基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器设计及性能分析

常泽辉，朱国鹏，李瑞晨，侯 静，李建业

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

0 引 言

生活在偏远干旱或半干旱地区的人们由于长期得不到充足、卫生的饮用水而引起诸多健康问题[1-2]。虽然通过打井取水可以解决饮水匮乏问题，但浅层地下水经过岩层后多含盐分而成为苦咸水，要想获取高品质地下水需要井深超过100 m[3-4]。利用苦咸水淡化技术可以对水体作进一步的提纯和净化，在满足居民饮用水的同时，还可以用于农业种植[5-10]和工业生产[11]。其中，商业化最成功的盐水淡化技术是反渗透技术（Reverse Osmosis，RO），由于在进行盐水分离过程中没有发生相变而使得其能耗低于热法苦咸水淡化技术[12]，淡水制备能耗约为0.3～2.8 kW·h/m3[13]。但反渗透苦咸水淡化系统对电力、输水等基础设施依赖度高，不适合小型分布式苦咸水的淡化制备[14]。而太阳能苦咸水蒸馏淡化技术以其运行简单[15]、结构紧凑[16]、水质良好、可就地取材、对环境污染少而受到研究人员的广泛关注[17-21]。

Tiwari 等[22]于1988 年首次对横管式太阳能盐水蒸馏器设计及运行工况的影响因素展开研究，结果表明，在相同天气条件下，横管式太阳能盐水蒸馏器产水量高于传统盘式太阳能盐水蒸馏器。随后，Rahbar 等[23]对比测试了实际天气条件下，三角形盖板和横管式太阳能盐水蒸馏器的热利用效率、产水速率随太阳辐照度和环境温度的变化规律，结果显示，横管式太阳能盐水蒸馏器平均产水速率比三角形盖板盐水蒸馏器增加20%。Kabeel等[24]尝试在横管式太阳能盐水蒸馏器冷凝筒外进行喷淋强制冷却以提高装置的产水速率，同时对装置内蒸发盐水水体最优深度进行了研究，结果表明，在最优水体深度和喷淋水流量分别为0.5 cm、2 L/h 时，蒸馏器最大效率为54.9%，所制备淡水价格为0.019 美元/L。

为了提升管式太阳能盐水蒸馏器产水性能，Elashmawy[25]就地取材，将小碎石填充到槽式抛物聚光横管式太阳能盐水蒸馏器接收体内作为储热材料，结果表明，填充储热材料的蒸馏器产水速率为4.51 L/m2，热效率为36.34%，分别比无填充碎石蒸馏器产水速率提高了14.18%和13.89%。Xie 等[26]考虑到横管式太阳能盐水蒸馏器具有较好的承压能力，在实际天气条件下，分析了装置内不同运行压力对产水速率和效率的影响，结果表明，当蒸馏器内工作压力为40 kPa 时，日产水速率达到了6.323 kg，热能利用效率为128%。El-Said 等[27]为了提高水体光吸收能力，在横管式盐水蒸馏器内增加了多孔填充材料，同时安装强制振动装置以破坏盐水表面张力提高蒸发速率和传热效率，结果表明，蒸馏器产水速率为4.2 L/m2，比传统横管式太阳能盐水蒸馏器增加了34%。

横管式太阳能盐水蒸馏器多采用水槽内水体蒸发，在相同输入热量条件下，由于水体热容量大，影响装置启动时间；蒸馏器为了防止盐水在运行时飞溅污染淡水，对水平放置精度要求高；蒸馏器内蒸发面与冷凝面间距受限于结构，很难做到无限接近，从而限制了传热热阻和不凝气体的减小限度[28]。

在前期研究基础上[29]，为了减小太阳能苦咸水蒸馏器占地面积、降低安装难度、减小待蒸发苦咸水的热容量及提高装置性能系数，本文设计、制作了基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器，研究了在相同输入能量条件下，不同效数对蒸馏器单位能耗产水率和产水速率等的影响，对比分析了不同效数蒸馏器的性能系数变化规律，为小型分布式太阳能苦咸水蒸馏器的推广应用提供参考。

1 基于竖管降膜多效太阳能苦咸水蒸馏器

多效太阳能苦咸水蒸馏器能否得到应用和推广完全取决于装置产水速率与吨水价格二者之间的最优匹配，同时还需要兼顾装置热能利用效率、安装操作难度、配套设施以及占地面积等因素。鉴于此，本文设计了新型基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器，利用竖管表面均布的苦咸水液膜受热蒸发、冷凝实现盐水分离，其中，四效苦咸水蒸馏器结构如图1 所示，实物及性能测试系统如图2 所示。

图1 基于竖管降膜的四效太阳能苦咸水蒸馏器结构 Fig.1 Schematic drawing of the four-effect solar brackish water distillation device based on vertical tube falling film

