應用熱電蒸餾系統生產蒸餾水的試驗研究

胡 港,劉子文,索艷格,張治國

(浙江科技大學 機械與能源工程學院,杭州 310023)

蒸餾水廣泛應用于化學實驗、醫療行業和日常生活中,各行各業對蒸餾水的需求很大。蒸餾水的制取成本很高,主要是由于傳統電加熱制取蒸餾水的能耗很大[1]。因此,解決蒸餾水制取過程中的高耗能問題很有必要。

蒸餾作為熱力學的一種分離工藝,可以根據混合溶液沸點的不同來實現分離。蒸餾也是蒸發和冷凝兩種過程的結合,在蒸發過程中,液體需要吸收大量的熱量,在冷凝過程中,蒸氣液化會消耗大量的能量。由于這兩個過程都需要消耗很多的能量,所以為了降低蒸餾過程中的能耗,開發一種節能減耗的蒸餾裝置是至關重要的。

帕爾貼效應是指當電流通過N型導體再流經P型導體時,在不同導體的結點處實現一側釋放熱量另外一側吸收熱量。基于帕爾帖效應,熱電模塊(thermoelectric module, TEM)可以同時實現放熱和吸熱,用熱電模塊替代傳統電熱絲加熱的蒸餾過程是一種可行的節能方法。基于熱電模塊的熱電蒸餾系統因其絕對靜音、固有固態轉換、維護少和結構簡單等優點而受到廣泛關注。

為了解決蒸餾過程中的高能耗問題,太陽能蒸餾技術受到廣泛的關注[2-4]。將太陽能作為熱源,同時使用TEM冷側作為冷凝蒸氣的冷卻裝置,通過這種方式可以提高冷凝水的產率。但是,這種蒸餾方式僅僅利用了TEM一側的熱能,進而造成了能源的浪費[5-6]。很多研究者都嘗試提高TEM的制冷效率,例如,Rahbar等[6]利用熱管和熱電模塊設計了一種新型便攜式太陽能蒸餾器。該裝置利用太陽能提供的熱量蒸發淡水,同時利用TEM的冷側去冷凝水蒸氣,利用熱管去冷卻TEM的熱側,可以降低冷側的溫度,以提高TEM的制冷效率。Cihan等[7]設計了一種由熱電冷卻器配置的便攜式海水淡化裝置,將TEM的熱側與鋁水塊連接,以提高水的溫度,同時將TEM的冷側連接到冷凝器,以冷凝水蒸氣。Al-Nimr等[8]開發了一種混合互動太陽能系統,該系統使用強制對流在鹽水和TEM的熱側之間傳遞熱量以提高鹽水溫度,TEM的冷側直接貼合冷凝室以冷凝水蒸氣。Parsa等[9]設計了一種以TEM為輔助熱源的太陽能蒸餾器,它將TEM的熱側貼合盆底,通過自然對流傳熱來提高水的溫度,同時將TEM的冷側直接與水蒸氣交換熱量。

在蒸餾過程中有效利用TEM兩側的熱量可以實現節能降耗的目的。Al-Madhhachi等[10-11]設計了用于水蒸餾的熱電蒸餾系統,它利用TEM熱端加速水的蒸發,產生少量水蒸氣,研究的冷側連接到鋁散熱器,以冷凝水蒸氣,研究結果表明,TEM可以應用于淡水的蒸餾和冷凝過程來降低制取淡水的能耗。在Al-Madhhachi等研究的基礎上,Nasir等[12]設計了基于熱電的蒸餾器,TEM的熱側用于加熱鹽水,而TEM的冷側用于冷凝水蒸氣,試驗結果表明,當熱側溫度達到液體沸點時,蒸餾過程所需要的能耗有了明顯的降低。在Nasir等12]研究的基礎上,Jiang等[13]設計了一種集成水冷循環的新型熱電蒸餾器,用于酒精蒸餾,試驗結果表明,TEM可以應用于酒精蒸餾工藝,所需要的能耗遠遠低于工業蒸餾酒精。王恒等[14]設計了一種基于熱電制冷器的蒸餾裝置,它有效利用了TEM的熱側和冷側實現蒸發和冷凝,試驗結果表明,TEM用于低沸點的甲醇溶液的蒸餾,可以有效增加系統的能量利用率。

