劉 娟，田軍倉(cāng)

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

在眾多的苦咸水/海水淡化技術(shù)中，反滲透技術(shù)是最先進(jìn)有效、最節(jié)能的膜分離技術(shù)，然而反滲透（reverse osmosis，RO）濃水的處理卻是目前難以解決的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于RO濃水處置最普遍的做法是直接排放，這樣既造成水資源浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。利用膜蒸餾技術(shù)處理RO濃水受到越來(lái)越多人的關(guān)注。膜蒸餾（membrane distillation，MD）是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，它以疏水性微孔膜兩側(cè)的蒸汽壓差作為傳質(zhì)推動(dòng)力，該過(guò)程受熱側(cè)溶液濃度的影響很小，因此可用于RO濃水的處理。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用膜蒸餾對(duì)高濃度鹽水進(jìn)行了濃縮處理試驗(yàn)，結(jié)果表明膜蒸餾是一種處理高濃度鹽水非常有前景的技術(shù)。Li等[1]利用直接接觸膜蒸餾（direct contact membrane distillation，DCMD）對(duì)高濃度鹽水進(jìn)行處理。Mericq等[2]利用真空膜蒸餾（vacuum membrane distillation，VMD）對(duì)300g/L濃鹽水進(jìn)行處理，模擬并優(yōu)化了操作條件。Adham等[3]在不同的操作條件下，對(duì)膜蒸餾脫鹽裝置中不同MD膜的性能進(jìn)行了比較。Ji等[4]對(duì)RO濃水的膜蒸餾結(jié)晶裝置進(jìn)行了研究。陳利等[5]分別采用2種不同材質(zhì)的膜對(duì)RO濃水進(jìn)行VMD處理。王軍等[6]釆用膜蒸餾技術(shù)處理RO濃水，考察了各因素對(duì)處理結(jié)果的影響。劉東等[7]利用新型高通量聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）中空纖維疏水膜，對(duì)石化企業(yè)廢水經(jīng)反滲透處理產(chǎn)生的濃水進(jìn)行VMD處理。唐娜等[8]采用PVDF中空纖維膜及聚四氟乙烯（poly tetra fluoro ethylene，PTFE）微孔平板膜組件對(duì)RO濃水進(jìn)行了VMD過(guò)程研究?？锃傊サ萚9]對(duì)VMD淡化高濃度鹽水過(guò)程中溫度、濃度、真空度對(duì)膜通量的影響進(jìn)行了研究。

膜蒸餾的熱側(cè)溶液可在較低的溫度下產(chǎn)生蒸汽，因此可利用低等級(jí)的廢熱或太陽(yáng)能為膜蒸餾提供熱源。太陽(yáng)能膜蒸餾苦咸水/海水淡化技術(shù)尚處于試驗(yàn)室研究和小型示范階段，歐盟委員會(huì)資助的SMADES項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了多個(gè)太陽(yáng)能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)[10]，Banat等[11]介紹了位于埃及的小型試驗(yàn)裝置，其6個(gè)月的運(yùn)行結(jié)果表明，在全天太陽(yáng)輻射平均為7.25 kWh/d時(shí)，集熱器產(chǎn)水量為11.2 L/(d﹒m2)。Banat等[12]還介紹了位于約旦的試驗(yàn)裝置，用電導(dǎo)率為55000 μm/cm的紅海海水作為進(jìn)料液，集熱器單位面積的產(chǎn)水量為2～11L/d。Banat等[13]提出了一種將太陽(yáng)能與膜蒸餾相結(jié)合的系統(tǒng)，以3.5%的NaCl溶液代替海水，當(dāng)太陽(yáng)輻射平均為252 W/m2時(shí)，系統(tǒng)工作7.5h的平均產(chǎn)水量為9 L /m2。Koschikowski等[14]在德國(guó)搭建了一個(gè)集熱面積為5.9m2的小型太陽(yáng)能膜蒸餾試驗(yàn)臺(tái)，在膜蒸餾冷側(cè)利用進(jìn)料液回收蒸汽的冷凝熱，當(dāng)最高水溫達(dá)到90℃時(shí)，膜通量為15L/h，在夏天產(chǎn)水量達(dá)到120L～160L/d。Qtaishat等[15]對(duì)太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)的性能及成本進(jìn)行了研究。楊華劍[16]在杭州地區(qū)搭建了一個(gè)集熱面積為8m2的太陽(yáng)能膜蒸餾試驗(yàn)臺(tái)，集熱器產(chǎn)水量可以達(dá)到954 L/(y·m2)。殷文其等[17]在2010年將新型U型管式集熱器與膜蒸餾相結(jié)合，結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)料液溫度和流量分別為88.6 ℃和332 L/h，冷卻水溫度和流量分別為10℃和440L/h時(shí)，膜通量為2.687 L /(m2·h)。曾輝[18]在2013年對(duì)太陽(yáng)能真空膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在進(jìn)料液溫度高于65 ℃和冷側(cè)真空度為0.080MPa時(shí)，膜通量可以達(dá)到14.4 L/(m2·h)。由此可見(jiàn)，利用太陽(yáng)能低品位能源驅(qū)動(dòng)膜蒸餾系統(tǒng)淡化苦咸水/海水是一項(xiàng)可行的水處理技術(shù)，然而太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與膜蒸餾系統(tǒng)耦合匹配及系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)是需要解決的一個(gè)問(wèn)題[19-20]。

