基于嵌套結構的多級負壓太陽能蒸餾裝置實驗研究

謝 果，魏新宇，孫澤榮，劉瑩璋

（四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

隨著人類社會的發展，水資源短缺問題正在逐年加劇。據相關機構估計，截至2025年，全球約有39億人將面臨缺水問題[1]。在此背景下，許多行業內專家、學者致力于開發環境友好、節能高效的污水或含鹽水淡化技術，以滿足缺水地區的飲用水需求[2]。相比于目前已經大規模商業應用的蒸餾凈水技術，太陽能蒸餾技術更加環保，因此更受到關注[3],[4]。然而目前太陽能蒸餾裝置的產水效率較低且成本較高，導致該技術難以實際應用[5]。

維持裝置負壓運行可有效強化太陽能蒸餾過程，提高產水率并降低產水成本。已有研究表明，負壓時蒸汽擴散傳質動力[6]及熱效率[7]均顯著提升。此外，針對不同結構太陽能蒸餾器的測試結果也表明負壓運行時裝置產水量更高，該增益效果在自然真空式[8]，迭盤式[9]及豎壁式[10]等太陽能蒸餾器的測試中均得到驗證。其中，管式結構具有承壓性好且結構緊湊等優點，尤其適用于負壓蒸餾。前期工作中，已針對管式蒸餾空腔內部的傳熱、傳質特征[11]及蒸汽輸運過程[12]等進行了研究，但對負壓管式蒸餾器處于實際天氣下的產水性能及運行特性仍有待進一步評估。

為此，本文設計了一種具有新型多級嵌套結構的小型負壓太陽能管式蒸餾裝置，并對其開展戶外實驗測試。該裝置具有多個獨立蒸餾腔室，可實現對熱量的多次利用和高效產水；采用梯級補水結構，以實現各級蒸發槽的快速補水。此后，分別于成都和西昌兩地搭建戶外實驗平臺，采集裝置處于不同天氣及操作壓力下的運行數據，計算得到裝置的產水率和性能系數。依據維持裝置負壓所耗電能數據，進一步評估該類小型負壓蒸餾技術的產水經濟性。

1 實驗系統

1.1 基于嵌套結構的三級管式蒸餾器

基于嵌套結構的三級管式蒸餾器如圖1所示。

圖1 蒸餾器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the still

裝置包括從內到外的3個獨立蒸餾腔室，其中各個蒸餾腔室均由同心布置的蒸發槽、冷凝壁及下部支撐體組成。3組蒸發槽與冷凝壁在連接補水連通管、淡水連通管及下部支撐體后，再從內到外依次固定于圖中左側的共用端板上，實現裝置的整體組裝和密封。下部支撐體采用短圓鋼，對稱布置于各級蒸發槽與冷凝壁之間，使蒸發槽下部形成空氣間隙。該間隙既可作為淡水匯集的通道，同時還具有保溫隔熱作用，可有效減少熱量從蒸餾器底部的耗散。

圖1中：蒸餾器3個蒸發槽的補水通過兩個180° U形鹽水連通管實現，當上一級蒸發槽補水完畢后，溢出的補水會經過連通管流入下級蒸發槽，形成類似于瀑布的梯級流動，從而實現蒸發槽的快速補水；淡水連通管則用于匯集三級蒸餾腔室產生的淡水，當各級腔室內部蒸汽在對應的上部弧形壁面凝結后，形成淡水液滴，液滴沿弧形壁面流入腔室底部的集水通道，最后經連通管匯合后，從蒸餾器下部的淡水出口流出。此外，補水連通管和淡水連通管使各級蒸餾腔室互通，因而真空泵從裝置內抽氣時能夠保證各級腔室處于同一壓力。相較于大型海水淡化設備常用的各級腔室壓力單獨控制的方法，本文所采用的負壓操作更加簡便、可靠且實施難度更低，適用于小型的蒸餾淡化裝置。

蒸餾器實驗樣機的所有部件，包括蒸發槽、冷凝壁、支撐體及連通管等均采用304不銹鋼加工而成，各部件尺寸和重量如表1所示。

表1 蒸餾器部件尺寸及重量Table 1 Component size and weight of the still

裝置第 一、二、三級蒸發槽的蒸發面積分別為0.13，0.17，0.18 m2；有效凝結面積分別為0.19，0.3，0.3 m2。裝置一、二、三級蒸發槽的有效儲水重量分別為6.6，6.7，10.8 kg，整個裝置凈重為35.3 kg。

