户用多效太阳能苦咸水蒸馏器产水特性研究

侯 静，李瑞晨，朱国鹏，常泽辉，3

（1.内蒙古建筑职业技术学院 建筑设备与自动化学院，内蒙古 呼和浩特 010070； 2.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.内蒙古工业大学 太阳能应用技术工程中心，内蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

管式太阳能盐水蒸馏器是一种常见的太阳能盐水淡化装置。 为了强化横管式太阳能盐水蒸馏器的产水性能，J Tang[1]对该蒸馏器内蒸发面的亲水性进行了改进，使得该蒸馏器的产水速率升高 24.9%，性能系数 GOR 升高 44.4%。 郭卫民[2]构建了横管式太阳能海水蒸馏器CFD 模型，并根据计算结果分析了该蒸馏器的操作压力对自身产水速率的影响，分析结果表明，与常压运行工况相比，不同操作压力下，该蒸馏器的产水速率增加了 1.4～6 倍，湿空气平均流速增加了 1.5 倍。 为了提高太阳能苦咸水淡化装置的适用性，减小该蒸馏器的占地面积，J Hou[3]，[4]设计出一种三效竖管降膜太阳能苦咸水蒸馏装置，并对该蒸馏器内封闭小空间二元混合气体的传热传质特性进行了理论计算和试验验证。 李文龙[5]对三效竖管降膜太阳能苦咸水淡化装置的产水性能展开了实验研究，分析结果表明，利用使用功率为335 W的电加热装置代替太阳能集热器时，三效竖管降膜太阳能苦咸水淡化装置的性能系数为2。

在实际天气条件下，太阳辐照度、环境温度等气象参数对适合于户用的小型太阳能苦咸水蒸馏器产水特性的影响机理亟待明晰。鉴于此，本文设计出一种户用多效太阳能苦咸水蒸馏器，并对该蒸馏器的产水速率进行了理论分析，测试了晴天条件下该蒸馏器的产水特性，并对该蒸馏器内竖直方向的冷凝温度梯度、 蒸发冷凝温度等的变化规律进行研究。

1 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器

适合户用的太阳能苦咸水淡化装置应满足热能利用效率高、投资成本低、操作简便，以及占地面积小等条件。鉴于此，本文设计了户用多效太阳能苦咸水蒸馏器，该蒸馏器采用了竖管结构，这样可以节省占地面积，此外，该蒸馏器还采用了四效运行方式，以有效利用该蒸馏器内水蒸气凝结时释放的汽化潜热。 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的结构如图1 所示。

图1 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器结构图Fig.1 Structure diagram and photo of multi-effect solar brackish water distillation device for single family use

由图1 可知，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器主要由平板太阳能集热器、 四效竖管苦咸水淡化装置、循环管路和淡水管组成。该蒸馏器由5 根直径不同的不锈钢圆筒同心嵌套而成，这些不锈钢筒均与底板连接在一起，形成4 个环形封闭蒸发冷凝腔。 其中，最内层不锈钢筒内盛放加热水体，该加热水体通过热水进水管、热水回水管等与平板太阳能集热器相连接，利用平板太阳能集热器内循环水的热浮升实现四效竖管苦咸水淡化装置内水体的加热。

户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的工作流程：①苦咸水由苦咸水进水管进入位于各效吸水材料上部的分水环内，在此过程中，苦咸水完成了进料预热，减小了与运行温度之间的差值；②预热后的苦咸水经分水环进入紧贴于各效冷凝套筒外壁面的吸水材料中，并以液膜的形式从上向下流动，在此流动过程中，平板太阳能集热器向加热水筒内的水体供热，使得加热水筒外壁面的苦咸水液膜在流动过程中受热蒸发，此蒸汽与腔内干空气混合形成二元混合气体，在温度较低的第一效冷凝套筒内壁面上凝结成淡水，并沿着该壁面流至整个装置的底部，而后经淡水管收集备用；③第一效冷凝套筒内蒸汽凝结释放的凝结潜热会传递至该套筒外壁上的苦咸水液膜，并使其继续蒸发，未蒸发的苦咸水经浓苦咸水排水管排出；④第二、三、四效苦咸水冷凝套筒的运行原理与第一效冷凝套筒相类似。

2 装置内传热传质特性分析

对户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内部二元混合气体传热传质特性进行理论分析，可以明晰影响该蒸馏器产水速率和热能利用效率的因素。由于户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内有4 个特征尺寸相同的蒸发冷凝腔，因此，该蒸馏器内部的热质传热过程为环形封闭小空间热质传递过程。户用多效太阳能苦咸水蒸馏器蒸发冷凝腔内传热过程包括了自然对流传热、辐射换热和蒸发传热。

