基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器設計及性能分析

常澤輝，朱國鵬，李瑞晨，侯 靜，李建業

（1. 內蒙古工業大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2. 內蒙古工業大學太陽能應用技術工程中心，呼和浩特 010051；3. 內蒙古建筑職業技術學院建筑設備與自動化工程學院，呼和浩特 010070）

0 引 言

生活在偏遠干旱或半干旱地區的人們由于長期得不到充足、衛生的飲用水而引起諸多健康問題[1-2]。雖然通過打井取水可以解決飲水匱乏問題，但淺層地下水經過巖層后多含鹽分而成為苦咸水，要想獲取高品質地下水需要井深超過100 m[3-4]。利用苦咸水淡化技術可以對水體作進一步的提純和凈化，在滿足居民飲用水的同時，還可以用于農業種植[5-10]和工業生產[11]。其中，商業化最成功的鹽水淡化技術是反滲透技術（Reverse Osmosis，RO），由于在進行鹽水分離過程中沒有發生相變而使得其能耗低于熱法苦咸水淡化技術[12]，淡水制備能耗約為0.3～2.8 kW·h/m3[13]。但反滲透苦咸水淡化系統對電力、輸水等基礎設施依賴度高，不適合小型分布式苦咸水的淡化制備[14]。而太陽能苦咸水蒸餾淡化技術以其運行簡單[15]、結構緊湊[16]、水質良好、可就地取材、對環境污染少而受到研究人員的廣泛關注[17-21]。

Tiwari 等[22]于1988 年首次對橫管式太陽能鹽水蒸餾器設計及運行工況的影響因素展開研究，結果表明，在相同天氣條件下，橫管式太陽能鹽水蒸餾器產水量高于傳統盤式太陽能鹽水蒸餾器。隨后，Rahbar 等[23]對比測試了實際天氣條件下，三角形蓋板和橫管式太陽能鹽水蒸餾器的熱利用效率、產水速率隨太陽輻照度和環境溫度的變化規律，結果顯示，橫管式太陽能鹽水蒸餾器平均產水速率比三角形蓋板鹽水蒸餾器增加20%。Kabeel等[24]嘗試在橫管式太陽能鹽水蒸餾器冷凝筒外進行噴淋強制冷卻以提高裝置的產水速率，同時對裝置內蒸發鹽水水體最優深度進行了研究，結果表明，在最優水體深度和噴淋水流量分別為0.5 cm、2 L/h 時，蒸餾器最大效率為54.9%，所制備淡水價格為0.019 美元/L。

為了提升管式太陽能鹽水蒸餾器產水性能，Elashmawy[25]就地取材，將小碎石填充到槽式拋物聚光橫管式太陽能鹽水蒸餾器接收體內作為儲熱材料，結果表明，填充儲熱材料的蒸餾器產水速率為4.51 L/m2，熱效率為36.34%，分別比無填充碎石蒸餾器產水速率提高了14.18%和13.89%。Xie 等[26]考慮到橫管式太陽能鹽水蒸餾器具有較好的承壓能力，在實際天氣條件下，分析了裝置內不同運行壓力對產水速率和效率的影響，結果表明，當蒸餾器內工作壓力為40 kPa 時，日產水速率達到了6.323 kg，熱能利用效率為128%。El-Said 等[27]為了提高水體光吸收能力，在橫管式鹽水蒸餾器內增加了多孔填充材料，同時安裝強制振動裝置以破壞鹽水表面張力提高蒸發速率和傳熱效率，結果表明，蒸餾器產水速率為4.2 L/m2，比傳統橫管式太陽能鹽水蒸餾器增加了34%。

橫管式太陽能鹽水蒸餾器多采用水槽內水體蒸發，在相同輸入熱量條件下，由于水體熱容量大，影響裝置啟動時間；蒸餾器為了防止鹽水在運行時飛濺污染淡水，對水平放置精度要求高；蒸餾器內蒸發面與冷凝面間距受限于結構，很難做到無限接近，從而限制了傳熱熱阻和不凝氣體的減小限度[28]。