图2 四效太阳能苦咸水蒸馏器实物及测试系统 Fig.2 Four-effect solar brackish water distillation device and test system

四效太阳能苦咸水蒸馏器运行过程为：储水箱中的苦咸水在重力的作用下，分别经各效进料管进入蒸馏器内对应蒸发面（即冷凝筒外表面）顶端的分水器内，苦咸水从分水器上出水孔进入吸水材料中形成均匀液膜，太阳能集热器对加热水箱内水体供热，热量传递给加热水箱外表面苦咸水液膜而促使其蒸发，所生成的水蒸气在第一效冷凝套筒内壁面凝结而成淡水，在重力作用下，淡水沿竖直冷凝筒进入淡水收集管，未蒸发的浓盐水沿蒸发面排出装置外，此过程中水蒸气凝结释放的潜热被第二效苦咸水液膜吸收，作为第二效水蒸气产生的热源，同理，所蒸发的水蒸气在第二效冷凝筒内壁面生成淡水，同时释放凝结潜热，以此类推，各效所生成的淡水汇集在淡水收集罐内以供使用。

与传统盘式太阳苦咸水蒸馏器对比，基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器的特点包括：1）通过增加冷凝筒数量以及尺寸，可以有效增大装置冷凝面积，加之装置内蒸发面积总小于冷凝面积，增强了水蒸气传热传质驱动力，有效提升装置的产水速率；2）装置采用竖管降膜蒸发、冷凝方式，所增加的吸水材料有助于破坏液膜表面张力，苦咸水液膜自身热容量小，便于快速蒸发，缩短了装置启动时间，增加了装置日淡水制备运行时长；3）装置运行简单，可就地取材，电力驱动单元少，多效运行实现了水蒸气凝结潜热的多次利用，提高了装置的热能利用效率，装置安装占地面积需求小。

2 装置结构及腔内水蒸气传热传质分析

基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器结构、材料、性能等均会对其能否在实际中应用造成影响，通过分析蒸馏器内水蒸气传热传质机理，可以加深对蒸馏器运行特性的理解，为结构优化提供基础理论参考。

2.1 四效太阳能苦咸水蒸馏器结构

四效太阳能苦咸水蒸馏器中太阳能集热器属于成熟技术，已经商业化，可以直接采购使用。而对苦咸水进行盐水分离的基于竖管降膜的蒸馏器属于本文设计、制作单元。蒸馏器主体由5 根一端封闭并作端面保温处理的尺寸不一的不锈钢筒组成，这组不锈钢筒同心嵌套焊接在不锈钢底板上，并在不锈钢底板焊接4 根淡水收集管和四根浓盐水排水管，装置内相邻的尺寸不同不锈钢筒之间形成了环形封闭小空间，当装置运行时，该空间即为水蒸气的蒸发冷凝腔。理论上水蒸气的蒸发面与冷凝面之间的距离可以无限小，从而使得水蒸气传热阻力变小和不凝气体减少。为了便于组装，本装置5 根不锈钢管设计高度分别为800、810、820、830、840 mm，直径分别为100、140、180、220、260 mm，则装置内蒸发面与冷凝面间距为20 mm。其中，尺寸最小的不锈钢筒作为加热水箱位于装置中心位置，内部盛放淡水作为储、供热水体。

2.2 装置内水蒸气传热传质分析

图1 中，装置内各效不锈钢筒内表面为冷凝面、对应的不锈钢筒外表面为下一效的蒸发面，则各效蒸发面吸水材料中苦咸水受热蒸发过程属于降膜蒸发。在降膜蒸发过程中，由于没有液体静压的影响，可以由较低蒸发温度或热流量驱动实现液膜表面蒸发。

加热水箱内水体通过热传导方式加热其外表面苦咸水液膜，苦咸水液膜以对流和辐射的传热方式与蒸发冷凝腔内低温湿空气进行换热。在降膜蒸发传质过程中，苦咸水中水分子受热离开液膜表面与腔内干空气混合生成气水二元混合气体，液膜表面分压力增大，水分子继续向周围空间扩散，导致苦咸水液膜中水分子持续补充，随着传质过程的进行，腔内水蒸气含湿量和压力逐渐升高，在温度较低的冷凝筒内表面凝结生成淡水，完成水蒸气的蒸发传质及冷凝制水。此过程中，由于水蒸气密度低于干空气密度，蒸发传质对对流传热有促进作用。其他各效腔内传热传质与此过程相同。

为了表征本文中多效太阳能苦咸水蒸馏器热能利用效率，采用性能系数（Gain Output Ratio，GOR）对装置内水蒸气凝结潜热重复利用程度进行标定。性能系数值越大，表明在输入相同能量前提下，热能利用效率越大。基于蒸馏器能量输入输出关系，稳态运行时装置性能系数[30]计算如下式

