李海洋，常澤輝，2，侯 靜，張 鑫，朱國(guó)鵬

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備與自動(dòng)化學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

0 引言

淡水是人類(lèi)社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物資之一，地球上只有1%的淡水資源可供人類(lèi)飲用或從事生產(chǎn)活動(dòng)[1]，[2]，隨著人口增長(zhǎng)和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，到2025年，將有39億人生活在水資源枯竭地區(qū)[3]。利用含鹽水淡化技術(shù)對(duì)地球表面分布廣泛的海水、苦咸水等含鹽水進(jìn)行淡化是緩解淡水匱乏的重要途徑之一[4]～[6]。工業(yè)化的苦咸水淡化系統(tǒng)成本較高、需要配置完備的基礎(chǔ)設(shè)施，適宜于大規(guī)模制水，同時(shí)需要消耗大量化石能源作為能源供應(yīng)。此過(guò)程中所使用的化石能源釋放出的有害氣體也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。針對(duì)減小苦咸水淡化過(guò)程中的能耗及碳排放問(wèn)題，研究人員將目光投向了分布廣泛的太陽(yáng)能資源。淡水匱乏的地區(qū)往往是太陽(yáng)能一類(lèi)和二類(lèi)區(qū)域，可以通過(guò)太陽(yáng)能收集裝置實(shí)現(xiàn)光熱或光電轉(zhuǎn)化，進(jìn)而為苦咸水淡化提供驅(qū)動(dòng)能源，加之轉(zhuǎn)化過(guò)程中無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)，轉(zhuǎn)化效率提升空間大。為此，在化石能源缺乏和基礎(chǔ)設(shè)施落后的地區(qū)，小型分布式太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置擁有廣闊的應(yīng)用前景，也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中降膜蒸發(fā)管式太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置以其可承壓、結(jié)構(gòu)緊湊、可多效運(yùn)行而備受關(guān)注，許多專家學(xué)者致力于提升其熱質(zhì)傳遞性能優(yōu) 化 方 法 的 探 索 和 嘗 試[7]～[10]。

Samir[11]針對(duì)管式太陽(yáng)能蒸餾器，建立了兩種不同形狀的吸收體模型，并對(duì)其進(jìn)行了火用分析和經(jīng)濟(jì)性分析，在實(shí)際天氣下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，半圓波紋面接收體較平板型接收體產(chǎn)水量提高了26.47%，熱效率提高了25.90%，每升淡水價(jià)格下降了20.77%。Hou[12]研究了不同載氣介質(zhì)對(duì)多效豎管降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置產(chǎn)水性能的影響，在二氧化碳、氦氣、氮?dú)狻⒀鯕狻⒖諝?、氬氣等不同載氣介質(zhì)工況下測(cè)試了裝置產(chǎn)水量。結(jié)果表明，載氣介質(zhì)為氦氣時(shí)，產(chǎn)水速率達(dá)到最大，可達(dá)1.19kg/h，比空氣作為載氣介質(zhì)增加30.76%。Xie[13]研究了三效橫管式太陽(yáng)能蒸餾器，結(jié)果表明，在運(yùn)行壓力分別為95，60，40，20kPa時(shí)，裝 置 產(chǎn) 水 速 率 分 別 為3.27，6.32，7.06，4.29kg/d，能 量 利 用 效 率 分 別 為0.77，1.28，1.39和0.88，在40kPa的工作壓力下裝置產(chǎn)水性能最優(yōu)。伍綱[14]將線性菲涅耳反射鏡與多效橫管式降膜苦咸水淡化裝置進(jìn)行高效耦合，結(jié)果表明，裝置累計(jì)產(chǎn)水量為11.35kg，當(dāng)采用真空管集熱器時(shí)，最大性能比為2.88，制水成本約為6.16美元/t。

