真空沸騰式太陽能海水淡化裝置

皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉建明 許全寶 平杰

0 引言

海水淡化方法主要分兩大類：一類是膜分離法，如反滲透、電滲析、膜蒸餾等；另一類是蒸餾法，如單級蒸餾、多效蒸發(fā)、多級閃蒸等。膜分離法代表了用電能直接產(chǎn)生淡水的發(fā)展方向，具有裝置簡單、易于小型化和單位產(chǎn)量能耗低等特點，但這種方法海水預(yù)處理裝置復(fù)雜、膜層昂貴，日常維護費用較高。蒸餾法是使用大量熱能，通過水的蒸發(fā)和冷凝產(chǎn)生淡水的一種方法，其顯著特點是可重復(fù)利用水蒸發(fā)與冷凝過程的潛熱，使之在預(yù)熱原水的同時，冷凝蒸汽成為淡水產(chǎn)品。

多效蒸發(fā)和多級閃蒸工藝一般通過熱電聯(lián)產(chǎn)方式來實現(xiàn)。就目前的科技發(fā)展水平而言，每生產(chǎn)1 t淡水，需要消耗熱能123～294 MJ，電能2～4 kWh，從用能狀況來看，系統(tǒng)主要消耗的是熱能，這為太陽能供熱創(chuàng)造了條件。

與單級蒸餾相比，多效蒸發(fā)和多級閃蒸由于多次重復(fù)利用水的汽化潛熱，單位能耗的淡水產(chǎn)率較高，然而，由于太陽輻射量變化很大，造成熱能供需難于同步，使得多效蒸發(fā)和多級閃蒸很難穩(wěn)態(tài)運行；此外，多級閃蒸過程需精確的壓力控制，并需在不同級數(shù)間維持恒定的壓力差，使系統(tǒng)在瞬態(tài)控制方面也很困難。因此，太陽能多效蒸發(fā)和多級閃蒸工藝較難實現(xiàn)。

單級蒸餾分為兩種，一種為自然蒸發(fā)式，一種是真空沸騰式。太陽能海水淡化普遍采用自然蒸發(fā)式，這種方法與自然界中雨的形成過程類似，靠海水在常壓下自然蒸發(fā)后，遇冷凝結(jié)成淡水。該裝置工藝簡單，較易實現(xiàn)，但它不能重復(fù)利用水的汽化潛熱，單位面積的日產(chǎn)量較低，為1～2 kg/m2集熱面積，且傳熱慢、熱損大、效率低。

真空沸騰式海水淡化裝置是通過強制循環(huán)系統(tǒng)集熱、供熱的單級負壓蒸餾系統(tǒng)。與自然蒸發(fā)式相比，該裝置能一次重復(fù)利用水的汽化潛熱，單位面積產(chǎn)水量大、傳熱速率大、操作溫度低、不易結(jié)垢，易與太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合。

1 實驗部分

1.1 裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，自制的真空沸騰式太陽能海水淡化裝置主要由集熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、太陽能泵站、真空泵、海水泵及光電組件組成。其中，集熱器采用真空管式，采光面積為9.16 m2；海水蒸發(fā)器由內(nèi)膽、盤管換熱器、液位計、保溫層、外皮組成，其上部設(shè)置蒸汽出口，側(cè)面設(shè)置原水進口，下部設(shè)置濃鹽水出口；冷凝器由外皮、盤管換熱器、液位計組成，其上部設(shè)置不凝氣出口，下部設(shè)置淡水出口，盤管冷卻器進出口位于側(cè)上部，蒸汽進口位于側(cè)下部；集熱器與蒸發(fā)器間為介質(zhì)循環(huán)管路，海水儲槽和冷凝器間為冷卻水上水管路，冷卻水下水管路分兩路，一路與噴淋器連接，一路與蒸發(fā)器原水進口連接，蒸發(fā)器與冷凝器間為蒸汽管路，真空泵與冷凝器間為抽真空管路，冷凝器與淡水罐之間為淡水管路。光電組件與蓄電池電路連接，太陽能泵站、真空泵及海水泵與控制器電路連接，通過蓄電池供電。

