戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水特性研究

侯 靜，李瑞晨，朱國鵬，常澤輝，3

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

0 引言

管式太陽能鹽水蒸餾器是一種常見的太陽能鹽水淡化裝置。 為了強化橫管式太陽能鹽水蒸餾器的產(chǎn)水性能，J Tang[1]對該蒸餾器內(nèi)蒸發(fā)面的親水性進行了改進，使得該蒸餾器的產(chǎn)水速率升高 24.9%，性能系數(shù) GOR 升高 44.4%。 郭衛(wèi)民[2]構(gòu)建了橫管式太陽能海水蒸餾器CFD 模型，并根據(jù)計算結(jié)果分析了該蒸餾器的操作壓力對自身產(chǎn)水速率的影響，分析結(jié)果表明，與常壓運行工況相比，不同操作壓力下，該蒸餾器的產(chǎn)水速率增加了 1.4～6 倍，濕空氣平均流速增加了 1.5 倍。 為了提高太陽能苦咸水淡化裝置的適用性，減小該蒸餾器的占地面積，J Hou[3]，[4]設(shè)計出一種三效豎管降膜太陽能苦咸水蒸餾裝置，并對該蒸餾器內(nèi)封閉小空間二元混合氣體的傳熱傳質(zhì)特性進行了理論計算和試驗驗證。 李文龍[5]對三效豎管降膜太陽能苦咸水淡化裝置的產(chǎn)水性能展開了實驗研究，分析結(jié)果表明，利用使用功率為335 W的電加熱裝置代替太陽能集熱器時，三效豎管降膜太陽能苦咸水淡化裝置的性能系數(shù)為2。

在實際天氣條件下，太陽輻照度、環(huán)境溫度等氣象參數(shù)對適合于戶用的小型太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水特性的影響機理亟待明晰。鑒于此，本文設(shè)計出一種戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器，并對該蒸餾器的產(chǎn)水速率進行了理論分析，測試了晴天條件下該蒸餾器的產(chǎn)水特性，并對該蒸餾器內(nèi)豎直方向的冷凝溫度梯度、 蒸發(fā)冷凝溫度等的變化規(guī)律進行研究。

1 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器

適合戶用的太陽能苦咸水淡化裝置應(yīng)滿足熱能利用效率高、投資成本低、操作簡便，以及占地面積小等條件。鑒于此，本文設(shè)計了戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器，該蒸餾器采用了豎管結(jié)構(gòu)，這樣可以節(jié)省占地面積，此外，該蒸餾器還采用了四效運行方式，以有效利用該蒸餾器內(nèi)水蒸氣凝結(jié)時釋放的汽化潛熱。 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram and photo of multi-effect solar brackish water distillation device for single family use

由圖1 可知，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器主要由平板太陽能集熱器、 四效豎管苦咸水淡化裝置、循環(huán)管路和淡水管組成。該蒸餾器由5 根直徑不同的不銹鋼圓筒同心嵌套而成，這些不銹鋼筒均與底板連接在一起，形成4 個環(huán)形封閉蒸發(fā)冷凝腔。 其中，最內(nèi)層不銹鋼筒內(nèi)盛放加熱水體，該加熱水體通過熱水進水管、熱水回水管等與平板太陽能集熱器相連接，利用平板太陽能集熱器內(nèi)循環(huán)水的熱浮升實現(xiàn)四效豎管苦咸水淡化裝置內(nèi)水體的加熱。

戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的工作流程：①苦咸水由苦咸水進水管進入位于各效吸水材料上部的分水環(huán)內(nèi)，在此過程中，苦咸水完成了進料預(yù)熱，減小了與運行溫度之間的差值；②預(yù)熱后的苦咸水經(jīng)分水環(huán)進入緊貼于各效冷凝套筒外壁面的吸水材料中，并以液膜的形式從上向下流動，在此流動過程中，平板太陽能集熱器向加熱水筒內(nèi)的水體供熱，使得加熱水筒外壁面的苦咸水液膜在流動過程中受熱蒸發(fā)，此蒸汽與腔內(nèi)干空氣混合形成二元混合氣體，在溫度較低的第一效冷凝套筒內(nèi)壁面上凝結(jié)成淡水，并沿著該壁面流至整個裝置的底部，而后經(jīng)淡水管收集備用；③第一效冷凝套筒內(nèi)蒸汽凝結(jié)釋放的凝結(jié)潛熱會傳遞至該套筒外壁上的苦咸水液膜，并使其繼續(xù)蒸發(fā)，未蒸發(fā)的苦咸水經(jīng)濃苦咸水排水管排出；④第二、三、四效苦咸水冷凝套筒的運行原理與第一效冷凝套筒相類似。

2 裝置內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性分析

對戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)部二元混合氣體傳熱傳質(zhì)特性進行理論分析，可以明晰影響該蒸餾器產(chǎn)水速率和熱能利用效率的因素。由于戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)有4 個特征尺寸相同的蒸發(fā)冷凝腔，因此，該蒸餾器內(nèi)部的熱質(zhì)傳熱過程為環(huán)形封閉小空間熱質(zhì)傳遞過程。戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)傳熱過程包括了自然對流傳熱、輻射換熱和蒸發(fā)傳熱。

利用平板太陽能集熱器供能時，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的能量守恒方程為

式中：Gsun為太陽輻照度，W/m2；A 為平板太陽能集熱器的受光面積，m2；η 為平板太陽能集熱器的供熱效率，%；qh為加熱水筒外壁面苦咸水液膜的吸熱量，W；Cp，w為加熱水體的比熱容，kJ/（kg·K）；m0為加熱水筒內(nèi)水體的質(zhì)量，kg；t0為加熱水體的運行溫度，℃；t 為運行時間，s。

考慮各效環(huán)形封閉小空間內(nèi)二元混合氣體的傳熱傳質(zhì)特性，得到多效太陽能苦咸水蒸餾器的能量平衡方程為

式中：qr，qc，qe分別為各效環(huán)形封閉小空間內(nèi)的輻射換熱量、對流傳熱量、蒸發(fā)傳熱量，W/m2；qb為各效排出的濃苦咸水所含的顯熱，W/m2；qw為各效水蒸氣凝結(jié)生成的淡水所含的顯熱，W/m2；mw為各效吸水材料中苦咸水液膜的質(zhì)量，kg；tw為各效苦咸水液膜的溫度，℃；Cp，b為濃苦咸水的比熱容，kJ/（kg·K）。

戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水速率m的計算式為

式中：hfg為海水的汽化潛熱，kJ/kg。

由式（1）～（3）可知，當(dāng)太陽輻照度和平板太陽能集熱器的各項參數(shù)保持恒定時，為了提高戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率，可以利用加熱水體所獲得的熱量最大程度地加熱苦咸水液膜，使得qe達到最大值，并減少其他傳熱及散熱損失量。 另外，可以通過優(yōu)化調(diào)整苦咸水的進料流量來減少qb，通過平衡戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)運行溫度與管路結(jié)垢的影響來減少qw。

3 試驗測試和結(jié)果分析

本文結(jié)合理論分析，搭建了戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水特性試驗臺，在晴天條件下，測試并分析了該蒸餾器的產(chǎn)水速率、 豎直方向冷凝溫度梯度和冷凝溫度隨太陽能輻照度、 環(huán)境溫度的變化規(guī)律。

3.1 試驗測試及儀器選擇

戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器由5 根長度分別為 0.84，0.83，0.82，0.81，0.8 m，直徑分別為 0.26，0.22，0.18，0.14，0.10 m 的不銹鋼圓筒同心嵌套而成。 試驗地點位于內(nèi)蒙古呼和浩特市（40°50′N，111 °42 ′E），試驗時間為 2019 年 9 月 15-26 日，

