集約化多級(jí)回?zé)崾教柲芎Ｋb置

肖紅升， 劉振華， 陳振玉， 夏 寧

（1.南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226007；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；3.桑夏太陽能股份有限公司，江蘇南通226301；4.江蘇省光熱組件及控制工程技術(shù)研究中心，江蘇南通226301）

利用太陽能進(jìn)行海水淡化，其能量利用方式有2種［1］：一是利用太陽能產(chǎn)生的熱能來驅(qū)動(dòng)的海水相變（即蒸餾）；二是利用太陽能發(fā)電來驅(qū)動(dòng)的電滲析.太陽能海水淡化蒸餾裝置按有無其他外部能量加入分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2大類.主動(dòng)式裝置須使用真空泵使系統(tǒng)壓力保持負(fù)壓，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、造價(jià)昂貴、運(yùn)行復(fù)雜［2］.被動(dòng)式裝置不存在任何利用電能驅(qū)動(dòng)的元件，但傳統(tǒng)的被動(dòng)式太陽能海水淡化蒸餾裝置的產(chǎn)水量低，原因有3點(diǎn)：一是水蒸氣的凝結(jié)潛熱未被重新利用；二是傳統(tǒng)太陽能海水淡化蒸餾裝置中自然對(duì)流的換熱模式大大限制了蒸餾器熱性能的提高；三是待蒸發(fā)的海水熱容量太大，限制了運(yùn)行溫度的提高，從而減弱了蒸發(fā)的效果.被動(dòng)式裝置雖然效率比較低，但它相對(duì)主動(dòng)式裝置造價(jià)便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在小規(guī)模淡水生產(chǎn)方面具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力［3－4］.

針對(duì)現(xiàn)有太陽能海水淡化技術(shù)的不足，筆者設(shè)計(jì)了一種新穎的小型集約化的多級(jí)回?zé)崾秸婵詹ＡЧ芴柲芎Ｋb置［5］，將常規(guī)太陽能真空管集熱器和蒸發(fā)／冷凝裝置合為一體，裝置在正壓和常壓下運(yùn)行，省去真空泵，只需要一些控制閥.利用系統(tǒng)各級(jí)工作溫度的不同逐級(jí)降溫回?zé)醽砑訌?qiáng)蒸汽凝結(jié)潛熱的回收利用，提高回?zé)嵝?，從而達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高制水量和能量利用率的目的.

1 集約化多級(jí)回?zé)崾教柲芎Ｋb置的設(shè)計(jì)與工作原理

集約化多級(jí)回?zé)崾教柲芎Ｋb置（如圖1所示）由多個(gè)集熱單元組成，第一級(jí)只有集熱單元，后續(xù)的各級(jí)有集熱／回?zé)釂卧?，各?jí)間由管道串聯(lián)，末級(jí)集熱單元后面連接冷卻蒸發(fā)池.太陽能的集熱、海水的蒸發(fā)和冷凝回?zé)岫荚谌Ａд婵仗柤療峁苤羞M(jìn)行.為了加強(qiáng)對(duì)太陽能的吸收，在集熱管外面設(shè)置了簡(jiǎn)易CPC聚光板.該海水淡化裝置的第一級(jí)集熱管內(nèi)沒有套管型換熱管，后面的各級(jí)集熱管中均設(shè)有冷凝回?zé)嵊玫奶坠苄蛽Q熱管.從第二級(jí)開始，集熱器和換熱／冷凝回?zé)崞骱蠟橐惑w.

在整個(gè)裝置中，各級(jí)的集熱蒸發(fā)管內(nèi)的工作壓力通過壓力平衡管保持與對(duì)應(yīng)的各級(jí)海水箱壓力動(dòng)態(tài)相等，海水箱依靠水位差為集熱蒸發(fā)管自動(dòng)補(bǔ)充新鮮海水.海水箱為水平大口徑圓管，可以很好地維持集熱蒸發(fā)管內(nèi)的水位高度.各級(jí)海水箱內(nèi)海水由一個(gè)海水泵一次性打入，其供水機(jī)理和自來水水塔相同.最后海水箱上半部蒸汽腔裝有溢流管和限壓閥，用來控制和穩(wěn)定海水箱內(nèi)的蒸汽壓力與對(duì)應(yīng)各級(jí)集熱蒸發(fā)管內(nèi)的工作壓力相同，以此來保證海水箱能正常供水.

