一种新型多级满液型蒸发回热式太阳能海水淡化系统研究

桑夏太阳能股份有限公司 ■ 邵志雄 赵峰 夏宁

0 引言

太阳能海水淡化是人类太阳能开发利用中的一个重要内容。早在19世纪60年代，Lavoisier就已把一个大型的透镜安装在架子上，用来积聚阳光，从而进行海水蒸馏[1]。而Mouchot则是用一种玻璃反射镜聚焦阳光，进行太阳能海水蒸馏[2]。大型太阳能海水淡化装置的出现是在19世纪80年代，由瑞典科学家Wilson于智利研制成功，该装置是一种顶棚式太阳能蒸馏装置，结构并不复杂[3]。到了20世纪初期，科学家不再使用传统的普通反光镜，开始使用球面反射镜聚光，进行太阳能蒸馏实验[2]。太阳能海水淡化技术在最近几十年得到了实质性发展，诸多技术日趋成熟并形成了产业[4,5]。

太阳能在海水淡化技术中的应用主要分两种形式：一种是直接利用太阳能作为热源，对海水进行蒸馏，然后对蒸汽冷凝得到淡水；另一种是间接形式，将太阳能与传统的海水淡化技术(如反渗透法、电渗析法、加湿除湿循环等)相结合生产淡水[6-8]。与后者相比，前者由于低廉的成本和简易的装置，在小规模淡水生产方面具有更强的竞争力[9]。

目前，传统的太阳能海水淡化装置的集热装置和蒸发/冷凝装置是分离的，集热器仅起到一个热源供给作用，装置热能利用效率较低，尤其是水蒸气的凝结潜热未被高效、充分地利用。与此同时，集热系统的集热温度一般处于100 ℃以下，需使用真空泵来维持负压工况，从而使整个系统结构庞大、造价昂贵、运行复杂，不适合小型化运行[10,11]。

本研究提出了一种新型多级满液型蒸发回热式的玻璃真空管太阳能海水淡化装置，将太阳能集热器(CPC和玻璃真空管)和蒸发/冷凝装置(海水箱)通过热管有效地联接起来，合为一体。装置在正压和常压下运行，省去真空泵，只需通过一些压力控制阀，利用系统各级工作温度的不同，逐级降温回热来加强蒸汽的凝结潜热的回收利用，提高回热效率，从而达到简化结构，提高制水率和能量利用率的目的。通过模拟系统运行实验发现，实验系统各项性能指标都达到设计要求，为实际装置的开发提供了设计参考。

1 实验装置

海水淡化装置主要由CPC(复合抛物面聚光器)、全玻璃真空集热管、热管、不锈钢丝网、回热盘管、海水箱、加热管、蒸汽出汽管、减压阀和冷凝管等部件组成。

整个装置分为7级，共包含14个集热单元，7级系统各级连接关系如图1所示。各级之间接有压力调节阀，第1级包含8个集热单元，第2～7级各级只包含1个集热单元，上一级产生的蒸汽通过回热管把潜热释放给下一级的海水，如此进行下去；最后一级，即第7级的出口，所有的气液混合物进入到空冷换热器中，与空气换热后，充分冷却成为过冷水。

第1级的8个集热单元中，海水箱加热管外均未安装回热盘管，第1级的集热单元结构如图2a所示。装置从第2级开始，在加热管外均盘绕回热管，用于回收上一级蒸汽的汽化潜热。后面6级单元的结构和第1级基本相同，区别只在于加热管外增加了回热盘管。后6级单元结构如图2b所示。

图1 7级14个集热单元系统各级连接关系图

每个单元集热部分由CPC、全玻璃真空集热管、不锈钢丝网及热管组成，热管将所集热量高效传递到海水淡化箱对海水进行加热。表1为集热装置主要尺寸参数。CPC具有很好的聚光效果[12-15]，但大型标准CPC加工复杂，成本过高。本研究采用的简化式CPC去掉了原有的底部渐开线形褶皱突起，代之以平缓的弧线直接相连，同时也去掉了标准CPC上部大部分聚光面[16]。

图2 第1级及第2～7级集热单元结构示意图

表1 CPC集热装置的性能参数

实验装置实物图如图3所示。实验过程中各级蒸汽温度或蒸汽压力差通过一次性调节压力阀完成。在中午太阳辐照度最强时间段内调节压力阀，使第1级集热单元内蒸汽温度保持在150 ℃，以后每级递减约8 ℃。由于第7级和大气直接相接，故第7级的温度约为100 ℃，然后压力调节阀开度不再变化。这个温差即是各级集热单元最大温差，实验过程中各级蒸汽压力和温度随辐照度随时变化。在热管的蒸发端、绝热端及冷凝端均布置有热电偶测量热管各部分温度；在各级海水箱蒸汽出口处均布置热电偶测量各级海水箱蒸汽温度；同时，在第2～7级回热管进出口均布置有热电偶测量回热蒸汽温度。

