真空管集熱式加濕—除濕海水淡化系統(tǒng)性能研究

閆磊磊，季 旭，李秋玫，范全海，張世彤，于博文

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

為了解決海島飲用水匱乏的問題，近年來許多學(xué)者提出了可供家庭或船只使用的太陽能驅(qū)動(dòng)的小型海水淡化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)按照淡化原理可分為膜法、加濕除濕(HDH)法及蒸餾法三種[1]。其中，加濕除濕法具有對(duì)原水質(zhì)量要求不高、制水過程簡(jiǎn)單、可應(yīng)用于太陽能低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)和產(chǎn)品后期維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞[2-4]。

為了提高加濕除濕海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水量和性能系數(shù)，某些學(xué)者從系統(tǒng)運(yùn)行工況方面進(jìn)行相關(guān)研究。A.S. Nafey等[5]對(duì)太陽能加濕除濕海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明某天的風(fēng)量、入射的太陽能總量對(duì)系統(tǒng)的產(chǎn)水量有顯著的影響，而風(fēng)速和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響較小。CihanYlldlrlm等[6]通過模擬太陽能HDH海水淡化系統(tǒng)，得出提高空氣和海水質(zhì)量流量能夠提高淡水產(chǎn)量，但是空氣質(zhì)量流量卻有一個(gè)最佳值，一旦超過此值，空氣質(zhì)量流量與淡水產(chǎn)量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。Mostafa H. Sharqawy等[7]對(duì)真空管集熱的加濕除濕系統(tǒng)進(jìn)行了性能研究和經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明系統(tǒng)加濕器進(jìn)口海水溫度都有一個(gè)最佳的海水與空氣流量的比值，此時(shí)系統(tǒng)GOR(性能系數(shù)，下同)達(dá)到最佳值，優(yōu)化后系統(tǒng)每年最高產(chǎn)水量為19 445 L，淡水成本約為0.032 S|/L。與此同時(shí)，也有學(xué)者從余熱回收角度對(duì)傳統(tǒng)加濕除濕系統(tǒng)進(jìn)行研究。Syed M. Zubair等[8]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)余熱回收式HDH系統(tǒng)與沒有余熱回收的HDH系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明通過余熱回收可顯著提高淡水產(chǎn)率，降低淡水成本。Ali Fouda等[9]通過對(duì)HDH系統(tǒng)增加余熱回收及能量?jī)?chǔ)存的研究，得出系統(tǒng)每天的產(chǎn)水量可提高兩倍。Dahiru U.Lawal等[10]對(duì)熱泵供能的多種余熱回收式HDH系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明利用余熱回收預(yù)熱加濕器進(jìn)口空氣溫度可提高系統(tǒng)的GOR以及淡水產(chǎn)量。

由此可見，通過對(duì)加濕除濕系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化或?qū)ο到y(tǒng)的余熱回收利用進(jìn)行優(yōu)化可顯著提高系統(tǒng)性能。文章設(shè)計(jì)并搭建了一種真空管集熱式加濕—除濕海水淡化系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了性能分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為小型化太陽能海水淡化裝置的應(yīng)用提供一定參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

加濕除濕海水淡化是利用空氣作為水蒸氣的載體，其中加濕過程是空氣與水蒸氣的混合過程，而除濕過程是空氣與水蒸氣分離的過程。文章提出的真空管集熱式加濕除濕海水淡化系統(tǒng)主要由包括加濕器、除濕器、真空管集熱器、風(fēng)機(jī)盤管和水泵組成。其系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

室外空氣在風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)加熱升溫后進(jìn)入加濕器，接著與經(jīng)太陽能集熱器加熱升溫后的高溫海水直接接觸，進(jìn)行熱濕交換(空氣被加濕)，然后從加濕器出來的熱濕空氣在除濕器內(nèi)被冷凝(空氣被除濕)，從被冷凝的濕空氣中析出的淡水收集于淡水收集器內(nèi)。