綜上研究，管式太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置在實(shí)際應(yīng)用中，由于蒸發(fā)冷凝腔結(jié)構(gòu)存在有效冷凝面積小于冷凝套筒內(nèi)表面面積、水蒸氣傳熱距離長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為了解決上述技術(shù)瓶頸以及由此帶來(lái)的產(chǎn)水速率滿足不了實(shí)際需求的問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)一種新型錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置，通過(guò)改變冷凝面與水平面之間的夾角（定義為冷凝面傾斜角度），實(shí)現(xiàn)了裝置蒸發(fā)面與冷凝面傾斜平行相對(duì)，傾斜冷凝面可以直接攔截浮升的水蒸氣，縮短了水蒸氣蒸發(fā)傳熱距離，減小了豎直方向冷凝溫度不均勻性。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置性能測(cè)試臺(tái)，基于其腔內(nèi)氣水二元混合氣體傳熱傳質(zhì)機(jī)理，研究了在定功率輸入條件下，裝置的產(chǎn)水速率、蒸發(fā)冷凝溫差、豎直方向冷凝溫度差、性能系數(shù)等隨運(yùn)行工況的變化規(guī)律。

1 錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置

錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置主要由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，屬于小型分布式熱法太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置，具有占地面積小、可就地取材、易損件少、對(duì)操作人員要求低等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of cone-type falling film evaporation solar brackish water desalination device

錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置工作原理：頂部聚光光漏斗對(duì)入射太陽(yáng)光進(jìn)行匯聚，由此所形成的高密度光能向下傳輸，進(jìn)入裝置幾何中心的加熱水箱內(nèi)水體中，實(shí)現(xiàn)光熱直接轉(zhuǎn)化，水體溫度隨之升高，并通過(guò)熱傳導(dǎo)方式使得加熱水箱外表面吸水材料中的苦咸水液膜溫升蒸發(fā)生成水蒸氣，浮升水蒸氣在溫度較低的冷凝套筒內(nèi)表面凝結(jié)生成淡水，沿套筒內(nèi)表面流到裝置底部進(jìn)入淡水收集罐內(nèi)，同時(shí)未蒸發(fā)的濃苦咸水流到裝置底部進(jìn)入濃鹽水收集罐內(nèi)，水蒸氣釋放的凝結(jié)潛熱散失到周?chē)諝庵?。腔?nèi)水蒸氣傳熱傳質(zhì)過(guò)程如圖2所示。

圖2 裝置工作原理示意圖Fig.2 Structure diagram of working principle of the device

與管式太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置相比，錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置具有以下特點(diǎn)：①蒸發(fā)面與冷凝面傾斜相對(duì)，縮短了蒸發(fā)面產(chǎn)生水蒸氣的傳熱傳質(zhì)距離，對(duì)強(qiáng)化裝置產(chǎn)水速率是有益的；②有效克服了管式苦咸水淡化裝置中水蒸氣由于密度小而在裝置中上部凝結(jié)，造成豎直方向冷凝溫差大所導(dǎo)致的有效冷凝面積小于冷凝套筒內(nèi)表面積的技術(shù)缺陷；③聚光光漏斗與苦咸水淡化裝置的高效集成，實(shí)現(xiàn)了光熱直接轉(zhuǎn)化，減少了冗長(zhǎng)換熱管道的散熱損失；④可實(shí)現(xiàn)小特征尺寸運(yùn)行，減少裝置內(nèi)不凝氣體量，水蒸氣傳熱速率增加。

