集約化多級回熱式太陽能海水淡化裝置

肖紅升， 劉振華， 陳振玉， 夏 寧

（1.南通職業大學 機械工程學院，江蘇南通226007；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；3.桑夏太陽能股份有限公司，江蘇南通226301；4.江蘇省光熱組件及控制工程技術研究中心，江蘇南通226301）

利用太陽能進行海水淡化，其能量利用方式有2種［1］：一是利用太陽能產生的熱能來驅動的海水相變（即蒸餾）；二是利用太陽能發電來驅動的電滲析.太陽能海水淡化蒸餾裝置按有無其他外部能量加入分為主動式和被動式2大類.主動式裝置須使用真空泵使系統壓力保持負壓，整個系統結構龐大、造價昂貴、運行復雜［2］.被動式裝置不存在任何利用電能驅動的元件，但傳統的被動式太陽能海水淡化蒸餾裝置的產水量低，原因有3點：一是水蒸氣的凝結潛熱未被重新利用；二是傳統太陽能海水淡化蒸餾裝置中自然對流的換熱模式大大限制了蒸餾器熱性能的提高；三是待蒸發的海水熱容量太大，限制了運行溫度的提高，從而減弱了蒸發的效果.被動式裝置雖然效率比較低，但它相對主動式裝置造價便宜、結構簡單，在小規模淡水生產方面具有更強的競爭力［3－4］.

針對現有太陽能海水淡化技術的不足，筆者設計了一種新穎的小型集約化的多級回熱式真空玻璃管太陽能海水淡化裝置［5］，將常規太陽能真空管集熱器和蒸發／冷凝裝置合為一體，裝置在正壓和常壓下運行，省去真空泵，只需要一些控制閥.利用系統各級工作溫度的不同逐級降溫回熱來加強蒸汽凝結潛熱的回收利用，提高回熱效率，從而達到簡化結構、提高制水量和能量利用率的目的.

1 集約化多級回熱式太陽能海水淡化裝置的設計與工作原理

集約化多級回熱式太陽能海水淡化裝置（如圖1所示）由多個集熱單元組成，第一級只有集熱單元，后續的各級有集熱／回熱單元，各級間由管道串聯，末級集熱單元后面連接冷卻蒸發池.太陽能的集熱、海水的蒸發和冷凝回熱都在全玻璃真空太陽集熱管中進行.為了加強對太陽能的吸收，在集熱管外面設置了簡易CPC聚光板.該海水淡化裝置的第一級集熱管內沒有套管型換熱管，后面的各級集熱管中均設有冷凝回熱用的套管型換熱管.從第二級開始，集熱器和換熱／冷凝回熱器合為一體.

在整個裝置中，各級的集熱蒸發管內的工作壓力通過壓力平衡管保持與對應的各級海水箱壓力動態相等，海水箱依靠水位差為集熱蒸發管自動補充新鮮海水.海水箱為水平大口徑圓管，可以很好地維持集熱蒸發管內的水位高度.各級海水箱內海水由一個海水泵一次性打入，其供水機理和自來水水塔相同.最后海水箱上半部蒸汽腔裝有溢流管和限壓閥，用來控制和穩定海水箱內的蒸汽壓力與對應各級集熱蒸發管內的工作壓力相同，以此來保證海水箱能正常供水.

圖1 太陽能海水淡化裝置整體結構圖Fig.1 Structural diagram of the solar seawater desalination system

圖2為集熱單元結構.在全玻璃真空太陽集熱管上部裝有不銹鋼絲網型汽液分離器，用來避免蒸汽中攜帶海水.雖然根據集熱功率和集熱面積可以推論各個換熱面上的蒸發換熱均屬于對流蒸發，不會出現沸騰現象，但還是加裝汽液分離器以保證出水品質.

圖2 集熱單元剖視圖Fig.2 Profile of the heat collecting unit

表1給出了集熱單元各部分的主要尺寸參數.每個集熱單元內包括1個簡易CPC聚光板（非追蹤式復合拋物面聚光板），1 個全玻璃真空太陽集熱管，安裝在集熱管內的1根套管型換熱管，1個調壓閥和1個供水箱.第一級由于沒有回熱過程，集熱管內不安裝換熱管.對裸露的管路和供水箱進行保溫處理.

表1 集熱單元各部分幾何尺寸Tab.1 Geometric dimension for each part of the collecting unit

本裝置能夠實現高溫集熱的核心是簡易CPC聚光板.所采用的簡易CPC聚光板去掉了常規的漸開線尖狀凸起，代之以平緩的弧線直接相連，同時截短了常規CPC 聚光板上部的聚光面.簡易CPC 聚光板的構造和尺寸如圖3所示.這種無漸開線尖狀凸起的簡易CPC聚光板較常規的CPC 聚光板光學效率僅下降10%［6］.

