升膜蒸發(fā)海水淡化實(shí)驗(yàn)研究?

武永賓， 李 艷， 閆 哲， 張 繼

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

全球淡水資源不足，尋找新的安全高效持久的凈水方法已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，海水資源豐富，從海水中獲取淡水資源是一種穩(wěn)定的獲取優(yōu)質(zhì)淡水的供應(yīng)途徑，并且對(duì)天然淡水生態(tài)系統(tǒng)損害較小，是解決淡水資源缺乏的最具前景的方法之一[1-2]。海水淡化理論能耗很低，目前由于技術(shù)水平實(shí)際所需能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想條件，說(shuō)明海水淡化在降低能耗方面有很大潛力[3]。蒸餾法是一類歷史悠久、種類多樣及商業(yè)價(jià)值巨大的海水淡化方法。橫管降膜蒸發(fā)是1970年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)蒸餾淡化技術(shù)。薄膜蒸發(fā)的兩側(cè)均有相變，同時(shí)傳熱管外側(cè)液體的膜狀流動(dòng)有利于蒸汽與液相盡快分離[4-5]。橫管降膜蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的主要困難是要克服噴淋管點(diǎn)狀分布帶來(lái)的膜厚不均勻問(wèn)題，維持管壁的完全濕潤(rùn)，確保加熱表面沒(méi)有干燥區(qū)。而豎管升膜海水淡化裝置，是在垂直管中蒸發(fā)的溶液從管下部進(jìn)入，在上升的過(guò)程中被加熱，形成了氣液兩相流，最后形成了環(huán)狀流動(dòng)[6-7]。豎管升膜蒸發(fā)器的特點(diǎn)是不需要把料液用泵輸送到上部，而是以加熱蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，帶動(dòng)液體上升。由于液柱的靜壓和兩相流動(dòng)的阻力，在管的下部沸點(diǎn)升高較大，因此需要提高加熱蒸汽的溫度和壓力，這是豎管升膜蒸發(fā)器的缺點(diǎn)。有文獻(xiàn)研究使管外液膜分布更薄從而獲得更高的換熱系數(shù)，Gonda[8]設(shè)計(jì)了波紋板蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)薄液膜的蒸發(fā)，Rojas[9]對(duì)管內(nèi)帶微槽的水平管進(jìn)行了升膜實(shí)驗(yàn)，獲得此類管的換熱系數(shù)分布。亦有研究者從微小尺度出發(fā)探究更高效、適用范圍更廣的海水淡化方法，Kim[10]利用微流控芯片實(shí)現(xiàn)從一個(gè)通道進(jìn)入鹽水后從兩個(gè)通道分別獲得淡水和鹽類，而Cohen-Tanugi[11]和Tofighy[12]分別以納米級(jí)通道單層石墨烯和碳納米管來(lái)實(shí)現(xiàn)海水淡化，使鹽類和淡水分離更直接徹底。

水平微槽管升膜欠熱蒸發(fā)可以強(qiáng)化傳熱[13-15],本文利用水平管升膜蒸發(fā)，基于水平管升膜使得管表面液膜更薄更均勻，省去泵送液料所需泵功的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了水平微槽管升膜蒸發(fā)海水淡化裝置，通過(guò)能效實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，獲得了不同熱流密度下升膜管外溫度分布、結(jié)晶率、淡水產(chǎn)量及淡化能耗等參數(shù)，以求利用低溫余熱水平微槽管升膜海水淡化可以產(chǎn)生較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，為升膜海水淡化的工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所謂水平管升膜蒸發(fā)就是指管底部與溶液液面相切或微微浸入時(shí)，由毛細(xì)力、潤(rùn)濕力、溫差和氣泡運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等克服重力，液體自下而上，在管壁面形成薄液膜蒸發(fā)的現(xiàn)象。單效升膜海水淡化循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1。該升膜海水淡化裝置蒸發(fā)過(guò)程平緩，無(wú)需采用傳統(tǒng)熱法蒸餾海水淡化系統(tǒng)中的捕沫器；蒸發(fā)室為直徑220 mm，長(zhǎng)度180 mm PMMA材質(zhì)的封閉筒體；水平微槽管是由304不銹鋼薄壁管加工周向微槽；內(nèi)置加熱棒，保持同心，環(huán)隙間填充高導(dǎo)熱性的金剛砂，端部采用耐高溫膠密封防止?jié)B水。不銹鋼管鎧裝K型熱電偶焊接到管壁上，并確保測(cè)溫頭全部埋入管壁中，防止測(cè)溫失準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)直接延長(zhǎng)熱電偶電極絲作為引出線，鏈接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中為防止強(qiáng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的常模噪聲誤差，需要確保熱電偶引出線遠(yuǎn)離強(qiáng)電動(dòng)力線；同時(shí)采用屏蔽接地的方法以防止真空泵等旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行而帶來(lái)的靜電噪聲的干擾。加熱管尺寸具體參數(shù)見(jiàn)表1。冷凝器中換熱盤管足夠長(zhǎng)，負(fù)壓靠真空泵獲得，真空泵流量為120 L/min。一般海水淡化鹽濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為3%～6%，本實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水和標(biāo)準(zhǔn)氯化鈉配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的鹽水代替海水。鹽水按照《電導(dǎo)率儀的試驗(yàn)溶液氯化鈉溶液制備方法GBT27503-2011》制備，并由精度為±0.5%FS電導(dǎo)儀測(cè)量其準(zhǔn)確濃度。

