一種新型多級滿液型蒸發回熱式太陽能海水淡化系統研究

桑夏太陽能股份有限公司 ■ 邵志雄 趙峰 夏寧

0 引言

太陽能海水淡化是人類太陽能開發利用中的一個重要內容。早在19世紀60年代，Lavoisier就已把一個大型的透鏡安裝在架子上，用來積聚陽光，從而進行海水蒸餾[1]。而Mouchot則是用一種玻璃反射鏡聚焦陽光，進行太陽能海水蒸餾[2]。大型太陽能海水淡化裝置的出現是在19世紀80年代，由瑞典科學家Wilson于智利研制成功，該裝置是一種頂棚式太陽能蒸餾裝置，結構并不復雜[3]。到了20世紀初期，科學家不再使用傳統的普通反光鏡，開始使用球面反射鏡聚光，進行太陽能蒸餾實驗[2]。太陽能海水淡化技術在最近幾十年得到了實質性發展，諸多技術日趨成熟并形成了產業[4,5]。

太陽能在海水淡化技術中的應用主要分兩種形式：一種是直接利用太陽能作為熱源，對海水進行蒸餾，然后對蒸汽冷凝得到淡水；另一種是間接形式，將太陽能與傳統的海水淡化技術(如反滲透法、電滲析法、加濕除濕循環等)相結合生產淡水[6-8]。與后者相比，前者由于低廉的成本和簡易的裝置，在小規模淡水生產方面具有更強的競爭力[9]。

目前，傳統的太陽能海水淡化裝置的集熱裝置和蒸發/冷凝裝置是分離的，集熱器僅起到一個熱源供給作用，裝置熱能利用效率較低，尤其是水蒸氣的凝結潛熱未被高效、充分地利用。與此同時，集熱系統的集熱溫度一般處于100 ℃以下，需使用真空泵來維持負壓工況，從而使整個系統結構龐大、造價昂貴、運行復雜，不適合小型化運行[10,11]。

本研究提出了一種新型多級滿液型蒸發回熱式的玻璃真空管太陽能海水淡化裝置，將太陽能集熱器(CPC和玻璃真空管)和蒸發/冷凝裝置(海水箱)通過熱管有效地聯接起來，合為一體。裝置在正壓和常壓下運行，省去真空泵，只需通過一些壓力控制閥，利用系統各級工作溫度的不同，逐級降溫回熱來加強蒸汽的凝結潛熱的回收利用，提高回熱效率，從而達到簡化結構，提高制水率和能量利用率的目的。通過模擬系統運行實驗發現，實驗系統各項性能指標都達到設計要求，為實際裝置的開發提供了設計參考。

1 實驗裝置

海水淡化裝置主要由CPC(復合拋物面聚光器)、全玻璃真空集熱管、熱管、不銹鋼絲網、回熱盤管、海水箱、加熱管、蒸汽出汽管、減壓閥和冷凝管等部件組成。

整個裝置分為7級，共包含14個集熱單元，7級系統各級連接關系如圖1所示。各級之間接有壓力調節閥，第1級包含8個集熱單元，第2～7級各級只包含1個集熱單元，上一級產生的蒸汽通過回熱管把潛熱釋放給下一級的海水，如此進行下去；最后一級，即第7級的出口，所有的氣液混合物進入到空冷換熱器中，與空氣換熱后，充分冷卻成為過冷水。

第1級的8個集熱單元中，海水箱加熱管外均未安裝回熱盤管，第1級的集熱單元結構如圖2a所示。裝置從第2級開始，在加熱管外均盤繞回熱管，用于回收上一級蒸汽的汽化潛熱。后面6級單元的結構和第1級基本相同，區別只在于加熱管外增加了回熱盤管。后6級單元結構如圖2b所示。

圖1 7級14個集熱單元系統各級連接關系圖

每個單元集熱部分由CPC、全玻璃真空集熱管、不銹鋼絲網及熱管組成，熱管將所集熱量高效傳遞到海水淡化箱對海水進行加熱。表1為集熱裝置主要尺寸參數。CPC具有很好的聚光效果[12-15]，但大型標準CPC加工復雜，成本過高。本研究采用的簡化式CPC去掉了原有的底部漸開線形褶皺突起，代之以平緩的弧線直接相連，同時也去掉了標準CPC上部大部分聚光面[16]。

