于博文，季 旭，閆磊磊，李吉淑，李秋玫，張海麟

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

目前全球有20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)嚴(yán)重缺水[1]，18億人面臨淡水供應(yīng)不足的問(wèn)題[2]。太陽(yáng)能海水淡化是增加淡水供應(yīng)的途徑之一，將低壓與傳統(tǒng)海水淡化相結(jié)合是提高淡水產(chǎn)量的有效方法[3]。

低壓與海水淡化相結(jié)合的技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Rahimi-Ahar Z[4]等人提出了一種在加濕器內(nèi)進(jìn)行低壓處理的加濕除濕海水淡化系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)降低加濕器壓力，淡水產(chǎn)量可達(dá)1.07 L/h·m2，GOR最高可達(dá)3.43。Tian[5]等人設(shè)計(jì)了一種微波供能的低壓蒸餾海水淡化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，淡水產(chǎn)量有顯著提升。Rahimi-Ahar Z[6]等人用兩種不同的工藝進(jìn)行低壓增濕除濕海水淡化實(shí)驗(yàn)，當(dāng)壓力從0.09 MPa降到0.01 MPa，兩種工藝淡水產(chǎn)量均可提高50%，蒸餾水的成本分別為0.034 S|/L和0.041 S|/L。

文章采用復(fù)合拋物聚光器(CPC)集熱的低壓蒸餾方式進(jìn)行海水淡化。在低壓環(huán)境下，只需提供系統(tǒng)中低品位能源就能完成海水的淡化。為此，文章提出一種太陽(yáng)能低壓蒸餾海水系統(tǒng)，為低壓式太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用提供一定參考。

1 工作原理及系統(tǒng)建構(gòu)

圖1是太陽(yáng)能低壓蒸餾海水系統(tǒng)原理圖。

圖1 太陽(yáng)能低壓蒸餾海水系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要由CPC、蒸餾室、冷凝器、真空泵組成。每組獨(dú)立的CPC通過(guò)U型導(dǎo)熱管連通，有效集熱面積為1.07 m2。系統(tǒng)將水作為傳熱工質(zhì)。在運(yùn)行時(shí)主要分為傳熱工質(zhì)循環(huán)。海水汽化并冷凝成淡水、海水預(yù)熱三個(gè)部分。(1)傳熱工質(zhì)循環(huán)。CPC將低能流密度的太陽(yáng)光線集中起來(lái)用于加熱傳熱工質(zhì)，傳熱工質(zhì)在水泵的作用下進(jìn)入蒸餾室底部的換熱盤管中與海水進(jìn)行換熱，與海水充分換熱后流回CPC繼續(xù)加熱，形成一個(gè)循環(huán)。(2)海水汽化并冷凝成淡水。真空泵(2X-8A)與氣液分離器相連接，氣液分離器、冷凝器和蒸餾室密閉連接。這樣連接的作用為：①真空泵工作時(shí)可以迅速將蒸餾室內(nèi)的空氣排出，使蒸餾室內(nèi)形成低壓環(huán)境；②防止蒸餾室內(nèi)被汽化的海水進(jìn)入真空泵；③為被汽化的海水進(jìn)入冷凝器提供動(dòng)力。當(dāng)蒸餾室內(nèi)壓力降低，海水的飽和溫度也隨之降低，因此，被加熱的海水迅速汽化，海水中的鹽跟淡水分離，被汽化后的淡水蒸汽在空氣流的帶動(dòng)下流出蒸餾室，順著管道流進(jìn)冷凝器被冷凝成淡水，再經(jīng)汽水分離器收集得到淡水。(3)海水預(yù)熱。將海水通入冷凝器中與淡水蒸汽換熱，淡水蒸汽被冷凝的同時(shí)海水也被預(yù)熱，預(yù)熱后的海水通入蒸餾室中進(jìn)行下一輪的加熱并汽化。實(shí)驗(yàn)采用壓力真空表(Y100-BF)監(jiān)測(cè)蒸餾室內(nèi)的壓力，用鉑熱電阻K型溫度傳感器(MIK-WZPK-PT100)連接無(wú)紙記錄儀(MlK-R6000C)記錄傳熱工質(zhì)在蒸餾室進(jìn)出口的溫度及蒸餾室內(nèi)溫度等，記錄間隔為30 min。

2 實(shí)驗(yàn)理論計(jì)算

2.1 系統(tǒng)傳熱分析

該系統(tǒng)由CPC吸收太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為熱能，其中管道、冷凝器等均采用保溫棉進(jìn)行保溫處理，產(chǎn)生的熱損可忽略不計(jì)，系統(tǒng)熱損主要為CPC及蒸餾器與外界環(huán)境的換熱損失。蒸餾系統(tǒng)的瞬時(shí)熱平衡方程表示為：

