固體吸附作用對熱管真空閃蒸水分離過程的影響

高文忠，徐暢達，李長松，王棟，蘇天龍

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固體吸附作用對熱管真空閃蒸水分離過程的影響

高文忠，徐暢達，李長松，王棟，蘇天龍

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

液滴的過熱度是維持其蒸發的關鍵因素，直接決定了鹽水分離設備的水分離率。提出和設計了一種集高效熱管傳熱和固體吸附技術為一體的鹽水分離裝置，并對質量分數為3%的NaCl溶液進行水分離實驗，結果表明：熱管能以高熱通量快速傳遞液體閃蒸后二次沸騰所需的熱量，顯著增加單位時間內的水分離容積速率；引入吸附床后，蒸發室壓力在吸附過程前半段有明顯降低，降幅約為0.4～1 kPa，即降低了液滴的沸點，提升了過熱度，這為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑；降低熱源溫度，吸附劑的吸附能力相應降低，要達到同樣的水分離速率，需增加吸附劑用量。

熱管；固體吸附；真空；閃蒸；水分離

引 言

鹽水分離主要通過蒸發濃縮、冷卻結晶以及反滲透等方式實現。真空閃蒸鹽水分離技術被應用于眾多領域，如溶液除濕[1-2]、海水淡化[3-4]以及污水處理[5-6]等。而日趨枯竭的傳統能源卻由于能量轉化規律、工藝特點等原因，使用中產生大量低品位熱能（40～100℃），不能高效利用[7]，因此，探索新的基于低品位熱能的高效鹽水分離方法顯得尤為迫切。

真空蒸發器作為真空閃蒸鹽水分離裝置的核心部分部件，是學者們研究的重點，如，郭雪華[8]將熱管應用于真空蒸發器，提高了其熱傳遞效率及水分離率；齊春華等[9]對海水淡化閃蒸罐的閃蒸特性進行了數值模擬，得出了閃蒸罐內的氣液相含率分布、速度場、溫度場以及內部流動狀態等；邵福喜等[10]進行了噴淋式閃蒸海水淡化實驗研究，建立了計算不平衡溫差的經驗關系式，并推導出不平衡溫差與閃蒸率的關聯關系；劉偉民等[11]對低壓閃蒸液滴形態和溫度變化進行了研究，結果表明，液滴閃蒸分6種形態，穩態閃蒸中環境壓力越低，則液滴的最終溫度也越低，液滴的初始溫度越高，則降到最低溫度的時間越長；筆者課題組[12]在對氯化鋰溶液液滴真空閃蒸過程溫度分布特性研究時，發現輻射熱對液滴閃蒸過程蒸發強度和熱量傳遞的影響較為顯著，及時補充液滴閃蒸所消耗的熱量是維持液滴蒸發強度的關鍵因素。

液滴閃蒸后，蒸發室內的水蒸氣必須快速轉移才能維持蒸發腔的低壓，保證其蒸發的持續性，相較于傳統的冷卻水間接冷凝方式，采用固體吸附可大幅降低系統內的水蒸氣壓力，近年來在海水淡化領域得到廣泛認可，尤以新加坡國立大學海水淡化研究團隊成果突出[13-15]，研究表明，采用固體吸附劑替代傳統冷凝系統使吸附溫度降低至4～5℃，即顯著降低了冷凝端壓力，顯著增加了級數設置，使造水比達到原來的1.5～2倍。

筆者課題組[16]基于對低品位熱源的有效利用，為提高鹽溶液蒸發強度，提出并實驗研究了一種新型噴霧式熱管傳熱真空鹽水分離系統，熱管以高熱通量快速傳遞液體閃蒸后二次沸騰所需的熱量，提高液滴蒸發強度，增加單位體積容量的水分分離速率。實驗結果表明，熱管的應用使單位容積的水分離速率提高了1倍。

本文將嘗試在原有添加熱管傳熱的基礎上，將固體吸附劑設置在水分離系統末端，即以熱管傳遞蒸發所需熱量，固體吸附劑快速轉移蒸發的水分，來維持系統較低的水蒸氣壓力，整個系統中形成霧化閃蒸、吸熱再蒸發、吸附、脫附及冷凝的水分劇烈相變轉移分離過程。并嘗試對質量分數為3%的氯化鈉溶液進行水分離實驗，研究增加吸附床后系統內的熱質耦合傳遞規律，將為更有效地在鹽水分離領域利用低品位熱源提供一種新的途徑。

