太阳能雾化脱盐系统热能利用率的研究

张大帅，费学宁，2，苏润西，苑宏英，姜远光

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384；2.天津大学化工学院，天津300072）

太阳能雾化脱盐系统热能利用率的研究

张大帅1，费学宁1，2，苏润西1，苑宏英1，姜远光1

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384；2.天津大学化工学院，天津300072）

在构建太阳能雾化脱盐系统的基础上对该系统处理浓盐水的热能利用率进行了研究，考察了辐照值、空气流量、气水比等因素对系统热能利用率的影响。结果表明，系统的热能利用率随着辐照值的升高呈现减小趋势，随着气水比、空气流量的增大呈现先增大后减小的趋势。系统的热能利用率与空气流量存在二次抛物线关系。

太阳能；喷雾蒸发；浓盐水；热能利用率

随着海水淡化产业和各种工业的发展，浓盐水的产生量不断增加。若将浓盐水不经处理直接排放，会对环境水体造成危害〔1-6〕，因此需要对浓盐水进行处理。近年来，使用热源处理浓盐水得到了广泛的关注〔7-9〕。随着煤炭资源的减少及其环境污染问题，采用清洁环保的太阳能作为新的热源成为解决能源危机及处理环境问题的新方法〔10〕。

为了实现节能减排的目的，本研究采用太阳能集热技术〔11-14〕与喷雾蒸发技术〔15-18〕相耦合的太阳能雾化脱盐系统〔19〕处理浓盐水。由于热能利用率直接关系到该系统的运行效率和投资成本，因此本研究对影响热能利用率的主要因素进行了研究，确定了热能利用率最高时的工况条件，旨在为太阳能雾化脱盐系统处理浓盐水提供技术参考。

1 方法与材料

1.1 基本原理

太阳能雾化脱盐系统是由太阳能集热系统和喷雾系统共同构成。其处理浓盐水的基本原理是太阳能聚光器将太阳光聚集至具有选择性涂层的真空玻璃管中，将太阳能转化为热能，对经漩涡气泵进入太阳能集热系统玻璃管内的空气进行加热，使之具有较高的热能；热空气流出太阳能集热系统进入喷雾蒸发塔中，塔内雾化器将浓盐水雾化成较小的颗粒从顶部喷出，热空气从喷雾塔底部吹入，雾滴和热空气在塔中充分接触，雾滴吸收大量的热能后迅速蒸发，从而使盐和水迅速分离。其原理如图1所示。

图1 槽式太阳能喷雾系统原理图

1.2 测定方法

辐照值采用MS-802日射强度计进行测定，空气温度采用WTQ-280压力式指示温度计进行测定，空气流量采用22B-50玻璃转子流量计（气）进行测定，液体流量采用LZB-6F玻璃转子流量计（液）进行测定。

2 结果与讨论

2.1 试验场地日辐照监测结果分析

太阳辐照值是指太阳辐射经过大气层的吸收、散射、反射等作用后到达地球表面上单位面积单位时间内的辐射能量，太阳辐照值受气象因素的制约并和区域纬度有一定的关系。本试验记录了7月份试验区的太阳辐照值，结果表明，辐照值在1 d中的变化呈现出抛物线的形状，从6点到13点辐照值逐渐增大，从13点到19点辐照值逐渐减小，并在13点左右辐照值达到最高。辐照值从8点30分到16点30分可以维持在500W/m2以上，从11点到14点可以维持在800W/m2以上，最高辐照值能达到950W/m2，说明在1 d中太阳能够提供稳定且较高的辐射能。

2.2 太阳能集热系统热能利用率研究

槽式太阳能集热系统的热能利用率是流动工质所吸收的有用热量与槽式反射集热装置接受的太阳辐射能之比〔20〕。影响槽式太阳能集热系统热能利用率的主要因素为辐照值和空气流量。集热系统的热能利用率计算公式如下：

式中：Cρ——空气定压比热容，取空气温度为300K，Cρ=1.005 kJ/（kg·℃）；

ρ——空气密度，取空气温度为298.15 K，ρ= 1.169 kg/m3；

QV——空气流量，m3/h；

T2——太阳能集热系统出口温度，℃；

T1——太阳能集热系统进口温度，℃；

A——太阳能集热系统面积，取A=28.8m2；

Ib——太阳辐照值，W/m2。

2.2.1 辐照值的影响

本试验环境温度为30℃，采用1 500W风机向太阳能集热器通入空气，分别设定空气流量为44、56、60、68m3/h，考察不同空气流量下太阳辐照值与热能利用率的关系，结果如图2所示。

图2 不同空气流量下太阳辐照值与热能利用率的关系

由图2可知，集热系统的热能利用率随着辐照值的升高呈现减小的趋势。随着太阳辐照值的升高，热损失逐渐增大，有效能逐渐减小，导致热能利用率下降〔21〕。虽然热能利用率呈现下降的趋势，但下降幅度在10%以内，说明该系统的集热性能比较稳定。

