多級增濕太陽能海水淡化的實驗研究

袁怡剛，董 勇，賴艷華，馬春元，鹿劉新

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東省能源碳減排技術與資源化利用重點實驗室，山東 濟南 250061;2.山東山大能源環境有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

常規海水淡化方式，如低溫多效、多級閃蒸、反滲透、壓汽蒸餾等，以化石燃料為能源，容易走入“能源換水源”的怪圈。太陽能應用于海水淡化領域，在一定程度上可以解決能源與水源間的矛盾，是海水淡化技術重要發展趨勢之一。為解決傳統太陽能蒸餾器存在蒸發慢、凝結慢、回熱差等問題［1－3］，太陽能增濕海水淡化技術采用強化傳熱傳質、改善回熱等措施，產水率有較大提升，有著良好的發展前景。

國內外學者對增濕淡化技術進行了相關研究。美國學者 Al－Hajaj等人［4～5］設計一種環形通道式的增濕淡化裝置，采用木質蜂窩濕膜作為蒸發填料，空氣增濕效果得到有效提升;張旭朋等［6］設計了一種利用鼓泡進行增濕的太陽能淡化裝置，并進行了實驗研究;美國學者Hamieh B M［7］設計了一種露點蒸發海水淡化裝置，系統的回熱效果得到了顯著提高;德國學者 E.Chafik［8］采用冷凝器分級冷卻蒸汽，相比于內回熱裝置，分級冷凝可將冷凝和蒸汽回熱利用完全分離開來，回熱溫度更容易控制;代彥軍［9］指出蒸發器入口海水溫度和冷卻水溫度是影響系統性能的重要參數;原郭豐等［10］建立了閉式增濕減濕海水淡化各部分的熱力過程數學模型。

目前回熱利用依然是小型熱法淡化裝置研究的重點。本文在綜合分析國內外水膜增濕淡化裝置的基礎上，針對單級冷凝存在的回熱和冷卻沖突的矛盾，結合分級冷凝技術，設計了一臺兩級水膜增濕的分級冷凝回熱海水淡化裝置，并以太陽能為熱源，對系統性能進行了實驗研究。

1 實驗裝置

1.1 實驗系統及工作原理

本實驗裝置如圖1所示，主要由水膜加濕器、冷凝器、水泵、風機及管路組成，本裝置采用海水預熱的閉合回路的空氣循環系統(Closed－air，Waterheated cycle，簡稱CA－WH)。實驗所需熱海水由太陽能真空管集熱器提供。本裝置的冷凝系統采用外置式分級冷凝回熱，將回熱和冷凝環節完全分離，便于冷卻流量的控制，具體方法是:于主冷凝器前安裝前置冷凝器，前置冷凝器主要用于提高冷卻水溫，為下一級加濕器提供熱水;主冷凝器對濕空氣進行充分的冷卻，增大淡水產量。

系統工作原理:(1)加濕海水回路。經太陽能集熱器加熱后的海水由噴水增壓泵泵入加濕器噴淋，海水流經加濕器濕膜表面并形成均勻水膜，并與加濕器入口空氣充分接觸，熱海水與濕空氣進行熱濕交換，噴淋后水溫降低，其后進入太陽能集熱器加熱。(2)濕空氣回路。濕空氣由循環風機鼓入加濕器內，濕空氣受熱海水的加熱增濕，溫度上升，含濕量增大，其后進入冷凝器進行冷卻除濕，水蒸氣在冷凝器表面凝結形成純水，并由冷凝器內的接水盤收集導出。(3)冷卻水回路。冷卻水經冷卻水泵進入主冷凝器，冷卻水吸收濕空氣冷卻時放出的熱量，溫度上升。主冷凝器的出口海水一部分引入前置冷凝器進一步升溫，其后進入第二級加濕器進行增濕淡化。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.2 實驗設備

本實驗裝置熱源采用太陽能真空管集熱器，真空管外徑Φ58 mm，管長1.8 m，管數30根，采光面積4.3 m2，熱水箱220 L;水膜加濕器采用斜波式木質淋水填料，濕膜尺寸0.5 m(長)×0.5 m(高)×0.15 m(厚)，風阻150 Pa，風速為2.5 m/s，膜間距6.7 mm，比表面積250～300 m2/m3;冷凝器采用FP－51翅片銅管表冷器，兩級冷凝器均為逆向錯流布置，以增強換熱效果;循環風機額定流量385 m3/h，壓頭895 Pa。為獲得較為穩定的水溫，噴水增壓泵后設置恒溫閥，以便于控制噴水溫度。由于咸水在70℃以上容易結垢，降低集熱器和加濕器效能，因而本實驗中噴水溫度均控制在70℃以下。