圖1 真空沸騰式太陽能海水淡化系統(tǒng)圖

1.2 裝置的操作方法

裝置運行時，首先給海水儲槽內(nèi)注滿海水；然后打開海水補充閥，關(guān)閉海水噴淋閥，啟動海水泵，將海水注入到蒸發(fā)器內(nèi)；至液位計刻度1/2～2/3時，關(guān)閉海水補充閥，打開海水噴淋閥，海水即開始噴淋，形成的眾多細流落到海水儲槽內(nèi)。有太陽時，太陽光照射在光電組件和集熱器上，光電組件通過吸收太陽輻射，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲存在蓄電池里；同時集熱器亦吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能，并把熱能傳遞給傳熱介質(zhì)，這時，啟動太陽能泵站，傳熱介質(zhì)即在循環(huán)管路內(nèi)循環(huán)；并通過蒸發(fā)器內(nèi)盤管加熱海水，使水溫不斷升高；當水溫達到一定值時，開啟真空泵，抽出冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)的空氣，降低其壓力；當水溫升至其飽和溫度時，海水開始大量汽化，產(chǎn)生的蒸汽通過管路流入冷凝器中，與盤管中流動的海水充分換熱后，冷凝成液態(tài)水(淡水)，并暫存在冷凝器底部；當?shù)簧烈何挥嫕M刻度時，停真空泵，并使系統(tǒng)通大氣，系統(tǒng)內(nèi)外壓力平衡后，打開淡水排出閥，將淡水放至淡水罐中，用電子稱稱量淡水的重量；之后，裝置再次按照以上所述步驟操作。實驗結(jié)束后，打開蒸發(fā)器的濃鹽水排出閥，把濃縮的鹽水全部放掉。

裝置運行時，應(yīng)通過海水補充閥適當?shù)亟o蒸發(fā)器補充原水，保持液位計刻度在1/2～2/3；同時，蒸汽的部分冷凝熱通過換熱，隨原水帶入蒸發(fā)器中，使冷凝熱得到重復(fù)利用；另一部分冷凝熱在海水通過噴淋器噴淋時散失在大氣中。

1.3 裝置的測試儀器

實驗時，使用型號為TBQ-2C總輻射表測量太陽輻照度；集熱器進出口、蒸發(fā)器和真空泵入口內(nèi)均設(shè)有熱電阻傳感器，以測量相應(yīng)的溫度；使用型號為Agilent 34970A的數(shù)據(jù)采集儀自動采集并記錄各實驗數(shù)據(jù)；使用電子稱稱量淡水重量。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 裝置的運行狀況

圖2是用2014年6月22日的實驗數(shù)據(jù)繪制而成的，下面用此圖來說明裝置的運行狀況。圖中，te為蒸發(fā)器溫度；tv為真空泵進口溫度；tc為集熱器進出口平均溫度；G為太陽輻照度。當天天氣多云，氣溫為23～31℃。裝置中，蒸發(fā)器初始水位為1/2～2/3液位計，初始水溫29 ℃。如圖2所示，8：09～11：49，太陽輻照度從 253 W/m2逐漸升至 812 W/m2，12：29～13：09 因天空多云，輻照度先降至404 W/m2，又升至最高值855 W/m2，之后，輻照度逐漸降低，16：59降至296 W/m2，全天輻照度均值為577 W/m2。

圖2 太陽能海水淡化裝置運行圖(6月22日)

