聚光集熱苦咸水蒸餾裝置中含吸光顆粒水體的光吸收特性

常澤輝，劉 洋，侯 靜，李文龍，鄭宏飛

（1. 內蒙古工業大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2. 內蒙古工業大學風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，呼和浩特 010051；3. 內蒙古建筑職業技術學院機電與暖通工程學院，呼和浩特 010070；

4. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

0 引 言

能源和淡水是人類社會生存和發展的重要資源，隨著世界人口增長和經濟發展，到2050年，全球能源需求量將會是現在的2～3倍[1]，淡水需求量也會隨之增加。然而，地球上只有1%的水資源可供人類飲用或農業生產[2]。相關文獻指出，地球表面淡水水位和降雨量正在逐年減少[3]。利用脫鹽技術對地球表面分布的海水、苦咸水等含鹽水進行淡化是一種理想的解決淡水短缺的途徑[4-6]。其中，工業化含鹽水淡化系統對基礎設施要求嚴格、需對進料原水進行預處理、適合于大規模制水，且在制備過程中需要消耗大量化石能源，對環境造成一定的影響。而目前利用太陽能、風能等可再生能源驅動脫鹽技術可以克服工業化脫鹽技術存在的弊端，尤其適合于小型和分布式制水需求，加之缺水地區往往擁有豐富的太陽能資源，使得太陽能含鹽水淡化技術得到了研究學者的廣泛關注[7-10]。

在太陽能含鹽水淡化技術中，太陽能蒸餾淡化裝置因其工作原理簡單、運行維護費用低廉等特點而適合于干旱偏遠地區或海島等分布式制水使用，但其也存在傳熱熱阻大、對水蒸氣凝結潛熱利用少、淡水產量低等缺點。為了改善傳統太陽能蒸餾淡化裝置產水性能、提高裝置運行溫度，研究人員將太陽能聚光集熱技術與蒸餾淡化技術進行了有效耦合[11-13]。Elashmawy[14]在實際天氣條件下，對比研究了拋物槽式聚光太陽能管式蒸餾淡化裝置的產水性能，結果表明，該裝置淡水產量增加了676%，而成本下降了45.5%，具有良好的應用前景。Wu等[15]為了提高太陽能淡化裝置運行溫度，將圓柱線性菲涅爾透射聚光器與多效太陽能淡化裝置進行了匹配運行，在平均太陽輻照度為867 W/m2時，裝置性能系數達到了2.1。Mosleh等[16]研究和分析了槽式拋物聚光熱管真空管組合太陽能蒸餾淡化裝置，結果表明，裝置淡水產量最大可以達到0.27 kg/(m2·h)，效率為22.1%，當傳熱介質改為導熱油時，裝置淡水產量提高到 0.933 kg/(m2·h)。Srithar等[17]提出一種獨立多效拋物碟式聚光太陽能蒸餾裝置，并與盤式太陽能蒸餾器進行性能對比研究，結果表明，碟式聚光器的使用使得裝置中含鹽水水體運行溫度提高到85 ℃，最大淡水產量提高到16.94 kg/(m2·d)。

上述研究中的裝置雖然提高了含鹽水蒸餾過程所需太陽能的能流密度，但無法有效消除高溫運行帶來的輻射散熱損失。如果在含鹽水水體內進行光熱直接轉化，就可以實現換熱過程中輻射熱損的減少，文獻[18]提供了一種在含鹽水中添加大量黑色多孔顆粒以形成吸光顆粒點陣進而將光熱轉化過程由傳統的表面吸熱改為體內換熱的方法。因此，苦咸水水體對入射光的高效吸收將成為上述思想能否實現的關鍵。而目前對含顆粒水體對入射光吸收開展的研究較少[19-24]。文獻中多采用太陽能電池電流變化近似為入射光通量來間接研究水體對入射光的吸收機理[25-26]，無法消除太陽能電池隨測試時間延長而性能衰減給測試結果帶來的誤差問題。

本文在前期研究基礎上，設計一種基于聚光集熱苦咸水蒸餾裝置，利用水體直接受熱蒸發方法減少裝置散熱損失和傳熱換熱環節，同時對其光熱轉化水體的光吸收特性展開了研究，利用光學積分箱測試光束穿過含大量黑色多孔顆粒水體的照度變化，分析影響水體光吸收特性的因素，定量給出水體光吸收比與模擬沸騰狀態之間的函數關系。

1 新型基于聚光集熱苦咸水蒸餾裝置

本文所研究的苦咸水蒸餾裝置，采用了多效蒸餾技術，具體結構如圖1所示。

圖1 聚光集熱苦咸水蒸餾裝置結構圖Fig.1 Schematic diagram of solar-concentrating brackish water distillation device