試驗過程中，環(huán)境參數(shù)（太陽能輻照度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速）由手持氣象參數(shù)測試儀YGSC-1實時采集； 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率由精密電子秤EK813 測得，測試時間間隔為20 min； 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度、豎直方向冷凝溫度、各效冷凝溫度等由K 型熱電偶測得，測量精度為±0.5 ℃，測試時間間隔為1 min。 所有的測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀 （SINR6000C）實時記錄。

3.2 測試結(jié)果及分析

測試日，太陽輻照度和環(huán)境溫度隨時間的變化情況如圖2 所示。

圖2 太陽輻照度和環(huán)境溫度隨時間變化情況Fig.2 Variation of solar irradiance and ambient temperature during the measurement with time

測試日，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水速率隨時間的變化情況如圖3 所示。

圖3 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器產(chǎn)水速率隨時間的變化情況Fig.3 Water production of the multi-effect solar brackish water distillation device for single family use with time

由圖2，3 可以看出，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率隨著太陽輻照度的變化而變化。 測試日，太陽輻照度的最大值為740 W/m2，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的最大產(chǎn)水速率為23.53 g/min，通過比較發(fā)現(xiàn)，該蒸餾器產(chǎn)水速率最大值發(fā)生的時間比太陽輻照度最大值發(fā)生的時間延后約20 min，這是由于平板太陽能集熱器收集太陽輻射能后，須要先對加熱水筒內(nèi)的水體進行加熱，而后再利用加熱水筒內(nèi)的熱水對各效苦咸水液膜進行加熱，整個加熱過程需要一定的時間，最終導(dǎo)致戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的最大產(chǎn)水速率沒有發(fā)生在太陽輻照度最大值所對應(yīng)的時刻。隨著太陽輻照度逐漸減小，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率隨之降低，二者呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，這是由于隨著太陽輻射能量逐漸減小，平板太陽能集熱器收集到的熱量逐漸減少，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度逐漸降低，導(dǎo)致提供給苦咸水液膜蒸發(fā)的熱量逐漸減少，該蒸餾器內(nèi)的蒸氣量逐漸減小，最終造成該蒸餾器的產(chǎn)水速率逐漸減小。

鑒于戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的特殊結(jié)構(gòu)，該蒸餾器內(nèi)第一效冷凝溫度（苦咸水液膜蒸發(fā)溫度）與第二效蒸發(fā)溫度相接近，第二效冷凝溫度與第三效蒸發(fā)溫度相接近，第三效冷凝溫度與第四效蒸發(fā)溫度相接近。 為了分析戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度和各效冷凝溫度對自身產(chǎn)水速率的影響，對于各效冷凝面沿豎直方向分別等距地布置了3 個熱電偶，并以這3 個熱電偶測量值的平均值作為各效蒸發(fā)溫度或冷凝溫度。

戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度、各效冷凝溫度隨時間的變化情況如圖4 所示。

圖4 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度、各效冷凝溫度隨時間變化情況Fig.4 Variation of temperatures of the multi-effect solar brackish water distillation for single family use with time

由圖4 可知，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度、 各效冷凝溫度隨時間的變化趨勢與太陽輻照度大體一致。 12：00-12：50，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器達到了穩(wěn)態(tài)運行工況，這與產(chǎn)水速率的變化趨勢相吻合。穩(wěn)態(tài)運行時，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)加熱水筒的運行溫度為88.9 ℃，第一、二、三、四效蒸發(fā)冷凝平均溫差分別為 6.9，2.8，5.5，5.2 ℃。 由此可知，穩(wěn)態(tài)運行時，第一效蒸發(fā)冷凝溫差較大，這是由于第一效苦咸水液膜蒸發(fā)溫度比其他各效苦咸水液膜蒸發(fā)溫度高，使得第一效蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)二元混合氣體的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力較大，此外，第一效苦咸水液膜的蒸發(fā)面積較小（需要蒸發(fā)的苦咸水量較少），導(dǎo)致第一效蒸發(fā)冷凝腔蒸發(fā)面與冷凝面之間的二元混合氣體密度差較大，因此，第一效蒸發(fā)冷凝腔的產(chǎn)水速率較大，達到了7.36 g/min。