圖1 太陽能海水淡化裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of the solar seawater desalination system

圖2為集熱單元結(jié)構(gòu).在全玻璃真空太陽集熱管上部裝有不銹鋼絲網(wǎng)型汽液分離器，用來避免蒸汽中攜帶海水.雖然根據(jù)集熱功率和集熱面積可以推論各個(gè)換熱面上的蒸發(fā)換熱均屬于對(duì)流蒸發(fā)，不會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，但還是加裝汽液分離器以保證出水品質(zhì).

圖2 集熱單元剖視圖Fig.2 Profile of the heat collecting unit

表1給出了集熱單元各部分的主要尺寸參數(shù).每個(gè)集熱單元內(nèi)包括1個(gè)簡(jiǎn)易CPC聚光板（非追蹤式復(fù)合拋物面聚光板），1 個(gè)全玻璃真空太陽集熱管，安裝在集熱管內(nèi)的1根套管型換熱管，1個(gè)調(diào)壓閥和1個(gè)供水箱.第一級(jí)由于沒有回?zé)徇^程，集熱管內(nèi)不安裝換熱管.對(duì)裸露的管路和供水箱進(jìn)行保溫處理.

表1 集熱單元各部分幾何尺寸Tab.1 Geometric dimension for each part of the collecting unit

本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高溫集熱的核心是簡(jiǎn)易CPC聚光板.所采用的簡(jiǎn)易CPC聚光板去掉了常規(guī)的漸開線尖狀凸起，代之以平緩的弧線直接相連，同時(shí)截短了常規(guī)CPC 聚光板上部的聚光面.簡(jiǎn)易CPC 聚光板的構(gòu)造和尺寸如圖3所示.這種無漸開線尖狀凸起的簡(jiǎn)易CPC聚光板較常規(guī)的CPC 聚光板光學(xué)效率僅下降10%［6］.

圖3 簡(jiǎn)易CPC聚光板的構(gòu)造圖Fig.3 Structural diagram of the simplified CPC

對(duì)改進(jìn)型多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)（MFS－E）的研究表明：閃蒸級(jí)數(shù)、引到下一級(jí)的蒸汽占本級(jí)閃蒸蒸汽的份額（即引出份額）、級(jí)間遞減溫度是影響造水比的重要因素，增大引出份額能顯著增大造水比［7］.

在常壓下，海水的沸點(diǎn)約為100.5℃，海水蒸發(fā)約需2 281kJ／kg的熱量，蒸汽在凝結(jié)成水時(shí)可以放出同樣的熱量.淡化裝置分4級(jí)，從第一級(jí)到第四級(jí)的蒸汽壓力和對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度是逐級(jí)遞減的.第一級(jí)最高飽和蒸汽溫度設(shè)定在130 ℃，上一級(jí)集熱管中產(chǎn)生的蒸汽的溫度高于下一級(jí)10K 左右，第四級(jí)集熱管中產(chǎn)生的蒸汽的溫度約為100℃.由于各級(jí)間蒸汽溫差和壓力差的存在，上一級(jí)蒸汽自動(dòng)向下一級(jí)流動(dòng)，上一級(jí)集熱單元中產(chǎn)生的蒸汽在下一級(jí)集熱單元中被冷凝的同時(shí)，就可以把熱量傳遞給下一級(jí)中的海水使其加熱，使得高溫蒸汽的汽化潛熱被充分利用.下一級(jí)集熱管中的海水同時(shí)又受到太陽輻射加熱而蒸發(fā)，在2種熱量的加熱下，下一級(jí)將比上一級(jí)產(chǎn)生更多的蒸汽.然后下一級(jí)產(chǎn)生的蒸汽又能把熱量傳遞給再下一級(jí)的海水.理論上，如果沒有熱量損失和溫差損失，這種回?zé)釗Q熱法可使制水效率達(dá)到無窮大.從熱力學(xué)原理上講，不同的蒸汽壓力對(duì)應(yīng)著不同的飽和蒸汽溫度，實(shí)現(xiàn)多效回?zé)岬年P(guān)鍵是控制好每級(jí)回?zé)崞鞯墓ぷ鲏毫?本裝置中的各級(jí)壓力均由調(diào)壓閥控制.

