集约化多级回热式太阳能海水淡化装置

肖红升， 刘振华， 陈振玉， 夏 宁

（1.南通职业大学 机械工程学院，江苏南通226007；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240；3.桑夏太阳能股份有限公司，江苏南通226301；4.江苏省光热组件及控制工程技术研究中心，江苏南通226301）

利用太阳能进行海水淡化，其能量利用方式有2种［1］：一是利用太阳能产生的热能来驱动的海水相变（即蒸馏）；二是利用太阳能发电来驱动的电渗析.太阳能海水淡化蒸馏装置按有无其他外部能量加入分为主动式和被动式2大类.主动式装置须使用真空泵使系统压力保持负压，整个系统结构庞大、造价昂贵、运行复杂［2］.被动式装置不存在任何利用电能驱动的元件，但传统的被动式太阳能海水淡化蒸馏装置的产水量低，原因有3点：一是水蒸气的凝结潜热未被重新利用；二是传统太阳能海水淡化蒸馏装置中自然对流的换热模式大大限制了蒸馏器热性能的提高；三是待蒸发的海水热容量太大，限制了运行温度的提高，从而减弱了蒸发的效果.被动式装置虽然效率比较低，但它相对主动式装置造价便宜、结构简单，在小规模淡水生产方面具有更强的竞争力［3－4］.

针对现有太阳能海水淡化技术的不足，笔者设计了一种新颖的小型集约化的多级回热式真空玻璃管太阳能海水淡化装置［5］，将常规太阳能真空管集热器和蒸发／冷凝装置合为一体，装置在正压和常压下运行，省去真空泵，只需要一些控制阀.利用系统各级工作温度的不同逐级降温回热来加强蒸汽凝结潜热的回收利用，提高回热效率，从而达到简化结构、提高制水量和能量利用率的目的.

1 集约化多级回热式太阳能海水淡化装置的设计与工作原理

集约化多级回热式太阳能海水淡化装置（如图1所示）由多个集热单元组成，第一级只有集热单元，后续的各级有集热／回热单元，各级间由管道串联，末级集热单元后面连接冷却蒸发池.太阳能的集热、海水的蒸发和冷凝回热都在全玻璃真空太阳集热管中进行.为了加强对太阳能的吸收，在集热管外面设置了简易CPC聚光板.该海水淡化装置的第一级集热管内没有套管型换热管，后面的各级集热管中均设有冷凝回热用的套管型换热管.从第二级开始，集热器和换热／冷凝回热器合为一体.

在整个装置中，各级的集热蒸发管内的工作压力通过压力平衡管保持与对应的各级海水箱压力动态相等，海水箱依靠水位差为集热蒸发管自动补充新鲜海水.海水箱为水平大口径圆管，可以很好地维持集热蒸发管内的水位高度.各级海水箱内海水由一个海水泵一次性打入，其供水机理和自来水水塔相同.最后海水箱上半部蒸汽腔装有溢流管和限压阀，用来控制和稳定海水箱内的蒸汽压力与对应各级集热蒸发管内的工作压力相同，以此来保证海水箱能正常供水.

图1 太阳能海水淡化装置整体结构图Fig.1 Structural diagram of the solar seawater desalination system

图2为集热单元结构.在全玻璃真空太阳集热管上部装有不锈钢丝网型汽液分离器，用来避免蒸汽中携带海水.虽然根据集热功率和集热面积可以推论各个换热面上的蒸发换热均属于对流蒸发，不会出现沸腾现象，但还是加装汽液分离器以保证出水品质.

图2 集热单元剖视图Fig.2 Profile of the heat collecting unit

表1给出了集热单元各部分的主要尺寸参数.每个集热单元内包括1个简易CPC聚光板（非追踪式复合抛物面聚光板），1 个全玻璃真空太阳集热管，安装在集热管内的1根套管型换热管，1个调压阀和1个供水箱.第一级由于没有回热过程，集热管内不安装换热管.对裸露的管路和供水箱进行保温处理.

表1 集热单元各部分几何尺寸Tab.1 Geometric dimension for each part of the collecting unit

本装置能够实现高温集热的核心是简易CPC聚光板.所采用的简易CPC聚光板去掉了常规的渐开线尖状凸起，代之以平缓的弧线直接相连，同时截短了常规CPC 聚光板上部的聚光面.简易CPC 聚光板的构造和尺寸如图3所示.这种无渐开线尖状凸起的简易CPC聚光板较常规的CPC 聚光板光学效率仅下降10%［6］.

