱工質的瞬時溫差，K。

換熱盤管長度為Lh時，Qh表示為[8]：

(6)

式中:mc——CPC內(nèi)部傳熱工質的質量流量，kg/h；ci——海水的比熱容，J/(kg·K)；D——換熱盤管內(nèi)直徑，m；To——傳熱工質溫度，K；Ti——海水溫度，K。

蒸餾器與環(huán)境的導熱熱損表示為[9]：

(7)

式中：λs——蒸餾室外壁保溫材料的導熱系數(shù)，W/(m2·K)；2πrsls——蒸餾室半徑rs處垂直于熱流密度的面積，m2；Ts——蒸餾室溫度，K；Tsa——蒸餾室外壁面溫度，K；r2s——蒸餾室外半徑，m；r1s——蒸餾室內(nèi)半徑，m。

此時Qu表示為：

Qu=Qh-Qs,d=QL+Qn

(8)

海水汽化所需要的總潛熱表示為：

QL=mrhf

(9)

式中：mr——淡水產(chǎn)量，kg;hf——不同壓力對應的汽化潛熱，kJ/kg。

這種突破性貢獻，也讓她個人取得無上殊榮——成為人類歷史上第一個兩度獲得諾貝爾獎的人，各種獎金與頭銜更是不勝枚舉。

2.2 系統(tǒng)性能系數(shù)計算

系統(tǒng)瞬時集熱效率可用以下公式求得[10]：

(10)

式中：φ(t)——集熱瞬時功率；φ(cpc)——CPC吸收的瞬時輻射功率。

系統(tǒng)脫鹽率是衡量所產(chǎn)淡水是否符合飲用水標準，系統(tǒng)脫鹽率表達式為[11]：

(11)

式中：Cf——產(chǎn)淡水含鹽量,mg/L；Cw——原海水含鹽量,mg/L。

3 實驗結果與討論

圖2是2020-04-11、2020-04-16、2020-04-19 3 d晴朗天氣的輻照度變化，按照時間順序將蒸餾室內(nèi)的壓力依次降低為0.06 MPa、0.05 MPa和0.04 MPa，記錄不同壓力條件下淡水產(chǎn)量隨輻照度的變化。從上午9∶30到下午13∶00輻照度呈上升趨勢，隨后輻照度開始下降，從上午11∶00到下午16∶30輻照度較好，也是一天中淡水產(chǎn)量最高的時間段。

圖2 輻照強度變化

圖3是傳熱工質在蒸餾室進出口溫度的變化，傳熱工質以1.27 m/s的速度在CPC和換熱管道內(nèi)循環(huán)。因為上午10∶30之前輻照度較弱，傳熱工質的溫度較低，與海水換熱較少，所以上午10∶30之前蒸餾室進出口溫度之差較小。隨著輻照度的增加，蒸餾室進出口水溫之差變大。04-11下午13∶00，蒸餾室壓力為0.06 MPa，蒸餾室進口水溫達到95 ℃，蒸餾室進出口水溫之差在7.3 ℃波動；04-16下午13∶00，蒸餾室壓力為0.05 MPa，蒸餾室進口水溫達到93 ℃，蒸餾室進出口水溫之差在7.2 ℃波動；04-19下午13∶00，蒸餾室壓力為0.04 MPa，蒸餾室進口水溫達到91 ℃，蒸餾室進出口水溫之差在6.9 ℃波動。

圖3 系統(tǒng)傳熱工質溫度變化

圖4是蒸餾室內(nèi)溫度的變化，從上午9∶00到下午13∶00蒸餾室內(nèi)的溫度持續(xù)增加，在下午13∶00蒸餾室內(nèi)的溫度達到最高，溫度分別達到88.1 ℃、84.5 ℃和80.3 ℃。此時的溫度都已超過對應壓力下的飽和溫度。從下午13∶00到下午16∶00蒸餾室內(nèi)溫度下降緩慢，溫度均能達到70 ℃以上，淡水產(chǎn)量均達到1.06 kg/h以上。下午16∶00以后蒸餾室內(nèi)的溫度和淡水產(chǎn)量均大幅度降低。

圖4 蒸餾室溫度的變化

圖5是系統(tǒng)在不同壓力條件下的淡水產(chǎn)量變化，上午11∶30之前蒸餾室內(nèi)溫度遠低于對應壓力下的飽和溫度，所以淡水產(chǎn)量較低。04-11在蒸餾室壓力保持為0.06 MPa條件下，上午11∶30到下午13∶00，淡水產(chǎn)量從0.96 kg/h增加到2.58 kg/h。04-16在蒸餾室壓力保持為0.05 MPa條件下，下午13∶00淡水產(chǎn)量達到2.62 kg/h。04-19在蒸餾室壓力保持為0.04 MPa條件下，下午13∶00淡水產(chǎn)量達到最高值2.7 kg/h。

圖5 淡水產(chǎn)量的變化

圖6是系統(tǒng)集熱效率和脫鹽率的變化，系統(tǒng)集熱效率隨著蒸餾室內(nèi)壓力的降低而升高。當蒸餾室內(nèi)壓力為0.04 MPa時,下午13∶00系統(tǒng)集熱效率高達58.86%。從中午12∶00到下午17∶00，系統(tǒng)集熱效率都在30%以上。上午12∶00之前蒸餾室內(nèi)溫度較低，脫鹽率在97%波動，從中午12∶00到下午17∶30脫鹽率都在99%以上。

圖6 系統(tǒng)脫鹽率的變化

4 結論

1)蒸餾室內(nèi)溫度以及壓力對淡水產(chǎn)量影響較大，室內(nèi)溫度越高，壓力越低，淡水產(chǎn)量越高。當室內(nèi)壓力為0.04 MPa時，從上午11∶30到下午13∶00，淡水產(chǎn)量增加了73%，當天淡水產(chǎn)量最高達到2.7 kg/h。

2)降低蒸餾室壓力能夠有效提高系統(tǒng)集熱效率。同一時刻，壓力為0.04 MPa條件下的系統(tǒng)集熱效率總高于0.06 MPa條件下的系統(tǒng)集熱效率。壓力為0.04 MPa條件下的最高系統(tǒng)集熱效率比壓力為0.06 MPa條件下的最高系統(tǒng)集熱效率增加了10.58%。

3)當蒸餾室溫度高于蒸餾室壓力所對應的飽和溫度時，淡水產(chǎn)量顯著提升。蒸餾室溫度高于飽和溫度的淡水產(chǎn)量比未達到飽和溫度的淡水產(chǎn)量增加約95%。