利用平板太阳能集热器供能时，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的能量守恒方程为

式中：Gsun为太阳辐照度，W/m2；A 为平板太阳能集热器的受光面积，m2；η 为平板太阳能集热器的供热效率，%；qh为加热水筒外壁面苦咸水液膜的吸热量，W；Cp，w为加热水体的比热容，kJ/（kg·K）；m0为加热水筒内水体的质量，kg；t0为加热水体的运行温度，℃；t 为运行时间，s。

考虑各效环形封闭小空间内二元混合气体的传热传质特性，得到多效太阳能苦咸水蒸馏器的能量平衡方程为

式中：qr，qc，qe分别为各效环形封闭小空间内的辐射换热量、对流传热量、蒸发传热量，W/m2；qb为各效排出的浓苦咸水所含的显热，W/m2；qw为各效水蒸气凝结生成的淡水所含的显热，W/m2；mw为各效吸水材料中苦咸水液膜的质量，kg；tw为各效苦咸水液膜的温度，℃；Cp，b为浓苦咸水的比热容，kJ/（kg·K）。

户用多效太阳能苦咸水蒸馏器产水速率m的计算式为

式中：hfg为海水的汽化潜热，kJ/kg。

由式（1）～（3）可知，当太阳辐照度和平板太阳能集热器的各项参数保持恒定时，为了提高户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率，可以利用加热水体所获得的热量最大程度地加热苦咸水液膜，使得qe达到最大值，并减少其他传热及散热损失量。 另外，可以通过优化调整苦咸水的进料流量来减少qb，通过平衡户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内运行温度与管路结垢的影响来减少qw。

3 试验测试和结果分析

本文结合理论分析，搭建了户用多效太阳能苦咸水蒸馏器产水特性试验台，在晴天条件下，测试并分析了该蒸馏器的产水速率、 竖直方向冷凝温度梯度和冷凝温度随太阳能辐照度、 环境温度的变化规律。

3.1 试验测试及仪器选择

户用多效太阳能苦咸水蒸馏器由5 根长度分别为 0.84，0.83，0.82，0.81，0.8 m，直径分别为 0.26，0.22，0.18，0.14，0.10 m 的不锈钢圆筒同心嵌套而成。 试验地点位于内蒙古呼和浩特市（40°50′N，111 °42 ′E），试验时间为 2019 年 9 月 15-26 日，

试验过程中，环境参数（太阳能辐照度、环境温度、环境风速）由手持气象参数测试仪YGSC-1实时采集； 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率由精密电子秤EK813 测得，测试时间间隔为20 min； 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度、竖直方向冷凝温度、各效冷凝温度等由K 型热电偶测得，测量精度为±0.5 ℃，测试时间间隔为1 min。 所有的测量数据由数据采集仪 （SINR6000C）实时记录。

3.2 测试结果及分析

测试日，太阳辐照度和环境温度随时间的变化情况如图2 所示。

图2 太阳辐照度和环境温度随时间变化情况Fig.2 Variation of solar irradiance and ambient temperature during the measurement with time

测试日，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器产水速率随时间的变化情况如图3 所示。

图3 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器产水速率随时间的变化情况Fig.3 Water production of the multi-effect solar brackish water distillation device for single family use with time

由图2，3 可以看出，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率随着太阳辐照度的变化而变化。 测试日，太阳辐照度的最大值为740 W/m2，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的最大产水速率为23.53 g/min，通过比较发现，该蒸馏器产水速率最大值发生的时间比太阳辐照度最大值发生的时间延后约20 min，这是由于平板太阳能集热器收集太阳辐射能后，须要先对加热水筒内的水体进行加热，而后再利用加热水筒内的热水对各效苦咸水液膜进行加热，整个加热过程需要一定的时间，最终导致户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的最大产水速率没有发生在太阳辐照度最大值所对应的时刻。随着太阳辐照度逐渐减小，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率随之降低，二者呈现出相同的变化趋势，这是由于随着太阳辐射能量逐渐减小，平板太阳能集热器收集到的热量逐渐减少，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度逐渐降低，导致提供给苦咸水液膜蒸发的热量逐渐减少，该蒸馏器内的蒸气量逐渐减小，最终造成该蒸馏器的产水速率逐渐减小。

鉴于户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的特殊结构，该蒸馏器内第一效冷凝温度（苦咸水液膜蒸发温度）与第二效蒸发温度相接近，第二效冷凝温度与第三效蒸发温度相接近，第三效冷凝温度与第四效蒸发温度相接近。 为了分析户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度和各效冷凝温度对自身产水速率的影响，对于各效冷凝面沿竖直方向分别等距地布置了3 个热电偶，并以这3 个热电偶测量值的平均值作为各效蒸发温度或冷凝温度。