式中m 为蒸馏器产水速率，kg/h；hfg为稳态运行工况下苦咸水的汽化潜热，kJ/kg；Qin为输入蒸馏器的热量，kJ/h；P 为输入蒸馏器电功率，W； tΔ 为加热时间，s；i 为多效太阳能苦咸水蒸馏器的效数。

同时，本文采用单位能耗产水率l 标定多效太阳能苦咸水蒸馏器在输入相同能量时，达到稳态运行工况的装置的产水能力，计算式如下[31]

图4(a)为三地1951年—2017年的年均风速对比，三地在湿度上具有较强一致性。1980年前，上海和杭州的湿度要大于南京。自1980年以来基本相同。总体下降趋势明显。尤其是自21世纪以来，大气明显变干燥。近60年几乎下降了10个百分点。根据图4可以得知年均降水量并无显著变化，而据图2可知年均气温明显上升。由此推知湿度下降与全球变暖、蒸发加剧有关，同时，可能与沪宁杭三地的城市扩张也有关系。用地规模扩大，交通设施大量修建改变了下垫面性质，而植被覆盖率的下降，则会导致植物蒸腾到大气中的水分减少，大气湿度下降。

式中q 为单位时间内输入蒸馏器的总能量，kJ。

对于封闭空间太阳能苦咸水蒸馏装置，式（2）中产水速率可以由下式计算得到

式中hmi为各效工作介质传质系数，W/(m2·K)；Aei为各效苦咸水液膜蒸发面积，m2；ρei为各效苦咸水液膜蒸发面的水蒸气密度，kg/m3，ρci为各效苦咸水液膜冷凝面的水蒸气密度，kg/m3。

3 多效太阳能苦咸水蒸馏器性能测试

3.1 试验测试系统

考虑到基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器的结构特点以及运行中水蒸气热质传递特性，装置采用不锈钢材质，吸水材料选用棉麻自制材料。为了精确分析输入能量对蒸馏器稳态运行产水速率、性能系数等的影响机理，采用电加热输入代替太阳能集热器。为了减少蒸馏器高温运行时产生的管路结垢对使用效果的影响，进料苦咸水流量为0.5 kg/h，运行温度＜95 ℃。

为了对比分析效数对蒸馏器性能的影响，分别制作一效、二效、三效和四效苦咸水蒸馏器，在输入相同电功率时，测试装置在瞬态温升过程、稳态运行过程以及自然冷却过程中总产水速率、各效蒸发温度、各效冷凝温度变化规律。温度值由K 型热电偶测量，测试精度为±0.5℃。在各效冷凝筒外壁面沿竖直方向布置多个热电偶，取其平均值作为各效蒸发温度或冷凝温度，温度值由多通道巡检仪（Sin-R6000C，杭州联测自动化技术有限公司，杭州）实时记录，各效产水速率由精密电子秤（HC ES-06B，上海花潮电器有限公司，上海）测量，腔内水蒸气温度变化由红外成像仪（Ti400，福禄克电子仪器仪表公司，美国）测量，利用热导仪（QTM-700，京都电子工业株式会社，日本）对材料导热系数进行校核。

测试期间，温度测试时间间隔设定为1 min，产水速率测试时间间隔设定为20 min。测试在温度和空气流速恒定的实验室内进行。

3.2 定输入功率蒸馏器产水性能对比

保持输入功率恒定，可以对所测试的4 个蒸馏器总产水速率进行对比研究，探索效数对蒸馏器运行工况的影响机理。在环境温度、进料苦咸水流量、苦咸水温度和输入电功率相同条件下，当装置达到稳态运行工况后，对4 个装置分别断电，测试4 个装置各效蒸发温度、冷凝温度以及总产水速率随运行时间的变化规律。如图3所示。

从图3 可以看出，当输入电功率为200 W 时，一效、二效、三效和四效装置均经历了瞬态温升阶段、稳态运行阶段以及自然冷却阶段。对比可以发现，随着苦咸水蒸馏器运行效数的增加，装置稳态运行温度随之降低，一效装置稳态运行温度为93.65 ℃，比二效装置稳态运行温度高5.27 ℃，比三效装置稳态运行温度高10.1 ℃，比四效装置稳态运行温度高9.89 ℃。其中，四效装置总的蒸发冷凝温差最大，达到了19.07 ℃，分别比三效装置、二效装置和一效装置高6.01 、11.13 和14.97 ℃，说明四效装置传热热阻最大。

图3 不同效数装置内各效温度和产水速率随运行时间变化 Fig.3 Variations of temperatures and water yield of difference effect devicess with the operation time