1.2 實驗系統及運行原理

三級管式負壓太陽能蒸餾裝置的戶外實驗系統如圖2所示。

系統主要由三級管式蒸餾器、太陽能集熱器、補水箱、淡水罐、溢水罐、光伏板組件、真空泵、循環水泵、支架、測試系統及其閥門管路組成。系統運行時，太陽能集熱器吸收太陽輻照并加熱內部循環熱水，熱水在循環泵的驅動下進入蒸餾器內部換熱管，加熱第一級蒸發槽內儲水，儲水受熱蒸發所產生的蒸汽在其上方管壁凝結并釋放出熱量，該熱量繼續加熱第二級蒸發槽內儲水并使其蒸發，蒸汽冷凝時會加熱第三級儲水，此后熱量隨著蒸汽凝結傳遞到蒸餾器外壁，通過輻射和對流釋放到周圍環境中。期間，各級蒸餾腔室產生的冷凝淡水在下方匯聚，然后經由淡水出口流入淡水罐中。裝置內部的真空壓力通過一臺真空泵及壓力開關控制和調節，以保證腔室壓力始終處于設置的上下閾值之間。與以往單級常壓管式蒸餾相比，該三級蒸餾器處于負壓運行且可實現熱量的多次利用，因而其產水率得以大幅提高。

1.3 測試儀表

實驗測試儀表包括太陽輻照計、熱線風速儀、熱電偶、熱電阻、電子天平、壓力表、流量計及多回路巡檢儀。太陽能輻照計用于測量瞬時太陽輻照強度，誤差為±3%；熱線風速儀用于測量環境風速，誤差為±0.2 m/s；4個熱電偶用于測量3個蒸發槽水溫及循環熱水溫度，誤差為±0.5℃；5個貼片式熱電阻沿外管壁從上到下間隔40 mm布置，用于測量管壁散熱溫度，誤差為±0.35℃；另有一個熱電阻用于測量環境溫度，誤差為±0.35℃；上述溫度數據由多回路巡檢儀采集和記錄，采集間隔為1 min，采集誤差為±0.2%；電子天平每隔30 min稱量一次產水重量，誤差為±0.5 g；壓力表用于觀測空腔內壓力，誤差為±1.6%；流量計為浮子式，用于觀測和調節補水流量，誤差為±2%。

2 實驗測試結果及分析

在成都和西昌兩地對裝置性能進行了測試，其中成都海拔約為500 m，大氣壓約為95 kPa；西昌海拔約為1 500 m，大氣壓約為91 kPa。測試期間，采用當地湖水或自來水作為裝置補水。于每日清晨7：00左右（測試之前），對蒸餾器蒸發槽進行過量補水，以稀釋蒸發槽內剩余原液的離子濃度，減少裝置運行期間的結垢。在補水開始溢出后繼續補水15 min，然后關閉補水閥門，測試期間不再對裝置進行補水操作。每組實驗從8：30-20：00，每隔30 min對產水進行稱重，裝置夜間的產水于次日清晨測試前進行稱重，當日風速于早、中、晚多次測量后取平均值。此外，成都實驗中采用120 W真空泵維持真空，西昌測試中則將大泵優化為8 W小真空泵，且由光伏電池驅動。

2.1 環境參數

日照條件對裝置產水性能具有重要影響，實驗測試期間成都和西昌兩地的太陽能輻照強度如圖3所示。

圖3 實驗期間輻照強度Fig.3 Solar radiant during the test

在成都測試中，分別對裝置處于20，40，60，95 kPa（常壓）操作壓力條件下的運行性能進行綜合對比研究；在西昌測試中，則重點考察較好日照條件下裝置的負壓產水性能，依據前期實驗結果僅選用了40，60 kPa兩個壓力作為測試工況。由圖3可以看出，成都全天輻照波動較大，主要因為成都地處盆地，受多云天氣影響較大；而西昌地處高原，日照充裕，全天輻照曲線相對平滑。從圖3可見，從左到右6 d測試期間的最大輻照強度Qsr依次為880，1 019，995，1 094，922，939 W/m2，全天累計輻射值依次為19.4，20.1，19.6，16.8，22.2，19.3 MJ/m2，平均風速依次為0.6，1.6，1.2，0.8，0.7，0.7 m/s。