在前期研究基礎上[29]，為了減小太陽能苦咸水蒸餾器占地面積、降低安裝難度、減小待蒸發苦咸水的熱容量及提高裝置性能系數，本文設計、制作了基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器，研究了在相同輸入能量條件下，不同效數對蒸餾器單位能耗產水率和產水速率等的影響，對比分析了不同效數蒸餾器的性能系數變化規律，為小型分布式太陽能苦咸水蒸餾器的推廣應用提供參考。

1 基于豎管降膜多效太陽能苦咸水蒸餾器

多效太陽能苦咸水蒸餾器能否得到應用和推廣完全取決于裝置產水速率與噸水價格二者之間的最優匹配，同時還需要兼顧裝置熱能利用效率、安裝操作難度、配套設施以及占地面積等因素。鑒于此，本文設計了新型基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器，利用豎管表面均布的苦咸水液膜受熱蒸發、冷凝實現鹽水分離，其中，四效苦咸水蒸餾器結構如圖1 所示，實物及性能測試系統如圖2 所示。

圖1 基于豎管降膜的四效太陽能苦咸水蒸餾器結構 Fig.1 Schematic drawing of the four-effect solar brackish water distillation device based on vertical tube falling film

圖2 四效太陽能苦咸水蒸餾器實物及測試系統 Fig.2 Four-effect solar brackish water distillation device and test system

四效太陽能苦咸水蒸餾器運行過程為：儲水箱中的苦咸水在重力的作用下，分別經各效進料管進入蒸餾器內對應蒸發面（即冷凝筒外表面）頂端的分水器內，苦咸水從分水器上出水孔進入吸水材料中形成均勻液膜，太陽能集熱器對加熱水箱內水體供熱，熱量傳遞給加熱水箱外表面苦咸水液膜而促使其蒸發，所生成的水蒸氣在第一效冷凝套筒內壁面凝結而成淡水，在重力作用下，淡水沿豎直冷凝筒進入淡水收集管，未蒸發的濃鹽水沿蒸發面排出裝置外，此過程中水蒸氣凝結釋放的潛熱被第二效苦咸水液膜吸收，作為第二效水蒸氣產生的熱源，同理，所蒸發的水蒸氣在第二效冷凝筒內壁面生成淡水，同時釋放凝結潛熱，以此類推，各效所生成的淡水匯集在淡水收集罐內以供使用。

與傳統盤式太陽苦咸水蒸餾器對比，基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器的特點包括：1）通過增加冷凝筒數量以及尺寸，可以有效增大裝置冷凝面積，加之裝置內蒸發面積總小于冷凝面積，增強了水蒸氣傳熱傳質驅動力，有效提升裝置的產水速率；2）裝置采用豎管降膜蒸發、冷凝方式，所增加的吸水材料有助于破壞液膜表面張力，苦咸水液膜自身熱容量小，便于快速蒸發，縮短了裝置啟動時間，增加了裝置日淡水制備運行時長；3）裝置運行簡單，可就地取材，電力驅動單元少，多效運行實現了水蒸氣凝結潛熱的多次利用，提高了裝置的熱能利用效率，裝置安裝占地面積需求小。

2 裝置結構及腔內水蒸氣傳熱傳質分析

基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器結構、材料、性能等均會對其能否在實際中應用造成影響，通過分析蒸餾器內水蒸氣傳熱傳質機理，可以加深對蒸餾器運行特性的理解，為結構優化提供基礎理論參考。

2.1 四效太陽能苦咸水蒸餾器結構

四效太陽能苦咸水蒸餾器中太陽能集熱器屬于成熟技術，已經商業化，可以直接采購使用。而對苦咸水進行鹽水分離的基于豎管降膜的蒸餾器屬于本文設計、制作單元。蒸餾器主體由5 根一端封閉并作端面保溫處理的尺寸不一的不銹鋼筒組成，這組不銹鋼筒同心嵌套焊接在不銹鋼底板上，并在不銹鋼底板焊接4 根淡水收集管和四根濃鹽水排水管，裝置內相鄰的尺寸不同不銹鋼筒之間形成了環形封閉小空間，當裝置運行時，該空間即為水蒸氣的蒸發冷凝腔。理論上水蒸氣的蒸發面與冷凝面之間的距離可以無限小，從而使得水蒸氣傳熱阻力變小和不凝氣體減少。為了便于組裝，本裝置5 根不銹鋼管設計高度分別為800、810、820、830、840 mm，直徑分別為100、140、180、220、260 mm，則裝置內蒸發面與冷凝面間距為20 mm。其中，尺寸最小的不銹鋼筒作為加熱水箱位于裝置中心位置，內部盛放淡水作為儲、供熱水體。

