升膜蒸發海水淡化實驗研究?

武永賓， 李 艷， 閆 哲， 張 繼

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

全球淡水資源不足，尋找新的安全高效持久的凈水方法已經成為人們日益關注的問題，海水資源豐富，從海水中獲取淡水資源是一種穩定的獲取優質淡水的供應途徑，并且對天然淡水生態系統損害較小，是解決淡水資源缺乏的最具前景的方法之一[1-2]。海水淡化理論能耗很低，目前由于技術水平實際所需能量遠遠大于理想條件，說明海水淡化在降低能耗方面有很大潛力[3]。蒸餾法是一類歷史悠久、種類多樣及商業價值巨大的海水淡化方法。橫管降膜蒸發是1970年代發展起來的一項蒸餾淡化技術。薄膜蒸發的兩側均有相變，同時傳熱管外側液體的膜狀流動有利于蒸汽與液相盡快分離[4-5]。橫管降膜蒸發器設計的主要困難是要克服噴淋管點狀分布帶來的膜厚不均勻問題，維持管壁的完全濕潤，確保加熱表面沒有干燥區。而豎管升膜海水淡化裝置，是在垂直管中蒸發的溶液從管下部進入，在上升的過程中被加熱，形成了氣液兩相流，最后形成了環狀流動[6-7]。豎管升膜蒸發器的特點是不需要把料液用泵輸送到上部，而是以加熱蒸汽的熱能轉化為動能，帶動液體上升。由于液柱的靜壓和兩相流動的阻力，在管的下部沸點升高較大，因此需要提高加熱蒸汽的溫度和壓力，這是豎管升膜蒸發器的缺點。有文獻研究使管外液膜分布更薄從而獲得更高的換熱系數，Gonda[8]設計了波紋板蒸發器來實現薄液膜的蒸發，Rojas[9]對管內帶微槽的水平管進行了升膜實驗，獲得此類管的換熱系數分布。亦有研究者從微小尺度出發探究更高效、適用范圍更廣的海水淡化方法，Kim[10]利用微流控芯片實現從一個通道進入鹽水后從兩個通道分別獲得淡水和鹽類，而Cohen-Tanugi[11]和Tofighy[12]分別以納米級通道單層石墨烯和碳納米管來實現海水淡化，使鹽類和淡水分離更直接徹底。

水平微槽管升膜欠熱蒸發可以強化傳熱[13-15],本文利用水平管升膜蒸發，基于水平管升膜使得管表面液膜更薄更均勻，省去泵送液料所需泵功的特點設計了水平微槽管升膜蒸發海水淡化裝置，通過能效實驗和理論計算，獲得了不同熱流密度下升膜管外溫度分布、結晶率、淡水產量及淡化能耗等參數，以求利用低溫余熱水平微槽管升膜海水淡化可以產生較好的綜合經濟效益，為升膜海水淡化的工程應用提供參考。

1 實驗系統結構

所謂水平管升膜蒸發就是指管底部與溶液液面相切或微微浸入時，由毛細力、潤濕力、溫差和氣泡運動驅動等克服重力，液體自下而上，在管壁面形成薄液膜蒸發的現象。單效升膜海水淡化循環過程見圖1。該升膜海水淡化裝置蒸發過程平緩，無需采用傳統熱法蒸餾海水淡化系統中的捕沫器；蒸發室為直徑220 mm，長度180 mm PMMA材質的封閉筒體；水平微槽管是由304不銹鋼薄壁管加工周向微槽；內置加熱棒，保持同心，環隙間填充高導熱性的金剛砂，端部采用耐高溫膠密封防止滲水。不銹鋼管鎧裝K型熱電偶焊接到管壁上，并確保測溫頭全部埋入管壁中，防止測溫失準。本實驗直接延長熱電偶電極絲作為引出線，鏈接數據采集系統，實驗中為防止強電磁場產生的常模噪聲誤差，需要確保熱電偶引出線遠離強電動力線；同時采用屏蔽接地的方法以防止真空泵等旋轉設備運行而帶來的靜電噪聲的干擾。加熱管尺寸具體參數見表1。冷凝器中換熱盤管足夠長，負壓靠真空泵獲得，真空泵流量為120 L/min。一般海水淡化鹽濃度質量分數變化范圍為3%～6%，本實驗采用蒸餾水和標準氯化鈉配置質量分數為3.5%的鹽水代替海水。鹽水按照《電導率儀的試驗溶液氯化鈉溶液制備方法GBT27503-2011》制備，并由精度為±0.5%FS電導儀測量其準確濃度。

(1.止回閥Check valve；2.流量計Flowmeter；3.水閥Water valve；4.止回閥Check valve；5.真空泵Vacuum pump；6.冷凝器condenser；7.濃鹽水泵Concentrated brine pump；8.蒸發室Evaporation chamber；9.微槽加熱管Micro grooved heat pipe.)