Qcpc-Qs,cpc+Qre=Qw

=Qh+Qre

=Qu+Qs,d+Qre

=QL+Qn+Qs,d+Qre

(1)

式中:Qcpc——CPC吸收的有效熱能，J；Qs,cpc——CPC熱損，J；Qre——二次循環(huán)進(jìn)CPC的傳熱工質(zhì)的熱量，J；Qw——CPC傳遞到傳熱工質(zhì)的熱量，J；Qh——換熱盤管與蒸餾室的換熱量，J；Qu——用于海水汽化的熱量，J；Qs,d——蒸餾器熱損，J；QL——海水汽化所需的總潛熱，J；Qn——海水汽化所需要的總顯熱，J。

CPC吸收的有效太陽(yáng)輻射能，Qcpc表示為[7]：

Qcpc=HAr(τgαm)

(2)

式中:H——垂直接收面上太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，W/m2；Ar——玻璃蓋板有效面積，m2；τgαm——玻璃蓋板透過(guò)率與真空內(nèi)管吸收性涂層吸收率乘積，%。

CPC組件的熱損失Qs,cpc由頂部熱損失Qt和側(cè)面、底面熱損失Qbe組成。CPC頂部熱損失表示為：

Qt=ArUtΔTca

(3)

式中:Ut——頂部熱損失系數(shù)；ΔTca——CPC內(nèi)部空間溫度與環(huán)境溫度差，K。

側(cè)面、底面熱損失表示為：

Qbe=(Ab+Ae)UbeΔTca

(4)

式中：Ube——底部、側(cè)面熱損系數(shù)；Ab+Ae——CPC底面和側(cè)面總面積，m2。

傳熱工質(zhì)自CPC集熱器所吸收的熱量表示為：

Qw=AUhWΔTU

(5)

式中:hW——傳熱工質(zhì)與U型導(dǎo)熱管的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；AU——U型導(dǎo)熱管內(nèi)表面積，m2；ΔTU——U型導(dǎo)熱管與傳熱工質(zhì)的瞬時(shí)溫差，K。

換熱盤管長(zhǎng)度為L(zhǎng)h時(shí)，Qh表示為[8]：

(6)

式中:mc——CPC內(nèi)部傳熱工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；ci——海水的比熱容，J/(kg·K)；D——換熱盤管內(nèi)直徑，m；To——傳熱工質(zhì)溫度，K；Ti——海水溫度，K。

蒸餾器與環(huán)境的導(dǎo)熱熱損表示為[9]：

(7)

式中：λs——蒸餾室外壁保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；2πrsls——蒸餾室半徑rs處垂直于熱流密度的面積，m2；Ts——蒸餾室溫度，K；Tsa——蒸餾室外壁面溫度，K；r2s——蒸餾室外半徑，m；r1s——蒸餾室內(nèi)半徑，m。

此時(shí)Qu表示為：

Qu=Qh-Qs,d=QL+Qn

(8)

海水汽化所需要的總潛熱表示為：

QL=mrhf

(9)

式中：mr——淡水產(chǎn)量，kg;hf——不同壓力對(duì)應(yīng)的汽化潛熱，kJ/kg。

這種突破性貢獻(xiàn)，也讓她個(gè)人取得無(wú)上殊榮——成為人類歷史上第一個(gè)兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人，各種獎(jiǎng)金與頭銜更是不勝枚舉。

2.2 系統(tǒng)性能系數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)瞬時(shí)集熱效率可用以下公式求得[10]：

(10)

式中：φ(t)——集熱瞬時(shí)功率；φ(cpc)——CPC吸收的瞬時(shí)輻射功率。

系統(tǒng)脫鹽率是衡量所產(chǎn)淡水是否符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)脫鹽率表達(dá)式為[11]：

(11)

式中：Cf——產(chǎn)淡水含鹽量,mg/L；Cw——原海水含鹽量,mg/L。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2是2020-04-11、2020-04-16、2020-04-19 3 d晴朗天氣的輻照度變化，按照時(shí)間順序?qū)⒄麴s室內(nèi)的壓力依次降低為0.06 MPa、0.05 MPa和0.04 MPa，記錄不同壓力條件下淡水產(chǎn)量隨輻照度的變化。從上午9∶30到下午13∶00輻照度呈上升趨勢(shì)，隨后輻照度開始下降，從上午11∶00到下午16∶30輻照度較好，也是一天中淡水產(chǎn)量最高的時(shí)間段。