1 實驗系統及原理

實驗系統如圖1所示，由蒸發室、吸附-脫附室、冷凝室、熱水回路、冷水回路以及蒸汽通道組成。蒸發室主要由上下盲板與中間內徑135 mm、高度450 mm的鋼化玻璃筒組成，下盲板均勻布置有18根采用性能穩定的燒結紫銅-水熱管[17]，熱管主要性能參數見表1；吸附室以及脫附室均由上下盲板與中間內徑220 mm、高度550 mm的鋼化玻璃筒組成，其下盲板上均布置了由5組U形不銹鋼翅片管組成的吸附床，翅片管翅片間用不銹鋼網包裹粒徑為0.5～1.5 mm的A型細孔硅膠，每個吸附床的硅膠填充量為8 kg，吸附劑中的溫度測點示意圖如圖2所示，在布置于距U形管底部100、200、300及400 mm處的8個測點處，分別將熱電偶插入吸附劑填料內部，以測量該位置吸附劑溫度；冷凝室結構與吸附及脫附室相同，其上盲板下表面與冷凝盤管相焊接；冷、熱水回路中，設置8個電磁閥以切系統冷、熱水通路。系統中各測點溫度采用精度±0.5℃的T型熱電偶測量，蒸發室及冷凝室分別設置絕對壓力量程為0～20 kPa，精度為0.1%的壓力傳感器。由于吸附-脫附室與冷凝室（蒸發室）具有較大流通面積，因此壓力傳感器測量值為整個吸附（脫附）腔體的壓力。

表1 熱管性能 Table 1 Performance of heat pipe

實驗過程中，含鹽量3%的氯化鈉稀溶液經高壓泵送至離心式噴嘴，霧化噴入真空蒸發室中。霧化細微液滴經閃蒸、熱管表面吸熱沸騰，分離出的水蒸氣被吸附床A內的吸附劑快速吸附轉移，剩余溶液被濃縮并泵出腔體。待吸附接近飽和，切換吸附床A氣路使其與冷凝室連通，并切換水路使床內水管由流通冷卻水變為流通熱水。此時，吸附床A內的吸附劑受熱脫附再生，得以循環使用。當吸附床A脫附時，吸附床B進行吸附，雙床交替進行吸附-脫附，使實驗得以連續進行。

實驗主要測試熱源溫度h(℃)、冷卻水溫度c(℃)，及真空壓力對固體吸附劑吸附及脫附過程性能的影響，涉及蒸發室、冷凝室的壓力及溫度變化規律。實驗工況見表2。系統冷凝量為冷凝室初、末液位讀數差；系統分離率為系統噴霧量與系統冷凝量之比。

表2 實驗工況 Table 2 Experimental operating conditions

2 結果及分析

在表2所示的各工況條件下分別進行實驗，實驗數據均采集于對應工況穩定時的一個吸附-脫附循環過程，每個循環的吸附及脫附時間均為1800 s。

2.1 吸附過程閃蒸室壓力變化特性

各實驗工況條件下，蒸發室中熱管的溫度分局情況相似，即，熱管蒸發段溫度基本與熱源溫度相同，冷凝段溫度比熱源溫度低20℃左右且相差不大；而在測點5、6之間與不銹鋼盲板相接處，熱管溫度驟然降低，這是因為不銹鋼盲板的接觸使得一部分散失造成的。蒸發室壓力變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著蒸發-吸附過程進行，蒸發室壓力在初始階段顯著下降，隨后緩慢回升。這是由于初始階段吸附劑剛投入使用，吸附能力強，吸附劑吸附水蒸氣速率遠大于蒸發室水蒸氣產生速率，導致蒸發室壓力顯著下降，進而明顯降低了其對應的飽和溫度，在相同加熱溫度下，必然使熱管冷端表面的液滴過熱度增加，蒸發強度快速提高，水蒸氣產生速率躍升。而后，隨著吸附量的增加，吸附劑吸附能力下降，水蒸氣產生速率反超吸附速率。因此，到達最低點后，蒸發室壓力開始緩慢上升，直至吸附劑在平衡壓力下吸附接近飽和時，切換到另一臺吸附床。

對比工況1、3、5的實驗數據可發現，在冷卻水溫度為10℃時，熱源溫度越高，對應時刻的蒸發室壓力越高，到達最低點后上漲幅度更為顯著。這說明在吸附系統參數固定時，閃蒸室平衡水蒸氣壓力主要由熱源溫度決定。比較工況1、2可知，在熱源溫度為50℃時，即使冷卻水溫度由10℃變化到20℃，兩種工況下閃蒸室內的壓力在整個實驗過程中變化規律和大小均基本一致；而在熱源溫度為90℃時，即工況5、6，相同的冷卻水溫度變化下，工況5在各個時刻的平衡壓力均明顯低于工況6，幅度最高1000 Pa，該現象說明在熱源溫度較低時，降低冷卻水溫度對蒸發強度的影響作用有限。需要指出的是，由于蒸發-吸附過程結束時系統氣路切換，此時壓力較高的蒸發室與脫附完畢壓力較低的吸附床連通，兩個腔體的壓力瞬間達到平衡，故新的蒸發-吸附過程開始時，其初始壓力低于剛完成的蒸發-吸附過程結束時的閃蒸室壓力。