2 水平微槽管管壁特性與系統能效實驗

2.1 管壁溫度分布

水平管升膜海水淡化蒸發裝置是如圖2所示的結構，水平微槽加熱管部分浸入液體，選用編號為Ⅰ和Ⅱ的兩種尺寸的加熱管分別進行升膜蒸發實驗，觀測管壁溫度變化情況，分別在槽道A、B和D等位置布置多個K型熱電偶測量不同熱流密度條件下的槽道壁面平均溫度，定義水平管與液面接觸點與管圓心連線在豎直方向的角為液位角用符號α表示，即圖2中∠AOH=45°、∠BOH=90°和∠DOH=180°位置。其中Ⅰ和Ⅱ管參數見表1，熱流密度由下式求得：

(1)

圖2 蒸發室中加熱管壁面溫度測點位置

表1 兩種加熱管參數

Ⅰ、Ⅱ加熱管在變壓器調壓后分別在不同熱流密度條件下運行1 h，管壁溫度分布見圖3：

((a)Ⅰ加熱管45°管壁；(b)Ⅱ加熱管45°管壁；(c)Ⅰ加熱管90°管壁；(d)Ⅱ加熱管90°管壁；(e)Ⅰ加熱管180°管壁；(f)Ⅱ加熱管180°管壁。(a)45° wall of tube Ⅰ；(b)45° wall of tube Ⅱ；(c)90° wall of tube Ⅰ；(d)90° wall of tube Ⅱ；(e)180° wall of tube Ⅰ；(f)180° wall of tube Ⅱ.)

圖3 Ⅰ和Ⅱ管壁不同位置不同熱流密度下平均溫度變化情況

Fig.3 TubeⅠand Ⅱvariation of average temperature at different positions of wall with different heat flux density

通過以上多個熱流密度的升膜蒸發實驗知道，Ⅰ加熱管和Ⅱ加熱管在微槽管管頂，管壁溫度均出現跳動及持續升高，一方面是受持續電加熱影響，另一方面考慮升膜的液膜沒有到達管頂導致熱量堆積。Ⅰ、Ⅱ加熱管管壁溫度分布差值均隨熱流密度的增大而增大，微槽槽寬較大的Ⅱ管由低熱流密度溫差2 ℃增加到7 ℃，尤其管壁90°與180°之間的差值增加顯著，溫升受熱流密度影響敏感；Ⅰ管由初始低熱流密度時1 ℃溫差，小幅升到高熱流密度時的2 ℃溫差，溫度分布較Ⅱ管均勻。另外，理論上微槽道管升膜換熱系數與熱流密度及槽道尺寸的關系[16]：

(2)

其中：h為管外總換熱系數，W/(m2·℃)；ATatol為換熱面積；D為槽道深度；P為槽道節距；ΔT為過熱度；Tw為壁面溫度；T∞為環境溫度。該公式說明微槽管的換熱系數與槽寬和溫差有直接關系。若壁面各處熱流密度qb均勻是的，蒸發率隨槽道圓心角變化[17]：

(3)

整理上式有：

(4)

其中：L為槽道斜長；Ph為槽頂寬；φ為坐標。該公式表明微槽道的換熱系數與槽道尺寸及熱流密度有關且當汽化潛熱恒定時熱流密度越大槽道的換熱系數和蒸發率越大。由實驗和以上公式分析知不同尺寸槽道加熱管受熱流密度影響改變管壁溫度分布，實質就是升膜的高度和液膜的厚度對蒸發的影響。

2.2 升膜海水淡化能效測試

實驗過程中,獲得單位質量淡水的能耗由下式給出[18]：

(5)