图3 简易CPC聚光板的构造图Fig.3 Structural diagram of the simplified CPC

对改进型多级闪蒸海水淡化系统（MFS－E）的研究表明：闪蒸级数、引到下一级的蒸汽占本级闪蒸蒸汽的份额（即引出份额）、级间递减温度是影响造水比的重要因素，增大引出份额能显著增大造水比［7］.

在常压下，海水的沸点约为100.5℃，海水蒸发约需2 281kJ／kg的热量，蒸汽在凝结成水时可以放出同样的热量.淡化装置分4级，从第一级到第四级的蒸汽压力和对应的饱和蒸汽温度是逐级递减的.第一级最高饱和蒸汽温度设定在130 ℃，上一级集热管中产生的蒸汽的温度高于下一级10K 左右，第四级集热管中产生的蒸汽的温度约为100℃.由于各级间蒸汽温差和压力差的存在，上一级蒸汽自动向下一级流动，上一级集热单元中产生的蒸汽在下一级集热单元中被冷凝的同时，就可以把热量传递给下一级中的海水使其加热，使得高温蒸汽的汽化潜热被充分利用.下一级集热管中的海水同时又受到太阳辐射加热而蒸发，在2种热量的加热下，下一级将比上一级产生更多的蒸汽.然后下一级产生的蒸汽又能把热量传递给再下一级的海水.理论上，如果没有热量损失和温差损失，这种回热换热法可使制水效率达到无穷大.从热力学原理上讲，不同的蒸汽压力对应着不同的饱和蒸汽温度，实现多效回热的关键是控制好每级回热器的工作压力.本装置中的各级压力均由调压阀控制.

各级蒸汽压力的调节可通过2种方式实现：即自由压力波动方式和稳定压力设定方式.对于自由压力波动方式，通过调节各级调压阀，使第一级集热单元内的蒸汽温度保持在130 ℃，以后每级递减10 K.由于第四级与大气直接相连，故第四级的温度在100 ℃左右，然后保持调节阀开度不再变化.此时的温差即为各级集热单元最大温差，实际工作中各级蒸汽压力和温度会随辐射强度而相应变化.稳定压力设定方式是将各级的蒸汽压力和温度基本保持稳定，这种方法须使用自动压力调节阀，使第一级集热单元内的蒸汽温度保持在130 ℃，以后每级递减10K.

2 2种蒸汽压力调节方式的比较

2.1 压力调节方式对系统性能的影响

图4（a）和图4（b）分别给出了夏季晴天太阳辐照强度基本相同时，自由压力波动和稳定压力设定这2种调节方式下的海水淡化装置各级蒸汽温度、各级集热单元的全玻璃真空太阳集热管内管温度（简称内管温度）、各级集热单元的全玻璃真空太阳集热管内套管外管外壁面温度（简称套管外壁温度）的经时变化曲线.由图4可以看出，在上午，2 种调节方式下各集热单元中的存水处于加热汽化阶段，还没有蒸汽产生.在10点左右，各级水温达到100℃以上，水蒸气开始产生.在中午时，各级压力和温度达到最大设定值.对于自由压力波动系统，随着时间的推移，各级之间的温差和压差不断扩大，这是由于在中午时太阳辐射强度最高，全玻璃真空太阳集热管的集热功率最大，产生水蒸气的量最多，水蒸气的流速大到足够产生设定压差.而当下午太阳辐射强度逐渐降低时，水蒸气的流速减慢，两级之间的压差也就随之减小.实验中还发现，尽管太阳辐射强度逐渐降低，但各级间始终都能存在一定的压差和温差，以保证蒸汽在单元内的冷凝回热换热要求.对于稳定压力设定系统，在中午大约150 min内各级蒸汽温度能够保持基本稳定，当下午太阳辐射强度逐渐降低时，各级蒸汽温度迅速降低，温度变化与自由压力波动系统十分接近.

由图4还可以看出，各级蒸汽和全玻璃真空太阳集热管内管壁、套管外壁的温差实验数据都在2～3K 左右，各蒸发传热面（即各级单元玻璃内管壁和套管外壁）的最大热流密度不超过3kW／m2，由此推算各蒸发传热面上的换热模式是满液型自然对流蒸发，海水沉浸在玻璃管内，蒸汽只在海水液面产生，海水液滴携带量应该远小于降膜式海水淡化器.

