錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置實驗研究

李海洋，常澤輝，2，侯 靜，張 鑫，朱國鵬

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

0 引言

淡水是人類社會賴以生存和發展的重要物資之一，地球上只有1%的淡水資源可供人類飲用或從事生產活動[1]，[2]，隨著人口增長和城市經濟發展，到2025年，將有39億人生活在水資源枯竭地區[3]。利用含鹽水淡化技術對地球表面分布廣泛的海水、苦咸水等含鹽水進行淡化是緩解淡水匱乏的重要途徑之一[4]～[6]。工業化的苦咸水淡化系統成本較高、需要配置完備的基礎設施，適宜于大規模制水，同時需要消耗大量化石能源作為能源供應。此過程中所使用的化石能源釋放出的有害氣體也會對環境造成污染。針對減小苦咸水淡化過程中的能耗及碳排放問題，研究人員將目光投向了分布廣泛的太陽能資源。淡水匱乏的地區往往是太陽能一類和二類區域，可以通過太陽能收集裝置實現光熱或光電轉化，進而為苦咸水淡化提供驅動能源，加之轉化過程中無需機械傳動，轉化效率提升空間大。為此，在化石能源缺乏和基礎設施落后的地區，小型分布式太陽能苦咸水淡化裝置擁有廣闊的應用前景，也得到了國內外學者的廣泛關注，其中降膜蒸發管式太陽能苦咸水淡化裝置以其可承壓、結構緊湊、可多效運行而備受關注，許多專家學者致力于提升其熱質傳遞性能優 化 方 法 的 探 索 和 嘗 試[7]～[10]。

Samir[11]針對管式太陽能蒸餾器，建立了兩種不同形狀的吸收體模型，并對其進行了火用分析和經濟性分析，在實際天氣下進行了實驗測試，結果表明，半圓波紋面接收體較平板型接收體產水量提高了26.47%，熱效率提高了25.90%，每升淡水價格下降了20.77%。Hou[12]研究了不同載氣介質對多效豎管降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置產水性能的影響，在二氧化碳、氦氣、氮氣、氧氣、空氣、氬氣等不同載氣介質工況下測試了裝置產水量。結果表明，載氣介質為氦氣時，產水速率達到最大，可達1.19kg/h，比空氣作為載氣介質增加30.76%。Xie[13]研究了三效橫管式太陽能蒸餾器，結果表明，在運行壓力分別為95，60，40，20kPa時，裝 置 產 水 速 率 分 別 為3.27，6.32，7.06，4.29kg/d，能 量 利 用 效 率 分 別 為0.77，1.28，1.39和0.88，在40kPa的工作壓力下裝置產水性能最優。伍綱[14]將線性菲涅耳反射鏡與多效橫管式降膜苦咸水淡化裝置進行高效耦合，結果表明，裝置累計產水量為11.35kg，當采用真空管集熱器時，最大性能比為2.88，制水成本約為6.16美元/t。

綜上研究，管式太陽能苦咸水淡化裝置在實際應用中，由于蒸發冷凝腔結構存在有效冷凝面積小于冷凝套筒內表面面積、水蒸氣傳熱距離長等缺點。為了解決上述技術瓶頸以及由此帶來的產水速率滿足不了實際需求的問題，本文提出并設計一種新型錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置，通過改變冷凝面與水平面之間的夾角（定義為冷凝面傾斜角度），實現了裝置蒸發面與冷凝面傾斜平行相對，傾斜冷凝面可以直接攔截浮升的水蒸氣，縮短了水蒸氣蒸發傳熱距離，減小了豎直方向冷凝溫度不均勻性。在實驗室內搭建錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置性能測試臺，基于其腔內氣水二元混合氣體傳熱傳質機理，研究了在定功率輸入條件下，裝置的產水速率、蒸發冷凝溫差、豎直方向冷凝溫度差、性能系數等隨運行工況的變化規律。

1 錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置

錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置主要由太陽能驅動運行，屬于小型分布式熱法太陽能苦咸水淡化裝置，具有占地面積小、可就地取材、易損件少、對操作人員要求低等特點，其結構如圖1所示。