其中：QH為熱源功率；mD為蒸餾水質量；ΔTPH為預熱溫升。在27 kPa壓力下，取沸點升[18]ΔTBPE=1 K ，蒸發熱[19]Δhv=2 345 kJ/kg，海水比定壓熱容[20]cp=4 kJ/(kg·K)，蒸發時，液膜層中的溫度從壁面到液膜自由表面呈線性變化，壁面液膜很薄[21]，近似認為液膜溫度即為壁面溫度。實驗能耗值由系統淡水產量與輸入能量之比所得。

表2 Ⅰ管計算條件

表3 Ⅱ管計算條件

圖4 不同熱流密度下產水單位能耗

由圖4可知，產水單位能耗實驗值與計算值在不同熱流密度情況下誤差不同。能耗較低的Ⅰ微槽加熱管由低熱流密度時能耗誤差36.8%降到高熱流密度是能耗誤差9.4%，這是由于低熱流密度下，蒸發過熱度小，升膜蒸發緩慢，淡化裝置系統自身顯熱增加較大，導致蒸發較少；較大熱流密度條件下，液體過熱度較大，氣液兩相壓力差較小蒸發速率較快，系統很快進入蒸發穩定階段，蒸發量大。

結合Ⅰ、Ⅱ管管壁溫度分布與系統能耗實驗可以得出同一熱流密度下，同一類型的微槽加熱管槽道位置越高的點壁面溫度越高；不同熱流密度下，該類型微槽加熱管壁面圓心角越大溫差越大；同一熱流密度下微槽加熱管截面尺寸越小，管壁面溫度分布越均勻，蒸發系統能耗越低。

Ⅰ管在最高熱流密度升膜實驗過程中，使用Fluke TIS45熱像儀分3個時間點檢測淡化裝置外表面溫度分布，在系統啟動5 min后開始第一次檢測，30 min第二次檢測及60 min第三次檢測。由于端面布置進水管、壓力表、熱電偶密封塊、出汽口、電源線進口等，加護隔熱層困難，所以是主要檢測面。

(A. 蒸發室儀表端面開機5 min溫度分布；B. 蒸發室儀表端面開機30 min溫度分布；C. 蒸發室儀表端面開機60 min溫度分布；D. 蒸發室底端面開機5 min溫度分布；E. 蒸發室底端面開機30 min溫度分布；F. 蒸發室底端面開機60 min溫度分布。A. Evaporation chamber instrument meter end face 5 min temperature distribution；B. Evaporation chamber instrument meter end face 30 min temperature distribution；C. Evaporation chamber instrument meter end face 60 min temperature distribution；D. Evaporation chamber instrument end face 5 min temperature distribution；E. Evaporation chamber instrument end face 30 min temperature distribution；F. Evaporation chamber instrument meter end face 60 min temperature distribution.)

圖5 淡化裝置外表面溫度分布圖

Fig.5 Temperature pattern of Outside surface of desalination device

圖5為蒸發室兩個端面在開機運行5、30和60 min溫度分布情況，1 h內平均溫度分別為50.5和40.3 ℃，由下式計算散熱損失熱量：

Ql=AdhaΔTt。

(6)

其中：Ql為散熱損失熱量；Ad為端面面積；ha為換熱系數；ΔT為換熱溫差；t為換熱時間。而ha由Nu=0.15(Ra)1/4及Nu=had/λ求得(Nu為努賽爾數，Ra為瑞利數，d為特征尺度)。通過計算端面在實驗過程中對環境的換熱量，重新求解Ⅰ管升膜淡化海水能耗的實驗值，實驗值與理論值誤差降低到8.1%。此次沒有分析濃鹽水的溫升帶走的能量及蒸汽被加熱損耗的能量。

2.3 管壁結晶率與熱流密度的關系

管壁結晶率就是加熱蒸發試驗結束后加熱管外表面被氯化鈉固體覆蓋面積與加熱管外表面的比值。試驗結束后觀察加熱管結晶情況，發現加熱管結晶部分從微槽底部到微槽頂端均被氯化鈉固體覆蓋，這樣微槽加熱管結晶面積問題可以近似成光滑圓管外表面結晶面積問題。結晶面積與加熱管外表面積之比，即為結晶面積比率。