圖2 第1級及第2～7級集熱單元結構示意圖

表1 CPC集熱裝置的性能參數

實驗裝置實物圖如圖3所示。實驗過程中各級蒸汽溫度或蒸汽壓力差通過一次性調節壓力閥完成。在中午太陽輻照度最強時間段內調節壓力閥，使第1級集熱單元內蒸汽溫度保持在150 ℃，以后每級遞減約8 ℃。由于第7級和大氣直接相接，故第7級的溫度約為100 ℃，然后壓力調節閥開度不再變化。這個溫差即是各級集熱單元最大溫差，實驗過程中各級蒸汽壓力和溫度隨輻照度隨時變化。在熱管的蒸發端、絕熱端及冷凝端均布置有熱電偶測量熱管各部分溫度；在各級海水箱蒸汽出口處均布置熱電偶測量各級海水箱蒸汽溫度；同時，在第2～7級回熱管進出口均布置有熱電偶測量回熱蒸汽溫度。

圖3 7級太陽能海水淡化系統實物圖

2 實驗結果及分析

本文著重介紹了2014年冬季幾組代表性實驗數據，分別從系統各級溫差、系統制水性能及系統效率等方面進行分析。

2.1 系統各級之間溫差分析

系統各級之間的溫差即是系統各級蒸汽溫度之差，整個系統便是依靠各級之間的溫差，即壓差被動式運行，因此，了解各級之間蒸汽的溫度至關重要。圖4為冬季晴天條件下系統各級蒸汽溫度經時變化情況，圖5為冬季多云條件下系統各級蒸汽溫度經時變化情況。

從圖4、圖5中可以看出，整個系統在晴天及多云條件下均能正常工作，但是晴天條件下各級蒸汽溫度波動較小，多云條件下各級蒸汽溫度波動較明顯，說明蒸汽溫度受太陽輻照度影響較明顯。

圖4 冬季晴天條件下各級蒸汽溫度經時變化

圖5 冬季多云條件下各級蒸汽溫度經時變化

裝置各級在11:30左右開始有蒸汽產生，過了正午，隨著時間的推移，每級之間的溫差及壓差不斷縮小，這是由于在中午時太陽輻照度最高、集熱功率最大、產生水蒸氣量最多，體現為裝置內水蒸氣流速大，而調節閥兩端的壓力差隨著流過閥門工質流速的加快而增大。當下午太陽輻照度慢慢降低時，裝置內水蒸氣的流速減慢，兩級之間溫差及壓力差縮小。

2.2 系統制水性能分析

2.2.1 第1級全天單位集熱面積制水量

圖6給出了5天的第1級全天單位集熱面積制水量及平均太陽輻照度(由大到小排列)。由于第1級海水箱加熱管外未盤繞回熱管，即第1級制水量只是通過CPC的有效集熱產生，無回熱參與。

圖6 第1級全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度

由圖6可知，第1級全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度有著密切關系，隨著太陽輻照度的降低，第1級全天單位集熱面積制水量也隨之減少。第1級在冬季全天單位集熱面積制水量最高可達1.64 kg/m2。

2.2.2 系統全天單位集熱面積制水量

對于太陽能海水淡化裝置，全天單位面積制水量是考察裝置性能的重要指標，是裝置制水能力的直接體現。圖7給出了系統全天單位集熱面積制水量(按太陽輻照度從大到小排列)。

圖7 系統全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度

由圖7可知，系統全天單位面積制水量最高可達4.497 kg/m2，與第1級單純集熱產生的淡水量相比有較大提升，這是由于裝置多級蒸發回熱的作用。系統后6級內均有回熱器，海水除受CPC吸收的有效太陽輻射的加熱外，還受到回熱器中上一級蒸汽的加熱，使得系統的制水量得以提升。實驗結果表明，該系統回熱效果明顯，能有效提高系統整體制水量。

2.2.3 系統單位集熱面積制水率

圖8給出了裝置單位集熱面積制水率和太陽輻照度經時變化。從圖8中可以看出，裝置單位面積制水率的變化趨勢與太陽輻照度的變化趨勢基本一致。該系統一般在11:30左右開始制水；在12:30左右，系統制水率達到最大值；到14:00以后，隨著太陽輻照度的降低，制水率也明顯下降；到15:00左右，系統停止工作，不再制水。在晴天條件下，單位水平集熱面積的制水率最高可達約1.5 kg/(h?m2)，在多云天氣最高也可達到約1.35 kg/(h?m2)。由實驗數據可知，系統在冬季也表現出較好的性能，相信在夏季高輻照度的條件下，系統會有更優異的性能。

圖8 系統單位集熱面積制水率和太陽輻照度經時變化

2.2.4 系統制水性能系數

海水淡化裝置的制水性能系數是表征此類裝置的總體回熱性能的重要指標，它實際上是制水消耗總功率和外部輸入功率之比，性能系數越大，表明系統回熱換熱量越多。無回熱時制水性能系數等于1，本系統理論制水性能系數是5.5。圖9給出了系統實際制水性能系數和太陽輻照度的經時變化。