圖1 錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置結構Fig.1 Structure diagram of cone-type falling film evaporation solar brackish water desalination device

錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置工作原理：頂部聚光光漏斗對入射太陽光進行匯聚，由此所形成的高密度光能向下傳輸，進入裝置幾何中心的加熱水箱內水體中，實現光熱直接轉化，水體溫度隨之升高，并通過熱傳導方式使得加熱水箱外表面吸水材料中的苦咸水液膜溫升蒸發生成水蒸氣，浮升水蒸氣在溫度較低的冷凝套筒內表面凝結生成淡水，沿套筒內表面流到裝置底部進入淡水收集罐內，同時未蒸發的濃苦咸水流到裝置底部進入濃鹽水收集罐內，水蒸氣釋放的凝結潛熱散失到周圍空氣中。腔內水蒸氣傳熱傳質過程如圖2所示。

圖2 裝置工作原理示意圖Fig.2 Structure diagram of working principle of the device

與管式太陽能苦咸水淡化裝置相比，錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置具有以下特點：①蒸發面與冷凝面傾斜相對，縮短了蒸發面產生水蒸氣的傳熱傳質距離，對強化裝置產水速率是有益的；②有效克服了管式苦咸水淡化裝置中水蒸氣由于密度小而在裝置中上部凝結，造成豎直方向冷凝溫差大所導致的有效冷凝面積小于冷凝套筒內表面積的技術缺陷；③聚光光漏斗與苦咸水淡化裝置的高效集成，實現了光熱直接轉化，減少了冗長換熱管道的散熱損失；④可實現小特征尺寸運行，減少裝置內不凝氣體量，水蒸氣傳熱速率增加。

2 試驗測試系統

裝置性能測試系統主要由錐臺式苦咸水淡化單元、苦咸水進料單元、加熱單元、濃鹽水收集單元、淡水收集單元、數據采集單元等部分組成，系統實物如圖3所示。錐臺式苦咸水淡化單元核心區域為環形封閉蒸發冷凝腔，其由2個形狀呈上小下大、頂部封閉的不銹鋼錐筒與不銹鋼底板焊接而成，吸水材料緊密貼合在加熱水箱外表面形成液膜蒸發面，最外層不銹鋼套筒內側為冷凝面。苦咸水進料單元由苦咸水水箱、苦咸水進水管、調節閥等組成，數據采集單元由多通路巡檢儀、熱電偶、壓力計等組成。蒸發冷凝腔底部安裝有環形擋水板，兩側分別為濃鹽水收集區和淡水收集區，在濃鹽水收集區底部布置濃鹽水出水管，連接外部濃鹽水收集罐構成濃鹽水收集單元；在淡水收集區內有淡水出水管，連接外部淡水收集罐構成淡水收集單元。內側錐筒與不銹鋼底板構成的封閉空間為裝置的加熱水箱，其內部水體可以由太陽能加熱也可以由電加熱棒供能。

圖3 測試系統Fig.3 Testing system of the devices

鑒于苦咸水液膜降膜距離與冷凝面傾角θ二者之間的函數關系，本文在保持蒸發面積恒定的前提下，通過改變冷凝面傾角間接改變液膜降膜距離，θ越大，降膜距離越大，降膜阻力隨之越小；θ越小，則反之。為此，本文分別選擇θ=70°（裝置一）和 θ=45°（裝置二）兩種測試裝置，通過實驗測試對比分析其性能優劣。