在上述研究中,人們制取淡水將TEM的熱側作為熱源去加快液體的蒸發,但是并沒有達到沸點,產生的水蒸氣較少,而且制取淡水的比能耗仍然很高。有效增大TEM冷側的散熱面積也可以增強冷側的傳熱[15],然而在現有熱電蒸餾領域中,缺乏關于溫差對熱電蒸餾系統性能影響的研究。于是,本文研究了TEM冷熱側的溫差對熱電蒸餾系統效率的影響,熱電蒸餾器利用TEM的熱側加熱自來水至沸點,同時利用TEM的冷側冷凝水蒸氣,避免了能源的浪費;將循環水與冷凝管內的水蒸氣強制換熱,以提高水蒸氣與循環水的換熱效率,進一步提高熱電蒸餾系統的蒸餾效率。

1 試驗設計

熱電蒸餾器的結構如圖1所示,熱電水蒸餾系統中的熱電蒸餾器包括1個帶散熱片的鋁散熱器,2個水冷頭和6片TEM(TEC1-12706)。鋁散熱器與TEM的熱側連接并用作蒸發器。選擇帶散熱片的鋁散熱器作為加熱部件的目的是增加傳熱的比表面積,同時鋁因為具有良好的導熱特性和經濟性,被廣泛用于傳熱設備中,它可以有效傳導TEM熱側釋放的熱量。鋁制的水冷頭與TEM的冷側連接,用于冷卻循環水。在鋁散熱片和TEM之間涂上一層銀硅脂,以確保有效接觸。TEM和鋁散熱片之間的界面也填充銀硅脂,以確保接觸表面的有效傳熱。

圖1 熱電蒸餾器的結構Fig.1 Structure diagram of thermoelectric distiller

熱電水蒸餾系統的示意圖見圖2,水在鋁散熱器中被加熱,蒸發的水蒸氣進入冷凝管。水箱放置在鋁散熱器上方,用于補充水,并確保鋁散熱器充滿水。鋁散熱器中填充了192 mL水,其長寬尺寸為40 mm×40 mm,高度為120 mm。在水蒸餾過程中,水箱中需保持2/3的自來水,留下一些空間用于水蒸氣的流動。連接水箱、泵和鋁散熱器的管道直徑為16 mm;連接水冷頭和冷凝管的管道直徑為8 mm。在試驗過程中將TEM的熱側連接到用于加熱水的鋁散熱器,可以有效促進水的蒸發。為了降低能耗,同時將TEM的冷側與水冷頭連接,水冷頭與冷凝表面積為0.128 m2的冷凝管連接。冷凝管的散熱面積是TEM冷側面積(0.009 6 m2)的13.3倍,采用冷凝管冷凝水蒸氣可以有效提高冷側的換熱效率,整個試驗過程中的循環水會吸收冷凝管中水蒸氣的熱量,進而實現水蒸氣的冷凝。

圖2 熱電水蒸餾系統的示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermoelectric distillation system

2 測試裝置

測試不同試驗參數(電壓、溫差)對系統性能的影響,試驗相關儀器的參數見表1。TEM的作用是制熱和制冷;水泵的作用是為水的循環提供動力;JK4016型多功能溫度測試儀的作用是記錄溫度,包括TEM熱側和冷側的溫度、冷凝管進出口循環水的溫度、水冷頭進出口處的溫度、錐形瓶中水的溫度和水蒸氣的溫度。

表1 試驗相關儀器的參數Table 1 Parameters of relevant experimental instruments

熱電水蒸餾系統實物圖見圖3,本試驗采用溫度測試儀記錄測溫點的溫度,漏斗用于補充蒸發的水,水箱用于保證水充滿熱電蒸餾器(包括鋁散熱器、TEM和水冷頭),水泵箱用于冷卻循環水循環,冷凝管用于冷卻蒸發的水蒸氣,錐形瓶用于收集冷凝水,熱電蒸餾器中的TEM用于提供制熱和制冷。

1—溫度測試儀;2—直流電源;3—漏斗;4—引流管;5—水箱;6—熱電蒸餾器;7—水泵箱;8—冷凝管;9—錐形瓶。

3 能效比的計算

本試驗選取的熱電模塊的型號為TEC1-12706,其相關參數見表2。

表2 熱電模塊的相關參數

TEM的塞貝克系數αm、電阻Rm和熱導率Km[16]的計算公式分別如下:

(1)

式(1)中:Umax為最大電壓;Imax為最大電流;Th為TEM的熱側溫度;ΔTmax為最大溫差。

TEM熱側和冷側的制熱量[17]、水箱與環境之間的熱傳遞和熱傳遞過程中損失熱量的計算公式分別如下:

(2)

式(2)中:qh為TEM熱側的制熱量;I為不同電壓下的相應電流;Tc為TEM的冷側溫度;qc為TEM冷側的制冷量;qL為水箱與環境之間的熱傳遞;K為絕緣材料的導熱系數,0.034 W/(m·℃);S為水箱的面積,0.072 8 m2;Ta為水箱中水的溫度;Tamb為環境溫度;L為絕緣材料的厚度,15 mm;qH為熱傳遞過程中損失的熱量。