1.3 測量方法

本實驗裝置中測點布置:(1)加濕海水回路。加濕器進出水口處布置溫度測點，加濕器進水口處布置流量測點;(2)濕空氣回路。循環風機前布置風速測點，加濕器進出風口及冷凝器出風口布置溫濕度測點;(3)冷卻水回路。主冷凝器和前置冷凝器的入水口各布置流量測點，其進出水口處布置溫度測點。圖1中所示為恒溫噴水穩態時，各測點的操作參數及工質狀態。

本實驗采用的測量儀器:水溫測量采用PT100溫度傳感器，范圍－200～400℃，精度±0.2℃;水流量測量采用LWYC－10渦輪流量計，范圍0.15～1.5 m3/h，精度等級1.0;日照輻射采用TBQ－2總輻射表，范圍0～2 000 W/m2，精度＜±5%;濕空氣溫濕度測量采用 AF3020溫濕度變送器，范圍－40～80℃、0～99.9%RH，精度 ±0.3℃、±2%RH;濕空氣風速測量采用TES－1340熱線風速儀，范圍0～30 m/s，精度±3%。

1.4 加濕器出口截面上濕空氣溫度測定

由于風壓分布不均、水蒸氣密度低等因素易導致加濕器縱向截面(500 mm×500 mm)上氣體溫度和流速分布不均衡，為減小實驗誤差，本文通過測量截面上9個節點(如圖2所示)的溫濕度、流速，利用能量平均法獲得加濕器出口的濕空氣參數。

各節點控制域Am，n處濕空氣攜帶能量為

由于圖中各節點的控制域Am，n相等，故各節點處比焓的平均值為

由于截面上空氣溫度變化范圍較小，且接近飽和狀態，故φ≈1、cp，a基本不變。所需測量的參數為節點處的溫度ta和流速ua。

圖2 加濕器縱向截面上氣溫測定方法Fig.2 The method for temperature measurement of moist air

表1為實驗測得的各節點溫度和流速，實驗工況為 G=242 kg/h，tw=45℃，mw=240 kg/h。由表中可以看出，截面中心處的流速最高，這主要是由于風機的風口正對加濕器的中心，中央的流速要遠高于周邊區域;而上部的氣溫較高，這是由于噴淋海水在向下流動過程中，溫度不斷下降，氣溫也隨之降低;另外加濕過程中產生的上升氣流也可導致上部氣溫較高。

表1 加濕器出口截面上各節點溫度 t/℃和流速ua/m·s－1Table 1 Parameters on outlet cross section of humidifier

根據公式所求得的濕空氣平均焓值144 kJ/kg，查表得平均溫度為36.9℃。大量實驗結果表明，在噴水溫度低于70℃時，中心節點處溫度與平均溫度差別小于±0.5℃，因而本實驗中使用中心節點溫度表征截面上的濕空氣溫度。

2 實驗結果與分析

2.1 分級冷凝的熱力過程

圖3中所示為干空氣質量流量G=300 kg/h，加濕器噴水量 tw=64℃，主冷凝器水量 mc=240 kg/h，前置冷凝器水量tc，pre=120 kg/h工況下，空氣增濕及冷凝的熱力過程。0點代表增濕前空氣的狀態參數;1點為虛擬狀態點，其數值代表絕熱增濕所需的濕空氣參數;2點為增濕后空氣的狀態參數。將增濕過程簡化為加熱過程0－1和絕熱增濕過程1－2;過程線2－3表示濕空氣在前置冷凝器中的狀態變化;過程線3－0表示濕空氣在主冷凝器中的狀態變化。由圖中可以看出，2－3過程溫度變化較為平緩，前置冷凝器工作在這一區間，可以在盡量減小溫降的同時，獲得較高溫度的回熱水。

本裝置在該工況下運行所得到第二級加濕器進水溫度為42℃，流量為120 kg/h，同時第一級的淡水產量約為6.8 kg/h，第二級加濕器所得淡水產量約為2.9 kg/h，所產淡水的總溶解固體量9～21 ppm。

2.2 空氣引入方式對熱損失的影響

按照加濕器入口空氣的引入方式，一般將增濕型淡化裝置分為開口和閉口系統，本文對這兩種引風方式進行了研究。開口系引入環境空氣，溫度t=33.5℃，相對濕度φ=41%;而閉口系引入冷凝器的出口空氣。圖4所示為每千克干空氣排出系統所損失的熱量，從圖中可以看出開口系會產生較大的熱