圖3 簡易CPC聚光板的構造圖Fig.3 Structural diagram of the simplified CPC

對改進型多級閃蒸海水淡化系統（MFS－E）的研究表明：閃蒸級數、引到下一級的蒸汽占本級閃蒸蒸汽的份額（即引出份額）、級間遞減溫度是影響造水比的重要因素，增大引出份額能顯著增大造水比［7］.

在常壓下，海水的沸點約為100.5℃，海水蒸發約需2 281kJ／kg的熱量，蒸汽在凝結成水時可以放出同樣的熱量.淡化裝置分4級，從第一級到第四級的蒸汽壓力和對應的飽和蒸汽溫度是逐級遞減的.第一級最高飽和蒸汽溫度設定在130 ℃，上一級集熱管中產生的蒸汽的溫度高于下一級10K 左右，第四級集熱管中產生的蒸汽的溫度約為100℃.由于各級間蒸汽溫差和壓力差的存在，上一級蒸汽自動向下一級流動，上一級集熱單元中產生的蒸汽在下一級集熱單元中被冷凝的同時，就可以把熱量傳遞給下一級中的海水使其加熱，使得高溫蒸汽的汽化潛熱被充分利用.下一級集熱管中的海水同時又受到太陽輻射加熱而蒸發，在2種熱量的加熱下，下一級將比上一級產生更多的蒸汽.然后下一級產生的蒸汽又能把熱量傳遞給再下一級的海水.理論上，如果沒有熱量損失和溫差損失，這種回熱換熱法可使制水效率達到無窮大.從熱力學原理上講，不同的蒸汽壓力對應著不同的飽和蒸汽溫度，實現多效回熱的關鍵是控制好每級回熱器的工作壓力.本裝置中的各級壓力均由調壓閥控制.

各級蒸汽壓力的調節可通過2種方式實現：即自由壓力波動方式和穩定壓力設定方式.對于自由壓力波動方式，通過調節各級調壓閥，使第一級集熱單元內的蒸汽溫度保持在130 ℃，以后每級遞減10 K.由于第四級與大氣直接相連，故第四級的溫度在100 ℃左右，然后保持調節閥開度不再變化.此時的溫差即為各級集熱單元最大溫差，實際工作中各級蒸汽壓力和溫度會隨輻射強度而相應變化.穩定壓力設定方式是將各級的蒸汽壓力和溫度基本保持穩定，這種方法須使用自動壓力調節閥，使第一級集熱單元內的蒸汽溫度保持在130 ℃，以后每級遞減10K.

2 2種蒸汽壓力調節方式的比較

2.1 壓力調節方式對系統性能的影響

圖4（a）和圖4（b）分別給出了夏季晴天太陽輻照強度基本相同時，自由壓力波動和穩定壓力設定這2種調節方式下的海水淡化裝置各級蒸汽溫度、各級集熱單元的全玻璃真空太陽集熱管內管溫度（簡稱內管溫度）、各級集熱單元的全玻璃真空太陽集熱管內套管外管外壁面溫度（簡稱套管外壁溫度）的經時變化曲線.由圖4可以看出，在上午，2 種調節方式下各集熱單元中的存水處于加熱汽化階段，還沒有蒸汽產生.在10點左右，各級水溫達到100℃以上，水蒸氣開始產生.在中午時，各級壓力和溫度達到最大設定值.對于自由壓力波動系統，隨著時間的推移，各級之間的溫差和壓差不斷擴大，這是由于在中午時太陽輻射強度最高，全玻璃真空太陽集熱管的集熱功率最大，產生水蒸氣的量最多，水蒸氣的流速大到足夠產生設定壓差.而當下午太陽輻射強度逐漸降低時，水蒸氣的流速減慢，兩級之間的壓差也就隨之減小.實驗中還發現，盡管太陽輻射強度逐漸降低，但各級間始終都能存在一定的壓差和溫差，以保證蒸汽在單元內的冷凝回熱換熱要求.對于穩定壓力設定系統，在中午大約150 min內各級蒸汽溫度能夠保持基本穩定，當下午太陽輻射強度逐漸降低時，各級蒸汽溫度迅速降低，溫度變化與自由壓力波動系統十分接近.

由圖4還可以看出，各級蒸汽和全玻璃真空太陽集熱管內管壁、套管外壁的溫差實驗數據都在2～3K 左右，各蒸發傳熱面（即各級單元玻璃內管壁和套管外壁）的最大熱流密度不超過3kW／m2，由此推算各蒸發傳熱面上的換熱模式是滿液型自然對流蒸發，海水沉浸在玻璃管內，蒸汽只在海水液面產生，海水液滴攜帶量應該遠小于降膜式海水淡化器.

