日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统性能研究

2023-12-19房小磊张丽丽张林华

山东建筑大学学报 2023年6期

房小磊，张丽丽，张林华

（山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101）

0 引言

全球水资源广泛分布，但淡水紧缺，其中海水、苦咸水占比大，开发利用程度较低［1］。相关数据显示，地球表面的总水量中约有2.5%是淡水，且可供人类直接使用的淡水资源不足0.62%［2-3］。我国农业生产的平均用水量约占淡水用量的70%，在一些缺水地区，这一比例甚至达到了90%［4］。因此，合理开发利用各类咸水资源，有效脱盐并实现农业灌溉，成为缓解用水矛盾的途径之一［5-6］。

温室中空气加湿、除湿的技术是通过利用湿空气与高温海水间的热质交换，实现海水淡化的目的。PATON等［7］基于太阳能蒸馏装置的原理，首次提出“海水温室”的概念。ABDULRAHIM等［8］对这种海水温室做了较为全面地阐述。ZAMEN等［9］基于有限差分法建模求解海水温室中的加湿器和除湿器，并提出直接接触式除湿器代替间接冷凝器的方法。MAHMOUDI等［10］为新提出的被动式冷凝器建立了数学模型，提高了加湿、除湿海水温室淡化系统的性能。近几年，海水淡化日光温室在国内也受到了广泛关注［11］。伍纲［12］提出了一种利用菲涅尔透镜聚光器直接加热多级加湿器的海水淡化系统，减少了换热环节，提高了海水淡化效率。徐辉［13］提出了增强型弱压缩増、除湿海水淡化系统，可以显著提高系统的产水率。

露点蒸发淡化技术是一种新型淡化技术，利用加湿-除湿原理，将冷凝过程与蒸发过程相耦合，可以显著提高热利用效率［14］。HAMIEH 等［15］建立了露点蒸发过程的纯理论模型，通过理论计算直接求得传热、传质系数，进而模拟整个增湿和除湿过程，这种纯理论模型的物理意义非常明确，并且模拟过程不受具体设备型式的限制。丁涛［16］利用有限微分方法建立的模型对露点蒸发过程具有普适性，其中的传热、传质系数可通过分析大量的实验数据得到。CHEN［17］根据露点蒸发淡化原理模拟了日光温室内部温湿度的纵向梯度，得到了空气温湿度作为温室内距离的函数，该模型可以预测空气的中间和出口条件。AL-LSMAILI［18］采用控制变量法，通过日光温室内的一系列实验，分析了空气流量、喷淋水流量等因素对露点蒸发海水淡化过程的影响。

文章将露点蒸发淡化技术应用于日光温室，建立日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统，通过模拟计算，得到日光温室内温湿度的变化情况及回风比例对产水量的影响，以期为淡水资源短缺、苦咸水资源丰富地区的温室种植提供一定的理论支撑。

1 日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统概述

日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统示意图如图1所示，流程图如图2所示。冷凝器除湿装置的冷源为苦咸水，通过水泵抽取咸水箱中的苦咸水，进入冷凝器与来自种植区的热湿空气换热。苦咸水吸收空气显热和冷凝潜热，当温度升高时，由管道通过喷淋装置喷淋，在换热盘管表面形成水膜。冷凝器外部凝结的淡水落到下端的淋水盘，经管道流到淡水箱。

图1 日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统示意图

图2 日光温室露点蒸发苦咸水淡化系统流程图

空气从温室西侧进入一级加湿装置，苦咸水在换热盘管表面受热蒸发（换热盘管内热水由太阳能集热器提供），空气与苦咸水换热后经过一级气液分离器除去加湿过程中未蒸发的盐水进入温室。浓缩后的苦咸水落到下端淋水盘，经管道流到咸水箱，空气在引风机驱动下与外界空气混合后进入一级加湿装置。温室种植区升温的未饱和空气，进入二级湿帘加湿装置。来自冷凝器的苦咸水进入二级湿帘加湿装置，自上而下流过多孔纸板，并与空气进行二次热湿交换，空气又一次得到降温加湿；苦咸水滴落到二级淋水盘，随管道流回苦咸水箱。

经过二级湿帘加湿装置、二级气液分离器的热湿空气进入冷凝除湿装置，热湿空气在冷凝器表面产生冷凝水，空气含湿量减少，温度降低变为干冷空气。干冷空气在引风机的作用下一部分排出温室，一部分回收利用。北墙设有通风窗口，在温室内外压差作用下，将一部分空气排出。太阳能光伏发电系统在白天利用温室的太阳能光伏组件通过输电线为水泵、风机供电。

