一种先进的苦咸水淡化装置

     作者：李静       

    为了提高太阳能苦咸水淡化装置的热能利用效率和淡水产量，将其进行了与工业化苦咸水淡化技术相结合的大胆尝试，在规模化应用中形成了多级闪蒸太阳能苦咸水淡化系统和多效蒸馏太阳能苦咸水淡化系统。然而，这些系统的投资成本高，须要进行长期可靠地维护，对维护人员的技术要求较高，而且小型产水系统的经济性不好，限制了实际应用。在一些偏远地区，建设大型太阳能苦咸水淡化装置是难于实现的。所以，开发研制结构简单、性能可靠、安装维护简便、投资成本低廉、可以利用太阳能等可再生能源作为驱动热源的苦咸水淡化装置，具有非常重要的意义。

    Tiwari于1988年提出了太阳能管式蒸馏器。从那时起，不同设计类型的管式太阳能蒸馏器不断被推出，并对这些装置内部的传热传质机理、淡水产量以及太阳能集热方式等开展了理论研究和试验测试。管式淡化装置以横管形式居多，运行中蒸汽主要在冷凝管上表面凝结，导致装置冷凝能力不足。另外，多效装置中各效海水或苦咸水热容大，装置启动时间长，而且各效海水或苦咸水蒸发面积会随着蒸发量的变化而变化，影响装置整体性能的稳定。

    本文在以往的研究基础上，研制了一种新型两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置，同时对该装置分别进行了定运行温度和定加热功率的室内试验和室外运行试验。

    1  装置结构及工作原理

    1.1装置的结构及尺寸

    图1为两效竖管式太阳能苦成水淡化装置的结构示意图。装置从里到外分别是圆筒加热水箱、套管、外壳。苦咸水由进水管注入到装置顶部的苦咸水储水箱中：在重力作用下，水箱中的苦咸水经注水管分别流人与套管尺寸相匹配的分水管中：苦咸水从分水管上密布的排水孔进入到粘贴于加热水箱外壁、套管外壁上的吸水材料中。加热水箱外壁面，吸水材料中的苦咸水被加热产生蒸汽；由于套管内壁面温度低于蒸汽温度，因此蒸汽在套管内壁面凝结生成淡水，并释放出汽化潜热。产生的淡水顺着套管内壁面流到套管底部，通过淡水排水管进入淡水水箱中。同时，蒸汽凝结释放的汽化潜热加热套管外壁面上的苦咸水生成蒸汽，由于外壳内壁面温度低于蒸汽温度，因而会在外壳内壁面凝结生成淡水。产生的淡水同样顺着外壳内壁面流到套管底部，再经淡水排水管进入淡水箱中。加热水箱和套管表面上没有蒸发的苦咸水流到浓盐水箱。

    两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置具有如下特点：①冷凝面积和蒸发面积从内到外逐渐增大，冷凝面积始终大于所对应的蒸发面积，有利于蒸汽的凝结，装置淡水产量高；②两效装置可重复利用蒸汽冷凝时所释放的汽化潜热，热能利用率高；③可以通过选择套管数量来达到不同的产淡水能力。

    两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置由不锈钢材料制成。圆筒加热水箱外由两根不锈钢管嵌套而成。加热水箱直径0.1 m，高1.47 m;套管直径0.13 m，高1.48 m;外壳直径0.15 m，高1.49 m;装置中第一效蒸发面积为0.446 m2，第二效蒸发面积为0.582 m2，第一效冷凝面积为0.582 m二，第二效冷疑面积为0.721m2。

    1.2装置的试验及数据采集

    在室内试验中用电加热器模拟太阳能集热器为装置供热，用自来水代替苦咸水。试验分别对恒定加热功率条件下的装置瞬态产水性能、温度变化规律以及进水流量变化下的产水性能进行了试验研究和分析。在室外测试试验中，对装置的起动及稳态运行过程的产水性能进行了研究。

    为了准确测量装置的性能，在加热水箱、套管和外壳外壁面的上、中、下3个测点布置热电偶，以3个测量温度的平均值作为吸水材料中苦咸水的有效温度。定温供热时，加热水箱的水温由电子温控器控制，苦咸水进水流量由微型质量流量计测得。

    试验前，对所有测温用热电偶、流量计、电子称进行测量校核。瞬态产水试验中的淡水产量测量时间间隔为20 min;稳态产水试验中的装置运行时间大于th，测量点为3～4个，取其平均值作为淡水产量：温度采集时间间隔为I min。试验中所选用的测量仪器误差均小于5%。

    2装置性能表征

    太阳能苦咸水淡化装置性能主要与太阳辐照度和装置运行状态有关。性能系数GOR是表征苦咸水淡化装置性能的重要指标，GOR越大，表明苦咸水淡化装置的能量利用率越高，装置的产水性能越优。根据能量输入输出的关系，在室内模拟试验中，装置定功率加热条件下的性能系数GOR可以用式(1)计算：

    式中：Me为装置的总淡水产量；hfg为水的气化潜热；Qin为输入的热量；i为效数；P为电加热器的输入功率；Δt为电加热器的工作时间。

    3试验结果及讨论

    3.1瞬态运行产水性能试验

    瞬态运行性能的优劣不仅影响了苦咸水淡化装置的运行时间，还会对系统运行稳定性造成一定影响。试验中，在两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置启动到稳态运行的时间段内，研究运行过程中的各效瞬态淡水产量。试验测试时间为9:50～15:50,电加热器的输入功率为305W，苦咸水进水流量为30 g/h。第一、二效产水量和总产水量随时间变化曲线如图2所示。