圖9 系統實際制水性能系數和太陽輻照度經時變化

由圖9可知，在2014-12-24曲線上，系統實際制水性能系數在12:00～13:30這段時間內隨時間變化的幅度較小，基本保持在3以上，在晴天條件下系統實際制水性能系數最高可達到3.4左右；這主要是由于正午太陽輻照度較強，裝置各級之間的溫差較大，同時蒸汽流速也較大，裝置回熱性好，所以系統制水性能系數較高。到了下午，特別是14:00～15:00期間，制水性能系數下降較快，主要是由于太陽輻照度明顯降低，裝置各級之間溫差較小，蒸汽流速也較小，裝置回熱性變差，導致制水性能系數降低。

2.3 系統效率分析

本裝置內部加熱海水的熱量來源有兩種：集熱和回熱。通過對系統集熱效率、綜合效率及平均回熱效率進行分析，可以全面了解裝置的集熱性能和回熱性能。

2.3.1 系統集熱效率

系統集熱效率瞬時值可用式(1)求得：

式中，Φt,exp為系統集熱功率實際瞬時值，可用式(2)求得；ΦCPC為照射到系統全部CPC板上的瞬時輻射功率，可用式(3)求得。

式中，Gm為制水率；h′為修正的汽化潛熱，J/g；φ為單純集熱產生的淡水量(除去回熱產生的淡水量)占總制水量的比例，可以按單純制水率除以實際制水率計算；ACPC為CPC的聚光投影面積，m2；n為CPC數量；qr為垂直照射到單個CPC的輻照度，W/m2。

圖10給出了系統集熱效率及太陽輻照度的經時變化。由圖10可知，在11:30～12:30時間段內，系統集熱效率維持在較高水平，最高可達0.38左右；而后隨著時間的推移，太陽輻照度逐漸下降，每級的溫度越來越低，這樣裝置中用于加熱海水的熱量減少，集熱性能隨之變差，故裝置的有效集熱效率隨著太陽輻照度的降低而降低。

圖10 系統集熱效率及太陽輻照度經時變化

2.3.2 系統綜合系數

系統綜合系數ηe為：

式中，Φnet為系統綜合功率，可由式(5)求得：

由于回熱效果，系統綜合系數可以大于1。

圖11給出了系統綜合系數及太陽輻照度的經時變化。由圖11可知，在11:30～12:45時間段內，系統綜合系數維持在較高水平，最高可達1.3左右，并且綜合系數在1以上能維持較長時間；而后隨著太陽輻照度的下降，每級的溫度越來越低，裝置中用于加熱海水的熱量減少，裝置中流動的水蒸氣量隨之減少，蒸汽流速減小，那么可回收利用的水蒸氣的冷凝潛熱隨之減少，即回熱性能降低，故裝置綜合系數隨著太陽輻照度的降低而降低。

圖11 系統綜合系數及輻照度經時變化

2.3.3 系統全天平均回熱效率

本裝置加熱海水的熱量來自兩個方面：集熱和回熱。第1級是沒有回熱的，因此第1級的全天制水量可近似代表其他各級靠單純集熱產生的淡水量。系統全天制水量減去系統靠單純集熱產生的水量即為系統實際回熱產生的淡水量。系統全天平均回熱效率是系統全天實際回熱產生的淡水量與系統全天理論回熱(即回熱充分，回熱效率為1)制水量的比值，即：

圖12給出了系統全天平均回熱效率及平均太陽輻照度(按太陽輻照度從大到小排列)。由圖12可知，在冬季晴天及多云條件下，系統的回熱效率均維持在30%以上，最高可達38.6%，并且系統全天平均回熱效率與平均輻照度基本成正比。雖然回熱效率比較可觀，但是并不理想，這主要受制于目前裝置回熱管布置不夠合理，換熱面積雖然很大，但各管都處于同一水平位置，下部管子產生蒸汽直接沖擊上部管子，盤管表面的換熱機理為受限自然對流，自然對流系數較低，通過對裝置進行改進，相信會有更好的回熱效果。

圖12 系統全天平均回熱效率及平均太陽輻照度

3 結論

本文研究設計了一種結構新穎的小型多級滿液型蒸發回熱式的玻璃真空管太陽能海水淡化裝置，制作了一個共7級集熱/回熱、14個集熱單元的實驗裝置并進行了實際運行實驗，考察了系統各級之間溫度變化特性、系統全天單位面積制水量、系統單位面積制水率、系統制水性能系數、系統集熱效率、系統綜合系數，以及系統全天平均回熱效率各項性能指標。在冬季晴天及多云條件下，系統都有很好的集熱和回熱性能，系統單位面積制水量最高可達4.497 kg/m2，系統單位水平集熱面積的制水率最高可達1.5 kg/(h?m2)左右，制水性能系數最高可達3.4，集熱效率及綜合系數分別可高達0.38和1.3，全天平均回熱效率也可高達38.6%。系統整體上表現出比較優異的性能。

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