2.2 裝置內水蒸氣傳熱傳質分析

圖1 中，裝置內各效不銹鋼筒內表面為冷凝面、對應的不銹鋼筒外表面為下一效的蒸發面，則各效蒸發面吸水材料中苦咸水受熱蒸發過程屬于降膜蒸發。在降膜蒸發過程中，由于沒有液體靜壓的影響，可以由較低蒸發溫度或熱流量驅動實現液膜表面蒸發。

加熱水箱內水體通過熱傳導方式加熱其外表面苦咸水液膜，苦咸水液膜以對流和輻射的傳熱方式與蒸發冷凝腔內低溫濕空氣進行換熱。在降膜蒸發傳質過程中，苦咸水中水分子受熱離開液膜表面與腔內干空氣混合生成氣水二元混合氣體，液膜表面分壓力增大，水分子繼續向周圍空間擴散，導致苦咸水液膜中水分子持續補充，隨著傳質過程的進行，腔內水蒸氣含濕量和壓力逐漸升高，在溫度較低的冷凝筒內表面凝結生成淡水，完成水蒸氣的蒸發傳質及冷凝制水。此過程中，由于水蒸氣密度低于干空氣密度，蒸發傳質對對流傳熱有促進作用。其他各效腔內傳熱傳質與此過程相同。

為了表征本文中多效太陽能苦咸水蒸餾器熱能利用效率，采用性能系數（Gain Output Ratio，GOR）對裝置內水蒸氣凝結潛熱重復利用程度進行標定。性能系數值越大，表明在輸入相同能量前提下，熱能利用效率越大。基于蒸餾器能量輸入輸出關系，穩態運行時裝置性能系數[30]計算如下式

式中m 為蒸餾器產水速率，kg/h；hfg為穩態運行工況下苦咸水的汽化潛熱，kJ/kg；Qin為輸入蒸餾器的熱量，kJ/h；P 為輸入蒸餾器電功率，W； tΔ 為加熱時間，s；i 為多效太陽能苦咸水蒸餾器的效數。

同時，本文采用單位能耗產水率l 標定多效太陽能苦咸水蒸餾器在輸入相同能量時，達到穩態運行工況的裝置的產水能力，計算式如下[31]

圖4(a)為三地1951年—2017年的年均風速對比，三地在濕度上具有較強一致性。1980年前，上海和杭州的濕度要大于南京。自1980年以來基本相同。總體下降趨勢明顯。尤其是自21世紀以來，大氣明顯變干燥。近60年幾乎下降了10個百分點。根據圖4可以得知年均降水量并無顯著變化，而據圖2可知年均氣溫明顯上升。由此推知濕度下降與全球變暖、蒸發加劇有關，同時，可能與滬寧杭三地的城市擴張也有關系。用地規模擴大，交通設施大量修建改變了下墊面性質，而植被覆蓋率的下降，則會導致植物蒸騰到大氣中的水分減少，大氣濕度下降。

式中q 為單位時間內輸入蒸餾器的總能量，kJ。

對于封閉空間太陽能苦咸水蒸餾裝置，式（2）中產水速率可以由下式計算得到

式中hmi為各效工作介質傳質系數，W/(m2·K)；Aei為各效苦咸水液膜蒸發面積，m2；ρei為各效苦咸水液膜蒸發面的水蒸氣密度，kg/m3，ρci為各效苦咸水液膜冷凝面的水蒸氣密度，kg/m3。