2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

裝置性能測(cè)試系統(tǒng)主要由錐臺(tái)式苦咸水淡化單元、苦咸水進(jìn)料單元、加熱單元、濃鹽水收集單元、淡水收集單元、數(shù)據(jù)采集單元等部分組成，系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。錐臺(tái)式苦咸水淡化單元核心區(qū)域?yàn)榄h(huán)形封閉蒸發(fā)冷凝腔，其由2個(gè)形狀呈上小下大、頂部封閉的不銹鋼錐筒與不銹鋼底板焊接而成，吸水材料緊密貼合在加熱水箱外表面形成液膜蒸發(fā)面，最外層不銹鋼套筒內(nèi)側(cè)為冷凝面。苦咸水進(jìn)料單元由苦咸水水箱、苦咸水進(jìn)水管、調(diào)節(jié)閥等組成，數(shù)據(jù)采集單元由多通路巡檢儀、熱電偶、壓力計(jì)等組成。蒸發(fā)冷凝腔底部安裝有環(huán)形擋水板，兩側(cè)分別為濃鹽水收集區(qū)和淡水收集區(qū)，在濃鹽水收集區(qū)底部布置濃鹽水出水管，連接外部濃鹽水收集罐構(gòu)成濃鹽水收集單元；在淡水收集區(qū)內(nèi)有淡水出水管，連接外部淡水收集罐構(gòu)成淡水收集單元。內(nèi)側(cè)錐筒與不銹鋼底板構(gòu)成的封閉空間為裝置的加熱水箱，其內(nèi)部水體可以由太陽(yáng)能加熱也可以由電加熱棒供能。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Testing system of the devices

鑒于苦咸水液膜降膜距離與冷凝面傾角θ二者之間的函數(shù)關(guān)系，本文在保持蒸發(fā)面積恒定的前提下，通過(guò)改變冷凝面傾角間接改變液膜降膜距離，θ越大，降膜距離越大，降膜阻力隨之越??；θ越小，則反之。為此，本文分別選擇θ=70°（裝置一）和 θ=45°（裝置二）兩種測(cè)試裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析其性能優(yōu)劣。

由于太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源難以精確控制，為準(zhǔn)確測(cè)試錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置給定工況下的產(chǎn)水速率，用電壓可調(diào)的電加熱棒代替太陽(yáng)能聚光集熱裝置。在環(huán)境溫度和空氣流速均可控的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)試在輸入功率為240W時(shí)，兩臺(tái)淡化裝置在瞬態(tài)溫升過(guò)程中產(chǎn)水速率、冷凝溫度、蒸發(fā)冷凝溫差變化規(guī)律。試驗(yàn)中，各測(cè)溫點(diǎn)溫度由校核后的K型熱電偶測(cè)得并由多通道巡檢儀實(shí)時(shí)記錄，測(cè)試誤差為±0.5℃，記錄間隔1min，淡水產(chǎn)量使用精密電子秤每20min稱量1次，測(cè)量精度為±0.1g。由于裝置在運(yùn)行時(shí)沿冷凝套筒豎直方向會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，故在冷凝面豎直方向等距布置3個(gè)熱電偶，取其平均值作為冷凝溫度。進(jìn)水流量由調(diào)節(jié)閥控制，由于苦咸水與地下水蒸發(fā)性能相差不大，故本試驗(yàn)使用地下水替代苦咸水進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

3 結(jié)果分析

錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置的產(chǎn)水速率受輸入功率、進(jìn)水流量等因素影響?；谇捌诖罅繙y(cè)試數(shù)據(jù)，控制進(jìn)水流量Mw為0.30kg/h，變壓器控制電加熱輸入功率穩(wěn)定為240W，為減小高溫運(yùn)行時(shí)裝置管路結(jié)垢及散熱損失，運(yùn)行溫度限制在小于95℃。當(dāng)兩種測(cè)試裝置的蒸發(fā)面積均為0.25m2時(shí)，產(chǎn)水速率變化曲線如圖4所示。

圖4 裝置產(chǎn)水速率對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curve of water production rate of devices