图3 7级太阳能海水淡化系统实物图

2 实验结果及分析

本文着重介绍了2014年冬季几组代表性实验数据，分别从系统各级温差、系统制水性能及系统效率等方面进行分析。

2.1 系统各级之间温差分析

系统各级之间的温差即是系统各级蒸汽温度之差，整个系统便是依靠各级之间的温差，即压差被动式运行，因此，了解各级之间蒸汽的温度至关重要。图4为冬季晴天条件下系统各级蒸汽温度经时变化情况，图5为冬季多云条件下系统各级蒸汽温度经时变化情况。

从图4、图5中可以看出，整个系统在晴天及多云条件下均能正常工作，但是晴天条件下各级蒸汽温度波动较小，多云条件下各级蒸汽温度波动较明显，说明蒸汽温度受太阳辐照度影响较明显。

图4 冬季晴天条件下各级蒸汽温度经时变化

图5 冬季多云条件下各级蒸汽温度经时变化

装置各级在11:30左右开始有蒸汽产生，过了正午，随着时间的推移，每级之间的温差及压差不断缩小，这是由于在中午时太阳辐照度最高、集热功率最大、产生水蒸气量最多，体现为装置内水蒸气流速大，而调节阀两端的压力差随着流过阀门工质流速的加快而增大。当下午太阳辐照度慢慢降低时，装置内水蒸气的流速减慢，两级之间温差及压力差缩小。

2.2 系统制水性能分析

2.2.1 第1级全天单位集热面积制水量

图6给出了5天的第1级全天单位集热面积制水量及平均太阳辐照度(由大到小排列)。由于第1级海水箱加热管外未盘绕回热管，即第1级制水量只是通过CPC的有效集热产生，无回热参与。

图6 第1级全天单位集热面积制水量与平均太阳辐照度

由图6可知，第1级全天单位集热面积制水量与平均太阳辐照度有着密切关系，随着太阳辐照度的降低，第1级全天单位集热面积制水量也随之减少。第1级在冬季全天单位集热面积制水量最高可达1.64 kg/m2。

2.2.2 系统全天单位集热面积制水量

对于太阳能海水淡化装置，全天单位面积制水量是考察装置性能的重要指标，是装置制水能力的直接体现。图7给出了系统全天单位集热面积制水量(按太阳辐照度从大到小排列)。

图7 系统全天单位集热面积制水量与平均太阳辐照度

由图7可知，系统全天单位面积制水量最高可达4.497 kg/m2，与第1级单纯集热产生的淡水量相比有较大提升，这是由于装置多级蒸发回热的作用。系统后6级内均有回热器，海水除受CPC吸收的有效太阳辐射的加热外，还受到回热器中上一级蒸汽的加热，使得系统的制水量得以提升。实验结果表明，该系统回热效果明显，能有效提高系统整体制水量。

2.2.3 系统单位集热面积制水率

图8给出了装置单位集热面积制水率和太阳辐照度经时变化。从图8中可以看出，装置单位面积制水率的变化趋势与太阳辐照度的变化趋势基本一致。该系统一般在11:30左右开始制水；在12:30左右，系统制水率达到最大值；到14:00以后，随着太阳辐照度的降低，制水率也明显下降；到15:00左右，系统停止工作，不再制水。在晴天条件下，单位水平集热面积的制水率最高可达约1.5 kg/(h•m2)，在多云天气最高也可达到约1.35 kg/(h•m2)。由实验数据可知，系统在冬季也表现出较好的性能，相信在夏季高辐照度的条件下，系统会有更优异的性能。

图8 系统单位集热面积制水率和太阳辐照度经时变化

2.2.4 系统制水性能系数

海水淡化装置的制水性能系数是表征此类装置的总体回热性能的重要指标，它实际上是制水消耗总功率和外部输入功率之比，性能系数越大，表明系统回热换热量越多。无回热时制水性能系数等于1，本系统理论制水性能系数是5.5。图9给出了系统实际制水性能系数和太阳辐照度的经时变化。