圖4 晴天不同壓力調節方式下各單元溫度經時變化曲線Fig.4 Temperature variation of each unit on a sunny day by two different pressure adjusting methods

2.2 壓力調節方式對制水量的影響

圖5 給出了自由壓力波動和穩定壓力設定2種不同調節方式下的淡化裝置制水量.從圖5可以看出，穩定壓力設定方式下的制水量比自由壓力波動方式下的制水量略高一些.理論上講，采用穩定壓力設定方式時，各級蒸汽溫度穩定，回熱溫差較大，回熱效率高，基本可以穩定在100%.而采用自由壓力波動方式時，各級蒸汽溫度不穩定，回熱效率低一些.從實驗數據可以發現，采用自由壓力波動方式時制水量比采用穩定壓力設定方式低一些，全天低10%左右.

圖5 不同壓力調節方式下系統的制水量Fig.5 Freshwater yield by different pressure adjusting methods

穩定壓力設定需要昂貴的自動壓力調節閥，而淡水制水量僅高10%左右，故裝置使用自由壓力波動調節方式性價比高，更具有可行性.

3 最高集熱溫度的選定

3.1 最高集熱溫度對制水量的影響

圖6給出了最高集熱溫度分別為130 ℃和160℃時裝置淡水制水量的經時變化數據.對應于最高集熱溫度從高到低的變化，瞬間最大制水量分別達到2.138kg／（h·m2）和1.982kg／（h·m2），全天制水量分別達到8.246kg／m2和7.869kg／m2，最高集熱溫度為160℃時的全天制水量要比最高集熱溫度為130℃時高出4.8%.2種調節方式下的制水量相差不大，這說明本裝置的回熱器設計比較合理，在溫差較小時回熱效率依然較高.本裝置的回熱溫差設計為5K，并留有一定余地.從實驗結果來看，如果假定最高集熱溫度160℃時的全天平均回熱效率達到100%，則最高集熱溫度130 ℃時的全天平均回熱效率可以達到92%左右.

圖6 最高集熱溫度為160 ℃和130 ℃時的系統制水量Fig.6 Freshwater yield of the system respectively at the maximum collecting temperature of 160 ℃and 130 ℃

3.2 最高集熱溫度對裝置的影響

130 ℃的飽和蒸汽對應的壓力為0.270 MPa，160 ℃的飽和蒸汽對應的壓力為0.619 MPa.全玻璃真空太陽集熱管的管內承壓為0.6 MPa，較高的集熱溫度將影響集熱管的壽命.集熱管口的內外層為硼硅玻璃，本裝置采用橡皮塞密封連接，裝置工作過程中較高的蒸汽壓力會影響密封的有效性和增加密封部位的復雜性，故裝置設定的最高溫度優選130 ℃.

4 裝置的性能參數

4.1 制水性能系數

海水淡化裝置的制水性能系數（Pr）是表征這類裝置總體回熱性能的重要指標，它實際上是制水消耗總功率與外部輸入功率之比.無回熱時，Pr等于1，制水性能系數越大，表明系統回熱換熱量越多.本裝置理論制水性能系數為2.5.

4.2 系統制水總效率

系統制水總效率被定義為海水淡化消耗的總功率和CPC接收太陽能輻射功率之比，由于有回熱效應，這個比值可以大于1.

式中：Gm為每秒制水量；Δh為蒸汽與過冷水間的焓差；AG為一個CPC聚光板的采光面積；n為CPC聚光板數量；Gb則代表垂直射向CPC 聚光板的太陽輻射強度.

圖7給出了各實驗條件下系統制水總效率隨時間的變化，同時也給出對應的太陽輻射強度的變化.由圖7可以看出，在初冬，系統的制水總效率最高可以達到0.8 左右，而在夏天系統的制水總效率超過1.

圖7 各實驗條件下系統制水總效率隨時間的變化Fig.7 Variation of total system efficiency with time under different experimental conditions

5 結 論

（1）集約化多級回熱式太陽能海水淡化裝置的蒸汽壓力控制方式宜采用自由壓力波動方式，其最高集熱溫度設定130 ℃.

（2）4個集熱單元組成回熱式太陽能海水淡化裝置（采光面積2.31m2，占地面積約2.15m2），制水量最高可達到1.982kg／（h·m2），全天制水量可達到7.869kg／m2，制水性能系數最高可達2.5左右，總效率最高可達1.35左右，系統集熱效率可達0.4左右.

（3）關于可能存在的海水溫度的升高致使裝置結垢和結垢后對淡化性能的影響，因實驗時間的短期性未充分顯現而未述及，這是下一步將要研究的重要內容.

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