各級(jí)蒸汽壓力的調(diào)節(jié)可通過2種方式實(shí)現(xiàn)：即自由壓力波動(dòng)方式和穩(wěn)定壓力設(shè)定方式.對(duì)于自由壓力波動(dòng)方式，通過調(diào)節(jié)各級(jí)調(diào)壓閥，使第一級(jí)集熱單元內(nèi)的蒸汽溫度保持在130 ℃，以后每級(jí)遞減10 K.由于第四級(jí)與大氣直接相連，故第四級(jí)的溫度在100 ℃左右，然后保持調(diào)節(jié)閥開度不再變化.此時(shí)的溫差即為各級(jí)集熱單元最大溫差，實(shí)際工作中各級(jí)蒸汽壓力和溫度會(huì)隨輻射強(qiáng)度而相應(yīng)變化.穩(wěn)定壓力設(shè)定方式是將各級(jí)的蒸汽壓力和溫度基本保持穩(wěn)定，這種方法須使用自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，使第一級(jí)集熱單元內(nèi)的蒸汽溫度保持在130 ℃，以后每級(jí)遞減10K.

2 2種蒸汽壓力調(diào)節(jié)方式的比較

2.1 壓力調(diào)節(jié)方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4（a）和圖4（b）分別給出了夏季晴天太陽輻照強(qiáng)度基本相同時(shí)，自由壓力波動(dòng)和穩(wěn)定壓力設(shè)定這2種調(diào)節(jié)方式下的海水淡化裝置各級(jí)蒸汽溫度、各級(jí)集熱單元的全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)管溫度（簡(jiǎn)稱內(nèi)管溫度）、各級(jí)集熱單元的全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)套管外管外壁面溫度（簡(jiǎn)稱套管外壁溫度）的經(jīng)時(shí)變化曲線.由圖4可以看出，在上午，2 種調(diào)節(jié)方式下各集熱單元中的存水處于加熱汽化階段，還沒有蒸汽產(chǎn)生.在10點(diǎn)左右，各級(jí)水溫達(dá)到100℃以上，水蒸氣開始產(chǎn)生.在中午時(shí)，各級(jí)壓力和溫度達(dá)到最大設(shè)定值.對(duì)于自由壓力波動(dòng)系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，各級(jí)之間的溫差和壓差不斷擴(kuò)大，這是由于在中午時(shí)太陽輻射強(qiáng)度最高，全玻璃真空太陽集熱管的集熱功率最大，產(chǎn)生水蒸氣的量最多，水蒸氣的流速大到足夠產(chǎn)生設(shè)定壓差.而當(dāng)下午太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低時(shí)，水蒸氣的流速減慢，兩級(jí)之間的壓差也就隨之減小.實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，盡管太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低，但各級(jí)間始終都能存在一定的壓差和溫差，以保證蒸汽在單元內(nèi)的冷凝回?zé)釗Q熱要求.對(duì)于穩(wěn)定壓力設(shè)定系統(tǒng)，在中午大約150 min內(nèi)各級(jí)蒸汽溫度能夠保持基本穩(wěn)定，當(dāng)下午太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低時(shí)，各級(jí)蒸汽溫度迅速降低，溫度變化與自由壓力波動(dòng)系統(tǒng)十分接近.