    由图2可见，在试验测试期间，装置的第一、二效的产水量及总产水量随运行时间延长而增加，第一效产水速率大于第二效产水速率，且各效产水速率由最初随时间快速增加到缓慢增加，最终达到稳定状态。在运行开始时，加热水箱外壁面，苦咸水温度不断升高而蒸发：水蒸气温度高于套管内壁面温度，通过对流和辐射方式将热量传给套管；蒸汽在内壁面上凝结时释放的汽化潜热再次加热了套管外壁面的苦咸水。但是，随着蒸汽与套管换热时间的增加，温差逐渐减小，冷凝效果开始减弱，产水量最终趋于稳定状态。

    3.2定功率加热产水性能试验

    在装置的加热功率恒定为305 W条件下，对装置加热过程及自然冷却过程的各测点温度和对应各效淡水产量进行测量和分析，温度和产水量变化曲线如图3所示。

    由图3可见，在定功率加热下，随加热时间增加，装置中各效温度开始上升很快，随后温升逐渐变缓，最后趋于相对稳定状态。此时，加热水箱水温、各效苦咸水温度和外壳表面温度变化很小，且达到最大值，整个装置内部能量传输达到相对平衡状态。当加热装置断电后，各效苦咸水及壁面温度急速下降，随着时间的推移，温度减小幅度变缓。

    装置的淡水产量变化趋势与温度变化趋势相似，各效产水速率开始增加很快，随着运行时间的延长，淡水产量逐渐变缓，直到增幅变小并趋于稳定。装置稳态运行时，淡水产量为0.39 kg/h，其性能系数为0.84。当装置断电后，由于没有外界热能的输入，装置的热量主要来自于加热水箱中介质的自身热容，所以各效苦咸水温度急剧下降，而且各效的蒸发温度与冷凝温度之差也变小，导致装置产水速率下降。

    实验表明，装置的产水速率与套管外壁苦咸水温度、各效蒸发冷凝温差及蒸发面积有关。苦咸水温度越高，蒸发传热速率就越大，产水速率就越大；苦咸水与套管内壁温差越大，苦咸水与套管内壁之水蒸气密度差就越大，蒸发传质速率就越大，装置的产水速率就增大。

    3.3定运行温度产水性能试验

    试验中，将加热水箱温度设定为装置运行温度，改变进料苦咸水流量，研究运行温度和进水流量对装置产水性能的影响。装置运行温度分别设定为50，55，60，65，70，75，80 0C，并保持稳定运行状态2h。试验在密闭室内进行，室温约为18℃。装置产水速率随运行温度和苦咸水流量变化曲线如图4所示。

    从图4中可以看出，装置的淡水产量随着运行温度的升高而增大，随着进入装置苦咸水流量的减小而增大。增大苦咸水进入量，会增加浓盐水带走的显热，导致竖管壁面上下温差减小，从而使苦咸水与套管内壁面之间的传热驱动力减小，装置的淡水产量就会下降。

    3.4装置室外运行产水性能试验

    在室外试验中，太阳能集热器提供苦咸水淡化的热源，驱动装置生产淡水。淡化装置与太阳能集热器相连，太阳能集热器集热面积为1.85 m2，以自然循环运行。试验期间对太阳辐照度、装置各效淡水产量进行了测量（图5）。

    图5显示，装置淡水产量与太阳辐照度变化趋势一致，随着太阳辐照度的变化，第一效和第二效淡水产量的差值逐渐减小。这是因为随着辐照度增加，加热水箱外壁苦咸水与套管内壁的温差小于套管外壁苦咸水与外壳的温差，淡水产量的差值随之变小。从装置启动到运行稳定大约需2h，最大淡水产量为1.25 kg/h。

    4结论

    本文提出了一种新型两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置，对其进行了室内及室外试验测

试．对装置产水量和温度变化进行了分析。研究结果表明，该两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置具有较好的产水性能，在运行中，成功回收了蒸汽的凝结潜热，装置热惰性较小，冷凝面积始终大于蒸发面积，有利于提高系统的蒸发速率和淡水产量。

    在瞬态运行产水实验中，装置内两效的产淡水速率均随时间呈现先增大后减小的趋势：在定功率加热过程中，装置运行3h左右产水量达到稳定，蒸发冷凝温差对装置淡水产量影响较大。在输入功率为305 W时，装置的性能系数达到0.84。在运行温度恒定的试验中，装置淡水产量随苦咸水质量流量的增加而减小，当苦咸水质量流量为18.5 g/h时，运行温度为80 0C的淡水产量比运行温度为50 oC的淡水产量增加了77.1%。在室外试验中，淡水产量随输入能量变化的试验结果与室内试验结果趋势一致，淡水产量最大为1.25kg/h。如果对装置运行参数进行优化，两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置的性能还会有所提高。

    5摘要：

    提出了一种新型两效竖管式太阳能苦咸水淡化装置，介绍了该装置的结构和运行原理，对其性能进行了试验研究和分析，给出了装置在室内电加热试验中各测点温度变化曲线、淡水产量和室外测试结果，计算了装置在室内测试条件下的性能参数GOR。试验结果表明：在室内测试巾，该装置在加热功率为305 W的条件下，淡水产量为0.39 kg/h，其性能系数为0.84；在室外试验中，该装置的淡水产量可以达到1.25 kg/h。