2.2 溫度

實驗測試期間各測點溫度變化如圖4所示。在啟泵后，循環熱水進入蒸餾器內的換熱管中，間接加熱第一級蒸餾水槽內儲水，使其水溫快速升高；與之相比，第二、三級儲水的加熱過程依賴于上一級蒸汽冷凝釋放的熱量，因此響應較慢。上午時段蒸餾器整體運行溫度較低，儲水蒸發量較小，導致第二、三級儲水的升溫過程顯著滯后。總體趨勢上看，操作壓力越低，級間傳熱溫差越小，各級儲水溫度曲線越貼合，整體運行溫度更低，且各級水溫會更快達到最高溫度。從數據可得，在成都測試期間，蒸餾器在20，40，60，95 kPa（常壓）下達到最高運行溫度所需時間約為2，3，4.5，4.5 h，對應儲水的最高水溫為67.2，79.9，86.4，89.2℃，其中67.2℃所對應的飽和壓力高于設定值20 kPa，原因是真空控制系統運行調節時壓力會在一定范圍內波動，因而內部壓力會周期性地高于設定壓力；西昌測試期間，40，60 kPa下達到最高運行溫度所需時間為2.5，3.5 h，對應的最高水溫分別為83.1，86.4℃。

圖4 實驗期間各測點溫度變化Fig.4 Variation in tested temperature during the experiment

2.3 產水

兩地測試期間蒸餾器全天產水率變化如圖5所示。

圖5 實驗期間產水率變化Fig.5 Freshwater yield rate during the experiment

實驗期間蒸餾器在啟泵約0.5 h后開始產水，在啟泵約3 h后達到產水峰值。數據可得，在成都測試期間，蒸餾器在20，40，60，95 kPa（常壓）下的最高產水率分別為1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h。雖然20 kPa時蒸餾器很快達到了較高的產水率，但是由于該條件下蒸餾器運行溫度低，使得最外層冷凝壁面散熱功率不足，期間觀測到大量蒸汽無法冷凝并從真空泵溢出，造成該條件下蒸餾器產水率在中午12：00之后快速下降至較低值。在西昌測試期間，蒸餾器在40，60 kPa下的最高產水率分別為1.07，1.06 kg/h，與成都測試期間的最高產水率接近。在60 kPa時，成都地區16：00時測得最高產水率，對比圖4輻照數據可以看出，蒸餾器最高產水滯后于最大輻照約1 h，該滯后現象是內部蒸汽擴散冷凝及凝液流動引起的。對比文獻[13]中常壓蒸餾器的產水數據可以看出，本文蒸餾器由于處于負壓運行，其內部蒸汽的傳質速率更快，因而該滯后時間得以顯著降低。

兩地測試期間，裝置白天、夜間和全天的累計產水數據見表2。

表2 裝置累計產水Table 2 Accumulated freshwater yield of the still

裝置白天產水過程由太陽能吸收的熱量驅動，夜間產水則是依靠儲水自身的顯熱驅動。由成都測試數據可以看出，裝置最佳產水量出現在40，60 kPa工況條件下，對應全天累計產水量分別為7.056，6.323 kg；95 kPa時由于裝置內部傳質擴散能力不足因而產水量不高，20 kPa時則是由于內部蒸汽無法充分冷凝溢出而導致產水量較低。測試期間相同工況下，西昌與成都兩地的產水量相差不大。此外，蒸餾淡化后水的含鹽量從約120 mg/L降低至約1.5 mg/L，驗證了產水過程的可靠性。

2.4 能量利用效率

太陽能蒸餾器的能量利用效率可通過性能系數（Performance Ratio，PR）來衡量，PR值越高則代表蒸餾器運行效果越好，裝置在測試當天的平均性能系數表達式為

式中：Mt為測試全天裝置的累計產水量，kg；hfg為水的汽化潛熱，取2 300 kJ/kg；Es為裝置的有效輸入熱量，kJ；Evc為測試期間維持負壓的累計電能消耗，該值通過真空泵累計運行時間乘以其功率計算得到，kJ；Asc為有效太陽能集熱面積，m2；Rsr為測試當天累計輻射值，kJ；ηc為集熱器平均效率。