整個實驗為半連續(xù)操作，分4個時間段(8：09 ～ 10：29，10：29 ～ 11：59，11：59 ～ 13：49，13：49～16：29)，經(jīng)歷 4 次連續(xù)的蒸餾操作。每次操作分升溫和蒸餾2個階段，第1次操作的升溫段時間為 8：09～9：09，蒸餾段時間為 9：09～10：29；第 2 次的升溫段時間為 10：29～10：49，蒸餾段時間為10：49～11：59；第3次的升溫段時間為 11：59～12：49，蒸餾段時間為 12：49～13：49；第4次的升溫段時間為13：49～14：19，蒸餾段時間為 14：19～16：29。實驗從 8：09 開始，當時集熱器進出口介質(zhì)平均溫度(以下簡稱介質(zhì)溫度)為48 ℃；之后，介質(zhì)溫度隨著太陽輻照度的增大而逐漸升高，9：09升至81 ℃；此后，介質(zhì)通過強制循環(huán)將熱量不斷地傳給蒸發(fā)器中的海水，水溫相應(yīng)從29 ℃升至61 ℃，這時，隨著蒸發(fā)器真空環(huán)境的建立及真空度不斷升高，海水開始沸騰并產(chǎn)生大量蒸汽，蒸汽沿管路進入冷凝器中，與盤管內(nèi)的循環(huán)冷卻水換熱后，凝結(jié)成淡水，暫存在冷凝器底部；10：29當?shù)簧烈何挥嫕M刻度時，第1次操作結(jié)束，把所得淡水放至淡水罐中，經(jīng)稱量，所得淡水的重量為11.6 kg。后面3次蒸餾過程與第1次相似，所得的淡水重量分別為12.5、11.8和12.2 kg，經(jīng)計算，單位集熱面積淡水日產(chǎn)量為5.26 kg/m2。此外，從圖2可看出，12：29～13：09輻照度大幅度變化時，蒸發(fā)器溫度相對穩(wěn)定，蒸餾操作基本穩(wěn)態(tài)運行，說明該裝置操作彈性良好。

圖3是用2014年7月7日的實驗數(shù)據(jù)繪制而成的，當天天氣晴朗，氣溫為26～33 ℃，全天輻照度均值為580 W/m2。對比圖2和圖3，裝置的兩次運行過程相似，只是這次實驗分為5個時間段 (8：09 ～ 10：29，10：29 ～ 11：59，11：59 ～ 13：29，13：29～14：59，14：59～16：19)，每個時間段的淡水產(chǎn)量分別為11.0、11.8、12.1、11.7、6.0 kg，經(jīng)計算，單位集熱面積淡水日產(chǎn)量為5.65 kg/m2。

2.2 蒸發(fā)器的沸騰狀態(tài)

蒸發(fā)器內(nèi)海水的沸騰屬于大容器沸騰。大容器內(nèi)液體沸騰狀況隨與液體接觸的壁面和飽和蒸汽的溫度差ΔT而變，出現(xiàn)不同類型的沸騰狀態(tài)。對于常壓下水在大容器中沸騰，當ΔT≤5 ℃時，水處于自然對流狀態(tài)，傳熱速率小，水僅在水面上蒸發(fā)，但無氣泡從水面溢出；當5 ℃＜ΔT≤25 ℃時，為泡狀沸騰狀態(tài)，對流傳熱速率大，這時水中有氣泡產(chǎn)生，ΔT越大，氣泡越多，水擾動越劇烈；ΔT＞25 ℃時，為膜狀沸騰，對流傳熱速率小。工業(yè)生產(chǎn)中，一般設(shè)法將其控制在泡狀沸騰狀態(tài)。

蒸發(fā)器盤管為薄壁不銹鋼管制作，其壁面溫度與介質(zhì)溫度相差很小，故盤管壁面與海水的溫差和介質(zhì)與海水的溫差相當。如表1所示，實驗過程中，蒸發(fā)器的操作壓力為常壓(絕對壓力為10～20 kPa)，4個時間段的ΔT均在5～25 ℃，且ΔT越大，淡水產(chǎn)率越高，說明蒸發(fā)器中的海水處于泡狀沸騰狀態(tài)。