2 数学模型的建立与求解

2.1 控制方程的推导

2.1.1 一级加湿装置

一级加湿装置中，空气在换热管之间流动，喷淋水从顶部喷洒，在换热管的外表面流动形成液膜，管内热水通过管壁与液膜进行换热使液膜吸热蒸发，未蒸发的液体沿着管壁流到下一层换热管束继续蒸发。

空气混合过程中，其含有的水蒸汽总质量不变，由式（1）表示为

式中M1a为温室进口空气中干空气质量，kg；M5b为回风中干空气质量，kg；d1a为温室进口空气含湿量，g／kg；d5b为回风含湿量，g／kg；M1为混合空气中干空气质量，kg；d1为混合空气含湿量，g／kg。

喷淋水蒸发过程中，热水、喷淋水和水蒸汽的总质量不变，由式（2）表示为

式中d2为出口空气含湿量，g／kg；M8为换热管内热水的质量流量，kg；Mk2、M′k2分别为喷淋苦咸水进口流量、出口流量，kg。

空气混合过程中，其具有的总能量不变，由式（3）表示为

式中h1a为温室进口空气焓值，kJ／kg；h5b为回风焓值，kJ／kg；h1为混合空气焓值，kJ／kg。

喷淋水蒸发过程中，热水、喷淋水和空气具有的总能量不变，由式（4）表示为

式中h8、h′8分别为换热管内热水的进口焓值、出口焓值，kJ／kg；hk2、h′k2分别为喷淋苦咸水的进、出口焓值，kJ／kg；h2为空气出口焓值，kJ／kg。

假设出口空气为饱和空气，饱和温度t2和含湿量d2对应关系［9］由式（5）～（7）表示为

式中Pv2为出口空气对应湿球温度的水蒸汽分压力，Pa；T2为出口空气温度，℃；P为标准大气压，101 325 Pa；α1＝- 0.6095× 104、α2＝0.2116 × 102、α3＝- 0.2722 × 10-1、α4＝0.1684 ×10-4、α5＝2.4505。

2.1.2 日光温室种植区

所研究的温湿度变化主要沿温室轴向长度方向，假设条件如下：土壤的蓄热、蒸发忽略不计；日光温室内外之间通过侧壁的热交换忽略不计；日光温室长度方向为一维传热传质。

温室内的热量来源于太阳辐射，一部分满足植物的蒸腾作用，另一部分被吸收、反射，但最终以对流的方式传递给内部空气。作物呼吸作用散热很小，忽略不计。因此，在不考虑表面储热的情况下，可认为温室内太阳的辐射热量，一部分用于植物的蒸腾作用，另一部分转化为空气显热。

湿空气中，水蒸汽含量相等，可由式（8）和（9）表示为

式中Et为由蒸发蒸腾作用而产生的水蒸汽的质量［19］，kg；αe为植物对太阳辐射的吸收系数，取值为0.4；Qs为太阳辐射量，W／m2；L为日光温室长度，取30 m；Δx为微元长度，m；λ为作物的蒸发潜热，是温度T的函数［19］，即λ＝2501 - 2.361T，kJ／kg。

取微元计算时，相邻微元段空气中含湿量的关系由式（10）表示为

式中τc为覆盖薄膜的辐射透过率，0.7；Lc为薄膜顶部长度，其值取9 m。

代入相关参数，整理得到关系由式（11）表示为

式中d3为出口空气含湿量，g／kg。

塑料薄膜的传热系数是温室外风速的函数［19］，由式（12）表示为

式中hc为塑料薄膜的传热系数，J／（s·K·m2）；v1a为温室外部风速，m／s。

蒸腾作用中，系统的总能量不变，由能量守恒即式（13）表示为

式中tj＋1为迭代的气温，℃；t1a为室外气温，℃。

代入相关参数，整理可得式（14）表示为

式中t3为日光温室出口气温，℃；A＝(t2-t1a) -

2.1.3 二级加湿装置

选用湿帘的性能曲线［10］可确定湿帘降温效率η，由式（15）表示为

式中η为降温效率，%；ts3为进口空气湿球温度，℃；v为经过湿帘风速，m／s；ζ为湿帘比表面积，取450 m2／m3；δ为湿帘厚度，m。

假设湿帘对空气处理过程为等焓加湿过程，可根据湿帘降温效率计算湿帘出口空气温度［10］，由式（16）表示为

式中t4为湿帘出口空气温度，℃。

2.1.4 冷凝除湿装置

冷凝淡水温度td等于凝除湿装置出口空气温度t5，而t5为苦咸水进口水温t6与出口水温t7的平均值。

将含湿量转化为相对湿度［10］，得到相对湿度的关系式，由式（17）～（20）表示为

式中φo为空气出口的相对湿度，%；ψo为空气出口的蒸汽压力，Pa；ψ′o为空气出口的饱和蒸汽压力，Pa；do为空气出口的含湿量，g／kg；to为空气出口温度，℃。