(1.止回閥Check valve；2.流量計(jì)Flowmeter；3.水閥Water valve；4.止回閥Check valve；5.真空泵Vacuum pump；6.冷凝器condenser；7.濃鹽水泵Concentrated brine pump；8.蒸發(fā)室Evaporation chamber；9.微槽加熱管Micro grooved heat pipe.)

2 水平微槽管管壁特性與系統(tǒng)能效實(shí)驗(yàn)

2.1 管壁溫度分布

水平管升膜海水淡化蒸發(fā)裝置是如圖2所示的結(jié)構(gòu)，水平微槽加熱管部分浸入液體，選用編號(hào)為Ⅰ和Ⅱ的兩種尺寸的加熱管分別進(jìn)行升膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)管壁溫度變化情況，分別在槽道A、B和D等位置布置多個(gè)K型熱電偶測(cè)量不同熱流密度條件下的槽道壁面平均溫度，定義水平管與液面接觸點(diǎn)與管圓心連線在豎直方向的角為液位角用符號(hào)α表示，即圖2中∠AOH=45°、∠BOH=90°和∠DOH=180°位置。其中Ⅰ和Ⅱ管參數(shù)見(jiàn)表1，熱流密度由下式求得：

(1)

圖2 蒸發(fā)室中加熱管壁面溫度測(cè)點(diǎn)位置

表1 兩種加熱管參數(shù)

Ⅰ、Ⅱ加熱管在變壓器調(diào)壓后分別在不同熱流密度條件下運(yùn)行1 h，管壁溫度分布見(jiàn)圖3：

((a)Ⅰ加熱管45°管壁；(b)Ⅱ加熱管45°管壁；(c)Ⅰ加熱管90°管壁；(d)Ⅱ加熱管90°管壁；(e)Ⅰ加熱管180°管壁；(f)Ⅱ加熱管180°管壁。(a)45° wall of tube Ⅰ；(b)45° wall of tube Ⅱ；(c)90° wall of tube Ⅰ；(d)90° wall of tube Ⅱ；(e)180° wall of tube Ⅰ；(f)180° wall of tube Ⅱ.)

圖3 Ⅰ和Ⅱ管壁不同位置不同熱流密度下平均溫度變化情況

Fig.3 TubeⅠand Ⅱvariation of average temperature at different positions of wall with different heat flux density

通過(guò)以上多個(gè)熱流密度的升膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)知道，Ⅰ加熱管和Ⅱ加熱管在微槽管管頂，管壁溫度均出現(xiàn)跳動(dòng)及持續(xù)升高，一方面是受持續(xù)電加熱影響，另一方面考慮升膜的液膜沒(méi)有到達(dá)管頂導(dǎo)致熱量堆積。Ⅰ、Ⅱ加熱管管壁溫度分布差值均隨熱流密度的增大而增大，微槽槽寬較大的Ⅱ管由低熱流密度溫差2 ℃增加到7 ℃，尤其管壁90°與180°之間的差值增加顯著，溫升受熱流密度影響敏感；Ⅰ管由初始低熱流密度時(shí)1 ℃溫差，小幅升到高熱流密度時(shí)的2 ℃溫差，溫度分布較Ⅱ管均勻。另外，理論上微槽道管升膜換熱系數(shù)與熱流密度及槽道尺寸的關(guān)系[16]：