聚光集熱苦咸水蒸餾裝置的工作原理是:入射太陽光經碟式聚光器反射形成高密度光能，通過半球玻璃殼透射到添加有大量黑色多孔吸光顆粒的苦咸水中，并完成光熱直接轉化，被半球玻璃殼表面和水體反射的光線經二次拋物聚光器反射后再次匯聚到水體內被吸收轉化，受熱苦咸水水體在其水表面蒸發，生成的水蒸氣在對應盛水冷凝盤下表面凝結成淡水，匯集到三角淡水收集槽內，經淡水輸出管排出，水蒸氣凝結時釋放潛熱經盛水冷凝盤傳遞給其內部的苦咸水進而繼續生成水蒸氣，然后在其上方圓錐冷凝盤下表面凝結生成淡水，其他各效淡水生成過程與此相同。苦咸水儲水箱內進料苦咸水通過進水管進入裝置過程中，從下向上逐效吸收各效內水蒸氣凝結潛熱并同時將管外水蒸氣凝結生成淡水，預熱后的進料苦咸水最后進入裝置頂端的盛水冷凝盤內，太陽光通過這一效上方玻璃通光板繼續加熱該進料苦咸水，使其受熱蒸發，并在玻璃蓋板下表面凝結生成淡水，而每一效苦咸水的進料均采用自重力進水方式從上向下通過浮球和進水套無動力自動完成。

聚光集熱苦咸水蒸餾裝置具有如下特點：1）利用碟式聚光器改變入射太陽光傳播方向形成了高密度光能，同時利用二次拋物聚光器反射溢出光線進而減少了太陽能在光熱轉化過程中的損失；2）通過在苦咸水中添加黑色多孔顆粒作為入射高密度光能的光吸收材料，實現了在苦咸水水體內部光熱轉化，進而受熱蒸餾，減少傳統可選擇性吸收涂層表面吸光生熱造成的輻射散熱損失，提高光熱轉化效率；3）利用受熱水蒸氣向上浮升特點，沿水蒸氣浮升方向布置多個盛水冷凝盤，多次回收水蒸氣冷凝時釋放的潛熱，能夠實現水蒸氣所含熱量分級多梯次利用；4）利用回熱技術提高了進料苦咸水的溫度，縮短了裝置受熱啟動時間，提高裝置淡水產量。

2 淡化裝置水體光吸收特性理論分析

碟式聚光集熱系統產生的高密度光能與含有大量黑色多孔顆粒苦咸水水體作用實現光熱轉化過程中，入射光線在水體內會發生包括吸收、散射、反射和折射等一系列復雜的物理過程，這個過程也將影響入射太陽光能否被水體高效吸收和轉化效果，通過研究水體對入射光的吸收特性將會為上述轉化機理的優化研究提供理論基礎和試驗數據。

在水體中添加額定數量吸光顆粒可以使得水體內形成多粒子懸浮點陣，利用顆粒表面多孔結構吸收入射太陽光，吸光的顆粒表面溫度升高，將在水體內形成多點熱源，隨著入射光的不斷補充，水體溫度就會升高，從而滿足苦咸水蒸餾所需熱量。影響水體光吸收特性的因素包括顆粒材質、顆粒在水體內豐度、顆粒粒徑以及水體內氣泡幕等。借助檢測光學元件通光率的重要測試元件—積分箱（integrating box），可以間接測試研究水體光吸收特性[27]。積分箱外觀為立方體結構，箱內內表面均勻噴涂白色光學反射漆。在水體光吸收特性測試中，進入水體的入射光照度易于測量，通過水體后的入射光經水體吸收、反射和折射等作用后呈漫射狀，難于精確測量其照度，積分箱的使用可以準確測量通過水體后光照度的變化。

光學積分箱內、外照度值的變化率可以用照度比例因子來描述[28]，具體計算見式（1）。

式中CF為照度比例因子，Ein為積分箱內照度測量值，lx，Fa為積分箱進光口處照度測量值，lx，Eout為積分箱水平面照度值，lx。

為了表征含有大量黑色顆粒苦咸水水體的光吸收特性，提出新的無因次參數“光吸收比”，其定義為光穿過普通水體進入積分箱內的照度值與光穿過含有吸光顆粒水體進入積分箱內的照度值之比。計算公式如式（2）。

式中K為光吸收比，Einw為穿過普通水體積分箱內照度測量值，lx，Einb為穿過含有吸光顆粒水體積分箱內照度測量值，lx。光吸收比越大表明測試水體對入射光的吸收能力越強。

