太陽能溶液再生器吸熱再生性能研究

蔣 樾，陳觀生，劉良德，劉湘云，肖宏新，羅超鴻

（廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

隨著能源形勢日趨嚴峻，新能源的開發(fā)與利用得到越來越多的關注。太陽能作為新能源之一，儲量巨大且廣泛分布，收集即可利用。利用太陽能來進行溶液再生的想法多年前即被提出[1-2]。根據(jù)太陽能轉換形式的不同可將太陽能溶液再生器分為光熱式太陽能溶液再生器、光伏式太陽能溶液再生器和光熱/光伏混合式太陽能溶液再生器[3-8]。但上述類型的太陽能溶液再生器通常需要增加儲液罐、太陽能電池、電滲透再生器、輔助加熱器等設備來保證太陽能再生系統(tǒng)的正常運行，這意味著系統(tǒng)更復雜、造價更高、能耗更大[9-12]。因此，對相關設備的簡化也成為當下研究的趨勢，包括對集熱器的再設計、儲液罐的功能整合等[12-15]。而在常規(guī)太陽能集熱器中，槽式聚光集熱器因其對工質(zhì)的加熱溫度較高而被應用于太陽能溶液再生器中[16-17]。

在傳統(tǒng)的太陽能溶液再生器中，太陽能集熱器收集的熱量首先儲存在作為傳熱媒介的水里，高溫水再通過液泵輸送到儲液罐中儲存。這些高溫水通過熱交換器把熱量傳輸?shù)饺芤涸偕髦械牡蜐舛仍偕芤褐校芤褐械乃终舭l(fā)，完成再生過程。顯然，以上再生過程屬于二次換熱過程，太陽能必須經(jīng)過水作為媒介才能輸送到目標的再生溶液中去，系統(tǒng)較為復雜，不利于再生過程的進行。

為了達到簡化設備、提高吸熱再生性能的目的，本文提出了一種新型太陽能溶液再生器。該新型太陽能溶液再生器節(jié)省了儲液罐及二次換熱設備，直接將太陽能集熱器與溶液再生器連接在一起，利用槽式聚光集熱器直接加熱管內(nèi)溶液，并使溶液在溶液發(fā)生器內(nèi)汽化，完成再生過程。這樣可以簡化太陽能溶液再生裝置，增強溶液的加熱效果，達到提高溶液蒸發(fā)效率的目的。本研究在無預熱及有預熱情況下對太陽能溶液再生器的吸熱再生性能進行了實驗研究。

1 實驗裝置

實驗所用的太陽能溶液再生器主要由槽式聚光集熱器、溶液發(fā)生器、液泵、流量計、三通閥等構成，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示，實驗裝置圖如圖2所示。

圖 1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System schematic diagram

圖 2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup diagram

1.1 太陽能溶液再生器

太陽能溶液再生器的關鍵系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表 1 太陽能溶液再生器系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The specifications of solar regenerator

1.2 實驗測試系統(tǒng)

本實驗利用槽式集熱器對循環(huán)回路中的溴化鋰溶液進行加熱，并使其在溶液發(fā)生器中蒸發(fā)，完成溶液再生過程。為了記錄實驗過程中的各項參數(shù)變化，在太陽能溶液再生器的各部分位置設置了多種測量儀器，其主要參數(shù)情況如表2所示。

表 2 測量儀器系統(tǒng)參數(shù)Table 2 The specifications of testing system

5個K型熱電偶分別布置在如圖1所示的位置中，分別用于測量太陽能溶液再生器中的集熱器進口溫度tin、集熱器出口溫度tout、溶液發(fā)生器溫度ts1、ts2和ts3，其中定義溶液發(fā)生器的溫度ts為ts1、ts2和ts3的平均值。除此外還有1個熱電偶放置在空氣中測量環(huán)境溫度ta。所有的溫度數(shù)據(jù)都傳輸?shù)絋P700多路數(shù)據(jù)采集儀中保存。而放置在實驗臺附近的太陽直射儀用于采集實時太陽直接輻射強度。

本研究的實驗地點為廣東工業(yè)大學工學三號館樓頂，實驗所用的槽式集熱器為南北軸向放置于樓頂，所用溴化鋰溶液質(zhì)量分數(shù)為40%，實驗過程中的流量穩(wěn)定在0.1 L/min，溫度、太陽直接輻射強度由相應儀器自動記錄，同時每半小時讀取一次溶液發(fā)生器上的刻度值記錄溶液蒸發(fā)量。實驗時間為8:30～16:30。

1.3 實驗誤差分析

采用Kline[18]的不確定性分析方法對實驗中的蒸發(fā)效率進行誤差分析。在太陽能溶液發(fā)生器吸熱實驗過程中，熱電偶測溫、流量計測流量及太陽直射儀測輻射強度可以作為3個主要的不確定性變量。根據(jù)相關分析，熱電偶測溫的不確定度為2%，流量計測流量的不確定度為4%，太陽直射儀測輻射強度不確定度為1%，其總體的蒸發(fā)效率不確定度為4.6%。通過至少3次以上重復測試表明，實驗系統(tǒng)的不確定度均在可以接受的范圍內(nèi)。

2 實驗結果及分析

2.1 計算公式

槽式集熱器所吸收的太陽能由直射輻射強度以及集熱面積求得，如式(1)所示。

其中ΦI為集熱器所吸收的太陽能，W； q 為直射輻射強度，W/m2； A 為集熱面積，m2。溴化鋰溶液所吸收的顯熱為

其中C是溴化鋰溶液的比熱容，J/(kg·℃)；M是質(zhì)量流量，kg/s；?t=tout?tin。水蒸發(fā)所需要的潛熱為

其中 ?m代表單位時間溶液蒸發(fā)質(zhì)量，g；m代表溶液總質(zhì)量，g，τ為記錄時間間隔，s；ΦE為水蒸氣所需要的潛熱，W；ΦW為水的汽化潛熱， J/kg。溴化鋰溶液所吸收的全熱為