2.2.2 空气流量的影响

在辐照值分别为500、600、700、800W/m2的条件下，改变空气流量，考察空气流量与热能利用率的关系，结果如图3所示。

图3 不同辐照值下空气流量与热能利用率的关系

由图3可知，在不同的辐照值下，热能利用率与空气流量呈二次抛物线的关系。当空气流量较小时，热能利用率随着空气流量的增加而增加；当空气流量较大时，热能利用率随着空气流量的增加而减小。这是由于在太阳能集热装置提供的热量一定时，需要有足够的介质（空气）进行能量交换，因此当空气流量较小时，热能利用率会随着空气流量的增加而增大。而当空气流量较大时即空气流速较大，空气在集热装置内不能充分地进行热交换，使得热能利用率降低。太阳能集热系统热能利用率及最适空气流量也因辐照值的不同而不同，不同辐照值下集热系统的热能利用效率达到最高时，所对应的最适空气流量及出口温度如表1所示。

表1 太阳能集热器参数关系

2.3 浓盐水喷雾系统热能利用率研究

根据物料守恒与能量守恒定律，忽略能量损失，浓盐水喷雾系统中的能量关系为Q1+Q2=Q3+Q4+Q5，其中Q1为热空气的能量，Q2为浓盐水的能量，Q3为浓缩液的能量，Q4为雾滴蒸发消耗热量，Q5为水蒸气的能量。雾化脱盐塔的热能利用率计算公式如下：

式中：q供——液体雾滴蒸发所需能量，kJ；

cg——空气的比热容，kJ/（kg·℃）；

m——热空气的质量，kg；

Ta——环境空气温度，℃；

Tg，in——脱盐塔进口处的热空气温度，℃。

在太阳能集热系统的热能利用率达到最高时，影响浓盐水喷雾系统热能利用率的主要因素为气水比（单位时间内进入塔内的热空气的体积与进入塔内被处理液体的体积比）。为此，在不同辐照值下太阳能集热系统热能利用率达到最高的条件下，改变喷雾系统的气水比（在控制热空气流量不变的情况下，通过改变雾化液体量来改变气水比），考察气水比对喷雾系统热能利用率的影响，结果如图4所示。

图4 气水比对喷雾系统热能利用率的影响

由图4可知，在不同的辐照值下喷雾系统热能利用率随着气水比的增大呈现先增大后减小的趋势。当气水比较小时，喷雾系统的热能利用率较低，其原因是一方面热空气供给雾滴蒸发所需热量不足，雾滴不能完全蒸发，其吸收的热能转化为潜化热（在某一温度下，使单位质量的气体液化所需要的热量）随浓缩液流出；另一方面热空气风速较低，部分水蒸气没有被吹离喷雾塔，使得喷雾系统热能利用效率低。随着气水比的增大，即雾化液体量的减小，热空气不断给雾滴提供蒸发潜热，使蒸发效果越来越充分，喷雾系统的热能利用率增大。当气水比较大时，喷雾系统的热能利用率随气水比的增大而降低，其原因是一方面热空气提供的热量超过雾化所需的热量；另一个方面热空气风速较高，雾化液体与热空气在喷雾系统内不能进行充分反应。

2.4 太阳能雾化脱盐系统的热能利用率研究

太阳能雾化脱盐系统的热能利用率=太阳能热能利用率×雾化系统热能利用率，应用该公式得到系统热能利用率随时间的变化关系，如图5所示。

图5 1 d内太阳能雾化脱盐系统的热能利用率

由图5可知，无论太阳能的辐照高低与否，太阳能雾化脱盐系统的热能利用率最终都能够稳定在30%左右，并且在12点到15点之间的热能利用率最高。

在系统热能利用率最高时即热空气流量为60 m3/h，浓盐水进料流量为30 L/h，太阳能辐照值为800W/m2，进行了不同浓度浓盐水的喷雾蒸发试验。喷蒸后回收的冷凝水的盐浓度变化情况见图6。

图6 冷凝水盐浓度分布

由图6可知，冷凝水含盐浓度随着浓盐水浓度的增加逐渐上升。当浓盐水质量浓度＜20 g/L时，冷凝水含盐质量浓度在1 000mg/L内逐渐上升；当浓盐水质量浓度＞20 g/L时，冷凝水含盐质量浓度＞1 000mg/L。但浓盐水浓度的升高对冷凝水盐浓度升高的影响并不十分明显。在喷雾蒸发过程中，雾滴与热空气充分接触并进行热量交换，雾滴充分吸收热量并转化成水蒸气、盐粒和未被蒸发的盐水颗粒，水蒸气被热空气气流吹进冷凝塔冷凝成为淡水，未被完全蒸发的盐水颗粒汇聚成较大粒径的盐水滴，在重力作用下沉至浓缩液收集器，而盐粒则分成两部分移动，大部分随着盐水滴下沉至浓缩液收集器，少部分盐粒被热空气吹进冷凝塔，从而导致回收淡水浓度升高。