，，口系的2%～5%。這是由于開口系冷凝器出口的濕空氣直接排入大氣，因而造成系統水汽焓值的損失;當噴水溫度升高時，排氣溫度隨之提高，排氣熱損失也隨之升高;但由于冷凝器換熱的逐步增強，其曲線趨于平緩。對于水溫較高的增濕型淡化裝置，采用閉口系的熱效率較高，有利于提高產水量。

圖3 分級冷凝的熱力過程曲線Fig.3 The heating process of fractional condensation

圖4 不同空氣引入方式對系統熱損失的影響Fig.4 Comparison of Open－Air and Closed－Air system

圖5 分級冷凝器出口水溫隨噴水溫度的變化Fig.5 Effect of seawater temperature onfractional condensation

2.3 分級冷凝對回熱利用的影響

利用分級冷凝可更好的控制冷卻水的流量，提高冷卻水的出口溫度，充分利用蒸汽潛熱。圖5為主冷凝器和前置冷凝器流量比例為7∶2時，不同噴水溫度下，主冷凝器和前置冷凝器出口水溫的變化曲線。從圖中可以看出，前置冷凝器較主冷凝器的出口水溫高，在噴水溫度為67℃時，其水溫可達47℃。同時前置冷凝器冷卻水流量不可過高，以避免產生大量的低溫廢水，無法重新利用。

為提高回熱利用，將前置冷凝器出口水引入第二級加濕器進行增濕淡化。第二級加濕器干空氣的質量流量為300 kg/h。如圖6所示為第一、二級增濕裝置在不同水溫下的淡水產量，噴水溫度為67.0℃時，裝置的熱耗率q=2 092 kJ/kg。由于采用了分級冷凝回熱和多級增濕技術，裝置產水量提高了25%～50%。

3 結論

本文設計的分級冷凝式的多級增濕淡化裝置，可將冷凝環節和回熱環節分離，避免了單級冷凝產生的大量低溫廢水，回熱效果增強，系統運行可靠。通過實驗研究發現，增濕型淡化裝置水氣比為0.8時，空氣回路采用閉口系可減少排氣熱損失90%以上;分級冷凝流量比例控制在7∶2以上時，可獲得較高溫度的回熱水;淡水產量較單級淡化裝置提高25% ～50%，所產淡水總溶解固體量為9～21 ppm。分級冷凝的流量優化、增濕—回熱環節的匹配設計等問題需要進一步研究。

符號表

φ相對濕度/［%］RH

ρ 密度/kg·m－3

cp定壓比熱容/kg·(kg·℃)－1

G 干空氣流量/kg·h－1

i比焓/kJ·kg－1

m 質量流量/kg·h－1

t溫度/℃

u空氣流速/m·s－1

下標

a濕空氣

w水

c冷卻水

［1］Sodha M S，Nayak J K，Tiwari G N et al.Study on a double － basin multi－ effect solar still［J］.Energy Conversion and Management，1980，20(1):20 －25.

［2］Mink G.Air－ Blown solar still with heat recycling［J］.Solar Energy，1998，62(4):309.

［3］王海江，謝果，程金銘，等.一種新型家用太陽能海水淡化裝置［J］.節能技術，2011，29(3):214 －218.

［4］Said A1 － Hallaj，Mohammed Mehdi Farid.Solar desalination with a humidification－dehumidification cycle:performance of the unit［J］.Desalination，1998，120:273 －280.

［5］Naser K.Nawayseh.Solar desalination based on humidification process—I.Evaluating the heat and mass transfer coefficients［J］.Energy Conversion and Management，1999，40(13):1423－1439.

［6］張旭朋，左然，丁剛，等.一種新型太陽能海水淡化系統的實驗研究［J］.節能技術，2010，28(1):51－55.

［7］Hamieh B M，Beckman J R，Ybarra M D.The dewvaporation tower:an experimental theoretical study with economic analysis［J］.Desalination ＆ Water Reuse，2000，10:35 －43.

［8］E.Chafik.A new seawater desalination process using solar energy［J］.Desalination，2002，153:25 －37.

［9］代彥軍，張鶴飛.降膜蒸發冷卻復合傳熱傳質研究［J］.太陽能學報，1999，20(4):385 －391.

［10］原郭豐，張鶴飛.新型閉式太陽能海水淡化裝置及其性能模擬［J］.水處理技術，2007，33(1):42 －45.