TEM的輸入電功率

P=αmI(Th-Tc)+RmI2。

(3)

能效比(coefficient of performance,COP)可以反映TEM自身的制熱特性和制冷特性。TEM的制冷能效比θCOPc和制熱能效比θCOPh[18-19]的計算公式分別如下:

(4)

在熱電水蒸餾系統的操作中,系統的能效比(coefficient of performance of system,COPs)用輸出能量與輸入能量(提供的直流電)的比值表示。輸出能量包括水氣化過程中吸收的TEM釋放的熱量、氣化潛熱及液化過程中釋放的熱量和液化潛熱。

系統的能效比QCOPs、TEM的電功WTEM和水泵的電功Wpump的計算公式分別如下:

(5)

式(5)中:PTEM為TEM的功率;Ppump為泵的功率;t為試驗時間。

水在氣化過程中吸收的熱量QS和液化釋放的熱量QL的計算公式分別如下:

(6)

式(6)中:Cw為水的比熱容,取4.2×103J/(kg·℃);M1為達到穩定狀態后20 min內收集的水量;ΔT1為水從室溫到水蒸氣的溫差;r為水的蒸發潛熱,取2.257×103kJ/kg;M2為達到穩定狀態后20 min內收集的水量;ΔT2為水蒸氣與蒸氣液化后的溫差。

4 試驗結果分析

4.1 系統各部分的溫度和溫差

TEM冷熱側之間的溫差及水和水蒸氣的溫度隨時間的變化如圖4所示。當電壓恒定為13 V,循環水流量恒定為36 L/h時(最佳電壓的選定在后文4.2節的討論中可得,流速的選定不做討論),從圖中可以看出,TEM熱側的溫度隨時間的增加逐漸升高,直到達到107.1 ℃的穩定值。這是因為水箱中樣品水的溫度在1 800 s左右達到了沸點。TEM冷側的溫度隨時間的增加呈先降低后升高的趨勢,直到穩定在82.7 ℃。其原因是當TEM兩側有電流通過時,在帕爾貼效應下冷側的熱量被泵入熱側,導致冷側的溫度在開始時出現緩慢的下降。在蒸餾過程中,熱循環水與TEM冷側進行換熱,導致TEM冷側溫度出現逐漸升高的趨勢。在系統中,循環水吸收水蒸氣的熱量導致循環水溫度升高,升溫后的熱循環水與TEM的冷側換熱,又導致循環水溫度出現下降的趨勢。如果熱循環水不與TEM冷側進行換熱,則循環水的溫度將顯著升高,并逐漸接近水蒸氣的溫度(100 ℃)。實際上,由于系統中TEM冷側得到了有效的利用,循環水的溫度隨時間的增加出現了先降低再升高的趨勢,直到達到約88.7 ℃的穩定值;而又由于循環水和TEM冷側之間的熱交換,TEM冷側的溫度也最終達到穩定值。根據TEM的熱側和冷側的溫度變化趨勢,熱側和冷側之間的溫差出現先升高再降低的趨勢,直到達到24.4 ℃的穩定值。

圖4 TEM冷熱側之間的溫差、水和水蒸氣的溫度隨時間的變化Fig.4 Temperature difference between hot and cold sides of TEM and variation of temperature of water and water vapor with time

系統中循環水的溫度分布如圖5所示,流入和流出冷凝管及流入和流出TEM冷側的循環水溫度呈相同的趨勢。由于水蒸氣和循環水之間的熱交換,流出冷凝管的循環水溫度比流入冷凝管的循環水溫度升高了約3.4 ℃。由于循環水與TEM冷側之間的熱交換,流出TEM冷側的循環水溫度與流入TEM冷側的循環水溫度相比降低了約0.4 ℃。這表明TEM冷側的制冷特性發揮了作用。

圖5 系統中循環水的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of circulating water in the system

4.2 電壓對制冷與制熱能效比、系統能效比、蒸餾水產量和系統比能耗的影響

試驗相關參數見表3,TEM的COP在不同電壓下的變化如圖6所示。TEM的θCOPc和θCOPh隨著電壓的變化出現先升高后趨于平緩的趨勢。當電壓從11 V增加到13 V時,TEM的熱側和冷側之間的溫差從59 ℃逐漸減小到24.4 ℃,導致θCOPc和θCOPh逐漸增加。在13 V電壓下,TEM的最大COP為2.83(冷側為0.88,熱側為1.95)。當電壓從13 V增加到15 V時,流經TEM熱側和冷側的電流增加(見表3),但TEM熱側與冷側之間的溫差相對穩定,導致θCOPc和θCOPh趨于平緩。系統能效比在不同電壓下的變化如圖7所示。當電壓從11 V增加到15 V時,系統能效比呈先增加再降低的趨勢,這表明電壓對系統能效比的影響非常大。在電壓為13 V時,系統能效比達到最大值2.25。由此可見系統的最佳運行電壓為13 V。

