太阳能低压蒸馏海水性能研究

2022-05-19于博文闫磊磊李吉淑李秋玫张海麟

盐科学与化工 2022年4期

于博文，季旭，闫磊磊，李吉淑，李秋玫，张海麟

(1.云南师范大学物理与电子信息学院，云南昆明 650500；2.云南师范大学能源与环境科学学院，云南昆明 650500)

目前全球有20多个国家和地区严重缺水[1]，18亿人面临淡水供应不足的问题[2]。太阳能海水淡化是增加淡水供应的途径之一，将低压与传统海水淡化相结合是提高淡水产量的有效方法[3]。

低压与海水淡化相结合的技术得到国内外学者的广泛关注。Rahimi-Ahar Z[4]等人提出了一种在加湿器内进行低压处理的加湿除湿海水淡化系统，研究发现降低加湿器压力，淡水产量可达1.07 L/h·m2，GOR最高可达3.43。Tian[5]等人设计了一种微波供能的低压蒸馏海水淡化系统，发现该系统对比传统太阳能海水淡化系统，淡水产量有显著提升。Rahimi-Ahar Z[6]等人用两种不同的工艺进行低压增湿除湿海水淡化实验，当压力从0.09 MPa降到0.01 MPa，两种工艺淡水产量均可提高50%，蒸馏水的成本分别为0.034 S|/L和0.041 S|/L。

文章采用复合抛物聚光器(CPC)集热的低压蒸馏方式进行海水淡化。在低压环境下，只需提供系统中低品位能源就能完成海水的淡化。为此，文章提出一种太阳能低压蒸馏海水系统，为低压式太阳能海水淡化系统的应用提供一定参考。

1 工作原理及系统建构

图1是太阳能低压蒸馏海水系统原理图。

图1 太阳能低压蒸馏海水系统原理图

系统主要由CPC、蒸馏室、冷凝器、真空泵组成。每组独立的CPC通过U型导热管连通，有效集热面积为1.07 m2。系统将水作为传热工质。在运行时主要分为传热工质循环。海水汽化并冷凝成淡水、海水预热三个部分。(1)传热工质循环。CPC将低能流密度的太阳光线集中起来用于加热传热工质，传热工质在水泵的作用下进入蒸馏室底部的换热盘管中与海水进行换热，与海水充分换热后流回CPC继续加热，形成一个循环。(2)海水汽化并冷凝成淡水。真空泵(2X-8A)与气液分离器相连接，气液分离器、冷凝器和蒸馏室密闭连接。这样连接的作用为：①真空泵工作时可以迅速将蒸馏室内的空气排出，使蒸馏室内形成低压环境；②防止蒸馏室内被汽化的海水进入真空泵；③为被汽化的海水进入冷凝器提供动力。当蒸馏室内压力降低，海水的饱和温度也随之降低，因此，被加热的海水迅速汽化，海水中的盐跟淡水分离，被汽化后的淡水蒸汽在空气流的带动下流出蒸馏室，顺着管道流进冷凝器被冷凝成淡水，再经汽水分离器收集得到淡水。(3)海水预热。将海水通入冷凝器中与淡水蒸汽换热，淡水蒸汽被冷凝的同时海水也被预热，预热后的海水通入蒸馏室中进行下一轮的加热并汽化。实验采用压力真空表(Y100-BF)监测蒸馏室内的压力，用铂热电阻K型温度传感器(MIK-WZPK-PT100)连接无纸记录仪(MlK-R6000C)记录传热工质在蒸馏室进出口的温度及蒸馏室内温度等，记录间隔为30 min。

2 实验理论计算

2.1 系统传热分析

该系统由CPC吸收太阳辐射转换为热能，其中管道、冷凝器等均采用保温棉进行保温处理，产生的热损可忽略不计，系统热损主要为CPC及蒸馏器与外界环境的换热损失。蒸馏系统的瞬时热平衡方程表示为：

Qcpc-Qs,cpc+Qre=Qw

=Qh+Qre

=Qu+Qs,d+Qre

=QL+Qn+Qs,d+Qre

(1)

式中:Qcpc——CPC吸收的有效热能，J；Qs,cpc——CPC热损，J；Qre——二次循环进CPC的传热工质的热量，J；Qw——CPC传递到传热工质的热量，J；Qh——换热盘管与蒸馏室的换热量，J；Qu——用于海水汽化的热量，J；Qs,d——蒸馏器热损，J；QL——海水汽化所需的总潜热，J；Qn——海水汽化所需要的总显热，J。

CPC吸收的有效太阳辐射能，Qcpc表示为[7]：

Qcpc=HAr(τgαm)

(2)

式中:H——垂直接收面上太阳辐照强度，W/m2；Ar——玻璃盖板有效面积，m2；τgαm——玻璃盖板透过率与真空内管吸收性涂层吸收率乘积，%。

CPC组件的热损失Qs,cpc由顶部热损失Qt和侧面、底面热损失Qbe组成。CPC顶部热损失表示为：

Qt=ArUtΔTca

(3)