由于戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器豎直方向的幾何尺度大于水平方向幾何尺度，因此該蒸餾器內(nèi)的蒸發(fā)冷凝過程屬于小高徑比管式封閉小空間蒸發(fā)冷凝過程。在此蒸發(fā)冷凝過程中，二元混合氣體會受到浮升力的作用，導(dǎo)致有效冷凝面積與實際冷凝面積發(fā)生偏差，通過試驗得到，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器運行過程中，沿豎直方向上的冷凝溫度梯度變化情況，這對于分析戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率，以及強化環(huán)形封閉小空間內(nèi)二元混合氣體的熱質(zhì)傳遞具有參考價值。試驗過程中，選擇戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)的第一效冷凝面作為測試對象，并通過測量得到該冷凝面上、中、下3 個端面的溫度。

戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器第一效冷凝面上各端面溫度隨時間的變化如圖5 所示。

圖5 戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器第一效冷凝面上不同端面的溫度隨時間的變化情況Fig.5 Variation of condensation temperatures of the different positions of the first-effect with time

由圖5 可知，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器第一效冷凝面不同端面的溫度隨時間的變化趨勢相一致，且上、中、下端面的冷凝溫度依次降低。當(dāng)戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器穩(wěn)定運行時，第一效冷凝面上端面的平均溫度為84.9 ℃，比該冷凝面中、下端面的平均冷凝溫度分別高出2.8，7 ℃，這表明第一效蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)的水蒸氣主要在冷凝套筒的上、中部凝結(jié)，這是由于加熱水筒外壁面上苦咸水液膜受熱蒸發(fā)所生成的水蒸氣密度小于腔內(nèi)干空氣密度，水蒸氣在第一效蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)的熱質(zhì)傳遞過程會受到浮升力的影響，導(dǎo)致水蒸氣沿斜向上方向在冷凝套筒的內(nèi)壁面凝結(jié)，從而使得第一效冷凝面上端面的冷凝溫度高于下端面的冷凝溫度，同時也說明了戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)水蒸氣的蒸發(fā)傳質(zhì)對該蒸餾器的傳熱過程有促進作用。 在對戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率進行理論計算時，按照實際冷凝面積計算是導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因之一。

4 結(jié)論

針對分布式淡水的制備需求，本文設(shè)計出一種戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器，并分析了影響該蒸餾器產(chǎn)水性能的因素，而后在實際天氣條件下，搭建了該蒸餾器的產(chǎn)水特性試驗臺，并根據(jù)測試結(jié)果分析了該蒸餾器產(chǎn)水速率的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

①戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的產(chǎn)水速率隨太陽輻照度的變化而變化，當(dāng)太陽輻照度為740 W/m2時，該蒸餾器的最大產(chǎn)水速率為23.53 g/min。

②戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器的運行溫度、 各效蒸發(fā)冷凝溫度的變化趨勢與太陽輻照度相一致。穩(wěn)態(tài)運行時，戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器加熱水筒內(nèi)水的平均溫度為88.9 ℃，第一、二、三、四效蒸發(fā)冷凝溫差分別為 6.9，2.8，5.5，5.2 ℃，該蒸餾器的第一效產(chǎn)水速率為7.36 g/min。

③戶用多效太陽能苦咸水蒸餾器內(nèi)，沿豎直方向上冷凝溫度分布得不均勻，具有一定的梯度。穩(wěn)態(tài)運行時，第一效冷凝面上端面平均溫度為84.9 ℃，比中、下端面平均溫度分別高出2.8，7 ℃。