膜蒸餾過(guò)程產(chǎn)生的淡水蒸汽需要一定的冷凝設(shè)備冷凝后形成淡水，冷凝過(guò)程中淡水蒸汽釋放的汽化潛熱較大，目前有關(guān)膜蒸餾過(guò)程蒸汽相變熱回收的報(bào)道極少[21-24]。王麗[25]利用多級(jí)和多效減壓膜蒸餾過(guò)程對(duì)膜蒸餾過(guò)程的能量進(jìn)行了回收。劉學(xué)晶[26]對(duì)減壓膜蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行了工藝改進(jìn)，通過(guò)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)熱量回收式減壓膜蒸餾裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的熱量回收再利用。高云霄[27]設(shè)計(jì)和制備了一種新型的具有內(nèi)部熱回收功能的螺旋卷式氣隙膜蒸餾組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜蒸餾過(guò)程中蒸汽潛熱的回收利用。張猛等[28]在VMD過(guò)程中設(shè)立特殊的多效蒸發(fā)區(qū)，使膜組件同時(shí)具有蒸汽的換熱降溫與原料液的升溫蒸發(fā)雙重作用，從而實(shí)現(xiàn) VMD 過(guò)程蒸發(fā)潛熱的高效回收利用。通過(guò)文獻(xiàn)分析可知膜蒸餾過(guò)程的熱回收多為通過(guò)對(duì)蒸汽的多級(jí)和多效利用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的潛熱回收，但還是避免不了利用冷卻水對(duì)膜蒸餾所產(chǎn)蒸汽進(jìn)行冷凝。為實(shí)現(xiàn)蒸汽的冷凝需要大量的冷卻水，其耗水量遠(yuǎn)高于膜蒸餾的產(chǎn)水量，因此難以實(shí)現(xiàn)減排的初衷。

針對(duì)目前RO濃水的零排放、太陽(yáng)能集熱與膜蒸餾的耦合匹配以及膜蒸餾系統(tǒng)蒸汽冷凝過(guò)程的冷卻水減排和相變熱回收問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套適用于寒冷地區(qū)的太陽(yáng)能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統(tǒng)，并在寧夏銀川市賀蘭縣苦咸水地區(qū)的溫室大棚里進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究對(duì)解決太陽(yáng)能集熱與膜蒸餾的耦合匹配及膜蒸餾的蒸汽冷凝和相變熱回收、降低膜蒸餾系統(tǒng)能耗、實(shí)現(xiàn)RO濃水零排放、減少濃水對(duì)環(huán)境污染具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成、原理及設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

寒冷地區(qū)太陽(yáng)能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)主要由RO濃水箱、膜蒸餾組件、太陽(yáng)能集熱器、冷凝裝置、循環(huán)泵、真空泵、淡水箱等構(gòu)成，如圖 1所示。該系統(tǒng)放置在寧夏銀川市賀蘭縣欣榮村的溫室大棚中，系統(tǒng)前端是一套用于溫室灌溉的反滲透系統(tǒng)，由于RO濃水無(wú)法排放，因此采用減壓膜蒸餾進(jìn)一步淡化。為了降低能耗，膜蒸餾所處理的RO濃水采用太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行加熱。膜蒸餾產(chǎn)生的淡水蒸汽利用反滲透淡水池中的換熱盤(pán)管及溫室地?zé)岜P(pán)管進(jìn)行冷卻，即解決了蒸汽冷凝問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了相變熱回收并可用于溫室加熱。