如圖4所示，為NaCl溶液在傳統噴霧低壓蒸發過程中真空蒸發室的平均壓力曲線，為本實驗系統蒸發-吸附過程中蒸發室壓力變化曲線。對比本課題組前期實驗研究結果發現，鹽水分離系統中由于吸附床的引入，蒸發室壓力在吸附過程前半段的測量值較未使用時有明顯降低，降低幅度約為0.4～1 kPa，即固體吸附作用降低了蒸發室壓力，為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑。

2.2 吸附過程的吸附劑溫度變化

各實驗工況條件下，吸附過程中吸附劑平均溫度變化如圖5所示。從圖中工況1～6可以看出，吸附過程中吸附劑平均溫度在開始階段快速上升，到達峰值后持續下降直至吸附過程結束。產生這種現象的原因在于，開始階段吸附劑由于剛脫附完成，內部含水量最低，且經過冷卻水快速預降溫，此時吸附劑吸附能力最強，吸附速率最大，釋放的吸附熱也最多，這些熱量不能及時被冷卻水帶走，導致吸附劑平均溫度明顯上升；而隨著吸附總量的增加，吸附劑的吸附能力逐漸降低，吸附速率隨之減小，吸附熱釋放量也同步減少，冷卻水帶走的熱量也逐步超過吸附熱，所以吸附劑平均溫度呈現持續下降過程。

觀察工況1、2條件下的溫度曲線，則未出現明顯上升的趨勢，主要是因為這兩種工況熱源溫度只有50℃，液滴蒸發強度較弱，水蒸氣產生的速率慢，所以吸附過程中釋放的吸附熱基本被冷卻水帶走，吸附劑平均溫度波動不明顯，當冷卻水溫度更低，即冷卻能力更強時，吸附床內溫度越趨于穩定，比如工況1。

上述現象說明，為了充分發揮吸附劑在吸附水蒸氣過程中的強吸附作用，快速轉移吸附熱是影響其性能的關鍵因素，即需要保持吸附劑在吸附過程中較低的溫度。

2.3 脫附過程冷凝室壓力變化

圖6為各實驗工況條件下吸附完成后，脫附過程冷凝室壓力變化趨勢。數據顯示，脫附過程冷凝室壓力在不同工況下均呈現開始階段迅速下降，而后趨于平緩，最后基本穩定的相似規律。其原因在于，脫附開始階段吸附床水蒸氣壓力較高，遇到溫度較低的冷凝盤管迅速被冷凝，故壓力下降十分顯著。隨著吸附劑被加熱溫度上升，內部吸附的水蒸氣受熱脫附，產生大量水蒸氣，所以冷凝室壓力下呈現下降趨勢逐漸平緩，當脫附完成時，冷凝室壓力不再改變。

對比各組實驗數據可以看出，熱源溫度越高，冷凝室初始壓力越高，但當冷卻水溫度相同時，冷凝室終壓力卻基本相同。這是因為水蒸氣的飽和溫度和飽和壓力存在一一對應的關系，而冷卻水溫度又決定了冷凝室內水蒸氣的飽和溫度，所以冷卻水溫度決定了冷凝室終壓力。另外，當熱源溫度相同時，冷凝室壓力變化趨勢相同；而熱源溫度越高，冷凝室壓力在脫附開始階段下降得越迅速，但發展到穩定所需時間卻越長。這是由于熱源溫度相同時，吸附劑的吸附量基本相同，故其脫附過程的特征也就基本相似；而吸附時熱源溫度較高時，吸附室內平衡水蒸氣壓力越高，即所含的水蒸氣越多，這些水蒸氣在吸附床剛切換到脫附模式時迅速被冷凝，導致開始階段冷凝室壓力下降很迅速；另外，高熱源溫度使吸附完成時的水蒸氣平衡壓力增加，吸附劑平衡吸附量增加，故延長了脫附時間。

因此，由于熱源溫度不同，吸附劑在脫附初始階段壓力有明顯差異，但這對脫附時間及脫附平衡壓力影響有限，該過程主要由冷凝器內的冷卻水溫度決定，即相同的脫附加熱溫度下，冷卻水溫度越低，脫附效果越好。