由于太陽能作為驅動能源難以精確控制，為準確測試錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置給定工況下的產水速率，用電壓可調的電加熱棒代替太陽能聚光集熱裝置。在環境溫度和空氣流速均可控的實驗室內，測試在輸入功率為240W時，兩臺淡化裝置在瞬態溫升過程中產水速率、冷凝溫度、蒸發冷凝溫差變化規律。試驗中，各測溫點溫度由校核后的K型熱電偶測得并由多通道巡檢儀實時記錄，測試誤差為±0.5℃，記錄間隔1min，淡水產量使用精密電子秤每20min稱量1次，測量精度為±0.1g。由于裝置在運行時沿冷凝套筒豎直方向會產生溫度梯度，故在冷凝面豎直方向等距布置3個熱電偶，取其平均值作為冷凝溫度。進水流量由調節閥控制，由于苦咸水與地下水蒸發性能相差不大，故本試驗使用地下水替代苦咸水進行試驗測試。

3 結果分析

錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置的產水速率受輸入功率、進水流量等因素影響。基于前期大量測試數據，控制進水流量Mw為0.30kg/h，變壓器控制電加熱輸入功率穩定為240W，為減小高溫運行時裝置管路結垢及散熱損失，運行溫度限制在小于95℃。當兩種測試裝置的蒸發面積均為0.25m2時，產水速率變化曲線如圖4所示。

圖4 裝置產水速率對比曲線Fig.4 Comparison curve of water production rate of devices

由圖4可知，兩測試裝置的產水速率均隨加熱時間延長而增加，經歷了先快速增大然后增幅逐漸放緩的過程，且裝置一的產水速率大于裝置二，最大值可達0.24kg/h，比裝置二增加了8.33%。這是因為當輸入功率、蒸發面積一定時，θ不同，裝置苦咸水液膜沿著蒸發面降膜距離不同，θ越大，tanθ值越大，因此裝置一的苦咸水液膜降膜距離更長，苦咸水液膜與加熱水箱內水體換熱過程充分，液膜蒸發效率高，使得裝置產水速率升高，蒸發面下部溫度更高，該規律可以從豎直方向蒸發溫度差體現，其中豎直方向蒸發溫度差是蒸發面上部溫度與下部溫度的差值，如圖5所示。

圖5 豎直方向蒸發溫度差隨運行時間變化Fig.5 Variation of evaporation temperature difference along vertical direction with operating time

由圖5可知，裝置一的豎直方向蒸發溫度差（0.9℃）整體小于裝置二（3.3℃），說明裝置一蒸發面上、下部溫度更接近，苦咸水液膜在降膜過程中與加熱水箱換熱效果明顯，液膜整體蒸發溫度趨于一致，可以保持設定高溫均勻蒸發。

裝置運行過程中，蒸發冷凝腔內的蒸發冷凝溫差直接影響裝置傳熱傳質過程和產水速率，本文裝置的蒸發冷凝溫差為蒸發面平均溫度與冷凝面平均溫度差值。裝置蒸發冷凝溫差隨運行時間變化曲線如圖6所示。

圖6 蒸發冷凝溫差隨運行時間變化Fig.6 Variation of temperature difference of evaporation and condensation of with operating time

由圖6可得，兩測試裝置蒸發冷凝溫差均隨運行時間增加呈減小趨勢，且裝置一蒸發冷凝溫差小于裝置二的蒸發冷凝溫差。裝置二最大蒸發冷凝溫差約為6.5℃，裝置一最大蒸發冷凝溫差約為3.8℃，裝置二比裝置一蒸發冷凝溫差高約2.7℃。其原因是，在輸入相同功率情況下，隨著裝置內水蒸氣溫度的升高，傳熱傳質速度增快，蒸發冷凝溫差減小，但裝置二中苦咸水液膜降膜距離短，有效蒸發速率小于裝置一，水蒸氣凝結量小，導致蒸發冷凝溫差大于裝置一的蒸發冷凝溫差。

裝置在運行過程中，由于水蒸氣受到浮升力的作用而向上擴散，多在冷凝套筒中上部進行凝結，從而造成冷凝面沿豎直方向產生溫度差，造成裝置有效冷凝面積小于冷凝套筒內壁面面積，影響裝置的淡水產量。為此，裝置豎直方向冷凝溫度差值的大小可以表示蒸發面所產生的水蒸氣在冷凝套筒凝結區域的均勻性，其值越小，表明水蒸氣在冷凝套筒沿豎直方向凝結的量差越小，即裝置有效冷凝面積越接近冷凝套筒內表面面積，反之亦然，其值可用冷凝套筒最高點和最低點之間溫度差加以描述，其隨運行時間變化如圖7所示。