图4 晴天不同压力调节方式下各单元温度经时变化曲线Fig.4 Temperature variation of each unit on a sunny day by two different pressure adjusting methods

2.2 压力调节方式对制水量的影响

图5 给出了自由压力波动和稳定压力设定2种不同调节方式下的淡化装置制水量.从图5可以看出，稳定压力设定方式下的制水量比自由压力波动方式下的制水量略高一些.理论上讲，采用稳定压力设定方式时，各级蒸汽温度稳定，回热温差较大，回热效率高，基本可以稳定在100%.而采用自由压力波动方式时，各级蒸汽温度不稳定，回热效率低一些.从实验数据可以发现，采用自由压力波动方式时制水量比采用稳定压力设定方式低一些，全天低10%左右.

图5 不同压力调节方式下系统的制水量Fig.5 Freshwater yield by different pressure adjusting methods

稳定压力设定需要昂贵的自动压力调节阀，而淡水制水量仅高10%左右，故装置使用自由压力波动调节方式性价比高，更具有可行性.

3 最高集热温度的选定

3.1 最高集热温度对制水量的影响

图6给出了最高集热温度分别为130 ℃和160℃时装置淡水制水量的经时变化数据.对应于最高集热温度从高到低的变化，瞬间最大制水量分别达到2.138kg／（h·m2）和1.982kg／（h·m2），全天制水量分别达到8.246kg／m2和7.869kg／m2，最高集热温度为160℃时的全天制水量要比最高集热温度为130℃时高出4.8%.2种调节方式下的制水量相差不大，这说明本装置的回热器设计比较合理，在温差较小时回热效率依然较高.本装置的回热温差设计为5K，并留有一定余地.从实验结果来看，如果假定最高集热温度160℃时的全天平均回热效率达到100%，则最高集热温度130 ℃时的全天平均回热效率可以达到92%左右.

图6 最高集热温度为160 ℃和130 ℃时的系统制水量Fig.6 Freshwater yield of the system respectively at the maximum collecting temperature of 160 ℃and 130 ℃

3.2 最高集热温度对装置的影响

130 ℃的饱和蒸汽对应的压力为0.270 MPa，160 ℃的饱和蒸汽对应的压力为0.619 MPa.全玻璃真空太阳集热管的管内承压为0.6 MPa，较高的集热温度将影响集热管的寿命.集热管口的内外层为硼硅玻璃，本装置采用橡皮塞密封连接，装置工作过程中较高的蒸汽压力会影响密封的有效性和增加密封部位的复杂性，故装置设定的最高温度优选130 ℃.

4 装置的性能参数

4.1 制水性能系数

海水淡化装置的制水性能系数（Pr）是表征这类装置总体回热性能的重要指标，它实际上是制水消耗总功率与外部输入功率之比.无回热时，Pr等于1，制水性能系数越大，表明系统回热换热量越多.本装置理论制水性能系数为2.5.

4.2 系统制水总效率

系统制水总效率被定义为海水淡化消耗的总功率和CPC接收太阳能辐射功率之比，由于有回热效应，这个比值可以大于1.

式中：Gm为每秒制水量；Δh为蒸汽与过冷水间的焓差；AG为一个CPC聚光板的采光面积；n为CPC聚光板数量；Gb则代表垂直射向CPC 聚光板的太阳辐射强度.

图7给出了各实验条件下系统制水总效率随时间的变化，同时也给出对应的太阳辐射强度的变化.由图7可以看出，在初冬，系统的制水总效率最高可以达到0.8 左右，而在夏天系统的制水总效率超过1.

图7 各实验条件下系统制水总效率随时间的变化Fig.7 Variation of total system efficiency with time under different experimental conditions

5 结 论

（1）集约化多级回热式太阳能海水淡化装置的蒸汽压力控制方式宜采用自由压力波动方式，其最高集热温度设定130 ℃.

（2）4个集热单元组成回热式太阳能海水淡化装置（采光面积2.31m2，占地面积约2.15m2），制水量最高可达到1.982kg／（h·m2），全天制水量可达到7.869kg／m2，制水性能系数最高可达2.5左右，总效率最高可达1.35左右，系统集热效率可达0.4左右.

（3）关于可能存在的海水温度的升高致使装置结垢和结垢后对淡化性能的影响，因实验时间的短期性未充分显现而未述及，这是下一步将要研究的重要内容.

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