图9 系统实际制水性能系数和太阳辐照度经时变化

由图9可知，在2014-12-24曲线上，系统实际制水性能系数在12:00～13:30这段时间内随时间变化的幅度较小，基本保持在3以上，在晴天条件下系统实际制水性能系数最高可达到3.4左右；这主要是由于正午太阳辐照度较强，装置各级之间的温差较大，同时蒸汽流速也较大，装置回热性好，所以系统制水性能系数较高。到了下午，特别是14:00～15:00期间，制水性能系数下降较快，主要是由于太阳辐照度明显降低，装置各级之间温差较小，蒸汽流速也较小，装置回热性变差，导致制水性能系数降低。

2.3 系统效率分析

本装置内部加热海水的热量来源有两种：集热和回热。通过对系统集热效率、综合效率及平均回热效率进行分析，可以全面了解装置的集热性能和回热性能。

2.3.1 系统集热效率

系统集热效率瞬时值可用式(1)求得：

式中，Φt,exp为系统集热功率实际瞬时值，可用式(2)求得；ΦCPC为照射到系统全部CPC板上的瞬时辐射功率，可用式(3)求得。

式中，Gm为制水率；h′为修正的汽化潜热，J/g；φ为单纯集热产生的淡水量(除去回热产生的淡水量)占总制水量的比例，可以按单纯制水率除以实际制水率计算；ACPC为CPC的聚光投影面积，m2；n为CPC数量；qr为垂直照射到单个CPC的辐照度，W/m2。

图10给出了系统集热效率及太阳辐照度的经时变化。由图10可知，在11:30～12:30时间段内，系统集热效率维持在较高水平，最高可达0.38左右；而后随着时间的推移，太阳辐照度逐渐下降，每级的温度越来越低，这样装置中用于加热海水的热量减少，集热性能随之变差，故装置的有效集热效率随着太阳辐照度的降低而降低。

图10 系统集热效率及太阳辐照度经时变化

2.3.2 系统综合系数

系统综合系数ηe为：

式中，Φnet为系统综合功率，可由式(5)求得：

由于回热效果，系统综合系数可以大于1。

图11给出了系统综合系数及太阳辐照度的经时变化。由图11可知，在11:30～12:45时间段内，系统综合系数维持在较高水平，最高可达1.3左右，并且综合系数在1以上能维持较长时间；而后随着太阳辐照度的下降，每级的温度越来越低，装置中用于加热海水的热量减少，装置中流动的水蒸气量随之减少，蒸汽流速减小，那么可回收利用的水蒸气的冷凝潜热随之减少，即回热性能降低，故装置综合系数随着太阳辐照度的降低而降低。

图11 系统综合系数及辐照度经时变化

2.3.3 系统全天平均回热效率

本装置加热海水的热量来自两个方面：集热和回热。第1级是没有回热的，因此第1级的全天制水量可近似代表其他各级靠单纯集热产生的淡水量。系统全天制水量减去系统靠单纯集热产生的水量即为系统实际回热产生的淡水量。系统全天平均回热效率是系统全天实际回热产生的淡水量与系统全天理论回热(即回热充分，回热效率为1)制水量的比值，即：

图12给出了系统全天平均回热效率及平均太阳辐照度(按太阳辐照度从大到小排列)。由图12可知，在冬季晴天及多云条件下，系统的回热效率均维持在30%以上，最高可达38.6%，并且系统全天平均回热效率与平均辐照度基本成正比。虽然回热效率比较可观，但是并不理想，这主要受制于目前装置回热管布置不够合理，换热面积虽然很大，但各管都处于同一水平位置，下部管子产生蒸汽直接冲击上部管子，盘管表面的换热机理为受限自然对流，自然对流系数较低，通过对装置进行改进，相信会有更好的回热效果。

图12 系统全天平均回热效率及平均太阳辐照度

3 结论

本文研究设计了一种结构新颖的小型多级满液型蒸发回热式的玻璃真空管太阳能海水淡化装置，制作了一个共7级集热/回热、14个集热单元的实验装置并进行了实际运行实验，考察了系统各级之间温度变化特性、系统全天单位面积制水量、系统单位面积制水率、系统制水性能系数、系统集热效率、系统综合系数，以及系统全天平均回热效率各项性能指标。在冬季晴天及多云条件下，系统都有很好的集热和回热性能，系统单位面积制水量最高可达4.497 kg/m2，系统单位水平集热面积的制水率最高可达1.5 kg/(h•m2)左右，制水性能系数最高可达3.4，集热效率及综合系数分别可高达0.38和1.3，全天平均回热效率也可高达38.6%。系统整体上表现出比较优异的性能。

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