圖2 輻照強(qiáng)度變化

圖3是傳熱工質(zhì)在蒸餾室進(jìn)出口溫度的變化，傳熱工質(zhì)以1.27 m/s的速度在CPC和換熱管道內(nèi)循環(huán)。因?yàn)樯衔?0∶30之前輻照度較弱，傳熱工質(zhì)的溫度較低，與海水換熱較少，所以上午10∶30之前蒸餾室進(jìn)出口溫度之差較小。隨著輻照度的增加，蒸餾室進(jìn)出口水溫之差變大。04-11下午13∶00，蒸餾室壓力為0.06 MPa，蒸餾室進(jìn)口水溫達(dá)到95 ℃，蒸餾室進(jìn)出口水溫之差在7.3 ℃波動(dòng)；04-16下午13∶00，蒸餾室壓力為0.05 MPa，蒸餾室進(jìn)口水溫達(dá)到93 ℃，蒸餾室進(jìn)出口水溫之差在7.2 ℃波動(dòng)；04-19下午13∶00，蒸餾室壓力為0.04 MPa，蒸餾室進(jìn)口水溫達(dá)到91 ℃，蒸餾室進(jìn)出口水溫之差在6.9 ℃波動(dòng)。

圖3 系統(tǒng)傳熱工質(zhì)溫度變化

圖4是蒸餾室內(nèi)溫度的變化，從上午9∶00到下午13∶00蒸餾室內(nèi)的溫度持續(xù)增加，在下午13∶00蒸餾室內(nèi)的溫度達(dá)到最高，溫度分別達(dá)到88.1 ℃、84.5 ℃和80.3 ℃。此時(shí)的溫度都已超過(guò)對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度。從下午13∶00到下午16∶00蒸餾室內(nèi)溫度下降緩慢，溫度均能達(dá)到70 ℃以上，淡水產(chǎn)量均達(dá)到1.06 kg/h以上。下午16∶00以后蒸餾室內(nèi)的溫度和淡水產(chǎn)量均大幅度降低。

圖4 蒸餾室溫度的變化

圖5是系統(tǒng)在不同壓力條件下的淡水產(chǎn)量變化，上午11∶30之前蒸餾室內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，所以淡水產(chǎn)量較低。04-11在蒸餾室壓力保持為0.06 MPa條件下，上午11∶30到下午13∶00，淡水產(chǎn)量從0.96 kg/h增加到2.58 kg/h。04-16在蒸餾室壓力保持為0.05 MPa條件下，下午13∶00淡水產(chǎn)量達(dá)到2.62 kg/h。04-19在蒸餾室壓力保持為0.04 MPa條件下，下午13∶00淡水產(chǎn)量達(dá)到最高值2.7 kg/h。

圖5 淡水產(chǎn)量的變化

圖6是系統(tǒng)集熱效率和脫鹽率的變化，系統(tǒng)集熱效率隨著蒸餾室內(nèi)壓力的降低而升高。當(dāng)蒸餾室內(nèi)壓力為0.04 MPa時(shí),下午13∶00系統(tǒng)集熱效率高達(dá)58.86%。從中午12∶00到下午17∶00，系統(tǒng)集熱效率都在30%以上。上午12∶00之前蒸餾室內(nèi)溫度較低，脫鹽率在97%波動(dòng)，從中午12∶00到下午17∶30脫鹽率都在99%以上。

圖6 系統(tǒng)脫鹽率的變化

4 結(jié)論

1)蒸餾室內(nèi)溫度以及壓力對(duì)淡水產(chǎn)量影響較大，室內(nèi)溫度越高，壓力越低，淡水產(chǎn)量越高。當(dāng)室內(nèi)壓力為0.04 MPa時(shí)，從上午11∶30到下午13∶00，淡水產(chǎn)量增加了73%，當(dāng)天淡水產(chǎn)量最高達(dá)到2.7 kg/h。

2)降低蒸餾室壓力能夠有效提高系統(tǒng)集熱效率。同一時(shí)刻，壓力為0.04 MPa條件下的系統(tǒng)集熱效率總高于0.06 MPa條件下的系統(tǒng)集熱效率。壓力為0.04 MPa條件下的最高系統(tǒng)集熱效率比壓力為0.06 MPa條件下的最高系統(tǒng)集熱效率增加了10.58%。

3)當(dāng)蒸餾室溫度高于蒸餾室壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，淡水產(chǎn)量顯著提升。蒸餾室溫度高于飽和溫度的淡水產(chǎn)量比未達(dá)到飽和溫度的淡水產(chǎn)量增加約95%。