經計算得到三級管式蒸餾器在測試期間的性能系數如圖6所示。

圖6 蒸餾器在測試期間的性能系數Fig.6 Performance Ratio（PR）of the still during the experiment

成都測試期間，在20，40，60，95 kPa操作壓力時裝置對應PR為0.88，1.39，1.28，0.77；西昌測試期間，40，60 kPa時裝置對應PR為1.45，1.31。可以看出，由于西昌測試期間日照條件更好，裝置PR值更高。總體而言，維持負壓有利于強化裝置內部蒸餾過程，可提升裝置產水性能；但過低的操作壓力（例如成都測試期間20 kPa）反而會導致內部蒸汽無法充分冷凝，并引起裝置性能下降。據此，本測試中裝置的優選壓力為40～60 kPa。

3 負壓能耗及經濟性分析

主動式負壓蒸餾可強化腔室內部傳質過程并排出不凝結氣體，使蒸餾器產水效果顯著提升。但維持負壓狀態依賴于電能消耗，單位產水的負壓能耗越低，說明輔助代價越小，技術越具有推廣價值。據此，將本文三級管式蒸餾器與其他負壓蒸餾器的單位產水負壓能耗 （Specific Electricity Consumption，SEC）進行對比，SEC表達式為

由于測試期間成都120 W真空泵頻繁啟停，且單次抽氣時間僅為1～3 s，統計誤差較大，故后續SEC計算中采用西昌測試數據。基于測試數據得到了本裝置的負壓能耗，并將其與不同太陽能蒸餾器的負壓能耗進行對比，結果見表3。

表3 不同太陽能蒸餾器維持負壓的能耗對比Table 3 Comparison of specific electricity consumption for vacuum between different solar stills

從表3可以看出，本裝置單位產水的負壓能耗低于4 kJ/kg，結合產水數據可以看出，僅需付出輸入熱量約0.1%的電能代價，即可使裝置產水性能提升50%以上。此外，數據表明本裝置維持負壓所需能耗顯著低于同類裝置，該低能耗主要歸功于：①管式空腔結構緊湊，維持負壓能耗低；②采用8 W小泵及每小時運行策略，抽氣效率高。

產水綜合成本（Cost Per Liter，CPL）是衡量太陽能蒸餾過程經濟性的重要指標。采用文獻[17]中的計算方法對蒸餾器的產水成本進行評估。計算中，蒸餾系統初始建造費用為2 680元，利率取為5%，系統壽命取為20 a，每年有效產水時間取為270 d。計算得到不同條件下裝置產水成本，并將計算結果與其他蒸餾器進行對比，見表4。

表4 不同太陽能蒸餾器產水成本對比Table 4 Comparison of freshwater cost among different solar stills

雖然有文獻提及了更低成本的蒸餾方法，但綜合考慮產水質量、裝置壽命及運行穩定性等多方面因素，本文提出的多級負壓管式蒸餾技術依然具有一定優勢和推廣價值。

4 結論

本文提出了一種具有新型嵌套結構的多級負壓太陽能蒸餾裝置，對其在實際天氣條件下的產水性能進行了測試，得到了裝置的優選運行壓力范圍，并分析了維持負壓能耗和產水綜合成本，主要結論如下。

①在成都測試期間，裝置處于常壓95，60，40，20 kPa時的單日累計產水量分別為3.270，6.323，7.056，4.287 kg，對應最高產水率分別為1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h；西昌測試期間，60，40 kPa時累計產水量為6.008，7.236 kg，對應最高產水率為1.06，1.07 kg/h。

②裝置的優選運行壓力為40～60 kPa，在西昌維持40 kPa運行時裝置具有最優產水性能，對應性能系數為1.45。

③裝置處于優選壓力運行時，單位產水的負壓能耗低于4 kJ/kg，說明該系統中維護真空負壓操作僅需要使用0.1%的總系統耗能，即可使裝置性能提升50%以上。此外，估算結果表明，該裝置的綜合產水成本約為0.1元/L，與同類裝置相比具有一定的優勢。