由圖4可知，兩測(cè)試裝置的產(chǎn)水速率均隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)而增加，經(jīng)歷了先快速增大然后增幅逐漸放緩的過(guò)程，且裝置一的產(chǎn)水速率大于裝置二，最大值可達(dá)0.24kg/h，比裝置二增加了8.33%。這是因?yàn)楫?dāng)輸入功率、蒸發(fā)面積一定時(shí)，θ不同，裝置苦咸水液膜沿著蒸發(fā)面降膜距離不同，θ越大，tanθ值越大，因此裝置一的苦咸水液膜降膜距離更長(zhǎng)，苦咸水液膜與加熱水箱內(nèi)水體換熱過(guò)程充分，液膜蒸發(fā)效率高，使得裝置產(chǎn)水速率升高，蒸發(fā)面下部溫度更高，該規(guī)律可以從豎直方向蒸發(fā)溫度差體現(xiàn)，其中豎直方向蒸發(fā)溫度差是蒸發(fā)面上部溫度與下部溫度的差值，如圖5所示。

圖5 豎直方向蒸發(fā)溫度差隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.5 Variation of evaporation temperature difference along vertical direction with operating time

由圖5可知，裝置一的豎直方向蒸發(fā)溫度差（0.9℃）整體小于裝置二（3.3℃），說(shuō)明裝置一蒸發(fā)面上、下部溫度更接近，苦咸水液膜在降膜過(guò)程中與加熱水箱換熱效果明顯，液膜整體蒸發(fā)溫度趨于一致，可以保持設(shè)定高溫均勻蒸發(fā)。

裝置運(yùn)行過(guò)程中，蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)的蒸發(fā)冷凝溫差直接影響裝置傳熱傳質(zhì)過(guò)程和產(chǎn)水速率，本文裝置的蒸發(fā)冷凝溫差為蒸發(fā)面平均溫度與冷凝面平均溫度差值。裝置蒸發(fā)冷凝溫差隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 蒸發(fā)冷凝溫差隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.6 Variation of temperature difference of evaporation and condensation of with operating time

由圖6可得，兩測(cè)試裝置蒸發(fā)冷凝溫差均隨運(yùn)行時(shí)間增加呈減小趨勢(shì)，且裝置一蒸發(fā)冷凝溫差小于裝置二的蒸發(fā)冷凝溫差。裝置二最大蒸發(fā)冷凝溫差約為6.5℃，裝置一最大蒸發(fā)冷凝溫差約為3.8℃，裝置二比裝置一蒸發(fā)冷凝溫差高約2.7℃。其原因是，在輸入相同功率情況下，隨著裝置內(nèi)水蒸氣溫度的升高，傳熱傳質(zhì)速度增快，蒸發(fā)冷凝溫差減小，但裝置二中苦咸水液膜降膜距離短，有效蒸發(fā)速率小于裝置一，水蒸氣凝結(jié)量小，導(dǎo)致蒸發(fā)冷凝溫差大于裝置一的蒸發(fā)冷凝溫差。

裝置在運(yùn)行過(guò)程中，由于水蒸氣受到浮升力的作用而向上擴(kuò)散，多在冷凝套筒中上部進(jìn)行凝結(jié)，從而造成冷凝面沿豎直方向產(chǎn)生溫度差，造成裝置有效冷凝面積小于冷凝套筒內(nèi)壁面面積，影響裝置的淡水產(chǎn)量。為此，裝置豎直方向冷凝溫度差值的大小可以表示蒸發(fā)面所產(chǎn)生的水蒸氣在冷凝套筒凝結(jié)區(qū)域的均勻性，其值越小，表明水蒸氣在冷凝套筒沿豎直方向凝結(jié)的量差越小，即裝置有效冷凝面積越接近冷凝套筒內(nèi)表面面積，反之亦然，其值可用冷凝套筒最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間溫度差加以描述，其隨運(yùn)行時(shí)間變化如圖7所示。

圖7 豎直方向冷凝溫度差隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.7 Variation of condensation temperature difference along vertical direction with operating time