圖1 太陽(yáng)能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統(tǒng)圖Fig.1 System of RO brine desalination for solar vacuum membrane distillation

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖 1所示，地下苦咸水通過(guò)原水泵輸送到磁砂過(guò)濾器，由安保過(guò)濾器過(guò)濾后，經(jīng)高壓泵加壓進(jìn)入反滲透膜組件中，產(chǎn)生的淡水進(jìn)入到淡水池中，產(chǎn)生的濃鹽水進(jìn)入到濃鹽水箱中。濃鹽水經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器間接加熱后，輸送到膜蒸餾組件，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器不能將濃鹽水加熱到設(shè)定的溫度時(shí)，可通過(guò)電加熱器進(jìn)行加熱。由膜蒸餾組件產(chǎn)生的淡水蒸汽被真空泵抽到淡水池散熱盤(pán)管中，經(jīng)過(guò)淡水池蒸汽散熱盤(pán)管冷凝后，進(jìn)入淡水箱，同時(shí)淡水池中的水被加熱，用于灌溉。當(dāng)不需要加熱淡水池中的水時(shí)，膜蒸餾組件產(chǎn)生的淡水蒸汽可由真空泵抽到溫室的地下散熱盤(pán)管中，經(jīng)溫室地下蒸汽散熱盤(pán)管冷凝后，進(jìn)入淡水箱中，同時(shí)加熱盤(pán)管上部的作物。這兩種冷卻方式既節(jié)約了冷卻水，又充分利用了盤(pán)管中的熱量給灌溉水或作物加熱。經(jīng)膜蒸餾組件不斷濃縮的濃鹽水最終排放到太陽(yáng)能蒸發(fā)結(jié)晶器中。當(dāng)需要加熱的淡水池溫度或溫室地溫未達(dá)到所需的溫度時(shí)，可通過(guò)淡水池太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)換熱盤(pán)管或溫室地下太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)換熱盤(pán)管加熱。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 膜蒸餾組件

系統(tǒng)前端RO濃水的產(chǎn)量為1m3/h，根據(jù)膜蒸餾廠家提供膜組件的產(chǎn)水量為 4L/m2﹒h，則所需的膜面積為250m2。由于本試驗(yàn)裝置為中試系統(tǒng)，因此選用有效膜面積為10 m2的PTFE膜中空纖維膜組件，由浙江東大環(huán)境工程有限公司提供，型號(hào)為 DDPT-S2312，耐水壓0.160MPa，使用溫度為-190～250℃。中空纖維膜能夠承受的熱側(cè)濃水溫度為 80℃，壓力為-0.090 MPa，膜絲平均內(nèi)徑為1.2 mm，平均外徑為2.3 mm，壁厚0.5mm，平均膜孔直徑為0.25μm，孔隙率55%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為40 L/h，熱側(cè)濃水溫度為 80℃，滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.090MPa。

1.3.2 太陽(yáng)能集熱器

普通的太陽(yáng)能平板集熱器或真空管集熱器很難將濃水加熱到 80℃，因此選用山東力諾瑞特新能源有限公司的CPC型太陽(yáng)能中溫集熱器。一組CPC型中溫集熱器外形尺寸為1.640 m×2.082 m，采光面積為3.026m2，最大工作壓力為 0.8MPa，靜態(tài)最高溫度為 276℃，載熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油（冬季防凍，夏季防結(jié)垢），容量為 2.23L。選用 1m3的保溫水箱作為膜蒸餾組件中的 RO濃水太陽(yáng)能加熱水箱，同時(shí)兼做太陽(yáng)能集熱器的緩沖箱?？紤]到RO濃水對(duì)集熱器管道的腐蝕性，系統(tǒng)采用間接連接方式。