(2)

其中：h為管外總換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ATatol為換熱面積；D為槽道深度；P為槽道節(jié)距；ΔT為過(guò)熱度；Tw為壁面溫度；T∞為環(huán)境溫度。該公式說(shuō)明微槽管的換熱系數(shù)與槽寬和溫差有直接關(guān)系。若壁面各處熱流密度qb均勻是的，蒸發(fā)率隨槽道圓心角變化[17]：

(3)

整理上式有：

(4)

其中：L為槽道斜長(zhǎng)；Ph為槽頂寬；φ為坐標(biāo)。該公式表明微槽道的換熱系數(shù)與槽道尺寸及熱流密度有關(guān)且當(dāng)汽化潛熱恒定時(shí)熱流密度越大槽道的換熱系數(shù)和蒸發(fā)率越大。由實(shí)驗(yàn)和以上公式分析知不同尺寸槽道加熱管受熱流密度影響改變管壁溫度分布，實(shí)質(zhì)就是升膜的高度和液膜的厚度對(duì)蒸發(fā)的影響。

2.2 升膜海水淡化能效測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,獲得單位質(zhì)量淡水的能耗由下式給出[18]：

(5)

其中：QH為熱源功率；mD為蒸餾水質(zhì)量；ΔTPH為預(yù)熱溫升。在27 kPa壓力下，取沸點(diǎn)升[18]ΔTBPE=1 K ，蒸發(fā)熱[19]Δhv=2 345 kJ/kg，海水比定壓熱容[20]cp=4 kJ/(kg·K)，蒸發(fā)時(shí)，液膜層中的溫度從壁面到液膜自由表面呈線性變化，壁面液膜很薄[21]，近似認(rèn)為液膜溫度即為壁面溫度。實(shí)驗(yàn)?zāi)芎闹涤上到y(tǒng)淡水產(chǎn)量與輸入能量之比所得。

表2 Ⅰ管計(jì)算條件

表3 Ⅱ管計(jì)算條件

圖4 不同熱流密度下產(chǎn)水單位能耗

由圖4可知，產(chǎn)水單位能耗實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值在不同熱流密度情況下誤差不同。能耗較低的Ⅰ微槽加熱管由低熱流密度時(shí)能耗誤差36.8%降到高熱流密度是能耗誤差9.4%，這是由于低熱流密度下，蒸發(fā)過(guò)熱度小，升膜蒸發(fā)緩慢，淡化裝置系統(tǒng)自身顯熱增加較大，導(dǎo)致蒸發(fā)較少；較大熱流密度條件下，液體過(guò)熱度較大，氣液兩相壓力差較小蒸發(fā)速率較快，系統(tǒng)很快進(jìn)入蒸發(fā)穩(wěn)定階段，蒸發(fā)量大。

結(jié)合Ⅰ、Ⅱ管管壁溫度分布與系統(tǒng)能耗實(shí)驗(yàn)可以得出同一熱流密度下，同一類型的微槽加熱管槽道位置越高的點(diǎn)壁面溫度越高；不同熱流密度下，該類型微槽加熱管壁面圓心角越大溫差越大；同一熱流密度下微槽加熱管截面尺寸越小，管壁面溫度分布越均勻，蒸發(fā)系統(tǒng)能耗越低。

Ⅰ管在最高熱流密度升膜實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用Fluke TIS45熱像儀分3個(gè)時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)淡化裝置外表面溫度分布，在系統(tǒng)啟動(dòng)5 min后開(kāi)始第一次檢測(cè)，30 min第二次檢測(cè)及60 min第三次檢測(cè)。由于端面布置進(jìn)水管、壓力表、熱電偶密封塊、出汽口、電源線進(jìn)口等，加護(hù)隔熱層困難，所以是主要檢測(cè)面。

(A. 蒸發(fā)室儀表端面開(kāi)機(jī)5 min溫度分布；B. 蒸發(fā)室儀表端面開(kāi)機(jī)30 min溫度分布；C. 蒸發(fā)室儀表端面開(kāi)機(jī)60 min溫度分布；D. 蒸發(fā)室底端面開(kāi)機(jī)5 min溫度分布；E. 蒸發(fā)室底端面開(kāi)機(jī)30 min溫度分布；F. 蒸發(fā)室底端面開(kāi)機(jī)60 min溫度分布。A. Evaporation chamber instrument meter end face 5 min temperature distribution；B. Evaporation chamber instrument meter end face 30 min temperature distribution；C. Evaporation chamber instrument meter end face 60 min temperature distribution；D. Evaporation chamber instrument end face 5 min temperature distribution；E. Evaporation chamber instrument end face 30 min temperature distribution；F. Evaporation chamber instrument meter end face 60 min temperature distribution.)