式中:Ut——顶部热损失系数；ΔTca——CPC内部空间温度与环境温度差，K。

侧面、底面热损失表示为：

Qbe=(Ab+Ae)UbeΔTca

(4)

式中：Ube——底部、侧面热损系数；Ab+Ae——CPC底面和侧面总面积，m2。

传热工质自CPC集热器所吸收的热量表示为：

Qw=AUhWΔTU

(5)

式中:hW——传热工质与U型导热管的对流换热系数，W/(m2·K)；AU——U型导热管内表面积，m2；ΔTU——U型导热管与传热工质的瞬时温差，K。

换热盘管长度为Lh时，Qh表示为[8]：

(6)

式中:mc——CPC内部传热工质的质量流量，kg/h；ci——海水的比热容，J/(kg·K)；D——换热盘管内直径，m；To——传热工质温度，K；Ti——海水温度，K。

蒸馏器与环境的导热热损表示为[9]：

(7)

式中：λs——蒸馏室外壁保温材料的导热系数，W/(m2·K)；2πrsls——蒸馏室半径rs处垂直于热流密度的面积，m2；Ts——蒸馏室温度，K；Tsa——蒸馏室外壁面温度，K；r2s——蒸馏室外半径，m；r1s——蒸馏室内半径，m。

此时Qu表示为：

Qu=Qh-Qs,d=QL+Qn

(8)

海水汽化所需要的总潜热表示为：

QL=mrhf

(9)

式中：mr——淡水产量，kg;hf——不同压力对应的汽化潜热，kJ/kg。

这种突破性贡献，也让她个人取得无上殊荣——成为人类历史上第一个两度获得诺贝尔奖的人，各种奖金与头衔更是不胜枚举。

2.2 系统性能系数计算

系统瞬时集热效率可用以下公式求得[10]：

(10)

式中：φ(t)——集热瞬时功率；φ(cpc)——CPC吸收的瞬时辐射功率。

系统脱盐率是衡量所产淡水是否符合饮用水标准，系统脱盐率表达式为[11]：

(11)

式中：Cf——产淡水含盐量,mg/L；Cw——原海水含盐量,mg/L。

3 实验结果与讨论

图2是2020-04-11、2020-04-16、2020-04-19 3 d晴朗天气的辐照度变化，按照时间顺序将蒸馏室内的压力依次降低为0.06 MPa、0.05 MPa和0.04 MPa，记录不同压力条件下淡水产量随辐照度的变化。从上午9∶30到下午13∶00辐照度呈上升趋势，随后辐照度开始下降，从上午11∶00到下午16∶30辐照度较好，也是一天中淡水产量最高的时间段。

图2 辐照强度变化

图3是传热工质在蒸馏室进出口温度的变化，传热工质以1.27 m/s的速度在CPC和换热管道内循环。因为上午10∶30之前辐照度较弱，传热工质的温度较低，与海水换热较少，所以上午10∶30之前蒸馏室进出口温度之差较小。随着辐照度的增加，蒸馏室进出口水温之差变大。04-11下午13∶00，蒸馏室压力为0.06 MPa，蒸馏室进口水温达到95 ℃，蒸馏室进出口水温之差在7.3 ℃波动；04-16下午13∶00，蒸馏室压力为0.05 MPa，蒸馏室进口水温达到93 ℃，蒸馏室进出口水温之差在7.2 ℃波动；04-19下午13∶00，蒸馏室压力为0.04 MPa，蒸馏室进口水温达到91 ℃，蒸馏室进出口水温之差在6.9 ℃波动。

图3 系统传热工质温度变化

图4是蒸馏室内温度的变化，从上午9∶00到下午13∶00蒸馏室内的温度持续增加，在下午13∶00蒸馏室内的温度达到最高，温度分别达到88.1 ℃、84.5 ℃和80.3 ℃。此时的温度都已超过对应压力下的饱和温度。从下午13∶00到下午16∶00蒸馏室内温度下降缓慢，温度均能达到70 ℃以上，淡水产量均达到1.06 kg/h以上。下午16∶00以后蒸馏室内的温度和淡水产量均大幅度降低。

图4 蒸馏室温度的变化

图5是系统在不同压力条件下的淡水产量变化，上午11∶30之前蒸馏室内温度远低于对应压力下的饱和温度，所以淡水产量较低。04-11在蒸馏室压力保持为0.06 MPa条件下，上午11∶30到下午13∶00，淡水产量从0.96 kg/h增加到2.58 kg/h。04-16在蒸馏室压力保持为0.05 MPa条件下，下午13∶00淡水产量达到2.62 kg/h。04-19在蒸馏室压力保持为0.04 MPa条件下，下午13∶00淡水产量达到最高值2.7 kg/h。

图5 淡水产量的变化

图6是系统集热效率和脱盐率的变化，系统集热效率随着蒸馏室内压力的降低而升高。当蒸馏室内压力为0.04 MPa时,下午13∶00系统集热效率高达58.86%。从中午12∶00到下午17∶00，系统集热效率都在30%以上。上午12∶00之前蒸馏室内温度较低，脱盐率在97%波动，从中午12∶00到下午17∶30脱盐率都在99%以上。