3 多效太陽能苦咸水蒸餾器性能測試

3.1 試驗測試系統

考慮到基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器的結構特點以及運行中水蒸氣熱質傳遞特性，裝置采用不銹鋼材質，吸水材料選用棉麻自制材料。為了精確分析輸入能量對蒸餾器穩態運行產水速率、性能系數等的影響機理，采用電加熱輸入代替太陽能集熱器。為了減少蒸餾器高溫運行時產生的管路結垢對使用效果的影響，進料苦咸水流量為0.5 kg/h，運行溫度＜95 ℃。

為了對比分析效數對蒸餾器性能的影響，分別制作一效、二效、三效和四效苦咸水蒸餾器，在輸入相同電功率時，測試裝置在瞬態溫升過程、穩態運行過程以及自然冷卻過程中總產水速率、各效蒸發溫度、各效冷凝溫度變化規律。溫度值由K 型熱電偶測量，測試精度為±0.5℃。在各效冷凝筒外壁面沿豎直方向布置多個熱電偶，取其平均值作為各效蒸發溫度或冷凝溫度，溫度值由多通道巡檢儀（Sin-R6000C，杭州聯測自動化技術有限公司，杭州）實時記錄，各效產水速率由精密電子秤（HC ES-06B，上海花潮電器有限公司，上海）測量，腔內水蒸氣溫度變化由紅外成像儀（Ti400，福祿克電子儀器儀表公司，美國）測量，利用熱導儀（QTM-700，京都電子工業株式會社，日本）對材料導熱系數進行校核。

測試期間，溫度測試時間間隔設定為1 min，產水速率測試時間間隔設定為20 min。測試在溫度和空氣流速恒定的實驗室內進行。

3.2 定輸入功率蒸餾器產水性能對比

保持輸入功率恒定，可以對所測試的4 個蒸餾器總產水速率進行對比研究，探索效數對蒸餾器運行工況的影響機理。在環境溫度、進料苦咸水流量、苦咸水溫度和輸入電功率相同條件下，當裝置達到穩態運行工況后，對4 個裝置分別斷電，測試4 個裝置各效蒸發溫度、冷凝溫度以及總產水速率隨運行時間的變化規律。如圖3所示。

從圖3 可以看出，當輸入電功率為200 W 時，一效、二效、三效和四效裝置均經歷了瞬態溫升階段、穩態運行階段以及自然冷卻階段。對比可以發現，隨著苦咸水蒸餾器運行效數的增加，裝置穩態運行溫度隨之降低，一效裝置穩態運行溫度為93.65 ℃，比二效裝置穩態運行溫度高5.27 ℃，比三效裝置穩態運行溫度高10.1 ℃，比四效裝置穩態運行溫度高9.89 ℃。其中，四效裝置總的蒸發冷凝溫差最大，達到了19.07 ℃，分別比三效裝置、二效裝置和一效裝置高6.01 、11.13 和14.97 ℃，說明四效裝置傳熱熱阻最大。

圖3 不同效數裝置內各效溫度和產水速率隨運行時間變化 Fig.3 Variations of temperatures and water yield of difference effect devicess with the operation time

當裝置達到穩態運行工況后，斷開電加熱，測試加熱水箱儲存的水體顯熱驅動裝置產生的淡水總量及各效溫度變化趨勢。當無輸入能量時，裝置內各效冷凝溫度很快降低，蒸發冷凝溫差也隨之增大，隨著加熱水箱水體溫度與環境溫度差值的減小，裝置內各效冷凝溫度減小趨勢放緩，緣于裝置運行溫度與環境溫度之差的減小導致水蒸氣傳熱傳質驅動力降低。在自然冷卻期間前4 h，四效裝置產水速率為0.307 kg/h，比三效裝置增加了39.48%。裝置產水速率變化趨勢也說明，對于基于豎管降膜的太陽能苦咸水蒸餾器采用多效運行，可以有效多次利用水蒸氣的凝結潛熱，從而提高裝置日產淡水總量和熱能利用效率。

3.3 蒸餾器熱性能對比

太陽能苦咸水蒸餾器在應用中的熱性能優劣也將決定其在實際中能否得到推廣。基于豎管降膜的太陽能苦咸水蒸餾器各效蒸發面液膜厚度小，即苦咸水水體熱容量小，決定了裝置運行所需輸入熱能小。對于一效、二效、三效和四效裝置，在電能持續輸入情況下，裝置單位能耗產水率隨運行時間變化曲線如圖4 所示。