由圖7可知，在測(cè)試前期，裝置一豎直方向冷凝溫度差整體小于裝置二，隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)，裝置一的豎直方向冷凝溫度差與裝置二豎直方向冷凝溫度差差值逐漸減小，裝置一豎直方向冷凝溫度差平均值為1.7℃，裝置二豎直方向冷凝溫度差平均值為3.8℃。其原因是，裝置豎直方向冷凝溫度差變化主要受到腔內(nèi)對(duì)應(yīng)液膜產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)區(qū)域的影響，由圖5可知，裝置一豎直方向蒸發(fā)溫度差小，直接導(dǎo)致其豎直方向冷凝溫度差小，表明蒸發(fā)面水蒸氣可以在對(duì)應(yīng)位置實(shí)現(xiàn)凝結(jié)，同時(shí)釋放出凝結(jié)潛熱，為裝置有效冷凝面積的保障提供了可能。

裝置在運(yùn)行過(guò)程中，加熱水箱內(nèi)熱量以熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式傳遞至加熱水箱外表面苦咸水液膜，苦咸水液膜受熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣密度小，在浮升力作用下，在對(duì)應(yīng)斜上方溫度較低的套筒內(nèi)壁面凝結(jié)成淡水。本文采用性能系數(shù)GOR作為描述裝置在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)輸入熱能的利用效率，其定義為裝置最大產(chǎn)水速率所含潛熱與輸入能量的比值，計(jì)算式為

式中：m為產(chǎn)水速率，kg/h；h為水汽化潛熱，取2300 kJ/kg；P為 輸 入 功 率，W；t為 運(yùn) 行 時(shí) 間，s。

為了對(duì)比研究不同冷凝面傾斜角度對(duì)錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置熱能利用效率的影響，將性能系數(shù)等相關(guān)參數(shù)列表，如表1所示。

表1 裝置性能系數(shù)對(duì)比Table1 Comparation of GOR of the device

由表1可知，在輸入功率為240W，裝置一最大蒸發(fā)冷凝溫差為3.8℃時(shí)，m為0.24kg/h，GOR為0.63，裝置二產(chǎn)水速率比裝置一減小約9.09%，GOR為0.58，表明裝置一對(duì)輸入熱能利用效率比裝置二大，散熱損失更小。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型錐臺(tái)式降膜蒸發(fā)太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置，通過(guò)改變冷凝面與水平面的角度，減小了裝置的特征尺寸，縮小了水蒸氣熱質(zhì)傳遞距離，改善了冷凝面豎直方向溫度的不均勻性。為了研究冷凝面傾斜角度對(duì)裝置性能的影響，制作了冷凝面傾斜角度分別為70°和45°的裝置一和裝置二，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)比測(cè)試了相同輸入電功率條件下，兩臺(tái)裝置的產(chǎn)水速率、豎直方向蒸發(fā)溫度差、蒸發(fā)冷凝溫差及性能系數(shù)變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論。

①在相同輸入功率條件下，裝置一的產(chǎn)水速率比裝置二大，裝置一最大產(chǎn)水速率為0.24kg/h，比裝置二增加8.33%。

②裝置一平均豎直方向蒸發(fā)溫差為0.9℃，裝置二平均豎直方向蒸發(fā)溫差為3.3℃，即裝置一苦咸水液膜在降膜過(guò)程中與加熱水箱換熱更加充分，蒸發(fā)面溫度更均勻。裝置二的蒸發(fā)冷凝溫差大于裝置一的蒸發(fā)冷凝溫差，裝置一最大蒸發(fā)冷凝溫差約為3.8℃。

③兩測(cè)試裝置在豎直冷凝面方向均產(chǎn)生溫差，裝置一豎直方向冷凝溫差平均值為1.7℃，裝置二豎直方向冷凝溫差平均值為3.8℃，說(shuō)明裝置一的冷凝面積更接近于冷凝套筒內(nèi)表面積。

④裝置一性能系數(shù)為0.63，裝置二性能系數(shù)為0.58，表明裝置一對(duì)輸入熱能利用效率比裝置二高，綜合上述結(jié)論可得裝置一產(chǎn)水性能和熱能利用效率更優(yōu)。