当装置达到稳态运行工况后，断开电加热，测试加热水箱储存的水体显热驱动装置产生的淡水总量及各效温度变化趋势。当无输入能量时，装置内各效冷凝温度很快降低，蒸发冷凝温差也随之增大，随着加热水箱水体温度与环境温度差值的减小，装置内各效冷凝温度减小趋势放缓，缘于装置运行温度与环境温度之差的减小导致水蒸气传热传质驱动力降低。在自然冷却期间前4 h，四效装置产水速率为0.307 kg/h，比三效装置增加了39.48%。装置产水速率变化趋势也说明，对于基于竖管降膜的太阳能苦咸水蒸馏器采用多效运行，可以有效多次利用水蒸气的凝结潜热，从而提高装置日产淡水总量和热能利用效率。

3.3 蒸馏器热性能对比

太阳能苦咸水蒸馏器在应用中的热性能优劣也将决定其在实际中能否得到推广。基于竖管降膜的太阳能苦咸水蒸馏器各效蒸发面液膜厚度小，即苦咸水水体热容量小，决定了装置运行所需输入热能小。对于一效、二效、三效和四效装置，在电能持续输入情况下，装置单位能耗产水率随运行时间变化曲线如图4 所示。

从图4 中可以看到，当各效装置加热水箱外表面液膜蒸发面积保持一致，输入电功率为200 W 时，一效、二效、三效和四效装置单位能耗产水率均随着运行时间增加最终达到稳态，其中，四效装置的稳态运行单位能耗产水率为1.45 g/kJ，比三效装置增加36.80%，比二效装置增加77.78%，是一效装置的3.79 倍。这是由于运行温度的升高，增强了水蒸气的传热传质，促进了苦咸水液膜的蒸发，装置内蒸发量随之增加。

图4 装置单位能耗产水率随运行时间变化 Fig.4 Variations of water yield per energy of devices with the operation time

为了分析效数对基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器热能利用效率的影响，分别对一效、二效、三效和四效装置稳态运行时性能系数进行计算对比，如表1所示。

表1 装置性能系数对比 Table 1 Comparations of Gain Output Ratio (GOR) of the devices

表1 数据显示，在输入相同电能条件下，随着运行效数的增加，装置性能系数得到了有效提升。四效装置的性能系数达到了3.36，表明装置很好地利用了水蒸气的凝结潜热。其中，一效装置稳态运行时温度达到了93.65℃，与环境温度差值最大，使得装置散热损失增大，造成了散失到环境中能量损失增大，也是其性能系数小的原因之一。

4 四效太阳能苦咸水蒸馏器经济性

基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器从结构、产水速率、热能利用效率等方面显示了较好的性能，但其经济性能否适应产业化尚未可知，为此，本文结合性能对多效太阳能苦咸水蒸馏器的经济性进行评估，考核其在推广应用过程中的市场前景。考虑到一效装置产水速率较小，不适合推广应用，在此不作比较。本文仅对二效、三效和四效装置的吨水价格和投资回收周期进行计算，3 种装置吨水价格主要受到建造成本和运维成本等影响，根据装置主体材质和辅助配料的选用，二效、三效和四效装置使用寿命约为20 a，参考呼和浩特市纯净水的市场价格（约220 元/t），则3 种装置吨水价格、投资回收周期对比如表2 所示。

表2 装置经济性分析 Table 2 Economic analysis of the devices

表2 数据显示，多效运行对于降低装置所制备的吨水价格，缩短投资回收周期具有积极的作用。四效装置投资回收周期约为5.69 a，比二效装置缩短了2.49 a。基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器主要的应用市场多分布在荒漠、沼泽、海岛等偏远地区，在解决居民饮用淡水需求的前提下，随着装置应用规模的扩大，其制取饮用水吨水售价将会进一步降低，投资回收周期也会缩短。

5 结 论

影响小型太阳能苦咸水淡化装置应用的瓶颈在于其效率低、产水量少，为此，本文设计、制作了基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器，在实验室内，测试了定输入电功率运行工况下，不同效数蒸馏器的产水速率、冷凝温度、蒸发温度随运行时间的变化趋势，对比分析了一效、二效、三效和四效装置单位能耗产水率和性能系数，研究了装置吨水价格和投资回收周期随运行效数的变化规律。

1）当输入电功率为200 W 时，四效装置稳态产水速率为1.039 kg/h，分别比三效装置、二效装置和一效装置增加了35.23%，77.79%和276.04%；当断电进入自然冷却阶段，四效装置在水体所储显热驱动下的产水速率为0.307 kg/h。

2）四效装置单位能耗产水率为1.45 g/kJ，比三效装置增加36.80%，比二效装置增加77.78%。

3）四效装置性能系数为3.36，表明苦咸水蒸馏器多效运行过程中成功重复利用了水蒸气的凝结潜热。

4）四效装置吨水价格为62.00 元，参考目前纯净水市场价格，投资回收周期为5.69 a。