户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度、各效冷凝温度随时间的变化情况如图4 所示。

图4 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度、各效冷凝温度随时间变化情况Fig.4 Variation of temperatures of the multi-effect solar brackish water distillation for single family use with time

由图4 可知，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度、 各效冷凝温度随时间的变化趋势与太阳辐照度大体一致。 12：00-12：50，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器达到了稳态运行工况，这与产水速率的变化趋势相吻合。稳态运行时，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内加热水筒的运行温度为88.9 ℃，第一、二、三、四效蒸发冷凝平均温差分别为 6.9，2.8，5.5，5.2 ℃。 由此可知，稳态运行时，第一效蒸发冷凝温差较大，这是由于第一效苦咸水液膜蒸发温度比其他各效苦咸水液膜蒸发温度高，使得第一效蒸发冷凝腔内二元混合气体的传热传质驱动力较大，此外，第一效苦咸水液膜的蒸发面积较小（需要蒸发的苦咸水量较少），导致第一效蒸发冷凝腔蒸发面与冷凝面之间的二元混合气体密度差较大，因此，第一效蒸发冷凝腔的产水速率较大，达到了7.36 g/min。

由于户用多效太阳能苦咸水蒸馏器竖直方向的几何尺度大于水平方向几何尺度，因此该蒸馏器内的蒸发冷凝过程属于小高径比管式封闭小空间蒸发冷凝过程。在此蒸发冷凝过程中，二元混合气体会受到浮升力的作用，导致有效冷凝面积与实际冷凝面积发生偏差，通过试验得到，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器运行过程中，沿竖直方向上的冷凝温度梯度变化情况，这对于分析户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率，以及强化环形封闭小空间内二元混合气体的热质传递具有参考价值。试验过程中，选择户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内的第一效冷凝面作为测试对象，并通过测量得到该冷凝面上、中、下3 个端面的温度。

户用多效太阳能苦咸水蒸馏器第一效冷凝面上各端面温度随时间的变化如图5 所示。

图5 户用多效太阳能苦咸水蒸馏器第一效冷凝面上不同端面的温度随时间的变化情况Fig.5 Variation of condensation temperatures of the different positions of the first-effect with time

由图5 可知，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器第一效冷凝面不同端面的温度随时间的变化趋势相一致，且上、中、下端面的冷凝温度依次降低。当户用多效太阳能苦咸水蒸馏器稳定运行时，第一效冷凝面上端面的平均温度为84.9 ℃，比该冷凝面中、下端面的平均冷凝温度分别高出2.8，7 ℃，这表明第一效蒸发冷凝腔内的水蒸气主要在冷凝套筒的上、中部凝结，这是由于加热水筒外壁面上苦咸水液膜受热蒸发所生成的水蒸气密度小于腔内干空气密度，水蒸气在第一效蒸发冷凝腔内的热质传递过程会受到浮升力的影响，导致水蒸气沿斜向上方向在冷凝套筒的内壁面凝结，从而使得第一效冷凝面上端面的冷凝温度高于下端面的冷凝温度，同时也说明了户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内水蒸气的蒸发传质对该蒸馏器的传热过程有促进作用。 在对户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率进行理论计算时，按照实际冷凝面积计算是导致计算结果出现误差的原因之一。

4 结论

针对分布式淡水的制备需求，本文设计出一种户用多效太阳能苦咸水蒸馏器，并分析了影响该蒸馏器产水性能的因素，而后在实际天气条件下，搭建了该蒸馏器的产水特性试验台，并根据测试结果分析了该蒸馏器产水速率的变化规律，得到如下结论。

①户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的产水速率随太阳辐照度的变化而变化，当太阳辐照度为740 W/m2时，该蒸馏器的最大产水速率为23.53 g/min。

②户用多效太阳能苦咸水蒸馏器的运行温度、 各效蒸发冷凝温度的变化趋势与太阳辐照度相一致。稳态运行时，户用多效太阳能苦咸水蒸馏器加热水筒内水的平均温度为88.9 ℃，第一、二、三、四效蒸发冷凝温差分别为 6.9，2.8，5.5，5.2 ℃，该蒸馏器的第一效产水速率为7.36 g/min。

③户用多效太阳能苦咸水蒸馏器内，沿竖直方向上冷凝温度分布得不均匀，具有一定的梯度。稳态运行时，第一效冷凝面上端面平均温度为84.9 ℃，比中、下端面平均温度分别高出2.8，7 ℃。