圖5 淡化裝置外表面溫度分布圖

Fig.5 Temperature pattern of Outside surface of desalination device

圖5為蒸發(fā)室兩個(gè)端面在開(kāi)機(jī)運(yùn)行5、30和60 min溫度分布情況，1 h內(nèi)平均溫度分別為50.5和40.3 ℃，由下式計(jì)算散熱損失熱量：

Ql=AdhaΔTt。

(6)

其中：Ql為散熱損失熱量；Ad為端面面積；ha為換熱系數(shù)；ΔT為換熱溫差；t為換熱時(shí)間。而ha由Nu=0.15(Ra)1/4及Nu=had/λ求得(Nu為努賽爾數(shù)，Ra為瑞利數(shù)，d為特征尺度)。通過(guò)計(jì)算端面在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的換熱量，重新求解Ⅰ管升膜淡化海水能耗的實(shí)驗(yàn)值，實(shí)驗(yàn)值與理論值誤差降低到8.1%。此次沒(méi)有分析濃鹽水的溫升帶走的能量及蒸汽被加熱損耗的能量。

2.3 管壁結(jié)晶率與熱流密度的關(guān)系

管壁結(jié)晶率就是加熱蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后加熱管外表面被氯化鈉固體覆蓋面積與加熱管外表面的比值。試驗(yàn)結(jié)束后觀察加熱管結(jié)晶情況，發(fā)現(xiàn)加熱管結(jié)晶部分從微槽底部到微槽頂端均被氯化鈉固體覆蓋，這樣微槽加熱管結(jié)晶面積問(wèn)題可以近似成光滑圓管外表面結(jié)晶面積問(wèn)題。結(jié)晶面積與加熱管外表面積之比，即為結(jié)晶面積比率。

結(jié)晶是導(dǎo)致海水淡化效率降低甚至失效的重要原因。圖6所示熱流密度在6 000 ～9 000 W/m2時(shí)，水平微槽管管外結(jié)晶面積隨著熱流密度的增大越來(lái)越小。結(jié)晶方式是從管頂部逐漸向下擴(kuò)展累積。氯化鈉結(jié)晶面積減小，是由于水平微槽管結(jié)構(gòu)自身的自潔能力和高熱流密度下流動(dòng)的連續(xù)性及低壓蒸發(fā)溶液沸點(diǎn)的改變，此外在高熱流密度條件下升膜蒸發(fā)過(guò)程中液膜蒸發(fā)后稀溶液能及時(shí)補(bǔ)充到蒸發(fā)區(qū)域，對(duì)鹽類的析出起到了抑制作用。微槽道的蒸發(fā)換熱和結(jié)晶問(wèn)題是一項(xiàng)復(fù)雜的過(guò)程，涉及槽道結(jié)構(gòu)尺寸、流體物性、流體狀態(tài)等因素，這些因素與沸騰特性的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步研究。該實(shí)驗(yàn)無(wú)捕沫器的升膜海水淡化淡水水質(zhì)的TDS(總?cè)芙夤腆w)最低可以達(dá)到24 mg/L，而一般認(rèn)為當(dāng)水中鹽分含量低于500 mg/L時(shí)是適合飲用的(見(jiàn)圖7)。

圖6 不同熱流密度下開(kāi)機(jī)運(yùn)行3 600 s后加熱管外表面結(jié)晶面面積變化情況Fig.6 The change of the surface area of the outer surface of the heating tube after 3 600 s operation under different heat flux