2.4 脫附過程的吸附劑溫度及脫附量

各實驗工況下，脫附過程吸附劑溫度及脫附水量變化分別如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，脫附開始階段吸附劑溫度略有下降，隨后保持一段時間基本穩定，最后階段持續顯著上升。這是因為脫附過程初始階段，吸附劑處于飽和狀態，含水量大，脫附速率高，所需脫附熱多，而此時熱水不能及時補充足夠的熱量，導致吸附劑溫度有所降低；隨著大量水分的析出，脫附速率降低，隨之所需脫附熱也減少，熱水提供的熱量則由開始時不足轉為基本平衡，繼而過剩，表現為脫附的后階段吸附劑溫度逐漸上升。與之對應，圖8中的脫附量總體呈現脫附開始時快速增加，而后趨于平穩增長的過程。

工況1、2條件下，由于吸附時熱源溫度只有50℃，水蒸氣平衡吸附壓力偏低，吸附劑吸附量少，故脫附時所需熱量也低，吸附劑溫度下降不明顯，并在400 s后就顯著升溫；工況3、4條件下，熱源溫度增加到70℃，吸附劑吸附后水蒸氣含量較工況1、2增多，故脫附時吸附劑溫度下降較為明顯；而工況5、6條件下，熱源溫度繼續增加到90℃，吸附劑脫附時溫度在開始階段下降更為顯著，并且保持1000 s左右基本穩定，說明其保持高速率脫附的時間明顯增加，脫附的總水量也明顯增加。由系統質量平衡可知，脫附量即為吸附時的吸附量。

以上現象說明，吸附劑的使用雖然可以明顯降低閃蒸室的蒸發壓力，使更低品位的能源利用成為可能，然而低熱源溫度也同時降低了吸附劑的吸附量，即要達到同樣的水分離速率，需要顯著增加吸附劑總量。

2.5 分離率的影響因素

分離率，即通過閃蒸、熱管表面吸熱沸騰，蒸發的水分占總溶液的質量分數。各工況下系統的水分離率變化如圖9所示。很顯然，相同的冷卻水溫度下，熱源溫度越高，溶液中水分離率越高。這是因為熱源溫度越高，溶液接觸熱管冷端時水分的過熱度越大，沸騰蒸發越劇烈，蒸發室內的平衡水蒸氣壓力越高，趨于吸附飽和的速率也越快（圖4），此外，冷卻水溫度為10℃時比20℃時分離率高5%左右，因為更低溫的冷卻水將使閃蒸室維持更低的蒸發壓力，同時使吸附劑的吸附量也稍有提升。

因此，閃蒸室的熱源溫度是影響分離率的核心因素，而冷卻水溫度越低也越有助于提高溶液中的水分離率。

3 結 論

提出了一種由低品位熱源驅動，以熱管傳遞高熱通量的熱量，使霧化后的鹽液滴劇烈蒸發，并由固體吸附劑快速轉移水分的鹽水分離新方法。依據該方法搭建實驗裝置并對其進行了測試，所得主要結論如下。

（1）鹽水分離系統中由于吸附床的引入，蒸發室壓力在吸附過程前半段的測量值較未使用時有明顯降低，降低幅度約為0.4～1 kPa，即降低了蒸發室壓力，為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑。

（2）吸附劑的使用雖然可以明顯降低閃蒸室的蒸發壓力，使更低品位的能源利用成為可能，然而低熱源溫度也同時降低了吸附劑的吸附量，即要達到同樣的水分離速率，需要顯著增加吸附劑總量。

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Effects of solid adsorption on vacuum flash water separation process with heat pipe

GAO Wenzhong, XU Changda, LI Changsong, WANG Dong, SU Tianlong

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The superheat is the key factor for liquid drop to keep evaporating and it determines the water separation rate of the solute/water separator. A solute/water separation device combined with high efficient heat pipe and solid adsorption technology is developed in this paper. Water separation experiment of NaCl solution with concentration of 3% is conducted and the results show that the heat pipe can rapidly transfer heat to the drop just flashed for the second boiling with high heat flux and increase the water separation rate per unit volume. During the front half part of the adsorption process, the evaporator pressure value has a significant decrease by 0.4—1 kPa than that without adsorbent bed. Namely, the boiling point of drop is reduced and superheat is increased. This provides a new method for utilizing lower grade heat source in the solute/water separation.

heat pipe; solid adsorption; vacuum; flashing; water separation

supported by the National Natural Science Foundation of China (51106094) and the Natural Science Foundation of Shanghai (16ZR1414700).

date: 2015-12-16.

GAO Wenzhong, wzgao@shmtu.edu.cn

TK 124

A

0438—1157（2016）09—3755—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20151909

國家自然科學基金項目（51106094）；上海市自然科學基金項目（16ZR1414700）。

2015-12-16收到初稿，2016-05-11收到修改稿。

聯系人及第一作者：高文忠（1978—），男，博士后，副教授。