其中ΦT為溶液所吸收的全熱，W。水的蒸發(fā)速率為

其中v為水的蒸發(fā)速率，g/min。系統(tǒng)的蒸發(fā)效率 ηs為

2.2 結果分析

2.2.1 無預熱實驗

于2019年3月17日進行了無預熱過程實驗，溴化鋰溶液從室溫開始接受槽式集熱器加熱，其相關數(shù)據(jù)記錄在圖3(a)～圖3(f)中。

圖3(a)是第1次實驗的環(huán)境溫度ta和直射輻射強度q 隨時間的變化曲線。圖3(b)中記錄了實驗系統(tǒng)中各位置溫度隨時間變化曲線，可以看出實驗系統(tǒng)整體溫度都在隨時間升高，但溫升速率較低，以至于經(jīng)過1 d的日曬，各位置溫度都不超過86 ℃。圖3(c)則展示了蒸發(fā)速率v和溶液發(fā)生器溫度ts隨時間變化的曲線，由于溶液發(fā)生器溫度在1 d內(nèi)都沒有超過100 ℃，導致了溴化鋰溶液的蒸發(fā)速率v一直保持較低水平。圖3(d)記錄了溶液總質(zhì)量m和溶液質(zhì)量分數(shù) ζ 時間變化曲線，其溶液總質(zhì)量由最初的12 000 g下降到11 104 g，質(zhì)量濃度由40%上升到43.2%，由此可見其蒸發(fā)量較少。

圖 3 無預熱實驗數(shù)據(jù)Fig.3 Data of the experiment without pre-heating

圖3(e)計算了熱量隨時間變化的曲線，圖3(f)表示蒸發(fā)效率ηs和溶液發(fā)生器溫度ts隨時間變化的曲線。顯然可見，較低的潛熱量以及溶液發(fā)生器溫度直接影響了整個太陽能溶液再生器的蒸發(fā)效率ηs，導致其日均蒸發(fā)效率ηs只有0.049。

結合上述圖表的分析，發(fā)現(xiàn)在實驗過程中，由于溴化鋰溶液是從環(huán)境溫度開始升溫的，溫升緩慢，以至于1 d內(nèi)溶液發(fā)生器溫度尚未提升到86 ℃，而水在100 ℃以上才有較高蒸發(fā)量。為了進一步提高溶液的蒸發(fā)效率，進行了有預熱的實驗，利用加熱器將溶液發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰溶液預熱至90 ℃，然后關閉加熱器，開始后續(xù)循環(huán)實驗。

2.2.2 有預熱實驗

于2019年3月19日進行有預熱過程實驗。溴化鋰溶液從8:00開始預熱，約在8:28達到90 ℃，此時關閉電加熱器，轉入太陽能加熱過程，其相關數(shù)據(jù)記錄在圖4(a)～圖4(f)中。

圖 4 有預熱實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Data of the experiment with pre-heating

圖4(a)是環(huán)境溫度ta和直射輻射強度q 隨時間變化的曲線。而圖4(b)所示的溫度變化曲線則與圖3(b)截然不同，在預熱的作用下，溶液溫度ts在起始階段就達到了90 ℃附近，并在日照下，1 d內(nèi)大部分時間維持在100～105 ℃。圖4(c)中顯示溴化鋰溶液能在1 d內(nèi)都保持較高水平的溶液溫度ts以及蒸發(fā)速率v。由此可見，溶液溫度ts與蒸發(fā)速率v呈現(xiàn)正相關。圖4(d)記錄了溶液總質(zhì)量m和溶液質(zhì)量分數(shù) ζ 隨時間變化的曲線，其溶液總質(zhì)量由最初的12 000 g下降到7 859 g，質(zhì)量濃度由40%上升到61.1%，與圖3(d)相比，蒸發(fā)量有較為明顯的改進。

輻射熱ΦI、總熱ΦT、顯熱ΦS以及潛熱ΦE隨時間變化的曲線如圖4(e)所示。得益于預熱帶來的高蒸發(fā)速率v，圖4(e)所示的潛熱ΦE顯著高于圖3(e)的。其余熱量則在2 d中保持大體一致的水平。

通過圖4(f)可以得出，第2次實驗的日均蒸發(fā)效率ηs為0.186，是第1次實驗的3.8倍。由此可以得出推論：實驗臺采用預熱的方式后，其蒸發(fā)效率ηs比不采用預熱有明顯提高。

3 結論

本實驗利用槽式集熱器對循環(huán)回路中的溴化鋰溶液進行加熱，并使其在溶液發(fā)生器中蒸發(fā)，完成溶液再生過程。具體而言是研究了溴化鋰溶液所體現(xiàn)的吸熱升溫及汽化特性，獲得了無預熱及有預熱的情況下實驗系統(tǒng)內(nèi)溴化鋰溶液的相關結果。

結果表明，再生器內(nèi)的溴化鋰溶液具有較為理想的吸熱能力，升溫速率快，能夠連續(xù)而且穩(wěn)定地產(chǎn)生蒸汽，特別是在利用了預熱方式后，溴化鋰溶液汽化效果更為明顯，其日均蒸發(fā)效率可達0.186，是不進行預熱情況下的3.8倍。兩次獨立實驗的對比驗證了加入預熱過程能使溶液蒸發(fā)效率得到較大提升，這為以后在同類實驗中利用預熱手段提升溶液蒸發(fā)效率提供了依據(jù)。