2.2 模型的求解

系统的整个过程可以用式（1）～（20）描述，利用MATLAB进行编程计算，其中对日光温室种植区采用迭代法计算，具体步骤［20］为：

（1）温室沿长度方向划分微元段，每段长为1 m；

（2）输入已知条件，包括与系统相关的参数，如日光温室进口温度、含湿量、外界太阳辐射值、日光温室长度、日光温室顶部薄膜长度、薄膜透过率等常数；

（3）沿温室长度方向，使用迭代法得到温室长度方向的温度分布、含湿量分布；

（4）判断迭代次数是否在程序运行所允许的范围内，如果超出则中止程序，否则开始下一步循环；

（5）输出模拟结果。

3 结果与分析

3.1 模型验证

根据文献［18］的实验数据验证所获数学模型，文章所建立的日光温室模型与该文献中的模型类似，因此可以取与文献中相同的初始参数进行计算，并对比模拟和实验结果，从而验证文章中数学模型的正确性。以文献中第4 次实验为例，喷淋水和空气的流量分别为6.7×10-4、7.76 m3／s，各参数的模拟值与实验值对比如图3所示。各参数的模拟值和实验值之间有一定的误差，可能是因为模拟值是在比较理想的条件下计算出来的，而实验值受到很多不可控因素的影响。总体来说，模拟值与实验值的平均误差均在2.9%～3.6%，因此可以认为模拟结果与实验结果具有较好的一致性，也说明了所建立的数学模型的可信性。

图3 第4次实验各参数模拟值与实验值对比拟合图

3.2 系统对温室内环境因子的影响

所研究的日光温室为典型的北方温室，东、西、北三面为混泥土砖墙，其中北墙留有通风窗口，南面主要材料为单层高透明的聚乙烯薄膜，拱架采用镀锌钢管，其东西长为30 m、南北宽为9 m。

对于温室内的环境因子，主要讨论温度和湿度的变化情况［21-22］。适宜作物生长的温度范围为15～30 ℃；湿度过高容易使作物发生病害，适宜作物生长的湿度范围为60%～90%。

以济南市冬季1 月3 日的室外气象参数为例，在空气温度为6.5 ℃和流量为12 kg／s、喷淋水温度为5 ℃和流量为2 kg／s的工况下，有回风和无回风时日光温室内的温湿度变化如图4、5所示。

图4 日光温室内长度方向上的温度变化图

温室外太阳辐射强度随着时间先增大后减小，中午时达到最大，由图4可知，温室内温度也出现了先升高后降低的变化现象，太阳辐射强度是影响日光温室内温度的主要因素。由图5 可以看出，相对湿度的变化规律与温度的变化规律恰好相反，原因在于相对湿度是当前湿度和饱和湿度的比值，在绝对湿度不变的情况下，温度增加使空气携带水分的能力升高，从而使空气的饱和湿度增加，因此相对湿度会随之下降。

图5 日光温室内长度方向上的相对湿度变化图

有回风的条件下，日光温室内各点温度分布较为均匀，其温度最高为27.18 ℃、相对湿度最高为89%，均在作物正常生长的条件范围内。无回风的条件下，日光温室内中午最高温度为31.1 ℃，且温度波动较大，相对湿度最高为97%，均不利于作物正常生长。综上可知，在有回风的条件下，温度和相对湿度均可满足作物正常生长所需的条件。

3.3 回风比例对产水量的影响

由不同回风比例下产水量随时间的变化如图6所示。产水量随回风比例的变化曲线呈现相似的变化规律，随着回风比例的增加，产水量呈上升趋势。当回风比例达到100%时，产水量出现跳跃式增长，最高产水量可达2 kg，相比于回风比例为90%时，产水量提高了100%，这主要是因为回风的温湿度比环境温湿度高，随着回风比例的增加，进入该系统的回风量增加，导致入口空气的温湿度增高，然而产水量又取决于空气的温湿度，当回风比例达到100%时，进入到系统的空气全部为回风，空气的温湿度达到最大，因此产水量出现了跳跃式增长。