系統(tǒng)所含主要部件參數(shù)如下：實(shí)驗(yàn)采用真空管集熱器參數(shù)(尺寸：58 mm×1 800 mm，總面積2.65 m2)；加濕器參數(shù)(300 mm(長(zhǎng))×400 mm(寬) ×1 000 mm(高))，加濕器內(nèi)填料為濕簾，濕簾參數(shù)(340 mm(長(zhǎng))×260 mm(寬)×100 mm(高))，相鄰兩塊濕簾間隙為100 mm，加濕器外壁附有30 mm厚的保溫材料，以減少系統(tǒng)的熱損失；除濕器主要由4個(gè)翅片式換熱器構(gòu)成，每個(gè)翅片式換熱器參數(shù)(23 mm(長(zhǎng))×36 mm(寬)×7 mm(高)) ，共3排9列，換熱面積1.7 m2。實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器和參數(shù)見表1。

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of main experimental instruments

2 系統(tǒng)能量平衡分析

基于質(zhì)量及能量守恒原理，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡分析，為了簡(jiǎn)化分析過程，特對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出以下假設(shè)：(1)整個(gè)系統(tǒng)在常壓下運(yùn)行；(2)加濕器、除濕器內(nèi)的濕空氣處于飽和狀態(tài)，空氣流量在整個(gè)循環(huán)過程中為定值。

2.1 加濕器能量平衡分析

如圖2所示根據(jù)能量平衡則有：

mswhs4-mbhs5=ma(ha3-ha2)

(1)

式中：msh、mb、ma——海水的質(zhì)量流量， kg/s，濃鹽水的質(zhì)量流量，kg/s,空氣的質(zhì)量流量，kg/s；ha3和ha2——加濕器進(jìn)出口空氣的比焓，kJ/kg；hs5和hs4——進(jìn)入加濕器的海水的比焓和加濕器內(nèi)濃鹽水的比焓，kJ/kg。

圖2 系統(tǒng)能量平衡圖Fig.2 Balance diagram of system energy

式(1)中mb計(jì)算式如下：

msw-mb=mda(d3-d2)

(2)

式中：d3——加濕器進(jìn)口空氣的含濕量，kg/kg；d2——加濕器出口空氣的含濕量，kg/kg；在總壓力一定時(shí)，濕空氣的含濕量也可用下式(3)計(jì)算：

(3)

式中：P——大氣壓，Pa；Pg——飽和濕空氣分壓，Pa；φ為空氣相對(duì)濕度。

若溫度變化范圍不大(不超過100℃時(shí))，濕空氣的比焓也可近似由下式確定

ha=(1.01+1.84da)Ta+2 500da

(4)

式中：ha——濕空氣的焓值，kJ/kg；da——濕空氣的含濕量，kg/kg；Ta——濕空氣的溫度，℃。

2.2 除濕器能量平衡分析

mw(hw2-hw1)+mfhw=ma(ha3-ha4)

(5)

mw=ma(d3-d4)

(6)

式中：mw、mf、ma——冷凝水的質(zhì)量流量、產(chǎn)生的淡水的質(zhì)量流量、干空氣的質(zhì)量流量，kg/s；d3、d4——分別為除濕器進(jìn)出口空氣的含濕量，kg/kg；ha3、ha4——分別為除濕器進(jìn)出口空氣的比焓，kJ/kg。

2.3 風(fēng)機(jī)盤管能量平衡分析

mw(hw2-hw3)=ma(ha2-ha1)

(7)

式中：ha2、ha1——分別為風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口空氣的比焓，kJ/kg；hw2、hw3——分別為進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管的冷凝水的比焓，kJ/kg。

2.4 系統(tǒng)性能參數(shù)

加濕除濕海水淡化系統(tǒng)的性能系數(shù)通常用GOR來描述，其定義為獲取的淡水所需要消耗的氣化潛熱量與輸入系統(tǒng)能量之比：

(8)