3 结论

太阳能雾化脱盐系统热能利用率研究结果表明：

（1）在不同的空气流量下，集热系统热能利用率均随着辐照值的升高呈现减小的趋势，但减小的幅度在10%以内，说明槽式集热系统的集热性能比较稳定。

（2）不同辐照值下，空气流量与集热系统热能利用率存在二次抛物线关系，当辐照值分别为500、600、700、800W/m2，集热系统中的空气流量分别为62.00、59.25、58.43、57.60m3/h时，集热系统的热能利用率最大，分别为48.16%、40.54%、34.17%、28.23%。

（3）在集热系统的热能利用率达到最大时，喷雾系统热能利用率随着气水比的增大呈现先增大后减小的趋势。

（4）太阳能雾化脱盐系统在1 d内能够保证其热能利用率稳定在30%左右，并且在12点到15点之间的热能利用率最高。

［1］陈航，王跃伟.环渤海地区海水淡化对海洋环境的影响分析［J］.海洋信息，2012（1）：40-43.

［2］申屠青春，董双林，赵文，等.盐度、碱度对浮游生物和水化因子的影响［J］.应用生态学报，2000，11（3）：449-454.

［3］聂利红，刘宪斌，田胜艳，等.海水淡化高盐度尾液排放对海洋生态系统的影响［J］.盐业与化工，2008，37（5）：50-53.

［4］李易.浓盐水对锦州湾海域的影响预测［J］.气象与环境学报，2006，22（2）：30-33.

［5］Hashim A，HajjajM.Impact of desalination plants fluid effluents on the integrity of seawater，with the Arabian Gulf in perspective［J］. Desalination，2005，182（1/2/3）：373-393.

［6］黄逸君，陈全震，曾江宁，等.海水淡化排放的高盐废水对海洋生态环境的影响［J］.海洋学研究，2009，27（3）：103-110.

［7］蔡月圆，费学宁，苑宏英，等.浓盐水处理技术研究进展［J］.环境科学与管理，2013，38（4）：93-98.

［8］陈志莉.热法太阳能海水淡化技术及系统研究［D］.重庆：重庆大学，2009.

［9］黄冬梅，吕玉娟，朱伟，等.膜法及热法海水淡化处理工艺在燃煤电厂中的应用［J］.科协论坛，2011（10）：35-36.

［10］高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势［J］.世界科技研究与发展，2001，23（4）：35-39.

［11］闫毅，陈丽梅，袁月明.太阳能集热系统在国外的发展及在我国乡村住宅中的应用技术［J］.宁夏农林科技，2010（6）：83-84.

［12］徐显波.抛物槽式太阳能集热系统的应用和研究［D］.兰州：兰州大学，2010.

［13］Odeh SD，Morrison G L，Behnia M，etal.Modelling of parabolic trough direct steam generation solar collectors［J］.Solar Energy，1998，62（6）：395-406.

［14］Harris JA，Lenz T G.Thermal performance of solar concentrator/ cavity receiver systems［J］.SolarEnergy，1985，34（2）：135-142.

［15］成怀刚，高从堦.喷雾蒸发海水淡化技术研究进展［J］.现代化工，2008，28（6）：19-22.

［16］侯经纬.喷雾蒸发-低温蒸馏集成海水淡化设备研究［D］.青岛：中国海洋大学，2010.

［17］Tsiourtis N.Desalination and the environment［J］.Desalination，2001，138（1/2/3）：1.

［18］Sommerfeld M，Qiu H H.Experimental studies of spray evaporation in turbulent flow［J］.International Journalof Heatand Fluid Flow，1998，19（1）：10-22.

［19］陈磊，费学宁，季民，等.喷雾蒸发处理浓盐水分离效率研究［J］.中国给水排水，2015，31（5）：96-99.

［20］周希正，李明，项明，等.太阳能槽式聚光集热系统的热效率研究［J］.能源研究与管理，2009（2）：14-17.

［21］李存霖，黄静，娄清辉，等.太阳能集热器性能的模拟［J］.电力与能源，2013，34（1）：85-87.

Study on the heatenergy utilization rate of the solar energy pulverization desalination system

Zhang Dashuai1，FeiXuening1，2，Su Runxi1，Yuan Hongying1，Jiang Yuanguang1
（1.SchoolofEnvironmentaland MunicipalEngineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.SchoolofChemical Engineeringand Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Based on the establishmentof solar energy pulverization desalination system，the heatenergy utilization rate of concentrated brine treated by this system has been studied.The influences of the factors，such as irradiation values，air flow，gas water ratio，etc.on the heat energy utilization of the system are investigated.The results show that the heatenergy utilization rateof the system presents a tendency ofdecreasewith the increase of irradiation values；and theheatenergy utilizationofthe system also presentsa tendency of increase first，and then decrease，with the increaseofgaswater ratio，and air flow.There isaquadratic parabolic relationship between theheatenergyutilization rateof thesystem and theair flow.

solarenergy；spray evaporation；concentrated brine；heatenergy utilization

X522；X703

A

1005-829X（2016）06-0050-04

张大帅（1989—），硕士。电话：15822021979，E-mail：dashuaizhang888@163.com。

2016-03-22（修改稿）

天津市科技计划项目（13ZCZDGX03100）