表3 試驗相關參數Table 3 Relevant parameters of experiment

圖6 TEM的COP在不同電壓下的變化Fig.6 Variation of COP of TEM at different voltages

圖7 系統能效比在不同電壓下的變化Fig.7 Variation of COP of system at different voltages

蒸餾水的產量和系統比能耗在不同電壓下的變化如圖8所示。當電壓從11 V增加到15 V時,蒸餾水的產量提高了4.72倍(從87.4 mL/h增加到499.6 mL/h)。這是由于TEM熱側的熱量隨著電壓的增加而增加,導致蒸餾水的產量增加。當電壓從11 V增加到15 V時,系統的比能耗出現先降低后逐漸增加的趨勢,最低值為0.63 kW·h/L。這表明蒸餾1 L水所需要的最低能耗為0.63 kW·h。這遠低于現有熱電蒸餾系統比能耗(1.14 kW·h/L)[11]。

圖8 蒸餾水的產量和系統比能耗在不同電壓下的變化Fig.8 Variation of distilled water production and specific energy consumption of the system at different voltages

4.3 溫差對制熱和制冷能效比、系統能效比、蒸餾水產量和系統比能耗的影響

TEM可以看作是一個熱源熱泵,當TEM冷側的溫度升高時,TEM冷側的熱量可以被泵送到TEM的熱側,而進一步增強TEM熱側的制熱能力。TEM的COP受TEM熱側和冷側溫度的影響,而通過控制TEM的冷側溫度和循環水的溫度,可以有效地提高TEM的COP和蒸餾水的產量。

TEM的COP在不同溫差下的變化如圖9所示。當電壓為13 V時,TEM的熱側和冷側之間的溫差從73.3 ℃降至24.4 ℃,進而導致TEM熱側的COP從0.42增至1.87(提高了3.45倍),TEM冷側的COP從-0.58增加到0.88(提高了2.52倍)。可見,TEM兩側的溫差對相同電壓下的TEM的COP有顯著的影響。

圖9 TEM的COP在不同溫差下的變化Fig.9 Variation of COP of TEM at different temperature differences

系統能效比在不同溫差下的變化如圖10所示。當TEM熱側和冷側之間的溫差從73.3 ℃降低到24.4 ℃時,系統的COP從0.67增加到2.25(提高了2.36倍)。可見,減小TEM熱側和冷側之間的溫差可以顯著提高系統的COP。

圖10 系統能效比在不同溫差下的變化Fig.10 Variation of COP of system at different temperature differences

蒸餾水產量和系統比能耗在不同溫差下的變化如圖11所示。在電壓為13 V和循環水流速為36 L/h的條件下,當TEM的熱側和冷側之間的溫差從73.3 ℃降低到24.4 ℃時,蒸餾水產量從102.7 mL/h增加到400.2 mL/h。這是由于TEM冷側的溫度逐漸升高,使得更多的熱量被傳入TEM的熱側,導致蒸餾水的產量有明顯的提升。隨著TEM熱側和冷側之間溫差的減小,系統比能耗從2.17 kW·h/L降低到0.63 kW·h/L。可見,降低TEM的溫差不僅可以顯著提高水的產量,還可以降低熱電蒸餾系統的比能耗,以達到高效、節能的目的。

圖11 蒸餾水產量和系統比能耗在不同溫差下的變化Fig.11 Variation of distilled water production and specific energy consumption of system at different temperature differences

5 結 語

本研究設計并搭建了一個基于TEM的熱電蒸餾裝置,有效降低了實驗室制取蒸餾水的能耗,提高了蒸餾效率。試驗結果表明,系統比能耗受TEM兩側溫差和電壓的影響,當電壓為13 V、TEM兩側的溫差為24.4 ℃時,TEM的COP最大,為2.87,系統的COP最大,達到2.25,系統比能耗最低,為0.63 kW·h/L。利用本裝置生產蒸餾水所需要的比能耗遠低于現有熱電蒸餾系統的比能耗(1.14 kW·h/L)[11]。

相比現有的熱電蒸餾系統,本熱電蒸餾系統更節能和高效。本研究結果對今后熱電蒸餾裝置的改進有一定的指導作用。