式中：mp——系統(tǒng)淡水產(chǎn)量，kg；hg——淡水的氣化潛熱，kJ/kg；Qin——輸入系統(tǒng)的能量，kJ。

3 室內(nèi)工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，首先進(jìn)行室內(nèi)條件下產(chǎn)水性能測(cè)試。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用電加熱為系統(tǒng)提供熱能，主要包括定溫測(cè)試、定流量測(cè)試及定加熱時(shí)間測(cè)試。

3.1 加濕器海水進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水率的影響

圖3為系統(tǒng)產(chǎn)水率隨溫度的變化。從圖3可以看出系統(tǒng)的產(chǎn)水率隨溫度的升高而增加，在溫度為80 ℃時(shí)，該系統(tǒng)的產(chǎn)水率為5.086 kg/h。這是因?yàn)殡S著水溫升高使得加濕器內(nèi)空氣與高溫海水的傳熱傳質(zhì)過程增強(qiáng)，出口空氣的溫度升高，進(jìn)而加濕器出口空氣的含濕量也隨之提高。

圖3 系統(tǒng)產(chǎn)水率隨海水溫度的變化Fig.3 Variation of system water yield with seawater temperature

3.2 加濕器進(jìn)口海水流量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水率的影響

圖4為系統(tǒng)產(chǎn)水率隨加濕器進(jìn)口海水流量的變化。

圖4 系統(tǒng)產(chǎn)水率隨海水流量的變化Fig.4 Variation of system water yield with seawater flow

從圖4可以看出系統(tǒng)的產(chǎn)水率隨海水流量的增加而增加，在溫度為80 ℃、流量100 L/h時(shí)，該系統(tǒng)的產(chǎn)水率為4.732 kg/h；在溫度為80 ℃、流量300 L/h時(shí)，該系統(tǒng)的產(chǎn)水率為5.419 kg/h，增長(zhǎng)率為14.5%。這是因?yàn)榧訚衿鬟M(jìn)口海水流量升高使得可加熱空氣的量也相應(yīng)提高；同時(shí)，海水流量的增加使得加濕器進(jìn)口空氣溫度也升高，進(jìn)而空氣的含濕量也相應(yīng)增加。

3.3 加熱時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響

不同加熱時(shí)間條件下加濕器進(jìn)出口溫度和0.5 h產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化如圖5a、圖5b、圖5c所示。一方面從圖5可以看出加熱初始階段，加濕器的進(jìn)/出水溫度顯著上升，此后上升幅度逐漸變緩。從圖5可以看出，加熱時(shí)間1 h、2 h、3 h對(duì)應(yīng)的加濕器最大進(jìn)水溫度分別為60.7 ℃、70.2 ℃、70.7 ℃,對(duì)應(yīng)的最大0.5 h產(chǎn)水量分別為：0.795 kg、1.522 kg、1.722 kg。當(dāng)系統(tǒng)停止供熱時(shí)，加濕器的進(jìn)/出水溫度急劇下降，然后下降速度逐漸變緩。

另一方面延長(zhǎng)加熱時(shí)間加濕器最大進(jìn)水溫度增加不明顯，特別是加熱2 h和加熱3 h的差異(表2)。這是因?yàn)殡S著加熱時(shí)間的增加，加濕器進(jìn)口水溫升高，加濕器出口空氣的溫度和含濕量也隨之增加。同時(shí)系統(tǒng)的溫度和周圍環(huán)境溫度差增加，進(jìn)而與外界的換熱也增加。這就導(dǎo)致水箱內(nèi)水溫升高緩慢。所以加熱時(shí)間3 h內(nèi)水箱溫度先增加之后逐漸穩(wěn)定在70 ℃附近。在停止供熱后沒有了能量的輸入，此時(shí)能量主要來自于海水自身的熱容，水的蒸發(fā)吸收的熱量和系統(tǒng)的熱損失很大，所以系統(tǒng)的溫度會(huì)驟然下降。隨著系統(tǒng)溫度的進(jìn)一步降低，熱損失和水的蒸發(fā)吸熱減小，這時(shí)系統(tǒng)溫度降低就會(huì)越來越慢，直到和周圍環(huán)境溫度相同，產(chǎn)水速率也會(huì)越來越慢，直到產(chǎn)水速率為零。