圖7 豎直方向冷凝溫度差隨運行時間變化Fig.7 Variation of condensation temperature difference along vertical direction with operating time

由圖7可知，在測試前期，裝置一豎直方向冷凝溫度差整體小于裝置二，隨著加熱時間延長，裝置一的豎直方向冷凝溫度差與裝置二豎直方向冷凝溫度差差值逐漸減小，裝置一豎直方向冷凝溫度差平均值為1.7℃，裝置二豎直方向冷凝溫度差平均值為3.8℃。其原因是，裝置豎直方向冷凝溫度差變化主要受到腔內對應液膜產生水蒸氣凝結區域的影響，由圖5可知，裝置一豎直方向蒸發溫度差小，直接導致其豎直方向冷凝溫度差小，表明蒸發面水蒸氣可以在對應位置實現凝結，同時釋放出凝結潛熱，為裝置有效冷凝面積的保障提供了可能。

裝置在運行過程中，加熱水箱內熱量以熱傳導和熱輻射的方式傳遞至加熱水箱外表面苦咸水液膜，苦咸水液膜受熱蒸發產生水蒸氣，水蒸氣密度小，在浮升力作用下，在對應斜上方溫度較低的套筒內壁面凝結成淡水。本文采用性能系數GOR作為描述裝置在運行過程中對輸入熱能的利用效率，其定義為裝置最大產水速率所含潛熱與輸入能量的比值，計算式為

式中：m為產水速率，kg/h；h為水汽化潛熱，取2300 kJ/kg；P為 輸 入 功 率，W；t為 運 行 時 間，s。

為了對比研究不同冷凝面傾斜角度對錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置熱能利用效率的影響，將性能系數等相關參數列表，如表1所示。

表1 裝置性能系數對比Table1 Comparation of GOR of the device

由表1可知，在輸入功率為240W，裝置一最大蒸發冷凝溫差為3.8℃時，m為0.24kg/h，GOR為0.63，裝置二產水速率比裝置一減小約9.09%，GOR為0.58，表明裝置一對輸入熱能利用效率比裝置二大，散熱損失更小。

4 結論

本文設計了一種新型錐臺式降膜蒸發太陽能苦咸水淡化裝置，通過改變冷凝面與水平面的角度，減小了裝置的特征尺寸，縮小了水蒸氣熱質傳遞距離，改善了冷凝面豎直方向溫度的不均勻性。為了研究冷凝面傾斜角度對裝置性能的影響，制作了冷凝面傾斜角度分別為70°和45°的裝置一和裝置二，并在實驗室內對比測試了相同輸入電功率條件下，兩臺裝置的產水速率、豎直方向蒸發溫度差、蒸發冷凝溫差及性能系數變化規律，得到了以下結論。

①在相同輸入功率條件下，裝置一的產水速率比裝置二大，裝置一最大產水速率為0.24kg/h，比裝置二增加8.33%。

②裝置一平均豎直方向蒸發溫差為0.9℃，裝置二平均豎直方向蒸發溫差為3.3℃，即裝置一苦咸水液膜在降膜過程中與加熱水箱換熱更加充分，蒸發面溫度更均勻。裝置二的蒸發冷凝溫差大于裝置一的蒸發冷凝溫差，裝置一最大蒸發冷凝溫差約為3.8℃。

③兩測試裝置在豎直冷凝面方向均產生溫差，裝置一豎直方向冷凝溫差平均值為1.7℃，裝置二豎直方向冷凝溫差平均值為3.8℃，說明裝置一的冷凝面積更接近于冷凝套筒內表面積。

④裝置一性能系數為0.63，裝置二性能系數為0.58，表明裝置一對輸入熱能利用效率比裝置二高，綜合上述結論可得裝置一產水性能和熱能利用效率更優。