3 淡化裝置水體光吸收特性測試系統

3.1 水體光吸收特性測試系統及設備參數

測試中，分別對模擬受熱溫升狀態和模擬沸騰狀態運行條件下含有黑色多孔顆粒水體的光吸收特性進行研究。性能測試試驗系統結構如圖2所示。

圖2 水體光吸收特性測試系統Fig.2 Measurement system of light absorption properties

試驗中，在玻璃水槽內布置多個微型擾流泵（WAVER-2000，廣東日生集團有限公司，深圳）以驅動黑色多孔顆粒在水體內形成光吸收顆粒點陣模擬受熱溫升狀態下的水體運行工況。利用空氣泵（AV4002，成都新為誠科技有限責任公司，成都）將空氣通過位于水槽底部的微孔氣石鼓入水體模擬沸騰水體運行工況。積分箱由厚1 cm膠合板粘接而成，尺寸為30 cm ×30 cm ×30 cm，入光口尺寸為15 cm ×30 cm。玻璃水槽由超白玻璃粘接而成，橫截面尺寸為15 cm ×30 cm，與積分箱入光口尺寸一致，并嵌入入光口。環境照度和積分箱內照度分別由照度計（TES1399，泰仕電子工業股份有限公司，臺灣）測量得到，相對誤差為3%。入射平行光由帶拋物反射瓦的氙氣燈珠（BX100，深圳市神火照明有限公司，深圳）產生，照度可調。為了提高水體光吸收性能，所添加顆粒均為黑色多孔材質。

3.2 測試方法

測試過程在光學暗室內完成，保持室內光照度≤1 lx。測試前，對積分箱進行了校核，改變入射光照度，測試積分箱內、外照度值，計算得到積分箱照度比例因子。然后測試平行光束穿過普通水體后進入積分箱內的照度值，在通過改變水體內添加黑色多孔顆粒豐度（δ，單位水體內所含顆粒質量，g/L）、材質、顆粒粒徑、沸騰程度（空氣泵工作氣壓）等參數形成不同的測試水體后，測試平行光穿過測試水體進入積分箱內的照度值，計算得到不同運行工況下水體光吸收比，分析影響測試水體光吸收比的機理。

4 結果與分析

4.1 積分箱校核

通過改變積分箱入光口處光照度，測試積分箱內部照度變化值，二者對應曲線及擬合函數如圖3所示。

圖3 積分箱內照度隨環境照度變化Fig.3 Variation of internal illuminance of integrating box with external illuminance

從圖 3中可以看出，對于給定結構尺寸和內表面光學反射特性的積分箱，其內部測試照度值隨外部照度值增加而增大，且呈線性變化關系，經過函數擬合，照度比例因子計算值為0.193 78，與文獻[29-30]中給出的理論結果吻合，表明所選用光學積分箱能夠對水體光吸收特性進行測試。

4.2 添加不同材質顆粒水體光吸收特性

為了在水體內形成光吸收多顆粒點陣，需要所添加吸光顆粒材質的密度滿足與待蒸發水體密度接近以及表面多孔等條件。鑒于此，試驗中選用竹炭（ρ=0.89 g/cm3）和陶瓷（ρ=1.06 g/cm3）作為測試顆粒，改變空氣泵工作壓力，模擬水體不同沸騰狀態，水體光吸收比隨氣體壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 含不同材質水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.4 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different particle material

從圖 4中可以看出，在相同顆粒豐度條件下，含有陶瓷吸光顆粒水體光吸收比要大于含有竹炭吸光顆粒水體光吸收比，且隨著氣體壓力的增加二者差距逐漸增大。當空氣泵的氣體壓力為14 kPa時，含有陶瓷吸光顆粒水體光吸收比是含有竹炭吸光顆粒的2.12倍。這主要是由于隨著水體沸騰程度的增加，水體中氣泡數量隨之增多，所含顆粒運動加劇，密度小的竹炭顆粒易出現團聚現象，不能有效吸收穿過水體的光束。

4.3 水體參數對光吸收性能的影響

選用陶瓷材質吸光顆粒作為后續測試水體的添加顆粒，苦咸水水體在吸收高密度光能過程中，水體經過受熱溫升和沸騰運行 2個光熱轉化階段。在光學暗室內，利用水槽內擾流泵擾動顆粒模擬受熱溫升狀態，測試所添加顆粒粒徑變化對水體光吸收比的影響機理。測試中，分別挑選粒徑為0.5和1.0 mm的黑色陶瓷顆粒作為測試對比顆粒，2種測試水體光吸收比隨顆粒豐度變化曲線如圖5所示。

圖5 含不同粒徑顆粒水體光吸收比隨豐度的變化Fig.5 Variation of light absorption rate of water body with particle abundance under different particle diameter