2.3 冷凝器的冷凝效果

蒸汽冷凝分膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式，二者區(qū)別是，膜狀冷凝時，冷凝液在冷凝壁面上能形成一層潤濕壁面的液膜，這層液膜往往是膜狀冷凝的主要熱阻。一般，工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，強化膜狀冷凝主要是減薄這層液膜。蒸汽以一定速度運動時，和液膜間會產(chǎn)生一定摩擦力，若蒸汽和液膜同向流動，則摩擦力將使液膜加速，厚度減薄，對流傳熱系數(shù)增大；若逆向流動，如果摩擦力超過液膜重力，液膜會被蒸汽吹離壁面，也會使對流傳熱系數(shù)增大。本裝置的冷凝器的蒸汽和液膜是逆向流動，蒸餾過程中，由于真空泵的抽吸作用，增大了蒸汽流速，使液膜減薄，從而增大了對流傳熱系數(shù)；而且，真空泵還抽走了蒸汽中大多數(shù)不凝性氣體，減小了覆蓋在盤管壁面氣體層所形成的附加熱阻，也進一步強化了膜狀冷凝。此外，冷凝液膜兩側(cè)的溫度差也是強化膜狀冷凝的重要途徑，因此，蒸餾操作時，除不斷通過海水噴淋降低其溫度外，在海水儲槽內(nèi)補充海水(一般，海水與淡水的重量比值介于3～4之間)也是增加冷凝盤管兩側(cè)溫度差的重要途徑。

蒸餾過程中，真空泵進口溫度是判斷冷凝器冷凝效果的重要指標，此溫度越低，冷凝器的冷凝效果越好。一般，真空泵進口溫度小于40 ℃(水的平衡壓力為7.38 kPa)，基本滿足要求。否則，真空泵內(nèi)會抽進一定量的水汽，不僅減少淡水產(chǎn)量，還會降低泵的壽命。實驗中，真空泵進口溫度在20～40 ℃，說明冷凝器的冷凝效果良好，蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽絕大多數(shù)凝結(jié)成液態(tài)水。

2.4 裝置的淡水日產(chǎn)量

表2為2014年在不同季節(jié)進行的10次海水淡化實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表2可看出，太陽輻照時間在370～530 min，日平均輻照度在516～625 W/m2，單位集熱面積淡水日產(chǎn)量在5.01～6.02 kg/m2，單位集熱面積淡水日產(chǎn)量隨太陽輻照時間增加和太陽輻照強度的增強呈增長趨勢。

表2 日平均輻照度和淡水日產(chǎn)量

下面以這10次實驗數(shù)據(jù)為樣本，在95%的置信概率下，計算單位集熱面積淡水日產(chǎn)量的置信區(qū)間。經(jīng)計算，該樣本單位集熱面積淡水日產(chǎn)量平均數(shù)為5.50，標準差為1.871，從標準正態(tài)分布函數(shù)表查得，置信概率為95%時，正態(tài)分布變 量z=1.96，ε=5.50±1.96×1.871/√10=5.50±1.156，即置信區(qū)間為(4.34，6.66)。故在95%的置信概率下，單位集熱面積淡水日產(chǎn)量在4.34～6.66 kg/m2集熱面積。

3 結(jié)語

真空沸騰式太陽能海水淡化裝置使用真空管集熱器提供熱能，光電組件提供動力電，通過強制循環(huán)系統(tǒng)給蒸發(fā)器供熱，由直流供電的真空泵來抽除不凝性氣體，維持裝置的真空度并保證裝置的半連續(xù)運行，使蒸發(fā)器中的水處于泡狀沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生大量蒸汽，并通過高效冷凝器，將蒸汽凝結(jié)成淡水。在95%的置信概率下，單位面積淡水日產(chǎn)量在4.34～6.66 kg/m2集熱面積，性能遠優(yōu)于自然蒸發(fā)式。該裝置僅使用太陽能，苦咸水或海水充當冷卻水源，不使用任何常規(guī)能源和水源，淡水制造成本極低，且工藝簡單、操作彈性大，與其他太陽能海水淡化方法相比，真空沸騰式有較大優(yōu)勢，特別適宜在海島或苦咸水地區(qū)應(yīng)用。