從圖4 中可以看到，當各效裝置加熱水箱外表面液膜蒸發面積保持一致，輸入電功率為200 W 時，一效、二效、三效和四效裝置單位能耗產水率均隨著運行時間增加最終達到穩態，其中，四效裝置的穩態運行單位能耗產水率為1.45 g/kJ，比三效裝置增加36.80%，比二效裝置增加77.78%，是一效裝置的3.79 倍。這是由于運行溫度的升高，增強了水蒸氣的傳熱傳質，促進了苦咸水液膜的蒸發，裝置內蒸發量隨之增加。

圖4 裝置單位能耗產水率隨運行時間變化 Fig.4 Variations of water yield per energy of devices with the operation time

為了分析效數對基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器熱能利用效率的影響，分別對一效、二效、三效和四效裝置穩態運行時性能系數進行計算對比，如表1所示。

表1 裝置性能系數對比 Table 1 Comparations of Gain Output Ratio (GOR) of the devices

表1 數據顯示，在輸入相同電能條件下，隨著運行效數的增加，裝置性能系數得到了有效提升。四效裝置的性能系數達到了3.36，表明裝置很好地利用了水蒸氣的凝結潛熱。其中，一效裝置穩態運行時溫度達到了93.65℃，與環境溫度差值最大，使得裝置散熱損失增大，造成了散失到環境中能量損失增大，也是其性能系數小的原因之一。

4 四效太陽能苦咸水蒸餾器經濟性

基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器從結構、產水速率、熱能利用效率等方面顯示了較好的性能，但其經濟性能否適應產業化尚未可知，為此，本文結合性能對多效太陽能苦咸水蒸餾器的經濟性進行評估，考核其在推廣應用過程中的市場前景。考慮到一效裝置產水速率較小，不適合推廣應用，在此不作比較。本文僅對二效、三效和四效裝置的噸水價格和投資回收周期進行計算，3 種裝置噸水價格主要受到建造成本和運維成本等影響，根據裝置主體材質和輔助配料的選用，二效、三效和四效裝置使用壽命約為20 a，參考呼和浩特市純凈水的市場價格（約220 元/t），則3 種裝置噸水價格、投資回收周期對比如表2 所示。

表2 裝置經濟性分析 Table 2 Economic analysis of the devices

表2 數據顯示，多效運行對于降低裝置所制備的噸水價格，縮短投資回收周期具有積極的作用。四效裝置投資回收周期約為5.69 a，比二效裝置縮短了2.49 a。基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器主要的應用市場多分布在荒漠、沼澤、海島等偏遠地區，在解決居民飲用淡水需求的前提下，隨著裝置應用規模的擴大，其制取飲用水噸水售價將會進一步降低，投資回收周期也會縮短。

5 結 論

影響小型太陽能苦咸水淡化裝置應用的瓶頸在于其效率低、產水量少，為此，本文設計、制作了基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器，在實驗室內，測試了定輸入電功率運行工況下，不同效數蒸餾器的產水速率、冷凝溫度、蒸發溫度隨運行時間的變化趨勢，對比分析了一效、二效、三效和四效裝置單位能耗產水率和性能系數，研究了裝置噸水價格和投資回收周期隨運行效數的變化規律。

1）當輸入電功率為200 W 時，四效裝置穩態產水速率為1.039 kg/h，分別比三效裝置、二效裝置和一效裝置增加了35.23%，77.79%和276.04%；當斷電進入自然冷卻階段，四效裝置在水體所儲顯熱驅動下的產水速率為0.307 kg/h。

2）四效裝置單位能耗產水率為1.45 g/kJ，比三效裝置增加36.80%，比二效裝置增加77.78%。

3）四效裝置性能系數為3.36，表明苦咸水蒸餾器多效運行過程中成功重復利用了水蒸氣的凝結潛熱。

4）四效裝置噸水價格為62.00 元，參考目前純凈水市場價格，投資回收周期為5.69 a。