結晶是導致海水淡化效率降低甚至失效的重要原因。圖6所示熱流密度在6 000 ～9 000 W/m2時，水平微槽管管外結晶面積隨著熱流密度的增大越來越小。結晶方式是從管頂部逐漸向下擴展累積。氯化鈉結晶面積減小，是由于水平微槽管結構自身的自潔能力和高熱流密度下流動的連續性及低壓蒸發溶液沸點的改變，此外在高熱流密度條件下升膜蒸發過程中液膜蒸發后稀溶液能及時補充到蒸發區域，對鹽類的析出起到了抑制作用。微槽道的蒸發換熱和結晶問題是一項復雜的過程，涉及槽道結構尺寸、流體物性、流體狀態等因素，這些因素與沸騰特性的關聯還有待進一步研究。該實驗無捕沫器的升膜海水淡化淡水水質的TDS(總溶解固體)最低可以達到24 mg/L，而一般認為當水中鹽分含量低于500 mg/L時是適合飲用的(見圖7)。

圖6 不同熱流密度下開機運行3 600 s后加熱管外表面結晶面面積變化情況Fig.6 The change of the surface area of the outer surface of the heating tube after 3 600 s operation under different heat flux

圖7 淡化水鹽度隨熱流密度變化情況

2.4 液位高度對蒸發能力的影響

對于低能耗的Ⅰ加熱管，分別在熱流密度6 000、7 000、8 000、9 000和10 000 W/m2下選擇18°、45°、60°和90°液位，在常壓下測試20 min升膜實驗對鹽水的消耗量，獲得蒸發能耗數據點后分別用OriginPro軟件的Asymptotic(y=a-b×cx)和Allometric(y=axb)兩種方法擬合。

由圖8中所示液位角為45°時，單位質量淡水的能耗從4 100 kJ/kg逐漸降低至3 800 kJ/kg能耗值均低于另外三個液位角相應熱流密度對應的能耗值；圖8a、b中擬合圖線均顯示不同液位角隨熱流密度增大能耗值減小程度不同，90°液位角能耗值變化明顯，45°液位角能耗變化程度小；對比圖8a、b ，可以發現擬合程度較好的圖8a中液位太大(90°)或者太小(18°)時，熱流密度對能耗的影響是非線性的。液位角直接體現加熱管浸入水面深度，是影響海水淡化效率的一個重要參數，浸入過少也就是液位角太小，導致升膜高度不夠，加熱管對空間散熱加重；浸入過多就是液位角太大則向底部溶液散熱過大，所以在升膜海水淡化中需要選取合適的浸入深度。

圖8 不同液位下蒸發能耗隨熱流密度變化情況

3 結語

水平微槽管升膜蒸發這類結構在吸收制冷方面[22]已有應用，說明它良好的換熱節能特性。本文通過實驗得出：隨著熱流密度的增加產水能耗逐漸下降，實驗淡水產水能耗最低測得3 631 kJ/kg，與理論值對比誤差為9.4%，通過分析系統散熱損失誤差降低至8.1%；相同熱流密度時微槽槽道較小時蒸發能力較高；升膜蒸發時液位不宜過高或過低，液位過低導致升膜高度不夠，加熱管對空間散熱加重，而液位過高則向底部溶液散熱過大，應該選取合適的浸入深度，45°為宜；管外結晶面積隨熱流密度的增加而減少；升膜蒸發所產淡水鹽濃度較低。水平微槽管用于低壓海水淡化時，熱流密度越大海水濃縮倍率越大，熱能利用率越高，槽道結晶面積越小，在飽和溫度已知，設備儀器可承受的熱負荷下，適當提高熱流密度有利于蒸發換熱，并且可以為多效低溫多效海水淡化提供參考依據。

符號說明：

Al槽道自由液面下方的換熱面積，m2；

ATatol換熱面積, m2；

D槽道深度，mm；

h管外總換熱系數W/m2·℃；

L槽道斜長，mm；

Nu努謝爾特數；

P槽道節距,mm；

Ph槽頂寬, mm；

R電阻，Ω；

Tw壁面溫度，℃；

T∞環境溫度，℃；

ΔT過熱度，℃；

U電壓，V；

φ坐標，°；

θ0初始角，°；

λ導熱系數，W/m·℃。