由圖4還可以看出，各級(jí)蒸汽和全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)管壁、套管外壁的溫差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在2～3K 左右，各蒸發(fā)傳熱面（即各級(jí)單元玻璃內(nèi)管壁和套管外壁）的最大熱流密度不超過3kW／m2，由此推算各蒸發(fā)傳熱面上的換熱模式是滿液型自然對(duì)流蒸發(fā)，海水沉浸在玻璃管內(nèi)，蒸汽只在海水液面產(chǎn)生，海水液滴攜帶量應(yīng)該遠(yuǎn)小于降膜式海水淡化器.

圖4 晴天不同壓力調(diào)節(jié)方式下各單元溫度經(jīng)時(shí)變化曲線Fig.4 Temperature variation of each unit on a sunny day by two different pressure adjusting methods

2.2 壓力調(diào)節(jié)方式對(duì)制水量的影響

圖5 給出了自由壓力波動(dòng)和穩(wěn)定壓力設(shè)定2種不同調(diào)節(jié)方式下的淡化裝置制水量.從圖5可以看出，穩(wěn)定壓力設(shè)定方式下的制水量比自由壓力波動(dòng)方式下的制水量略高一些.理論上講，采用穩(wěn)定壓力設(shè)定方式時(shí)，各級(jí)蒸汽溫度穩(wěn)定，回?zé)釡夭钶^大，回?zé)嵝矢?，基本可以穩(wěn)定在100%.而采用自由壓力波動(dòng)方式時(shí)，各級(jí)蒸汽溫度不穩(wěn)定，回?zé)嵝实鸵恍?從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用自由壓力波動(dòng)方式時(shí)制水量比采用穩(wěn)定壓力設(shè)定方式低一些，全天低10%左右.

圖5 不同壓力調(diào)節(jié)方式下系統(tǒng)的制水量Fig.5 Freshwater yield by different pressure adjusting methods

穩(wěn)定壓力設(shè)定需要昂貴的自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，而淡水制水量?jī)H高10%左右，故裝置使用自由壓力波動(dòng)調(diào)節(jié)方式性價(jià)比高，更具有可行性.

3 最高集熱溫度的選定

3.1 最高集熱溫度對(duì)制水量的影響

圖6給出了最高集熱溫度分別為130 ℃和160℃時(shí)裝置淡水制水量的經(jīng)時(shí)變化數(shù)據(jù).對(duì)應(yīng)于最高集熱溫度從高到低的變化，瞬間最大制水量分別達(dá)到2.138kg／（h·m2）和1.982kg／（h·m2），全天制水量分別達(dá)到8.246kg／m2和7.869kg／m2，最高集熱溫度為160℃時(shí)的全天制水量要比最高集熱溫度為130℃時(shí)高出4.8%.2種調(diào)節(jié)方式下的制水量相差不大，這說明本裝置的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)比較合理，在溫差較小時(shí)回?zé)嵝室廊惠^高.本裝置的回?zé)釡夭钤O(shè)計(jì)為5K，并留有一定余地.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，如果假定最高集熱溫度160℃時(shí)的全天平均回?zé)嵝蔬_(dá)到100%，則最高集熱溫度130 ℃時(shí)的全天平均回?zé)嵝士梢赃_(dá)到92%左右.

圖6 最高集熱溫度為160 ℃和130 ℃時(shí)的系統(tǒng)制水量Fig.6 Freshwater yield of the system respectively at the maximum collecting temperature of 160 ℃and 130 ℃

3.2 最高集熱溫度對(duì)裝置的影響

130 ℃的飽和蒸汽對(duì)應(yīng)的壓力為0.270 MPa，160 ℃的飽和蒸汽對(duì)應(yīng)的壓力為0.619 MPa.全玻璃真空太陽集熱管的管內(nèi)承壓為0.6 MPa，較高的集熱溫度將影響集熱管的壽命.集熱管口的內(nèi)外層為硼硅玻璃，本裝置采用橡皮塞密封連接，裝置工作過程中較高的蒸汽壓力會(huì)影響密封的有效性和增加密封部位的復(fù)雜性，故裝置設(shè)定的最高溫度優(yōu)選130 ℃.