圖7 淡化水鹽度隨熱流密度變化情況

2.4 液位高度對(duì)蒸發(fā)能力的影響

對(duì)于低能耗的Ⅰ加熱管，分別在熱流密度6 000、7 000、8 000、9 000和10 000 W/m2下選擇18°、45°、60°和90°液位，在常壓下測(cè)試20 min升膜實(shí)驗(yàn)對(duì)鹽水的消耗量，獲得蒸發(fā)能耗數(shù)據(jù)點(diǎn)后分別用OriginPro軟件的Asymptotic(y=a-b×cx)和Allometric(y=axb)兩種方法擬合。

由圖8中所示液位角為45°時(shí)，單位質(zhì)量淡水的能耗從4 100 kJ/kg逐漸降低至3 800 kJ/kg能耗值均低于另外三個(gè)液位角相應(yīng)熱流密度對(duì)應(yīng)的能耗值；圖8a、b中擬合圖線均顯示不同液位角隨熱流密度增大能耗值減小程度不同，90°液位角能耗值變化明顯，45°液位角能耗變化程度??；對(duì)比圖8a、b ，可以發(fā)現(xiàn)擬合程度較好的圖8a中液位太大(90°)或者太小(18°)時(shí)，熱流密度對(duì)能耗的影響是非線性的。液位角直接體現(xiàn)加熱管浸入水面深度，是影響海水淡化效率的一個(gè)重要參數(shù)，浸入過(guò)少也就是液位角太小，導(dǎo)致升膜高度不夠，加熱管對(duì)空間散熱加重；浸入過(guò)多就是液位角太大則向底部溶液散熱過(guò)大，所以在升膜海水淡化中需要選取合適的浸入深度。

圖8 不同液位下蒸發(fā)能耗隨熱流密度變化情況

3 結(jié)語(yǔ)

水平微槽管升膜蒸發(fā)這類結(jié)構(gòu)在吸收制冷方面[22]已有應(yīng)用，說(shuō)明它良好的換熱節(jié)能特性。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：隨著熱流密度的增加產(chǎn)水能耗逐漸下降，實(shí)驗(yàn)淡水產(chǎn)水能耗最低測(cè)得3 631 kJ/kg，與理論值對(duì)比誤差為9.4%，通過(guò)分析系統(tǒng)散熱損失誤差降低至8.1%；相同熱流密度時(shí)微槽槽道較小時(shí)蒸發(fā)能力較高；升膜蒸發(fā)時(shí)液位不宜過(guò)高或過(guò)低，液位過(guò)低導(dǎo)致升膜高度不夠，加熱管對(duì)空間散熱加重，而液位過(guò)高則向底部溶液散熱過(guò)大，應(yīng)該選取合適的浸入深度，45°為宜；管外結(jié)晶面積隨熱流密度的增加而減少；升膜蒸發(fā)所產(chǎn)淡水鹽濃度較低。水平微槽管用于低壓海水淡化時(shí)，熱流密度越大海水濃縮倍率越大，熱能利用率越高，槽道結(jié)晶面積越小，在飽和溫度已知，設(shè)備儀器可承受的熱負(fù)荷下，適當(dāng)提高熱流密度有利于蒸發(fā)換熱，并且可以為多效低溫多效海水淡化提供參考依據(jù)。

符號(hào)說(shuō)明：

Al槽道自由液面下方的換熱面積，m2；

ATatol換熱面積, m2；

D槽道深度，mm；

h管外總換熱系數(shù)W/m2·℃；

我院2016年5月--2017年9月收治的64例行口腔修復(fù)患者,按照隨機(jī)數(shù)字表法分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,每組患者32例。實(shí)驗(yàn)組:男16例,女16例,年齡42-76歲,平均年齡(58.5±14.5)歲,病程1-5周,平均病程(2.5±0.5)周;對(duì)照組:男17例,女15例,年齡43-78歲,平均年齡(60.5±15.5)歲,病程1.5-5周,平均病程(3.25±0.75)周。將兩組患者基本資料進(jìn)行精細(xì)對(duì)比分析,差異不明顯(P>0.05),具有臨床可比性。所有患者均自愿入組并簽署知情同意書。

L槽道斜長(zhǎng)，mm；

Nu努謝爾特?cái)?shù)；

P槽道節(jié)距,mm；

Ph槽頂寬, mm；

R電阻，Ω；

Tw壁面溫度，℃；

T∞環(huán)境溫度，℃；

ΔT過(guò)熱度，℃；

U電壓，V；

φ坐標(biāo)，°；

θ0初始角，°；

λ導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃。