常澤輝,朱國鵬,李瑞晨,侯 靜,李建業(yè)
(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,呼和浩特 010051;2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太陽能應(yīng)用技術(shù)工程中心,呼和浩特 010051;3. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備與自動化工程學(xué)院,呼和浩特 010070)
生活在偏遠干旱或半干旱地區(qū)的人們由于長期得不到充足、衛(wèi)生的飲用水而引起諸多健康問題[1-2]。雖然通過打井取水可以解決飲水匱乏問題,但淺層地下水經(jīng)過巖層后多含鹽分而成為苦咸水,要想獲取高品質(zhì)地下水需要井深超過100 m[3-4]。利用苦咸水淡化技術(shù)可以對水體作進一步的提純和凈化,在滿足居民飲用水的同時,還可以用于農(nóng)業(yè)種植[5-10]和工業(yè)生產(chǎn)[11]。其中,商業(yè)化最成功的鹽水淡化技術(shù)是反滲透技術(shù)(Reverse Osmosis,RO),由于在進行鹽水分離過程中沒有發(fā)生相變而使得其能耗低于熱法苦咸水淡化技術(shù)[12],淡水制備能耗約為0.3~2.8 kW·h/m3[13]。但反滲透苦咸水淡化系統(tǒng)對電力、輸水等基礎(chǔ)設(shè)施依賴度高,不適合小型分布式苦咸水的淡化制備[14]。而太陽能苦咸水蒸餾淡化技術(shù)以其運行簡單[15]、結(jié)構(gòu)緊湊[16]、水質(zhì)良好、可就地取材、對環(huán)境污染少而受到研究人員的廣泛關(guān)注[17-21]。
Tiwari 等[22]于1988 年首次對橫管式太陽能鹽水蒸餾器設(shè)計及運行工況的影響因素展開研究,結(jié)果表明,在相同天氣條件下,橫管式太陽能鹽水蒸餾器產(chǎn)水量高于傳統(tǒng)盤式太陽能鹽水蒸餾器。隨后,Rahbar 等[23]對比測試了實際天氣條件下,三角形蓋板和橫管式太陽能鹽水蒸餾器的熱利用效率、產(chǎn)水速率隨太陽輻照度和環(huán)境溫度的變化規(guī)律,結(jié)果顯示,橫管式太陽能鹽水蒸餾器平均產(chǎn)水速率比三角形蓋板鹽水蒸餾器增加20%。Kabeel等[24]嘗試在橫管式太陽能鹽水蒸餾器冷凝筒外進行噴淋強制冷卻以提高裝置的產(chǎn)水速率,同時對裝置內(nèi)蒸發(fā)鹽水水體最優(yōu)深度進行了研究,結(jié)果表明,在最優(yōu)水體深度和噴淋水流量分別為0.5 cm、2 L/h 時,蒸餾器最大效率為54.9%,所制備淡水價格為0.019 美元/L。
為了提升管式太陽能鹽水蒸餾器產(chǎn)水性能,Elashmawy[25]就地取材,將小碎石填充到槽式拋物聚光橫管式太陽能鹽水蒸餾器接收體內(nèi)作為儲熱材料,結(jié)果表明,填充儲熱材料的蒸餾器產(chǎn)水速率為4.51 L/m2,熱效率為36.34%,分別比無填充碎石蒸餾器產(chǎn)水速率提高了14.18%和13.89%。Xie 等[26]考慮到橫管式太陽能鹽水蒸餾器具有較好的承壓能力,在實際天氣條件下,分析了裝置內(nèi)不同運行壓力對產(chǎn)水速率和效率的影響,結(jié)果表明,當蒸餾器內(nèi)工作壓力為40 kPa 時,日產(chǎn)水速率達到了6.323 kg,熱能利用效率為128%。El-Said 等[27]為了提高水體光吸收能力,在橫管式鹽水蒸餾器內(nèi)增加了多孔填充材料,同時安裝強制振動裝置以破壞鹽水表面張力提高蒸發(fā)速率和傳熱效率,結(jié)果表明,蒸餾器產(chǎn)水速率為4.2 L/m2,比傳統(tǒng)橫管式太陽能鹽水蒸餾器增加了34%。
橫管式太陽能鹽水蒸餾器多采用水槽內(nèi)水體蒸發(fā),在相同輸入熱量條件下,由于水體熱容量大,影響裝置啟動時間;蒸餾器為了防止鹽水在運行時飛濺污染淡水,對水平放置精度要求高;蒸餾器內(nèi)蒸發(fā)面與冷凝面間距受限于結(jié)構(gòu),很難做到無限接近,從而限制了傳熱熱阻和不凝氣體的減小限度[28]。
在前期研究基礎(chǔ)上[29],為了減小太陽能苦咸水蒸餾器占地面積、降低安裝難度、減小待蒸發(fā)苦咸水的熱容量及提高裝置性能系數(shù),本文設(shè)計、制作了基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器,研究了在相同輸入能量條件下,不同效數(shù)對蒸餾器單位能耗產(chǎn)水率和產(chǎn)水速率等的影響,對比分析了不同效數(shù)蒸餾器的性能系數(shù)變化規(guī)律,為小型分布式太陽能苦咸水蒸餾器的推廣應(yīng)用提供參考。
多效太陽能苦咸水蒸餾器能否得到應(yīng)用和推廣完全取決于裝置產(chǎn)水速率與噸水價格二者之間的最優(yōu)匹配,同時還需要兼顧裝置熱能利用效率、安裝操作難度、配套設(shè)施以及占地面積等因素。鑒于此,本文設(shè)計了新型基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器,利用豎管表面均布的苦咸水液膜受熱蒸發(fā)、冷凝實現(xiàn)鹽水分離,其中,四效苦咸水蒸餾器結(jié)構(gòu)如圖1 所示,實物及性能測試系統(tǒng)如圖2 所示。
圖1 基于豎管降膜的四效太陽能苦咸水蒸餾器結(jié)構(gòu) Fig.1 Schematic drawing of the four-effect solar brackish water distillation device based on vertical tube falling film
圖2 四效太陽能苦咸水蒸餾器實物及測試系統(tǒng) Fig.2 Four-effect solar brackish water distillation device and test system
四效太陽能苦咸水蒸餾器運行過程為:儲水箱中的苦咸水在重力的作用下,分別經(jīng)各效進料管進入蒸餾器內(nèi)對應(yīng)蒸發(fā)面(即冷凝筒外表面)頂端的分水器內(nèi),苦咸水從分水器上出水孔進入吸水材料中形成均勻液膜,太陽能集熱器對加熱水箱內(nèi)水體供熱,熱量傳遞給加熱水箱外表面苦咸水液膜而促使其蒸發(fā),所生成的水蒸氣在第一效冷凝套筒內(nèi)壁面凝結(jié)而成淡水,在重力作用下,淡水沿豎直冷凝筒進入淡水收集管,未蒸發(fā)的濃鹽水沿蒸發(fā)面排出裝置外,此過程中水蒸氣凝結(jié)釋放的潛熱被第二效苦咸水液膜吸收,作為第二效水蒸氣產(chǎn)生的熱源,同理,所蒸發(fā)的水蒸氣在第二效冷凝筒內(nèi)壁面生成淡水,同時釋放凝結(jié)潛熱,以此類推,各效所生成的淡水匯集在淡水收集罐內(nèi)以供使用。
與傳統(tǒng)盤式太陽苦咸水蒸餾器對比,基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器的特點包括:1)通過增加冷凝筒數(shù)量以及尺寸,可以有效增大裝置冷凝面積,加之裝置內(nèi)蒸發(fā)面積總小于冷凝面積,增強了水蒸氣傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力,有效提升裝置的產(chǎn)水速率;2)裝置采用豎管降膜蒸發(fā)、冷凝方式,所增加的吸水材料有助于破壞液膜表面張力,苦咸水液膜自身熱容量小,便于快速蒸發(fā),縮短了裝置啟動時間,增加了裝置日淡水制備運行時長;3)裝置運行簡單,可就地取材,電力驅(qū)動單元少,多效運行實現(xiàn)了水蒸氣凝結(jié)潛熱的多次利用,提高了裝置的熱能利用效率,裝置安裝占地面積需求小。
基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器結(jié)構(gòu)、材料、性能等均會對其能否在實際中應(yīng)用造成影響,通過分析蒸餾器內(nèi)水蒸氣傳熱傳質(zhì)機理,可以加深對蒸餾器運行特性的理解,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)理論參考。
四效太陽能苦咸水蒸餾器中太陽能集熱器屬于成熟技術(shù),已經(jīng)商業(yè)化,可以直接采購使用。而對苦咸水進行鹽水分離的基于豎管降膜的蒸餾器屬于本文設(shè)計、制作單元。蒸餾器主體由5 根一端封閉并作端面保溫處理的尺寸不一的不銹鋼筒組成,這組不銹鋼筒同心嵌套焊接在不銹鋼底板上,并在不銹鋼底板焊接4 根淡水收集管和四根濃鹽水排水管,裝置內(nèi)相鄰的尺寸不同不銹鋼筒之間形成了環(huán)形封閉小空間,當裝置運行時,該空間即為水蒸氣的蒸發(fā)冷凝腔。理論上水蒸氣的蒸發(fā)面與冷凝面之間的距離可以無限小,從而使得水蒸氣傳熱阻力變小和不凝氣體減少。為了便于組裝,本裝置5 根不銹鋼管設(shè)計高度分別為800、810、820、830、840 mm,直徑分別為100、140、180、220、260 mm,則裝置內(nèi)蒸發(fā)面與冷凝面間距為20 mm。其中,尺寸最小的不銹鋼筒作為加熱水箱位于裝置中心位置,內(nèi)部盛放淡水作為儲、供熱水體。
圖1 中,裝置內(nèi)各效不銹鋼筒內(nèi)表面為冷凝面、對應(yīng)的不銹鋼筒外表面為下一效的蒸發(fā)面,則各效蒸發(fā)面吸水材料中苦咸水受熱蒸發(fā)過程屬于降膜蒸發(fā)。在降膜蒸發(fā)過程中,由于沒有液體靜壓的影響,可以由較低蒸發(fā)溫度或熱流量驅(qū)動實現(xiàn)液膜表面蒸發(fā)。
加熱水箱內(nèi)水體通過熱傳導(dǎo)方式加熱其外表面苦咸水液膜,苦咸水液膜以對流和輻射的傳熱方式與蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)低溫濕空氣進行換熱。在降膜蒸發(fā)傳質(zhì)過程中,苦咸水中水分子受熱離開液膜表面與腔內(nèi)干空氣混合生成氣水二元混合氣體,液膜表面分壓力增大,水分子繼續(xù)向周圍空間擴散,導(dǎo)致苦咸水液膜中水分子持續(xù)補充,隨著傳質(zhì)過程的進行,腔內(nèi)水蒸氣含濕量和壓力逐漸升高,在溫度較低的冷凝筒內(nèi)表面凝結(jié)生成淡水,完成水蒸氣的蒸發(fā)傳質(zhì)及冷凝制水。此過程中,由于水蒸氣密度低于干空氣密度,蒸發(fā)傳質(zhì)對對流傳熱有促進作用。其他各效腔內(nèi)傳熱傳質(zhì)與此過程相同。
為了表征本文中多效太陽能苦咸水蒸餾器熱能利用效率,采用性能系數(shù)(Gain Output Ratio,GOR)對裝置內(nèi)水蒸氣凝結(jié)潛熱重復(fù)利用程度進行標定。性能系數(shù)值越大,表明在輸入相同能量前提下,熱能利用效率越大?;谡麴s器能量輸入輸出關(guān)系,穩(wěn)態(tài)運行時裝置性能系數(shù)[30]計算如下式
式中m 為蒸餾器產(chǎn)水速率,kg/h;hfg為穩(wěn)態(tài)運行工況下苦咸水的汽化潛熱,kJ/kg;Qin為輸入蒸餾器的熱量,kJ/h;P 為輸入蒸餾器電功率,W; tΔ 為加熱時間,s;i 為多效太陽能苦咸水蒸餾器的效數(shù)。
同時,本文采用單位能耗產(chǎn)水率l 標定多效太陽能苦咸水蒸餾器在輸入相同能量時,達到穩(wěn)態(tài)運行工況的裝置的產(chǎn)水能力,計算式如下[31]
圖4(a)為三地1951年—2017年的年均風速對比,三地在濕度上具有較強一致性。1980年前,上海和杭州的濕度要大于南京。自1980年以來基本相同。總體下降趨勢明顯。尤其是自21世紀以來,大氣明顯變干燥。近60年幾乎下降了10個百分點。根據(jù)圖4可以得知年均降水量并無顯著變化,而據(jù)圖2可知年均氣溫明顯上升。由此推知濕度下降與全球變暖、蒸發(fā)加劇有關(guān),同時,可能與滬寧杭三地的城市擴張也有關(guān)系。用地規(guī)模擴大,交通設(shè)施大量修建改變了下墊面性質(zhì),而植被覆蓋率的下降,則會導(dǎo)致植物蒸騰到大氣中的水分減少,大氣濕度下降。
式中q 為單位時間內(nèi)輸入蒸餾器的總能量,kJ。
對于封閉空間太陽能苦咸水蒸餾裝置,式(2)中產(chǎn)水速率可以由下式計算得到
式中hmi為各效工作介質(zhì)傳質(zhì)系數(shù),W/(m2·K);Aei為各效苦咸水液膜蒸發(fā)面積,m2;ρei為各效苦咸水液膜蒸發(fā)面的水蒸氣密度,kg/m3,ρci為各效苦咸水液膜冷凝面的水蒸氣密度,kg/m3。
考慮到基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器的結(jié)構(gòu)特點以及運行中水蒸氣熱質(zhì)傳遞特性,裝置采用不銹鋼材質(zhì),吸水材料選用棉麻自制材料。為了精確分析輸入能量對蒸餾器穩(wěn)態(tài)運行產(chǎn)水速率、性能系數(shù)等的影響機理,采用電加熱輸入代替太陽能集熱器。為了減少蒸餾器高溫運行時產(chǎn)生的管路結(jié)垢對使用效果的影響,進料苦咸水流量為0.5 kg/h,運行溫度<95 ℃。
為了對比分析效數(shù)對蒸餾器性能的影響,分別制作一效、二效、三效和四效苦咸水蒸餾器,在輸入相同電功率時,測試裝置在瞬態(tài)溫升過程、穩(wěn)態(tài)運行過程以及自然冷卻過程中總產(chǎn)水速率、各效蒸發(fā)溫度、各效冷凝溫度變化規(guī)律。溫度值由K 型熱電偶測量,測試精度為±0.5℃。在各效冷凝筒外壁面沿豎直方向布置多個熱電偶,取其平均值作為各效蒸發(fā)溫度或冷凝溫度,溫度值由多通道巡檢儀(Sin-R6000C,杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司,杭州)實時記錄,各效產(chǎn)水速率由精密電子秤(HC ES-06B,上海花潮電器有限公司,上海)測量,腔內(nèi)水蒸氣溫度變化由紅外成像儀(Ti400,福祿克電子儀器儀表公司,美國)測量,利用熱導(dǎo)儀(QTM-700,京都電子工業(yè)株式會社,日本)對材料導(dǎo)熱系數(shù)進行校核。
測試期間,溫度測試時間間隔設(shè)定為1 min,產(chǎn)水速率測試時間間隔設(shè)定為20 min。測試在溫度和空氣流速恒定的實驗室內(nèi)進行。
保持輸入功率恒定,可以對所測試的4 個蒸餾器總產(chǎn)水速率進行對比研究,探索效數(shù)對蒸餾器運行工況的影響機理。在環(huán)境溫度、進料苦咸水流量、苦咸水溫度和輸入電功率相同條件下,當裝置達到穩(wěn)態(tài)運行工況后,對4 個裝置分別斷電,測試4 個裝置各效蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及總產(chǎn)水速率隨運行時間的變化規(guī)律。如圖3所示。
從圖3 可以看出,當輸入電功率為200 W 時,一效、二效、三效和四效裝置均經(jīng)歷了瞬態(tài)溫升階段、穩(wěn)態(tài)運行階段以及自然冷卻階段。對比可以發(fā)現(xiàn),隨著苦咸水蒸餾器運行效數(shù)的增加,裝置穩(wěn)態(tài)運行溫度隨之降低,一效裝置穩(wěn)態(tài)運行溫度為93.65 ℃,比二效裝置穩(wěn)態(tài)運行溫度高5.27 ℃,比三效裝置穩(wěn)態(tài)運行溫度高10.1 ℃,比四效裝置穩(wěn)態(tài)運行溫度高9.89 ℃。其中,四效裝置總的蒸發(fā)冷凝溫差最大,達到了19.07 ℃,分別比三效裝置、二效裝置和一效裝置高6.01 、11.13 和14.97 ℃,說明四效裝置傳熱熱阻最大。
圖3 不同效數(shù)裝置內(nèi)各效溫度和產(chǎn)水速率隨運行時間變化 Fig.3 Variations of temperatures and water yield of difference effect devicess with the operation time
當裝置達到穩(wěn)態(tài)運行工況后,斷開電加熱,測試加熱水箱儲存的水體顯熱驅(qū)動裝置產(chǎn)生的淡水總量及各效溫度變化趨勢。當無輸入能量時,裝置內(nèi)各效冷凝溫度很快降低,蒸發(fā)冷凝溫差也隨之增大,隨著加熱水箱水體溫度與環(huán)境溫度差值的減小,裝置內(nèi)各效冷凝溫度減小趨勢放緩,緣于裝置運行溫度與環(huán)境溫度之差的減小導(dǎo)致水蒸氣傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力降低。在自然冷卻期間前4 h,四效裝置產(chǎn)水速率為0.307 kg/h,比三效裝置增加了39.48%。裝置產(chǎn)水速率變化趨勢也說明,對于基于豎管降膜的太陽能苦咸水蒸餾器采用多效運行,可以有效多次利用水蒸氣的凝結(jié)潛熱,從而提高裝置日產(chǎn)淡水總量和熱能利用效率。
太陽能苦咸水蒸餾器在應(yīng)用中的熱性能優(yōu)劣也將決定其在實際中能否得到推廣?;谪Q管降膜的太陽能苦咸水蒸餾器各效蒸發(fā)面液膜厚度小,即苦咸水水體熱容量小,決定了裝置運行所需輸入熱能小。對于一效、二效、三效和四效裝置,在電能持續(xù)輸入情況下,裝置單位能耗產(chǎn)水率隨運行時間變化曲線如圖4 所示。
從圖4 中可以看到,當各效裝置加熱水箱外表面液膜蒸發(fā)面積保持一致,輸入電功率為200 W 時,一效、二效、三效和四效裝置單位能耗產(chǎn)水率均隨著運行時間增加最終達到穩(wěn)態(tài),其中,四效裝置的穩(wěn)態(tài)運行單位能耗產(chǎn)水率為1.45 g/kJ,比三效裝置增加36.80%,比二效裝置增加77.78%,是一效裝置的3.79 倍。這是由于運行溫度的升高,增強了水蒸氣的傳熱傳質(zhì),促進了苦咸水液膜的蒸發(fā),裝置內(nèi)蒸發(fā)量隨之增加。
圖4 裝置單位能耗產(chǎn)水率隨運行時間變化 Fig.4 Variations of water yield per energy of devices with the operation time
為了分析效數(shù)對基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器熱能利用效率的影響,分別對一效、二效、三效和四效裝置穩(wěn)態(tài)運行時性能系數(shù)進行計算對比,如表1所示。
表1 裝置性能系數(shù)對比 Table 1 Comparations of Gain Output Ratio (GOR) of the devices
表1 數(shù)據(jù)顯示,在輸入相同電能條件下,隨著運行效數(shù)的增加,裝置性能系數(shù)得到了有效提升。四效裝置的性能系數(shù)達到了3.36,表明裝置很好地利用了水蒸氣的凝結(jié)潛熱。其中,一效裝置穩(wěn)態(tài)運行時溫度達到了93.65℃,與環(huán)境溫度差值最大,使得裝置散熱損失增大,造成了散失到環(huán)境中能量損失增大,也是其性能系數(shù)小的原因之一。
基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器從結(jié)構(gòu)、產(chǎn)水速率、熱能利用效率等方面顯示了較好的性能,但其經(jīng)濟性能否適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化尚未可知,為此,本文結(jié)合性能對多效太陽能苦咸水蒸餾器的經(jīng)濟性進行評估,考核其在推廣應(yīng)用過程中的市場前景??紤]到一效裝置產(chǎn)水速率較小,不適合推廣應(yīng)用,在此不作比較。本文僅對二效、三效和四效裝置的噸水價格和投資回收周期進行計算,3 種裝置噸水價格主要受到建造成本和運維成本等影響,根據(jù)裝置主體材質(zhì)和輔助配料的選用,二效、三效和四效裝置使用壽命約為20 a,參考呼和浩特市純凈水的市場價格(約220 元/t),則3 種裝置噸水價格、投資回收周期對比如表2 所示。
表2 裝置經(jīng)濟性分析 Table 2 Economic analysis of the devices
表2 數(shù)據(jù)顯示,多效運行對于降低裝置所制備的噸水價格,縮短投資回收周期具有積極的作用。四效裝置投資回收周期約為5.69 a,比二效裝置縮短了2.49 a?;谪Q管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器主要的應(yīng)用市場多分布在荒漠、沼澤、海島等偏遠地區(qū),在解決居民飲用淡水需求的前提下,隨著裝置應(yīng)用規(guī)模的擴大,其制取飲用水噸水售價將會進一步降低,投資回收周期也會縮短。
影響小型太陽能苦咸水淡化裝置應(yīng)用的瓶頸在于其效率低、產(chǎn)水量少,為此,本文設(shè)計、制作了基于豎管降膜的多效太陽能苦咸水蒸餾器,在實驗室內(nèi),測試了定輸入電功率運行工況下,不同效數(shù)蒸餾器的產(chǎn)水速率、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度隨運行時間的變化趨勢,對比分析了一效、二效、三效和四效裝置單位能耗產(chǎn)水率和性能系數(shù),研究了裝置噸水價格和投資回收周期隨運行效數(shù)的變化規(guī)律。
1)當輸入電功率為200 W 時,四效裝置穩(wěn)態(tài)產(chǎn)水速率為1.039 kg/h,分別比三效裝置、二效裝置和一效裝置增加了35.23%,77.79%和276.04%;當斷電進入自然冷卻階段,四效裝置在水體所儲顯熱驅(qū)動下的產(chǎn)水速率為0.307 kg/h。
2)四效裝置單位能耗產(chǎn)水率為1.45 g/kJ,比三效裝置增加36.80%,比二效裝置增加77.78%。
3)四效裝置性能系數(shù)為3.36,表明苦咸水蒸餾器多效運行過程中成功重復(fù)利用了水蒸氣的凝結(jié)潛熱。
4)四效裝置噸水價格為62.00 元,參考目前純凈水市場價格,投資回收周期為5.69 a。