濃水水箱的加熱設(shè)計(jì)溫度為 80℃，反滲透的濃水出水溫度為15℃，則所需的太陽(yáng)能集熱器面積Ac可按式（1）計(jì)算[29]。

式中Qw為日均熱水量，m3；c為水的定壓比熱，kJ/(kg·)℃；ρ為水的密度，kg/m3；tend為水箱的加熱設(shè)計(jì)溫度，℃；tL水的初始溫度，℃；JT為銀川地區(qū)安裝傾角平面年平均日太陽(yáng)輻照量[30]，MJ/m2；f為太陽(yáng)能保證率，取60%[30]；ηcd為集熱器全日集熱效率，根據(jù)產(chǎn)品性能取72.7%；ηL為管路及貯水箱熱損失率，取20%；經(jīng)計(jì)算得出，系統(tǒng)所需集熱面積為15.2 m2，實(shí)際選用5組CPC型太陽(yáng)能中溫集熱器，安裝角度為銀川當(dāng)?shù)鼐暥?。考慮到陰天或冬季無(wú)法滿足要求時(shí)，選用6kW的輔助電加熱。

1.3.3 末端冷凝裝置

系統(tǒng)共采用兩種冷凝裝置，一種是浸沒(méi)在淡水池中的 ?40不銹鋼散熱盤(pán)管，一種是埋在溫室地下作物根部的?25地?zé)岜P(pán)管，兩種冷凝裝置均是自制的裝置。

1）散熱量計(jì)算

80℃的淡水蒸汽降為常溫淡水（設(shè)平均為 20℃）的散熱量Q可根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中r為80℃蒸汽所具有的汽化潛熱量，kJ/kg[31]； m為每小時(shí)產(chǎn)水量，kg；Δt為最高蒸汽溫度降為常溫淡水的溫差，℃；通過(guò)計(jì)算可知散熱盤(pán)管散熱量為28 442W/s。

2）不銹鋼散熱盤(pán)管長(zhǎng)度計(jì)算

由于不銹鋼散熱盤(pán)管浸沒(méi)在淡水池中，因此管內(nèi)蒸汽向管外的傳熱分為管內(nèi)的凝結(jié)傳熱、管內(nèi)壁向管外壁的導(dǎo)熱、管外壁向水的自然對(duì)流傳熱三個(gè)過(guò)程。

管內(nèi)凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ih按式（3）計(jì)算[31]。

式中各參數(shù)均為散熱盤(pán)管內(nèi)蒸汽溫度 ts與管內(nèi)壁溫度 tn的平均溫度tm對(duì)應(yīng)的飽和水參數(shù)[31]，ts=80℃，設(shè)tn=40℃，則tm=60℃；tw為散熱盤(pán)管外表面溫度； g為重力加速度，m/s2；ρ為 tm對(duì)應(yīng)的水密度，kg/m3；ρv為 80℃水蒸汽的密度，kg/m3；λi為凝結(jié)水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；μ為凝結(jié)水的動(dòng)力粘度N·s/m2；d為管道直徑；r′為修正后的80℃水蒸汽的汽化潛熱，計(jì)算可得hi=5318.4 W/(m2·K)。

管外自然對(duì)流傳熱系數(shù)h0按式（4）計(jì)算[31]。

式中各參數(shù)均為散熱盤(pán)管外表面溫度 tw與水池水溫 tf的平均溫度tp所對(duì)應(yīng)的飽和水參數(shù)[31]，設(shè)tw=35℃，tf=15℃，則tp=25℃；λ0為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；α為體積膨脹系數(shù)，m2/s；Δt=tw-tf；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Pr為普朗特準(zhǔn)則數(shù)；C、n為由試驗(yàn)確定的常數(shù)；計(jì)算可得h0=79.3 W/(m2·K)。

不銹鋼散熱盤(pán)管的綜合傳熱系數(shù)K按式（5）計(jì)算。

式中b為?40不銹鋼管的厚度，1.5mm；λ為不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，16 W/(m·K)[29]，則計(jì)算綜合傳熱系數(shù)k=72.8W/(m2·K)。

不銹鋼盤(pán)管長(zhǎng)度l按式（6）計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算可得不銹鋼散熱盤(pán)管長(zhǎng)度為 47.85m。設(shè)計(jì)選用直徑為?40，長(zhǎng)度為50m的304不銹鋼鋼管做成散熱盤(pán)管放置在反滲透淡水池中。

3）溫室地?zé)岜P(pán)管長(zhǎng)度計(jì)算

溫室中的地?zé)岜P(pán)管埋設(shè)在土壤中，管內(nèi)蒸汽散熱過(guò)程為蒸汽在管內(nèi)的凝結(jié)傳熱、管內(nèi)壁向管外及其覆土層的導(dǎo)熱過(guò)程、地面與室內(nèi)空氣的自然對(duì)流傳熱。這與采暖系統(tǒng)中地?zé)岜P(pán)管的選型計(jì)算相似，則地?zé)岜P(pán)管長(zhǎng)度 l按式（7）計(jì)算：

式中q為每米地?zé)岜P(pán)管的散熱量，?25的地?zé)岜P(pán)管經(jīng)驗(yàn)值一般為q=20～25W/m[32]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)取25 W/m，經(jīng)計(jì)算溫室地?zé)岜P(pán)管的長(zhǎng)度為1137m。設(shè)計(jì)選用直徑為?25，長(zhǎng)度為1 140 m地?zé)岜P(pán)管鋪設(shè)在溫室作物根部以下20cm處。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 RO濃水來(lái)源及組成

試驗(yàn)所用 RO濃水為用于溫室滴灌的苦咸水反滲透淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量為3m3/h，淡水與濃水的產(chǎn)水比例為3:1，因此濃水產(chǎn)量為1 m3/h。濃水成分組成如表1所示。

表1 RO濃水成分組成Table 1 Composition of RO brine

2.2 試驗(yàn)方案

1）太陽(yáng)能集熱效果試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)靥?yáng)輻照度、室外溫度、太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)出口溫度、RO濃水太陽(yáng)能加熱水箱的水溫進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分析太陽(yáng)能集熱效果。

2）減壓膜蒸餾產(chǎn)水效果試驗(yàn)

①保證滲透?jìng)?cè)真空壓力不變，改變熱側(cè) RO濃水溫度，測(cè)試熱側(cè)膜蒸餾組件進(jìn)出口處的RO濃水流量、溫度和滲透?jìng)?cè)淡化蒸汽質(zhì)量流量及溫度，以及濃水和淡水電導(dǎo)率，分析熱側(cè)濃水溫度、濃度及膜污染對(duì)膜通量的影響。

②保證熱側(cè) RO濃水溫度不變，改變滲透?jìng)?cè)真空壓力，測(cè)試熱側(cè)膜蒸餾組件進(jìn)出口處的RO濃水流量、溫度和滲透?jìng)?cè)淡化蒸汽質(zhì)量流量及溫度，以及濃水和淡水電導(dǎo)率，分析滲透?jìng)?cè)真空壓力、熱側(cè)濃水濃度及膜污染對(duì)膜通量的影響。

3）冷凝裝置冷凝效果試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)淡水池不銹鋼散熱盤(pán)管及溫室地下散熱盤(pán)管冷凝系統(tǒng)的入口處、中間段及出口處的溫度進(jìn)行測(cè)試，分析蒸汽在散熱盤(pán)管中的溫度降，從而進(jìn)一步分析冷凝系統(tǒng)的效果。

4）地?zé)岜P(pán)管加熱效果試驗(yàn)

地?zé)岜P(pán)管鋪設(shè)在作物根部以下20cm處，因此對(duì)距離盤(pán)管上表面10、20cm處土壤的溫度進(jìn)行測(cè)試，分析蒸汽散熱盤(pán)管對(duì)作物根部的加熱效果。

2.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

利用北京世紀(jì)建通環(huán)境技術(shù)有限公司提供的 JTR12太陽(yáng)輻射觀察站和 JTR13B室外氣象觀察站對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)總輻照度和室外環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試。利用自制的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)出口溫度、RO濃水太陽(yáng)能加熱水箱溫度，及膜蒸餾組件的進(jìn)出口濃水流量、膜蒸餾組件的濃水進(jìn)出口溫度、淡水蒸汽出口溫度、不銹鋼蒸汽散熱盤(pán)管的進(jìn)出口溫度、溫室蒸汽地?zé)岜P(pán)管的進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)試，其中流量測(cè)量采用的是智能電磁流量計(jì)，流量測(cè)試范圍為 0～5m3/h，溫度測(cè)量采用的是三通專(zhuān)用DS18B20溫度傳感器，溫度測(cè)試范圍為-55～125℃。利用西安南控儀表設(shè)備有限公司提供的壓差補(bǔ)償型孔板蒸汽流量計(jì)對(duì)膜組件產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量流量、溫度、真空度進(jìn)行測(cè)試，蒸汽流量測(cè)量范圍0～310 m3/h，工作壓力-0.080 MPa，介質(zhì)溫度-20～+120℃。利用美國(guó)奧豪斯的電導(dǎo)率儀測(cè)試膜蒸餾濃水在不同濃縮陪數(shù)下的電導(dǎo)率和膜蒸餾淡水電導(dǎo)率，測(cè)試范圍為0.02～200 mS/cm。系統(tǒng)所用的循環(huán)泵為不銹鋼離心泵，流量為2 m3/h。真空泵為7.5 kW的水環(huán)式真空泵，最大吸氣量為280 m3/h，極限真空度為-0.097 MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽(yáng)能集熱效果分析

2016年對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行了全年測(cè)試，分別選擇冬、春、夏、秋季中典型的一天進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖 2為系統(tǒng)在1月25日、3月18日、7月3日及10月15日的變化曲線。

圖2 太陽(yáng)能集熱效果分析圖Fig.2 Effect analysis of solar collector

由圖 2可知，所配的太陽(yáng)能集熱器在春季和秋季可以將RO濃水加熱到80℃左右，夏季可加熱到90℃左右，而冬季可以加熱到 60℃左右。因此在不需要輔助電加熱的條件下，春夏秋 3個(gè)季節(jié)基本可以達(dá)到膜蒸餾的用熱要求，而冬季可通過(guò)輔助電加熱來(lái)滿足膜蒸餾的用熱要求。

3.2 減壓膜蒸餾效果分析

如圖3a所示，在溫室溫度為14℃以上、RO濃水礦化度為7.1g/L、系統(tǒng)流量為4m3/h的條件下，保持膜蒸餾滲透?jìng)?cè)真空壓力分別在-0.065、-0.070、-0.075、-0.080MPa時(shí)，淡水產(chǎn)水量隨著濃水進(jìn)水溫度的升高而升高。在真空壓力為-0.080MPa時(shí)，70℃的產(chǎn)水量是60℃的1.18倍，而80℃的產(chǎn)水量是60℃的2.08倍。如圖3b所示，在相同條件下，保持濃水進(jìn)水溫度分別在 60、65、70、75、80℃時(shí)，淡水產(chǎn)水量隨滲透?jìng)?cè)真空壓力的升高而升高。在濃水進(jìn)水溫度為80℃的條件下，真空壓力為-0.080MPa的產(chǎn)水量，分別比-0.065、-0.070、-0.075MPa的產(chǎn)水量提高了近2倍、1.5倍、1.2倍。因此隨著濃水進(jìn)水溫度和滲透?jìng)?cè)真空壓力的升高，膜蒸餾淡水產(chǎn)量也逐漸增大，其函數(shù)關(guān)系可按式[33]（10）表示。

式中J為膜蒸餾淡水產(chǎn)量，kg/h；Bm為膜蒸餾滲透系數(shù)，與膜的孔隙率、平均孔徑、膜厚度、膜孔內(nèi)的彎曲度等構(gòu)造有關(guān)；Pmf為熱側(cè)膜表面蒸氣壓，Pa；Pmp為滲透?jìng)?cè)膜表面蒸氣壓，Pa；Pv為真空泵壓力，Pa。水蒸氣壓可由安托萬(wàn)公式[35]按式（11）計(jì)算。

式中A，B，C都是常數(shù)，對(duì)于水A=16.3872，B=3885.70，C=230.70[34]，T為水蒸氣溫度，℃。

圖3 不同因素對(duì)減壓膜蒸餾產(chǎn)水量的影響Fig.3 Effect of different factors on fresh water yield of vacuum membrane distillation

當(dāng)達(dá)到中空纖維膜所能耐受的最高溫度 80℃，及銀川地區(qū)膜蒸餾系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)所能達(dá)到的最大穩(wěn)定真空壓力-0.080MPa時(shí)，膜蒸餾的淡水產(chǎn)水量達(dá)到最高值，可達(dá)到37.62 L/h。減壓膜蒸餾系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)真空壓力設(shè)計(jì)值為-0.090MPa，由于受地域的限制和真空泵效率的影響，該系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)所能達(dá)到的最大穩(wěn)定真空壓力為-0.080MPa，因此減壓膜蒸餾的淡水產(chǎn)量低于設(shè)計(jì)的40L/h。

如圖3c所示，在濃水進(jìn)水溫度為76℃、滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.077MPa、濃水流量為1.85 m3/h的條件下，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行4.5h，產(chǎn)水流量從0.474降到了0.33L/min，電導(dǎo)率由6.73增加到了11.82ms/cm，可以看出隨著濃水體積的減少，濃水濃度的增加，膜污染增大，導(dǎo)致淡水產(chǎn)量逐漸下降。如圖3d所示，在系統(tǒng)運(yùn)行了近240h以后，采用5%的硫酸溶液對(duì)中空纖維膜進(jìn)行清洗。在濃水進(jìn)水溫度為 80℃、真空壓力為-0.080MPa的條件下，清洗后的系統(tǒng)產(chǎn)水量比清洗前提高了近1.5倍。

3.3 冷凝裝置冷凝效果分析

如圖4a所示，將不銹鋼散熱盤(pán)管的蒸汽入口處作為橫坐標(biāo)的0點(diǎn)，沿不銹鋼盤(pán)管長(zhǎng)度50m處作為不銹鋼散熱盤(pán)管凝結(jié)淡水出口，分別測(cè)試離不銹鋼盤(pán)管入口處0、10、30、50m處的管內(nèi)溫度。當(dāng)不銹鋼散熱盤(pán)管入口處的淡水蒸汽溫度分別為60、55、50、45、40℃時(shí)，隨著蒸汽在管內(nèi)的流動(dòng)，到不銹鋼散熱盤(pán)出口處的溫度都接近水池中冷卻水的溫度20℃左右。因此可以說(shuō)明設(shè)計(jì)的不銹鋼散熱盤(pán)管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

如圖4b所示，將地?zé)岜P(pán)管的蒸汽入口處作為橫坐標(biāo)的0點(diǎn)，沿地?zé)岜P(pán)管長(zhǎng)度1140m處為地?zé)岜P(pán)管凝結(jié)淡水出口，分別測(cè)試離地?zé)岜P(pán)管入口處0、380、760、1140m處的管內(nèi)溫度。當(dāng)?shù)責(zé)岜P(pán)管入口處蒸汽溫度分別為 60、55、50、45、40℃時(shí)，地?zé)岜P(pán)管出口處的溫度均在 20℃左右，接近土壤溫度，說(shuō)明設(shè)計(jì)的地?zé)岜P(pán)管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

圖4 末端冷凝效果分析圖Fig.4 Analysis of condensing effect

3.4 地?zé)岜P(pán)管加熱效果分析

如圖5所示，當(dāng)溫室地?zé)岜P(pán)管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到 65℃時(shí)，地?zé)岜P(pán)管表面溫度上升的幅度較大，但離盤(pán)管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在30℃左右，在20cm處的土壤溫度平均在25℃左右，對(duì)作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P(pán)管較為適宜。

圖5 地?zé)岜P(pán)管內(nèi)不同蒸汽溫度對(duì)不同土壤層的影響Fig.5 Effect of different soil layers on different steam temperatures in geothermal coil

如圖5所示，當(dāng)溫室地?zé)岜P(pán)管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到65℃時(shí)，地?zé)岜P(pán)管表面溫度上升的幅度較大，但離盤(pán)管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在 30℃左右，在 20cm處的土壤溫度平均在 25℃左右，對(duì)作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P(pán)管較為適宜。

4 結(jié) 論

1）在試驗(yàn)條件下，所選的集熱器面積基本可以滿足全年的膜蒸餾用熱要求，在溫室淡水池中設(shè)計(jì)的不銹鋼散熱盤(pán)管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝要求，在地表以下 30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P(pán)管可以滿足冷凝要求和溫室加熱需求。

2）膜蒸餾淡水產(chǎn)水量隨濃水進(jìn)水溫度、滲透?jìng)?cè)真空壓力的增大而增大。當(dāng)濃水進(jìn)水溫度為 80℃、滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.080MPa時(shí)，產(chǎn)水量最大。在膜蒸餾系統(tǒng)運(yùn)行240 h時(shí)間后，產(chǎn)水量隨膜污染的增大而減小，當(dāng)對(duì)中空纖維膜進(jìn)行清洗后，清洗后的產(chǎn)水量比清洗前提高了近1.5倍。

3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，寒冷地區(qū)太陽(yáng)能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)基本能夠滿足使用要求。

本文對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，下一步還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能集熱器的集熱性能、減壓膜蒸餾產(chǎn)水量的影響因素及冷凝裝置的冷凝方式做更深入的研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)值模擬分析系統(tǒng)的最佳匹配條件，從而對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。