圖 5曲線表明，在模擬受熱溫升過程中，水體光吸收比隨顆粒粒徑減小而增加，隨顆粒豐度增大而增大。為了分析顆粒豐度在最大時水體光吸收比的變化規律，選擇顆粒豐度為6.7 g/L，含有粒徑為0.5 mm顆粒水體光吸收比比含有粒徑為1.0 mm顆粒水體增加9.0%。其主要原因為在相同顆粒豐度條件下，粒徑小的顆粒的總比表面積要大于粒徑大的顆粒。所以，為了有效地提高水體光熱轉換效率，可以在水體中添加粒徑小的陶瓷顆粒。

通過改變空氣泵工作壓力，模擬水體沸騰運行時顆粒擾流和氣泡生長的多相流工況。測試顆粒粒徑選用0.5 mm，水體光吸收比隨空氣泵氣體壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 含不同豐度水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.6 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different particle abundance

從圖 6中可以看出，水體光吸收比隨著空氣泵工作壓力的增加，即水體模擬沸騰程度的加劇而增大，且隨著水體顆粒豐度的增大而增大。當空氣泵氣體壓力為14 kPa，顆粒豐度為6.7 g/L時水體光吸收比是顆粒豐度為0.75 g/L時的4.94倍，表明增加顆粒豐度可以有效提高水體光吸收特性，其中水體在沸騰時產生的氣泡幕對于入射光也起到了一定吸收作用。這也表明，水體的沸騰程度會增大水體的光吸收比。

苦咸水淡化裝置中光熱轉化過程主要在裝置底部水體內完成，因而在實際運行中需要選擇水體容量的大小，水體容量太大將會增加水體的熱惰性，使得水體受熱溫升所需時間延長，影響裝置穩定運行時間。鑒于此，通過改變玻璃水槽的長度，即改變光束在水體中傳播的距離（光程），研究水體容量變化與光吸收特性的關系，測試光程分別選為15和30 cm，不同光程對水體光吸收比影響曲線如圖7所示。

圖7 不同光程水體光吸收比隨氣體壓力的變化Fig.7 Variation of light absorption rate of water body with air pressure under different optical path

從圖 7可以看出，在相同模擬沸騰運行工況，相同顆粒豐度下，增加光束在水體內傳播距離可以增大水體光吸收比。其原因是光程的增加，使得吸收入射光的顆粒總比表面積增大，參與光吸收、光散射、光折射的氣泡數量增多，從而水體光吸收比增大。可以適當增加水體容量以延長入射光在水體中的傳播距離，提高水體的光吸收比。

上述研究結果表明，當水體內顆粒豐度和粒徑不變時，光吸收比隨氣體壓力增大而增加。為了定量研究水體光吸收比隨氣體壓力變化的函數關系，選擇顆粒粒徑為0.5 mm，光程為15 cm的水體作為研究對象，對模擬沸騰運行工況下，不同顆粒豐度水體光吸收比隨氣體壓力變化關系進行函數擬合，如表1所示。

表1 水體光吸收比隨氣體壓力變化擬合函數Table 1 Fitted functions of light absorption rate with air pressure variation

表 1函數擬合結果表明，在不同顆粒豐度條件下，含有黑色多孔陶瓷顆粒水體光吸收比與氣體壓力（模擬沸騰運行工況）呈指數函數關系，決定系數R2變化范圍為0.97～0.99。

5 結 論

傳統太陽能苦咸水淡化裝置存在傳熱換熱距離大、熱利用效率低、淡水產量小等缺陷，鑒于此，本文提出一種基于聚光集熱苦咸水蒸餾淡化裝置，通過碟式聚光和二次拋物聚光的組合提高了裝置對入射太陽光的吸收，待處理苦咸水水體直接吸光受熱蒸發，實現對蒸餾裝置的熱驅動，減小了光熱轉化過程中的熱損失。其中，水體內光熱直接轉化成為了上述思想實現的關鍵，本文通過在水體內添加大量黑色多孔顆粒提高了水體光吸收比，并對影響光吸收特性的機理展開了研究和分析。

1）在苦咸水中添加密度相近黑色多孔顆粒可以提高水體光吸收性能，含有陶瓷材質吸光顆粒的水體光吸收比是含有竹炭材質顆粒水體光吸收比的2.12倍。

2）在受熱溫升階段，水體光吸收比隨顆粒粒徑減小而增加，隨顆粒豐度增加而增大，在相同運行條件下，含有粒徑為 0.5 mm顆粒的水體光吸收比比含有粒徑為1.0 mm顆粒水體最大可以增加9.0%。

3）增加水體中黑色多孔顆粒豐度可以有效增加其光吸收比，且在模擬沸騰運行條件下，增加比率隨沸騰程度增大而增加，當空氣泵氣體壓力為14 kPa時，含顆粒豐度為6.7 g/L水體光吸收比是含顆粒豐度為0.75 g/L水體的4.94倍。

4）含黑色多孔顆粒水體光吸收比與水體沸騰程度呈指數函數關系。

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