4 裝置的性能參數(shù)

4.1 制水性能系數(shù)

海水淡化裝置的制水性能系數(shù)（Pr）是表征這類裝置總體回?zé)嵝阅艿闹匾笜?biāo)，它實(shí)際上是制水消耗總功率與外部輸入功率之比.無回?zé)釙r(shí)，Pr等于1，制水性能系數(shù)越大，表明系統(tǒng)回?zé)釗Q熱量越多.本裝置理論制水性能系數(shù)為2.5.

4.2 系統(tǒng)制水總效率

系統(tǒng)制水總效率被定義為海水淡化消耗的總功率和CPC接收太陽能輻射功率之比，由于有回?zé)嵝?yīng)，這個(gè)比值可以大于1.

式中：Gm為每秒制水量；Δh為蒸汽與過冷水間的焓差；AG為一個(gè)CPC聚光板的采光面積；n為CPC聚光板數(shù)量；Gb則代表垂直射向CPC 聚光板的太陽輻射強(qiáng)度.

圖7給出了各實(shí)驗(yàn)條件下系統(tǒng)制水總效率隨時(shí)間的變化，同時(shí)也給出對(duì)應(yīng)的太陽輻射強(qiáng)度的變化.由圖7可以看出，在初冬，系統(tǒng)的制水總效率最高可以達(dá)到0.8 左右，而在夏天系統(tǒng)的制水總效率超過1.

圖7 各實(shí)驗(yàn)條件下系統(tǒng)制水總效率隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of total system efficiency with time under different experimental conditions

5 結(jié) 論

（1）集約化多級(jí)回?zé)崾教柲芎Ｋb置的蒸汽壓力控制方式宜采用自由壓力波動(dòng)方式，其最高集熱溫度設(shè)定130 ℃.

（2）4個(gè)集熱單元組成回?zé)崾教柲芎Ｋb置（采光面積2.31m2，占地面積約2.15m2），制水量最高可達(dá)到1.982kg／（h·m2），全天制水量可達(dá)到7.869kg／m2，制水性能系數(shù)最高可達(dá)2.5左右，總效率最高可達(dá)1.35左右，系統(tǒng)集熱效率可達(dá)0.4左右.

（3）關(guān)于可能存在的海水溫度的升高致使裝置結(jié)垢和結(jié)垢后對(duì)淡化性能的影響，因?qū)嶒?yàn)時(shí)間的短期性未充分顯現(xiàn)而未述及，這是下一步將要研究的重要內(nèi)容.

［1］ 鄭宏飛，何開巖，陳子乾.太陽能海水淡化技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］ 王君，劉璐璐.新型太陽能海水淡化裝置工作原理及性能優(yōu)化［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2011，32（7）：1091－1096.WANG Jun，LIU Lulu.Working principle and performance optimization of a novel solar sea water desalination device［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2011，32（7）：1091－1096.

［3］ QIBLAWEY Hazim Mohameed，BANAT Fawzi.Solar thermal desalination technologies［J］.Desalination，2008，220（1／2／3）：633－644.

［4］ AL－HALLAJ S，PAREKH S，F(xiàn)ARID M M，et al.Solar desalination with humidification－dehumidification cycle review of economics［J］.Desalination，2006，195（1）：169－186.

［5］ 劉振華，李元陽，趙鋒，等.小型高溫多級(jí)回?zé)崾降恼婵詹ＡЧ芴柲芎Ｋb置：中國(guó)，CN103011320B［P］.2014－03－26.

［6］ 肖紅升，夏寧，嚴(yán)冬春.一種無漸開線凸起的簡(jiǎn)易CPC聚光器的設(shè)計(jì)與性能研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2015，36（1）：168－173.XIAO Hongsheng，XIA Ning，YAN Dongchun.Design and performance research of a simple non－involute convex CPC condenser［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2015，36（1）：168－173.

［7］ 王金華，胡黨輝，嚴(yán)俊杰，等.改進(jìn)型多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.動(dòng)力工程，2007，27（1）：149－152.WANG Jinhua，HU Danghui，YAN Junjie，et al.Economic analysis of an improved multi－stage flash desalination system for seawater［J］.Journal of Power Engineering，2007，27（1）：149－152.