表2 不同加熱時(shí)間下系統(tǒng)的累計(jì)產(chǎn)水量和性能系數(shù)Tab.2 Cumulative water yield and performance coefficient of the system under different heating time

從表2可以看出隨著加熱時(shí)間的增加，系統(tǒng)累計(jì)產(chǎn)水量增加。當(dāng)加熱時(shí)間從1 h加熱到3 h，產(chǎn)水量相應(yīng)增加了6.27 kg，而系統(tǒng)的性能系數(shù)隨加熱時(shí)間的增加先增加后減小。原因主要有以下幾點(diǎn)：第一，當(dāng)溫度越高時(shí)，系統(tǒng)的溫度和周圍環(huán)境的溫差就越大，熱損失有越多；第二，是由于溫度越高，水蒸汽產(chǎn)生速率就越大，但是冷凝器的冷凝冷卻能力是有限的，當(dāng)超出冷凝器的冷凝能力范圍時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水蒸氣不能夠完全被冷凝，進(jìn)而影響產(chǎn)水量，從而系統(tǒng)的性能系數(shù)也會(huì)下降。

4 室外工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

太陽能輻照度和加濕器水溫隨時(shí)間的變化見圖6。選擇測(cè)試時(shí)間為09 ∶ 00～19 ∶ 00，其中09 ∶ 00～12 ∶ 00為真空管預(yù)熱階段，此階段系統(tǒng)沒有淡水產(chǎn)出。從圖6可以看出太陽輻照度在12 ∶ 00以后開始逐漸減小，加濕器進(jìn)出口溫度亦隨之下降。但由于保溫水箱的作用水溫基本維持在55 ℃以上。17 ∶ 00以后由于系統(tǒng)基本接收不到太陽輻照度及環(huán)境溫度的降低，加濕器進(jìn)出口水溫開始急劇下降。

圖6 太陽輻照度和加濕器水溫隨時(shí)間的變化Fig.6 Changes of solar irradiance and humidifier water temperature with time

系統(tǒng)的產(chǎn)水量和性能系數(shù)隨時(shí)間的變化見圖7。由圖7可以看出系統(tǒng)的產(chǎn)水量呈現(xiàn)出先增加后減少的現(xiàn)象。這是因?yàn)?2 ∶ 00以后系統(tǒng)開始產(chǎn)淡水，雖然此時(shí)海水的進(jìn)口水溫最高，但通入的空氣溫度較低，所以產(chǎn)水量較低，之后隨著進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管的冷凝水溫度的升高，進(jìn)入加濕器的空氣溫度出現(xiàn)升高，系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量也隨之提高。可是13 ∶ 30以后隨著太陽輻照度的降低，加濕器內(nèi)噴淋海水溫度出現(xiàn)降低，系統(tǒng)產(chǎn)水量也隨之降低。

圖7 系統(tǒng)產(chǎn)水量和性能系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of system water yield and performance coefficient with time

5 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)并搭建了一種利用真空管集熱的加濕除濕海水淡化系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了性能分析及實(shí)驗(yàn)研究，主要研究結(jié)論如下：

1)在室內(nèi)工況條件下，海水淡水產(chǎn)率隨加濕器內(nèi)的海水流量和海水溫度的增加而增加，當(dāng)海水流量300 L/h，海水溫度80 ℃時(shí)，產(chǎn)水速率為5.419 kg/h，延長(zhǎng)加熱時(shí)間系統(tǒng)總的產(chǎn)水量增加，但其性能系數(shù)隨加熱時(shí)間的增加先增加后減小；

2)在室外工況條件下，在平均太陽輻照度846 W/m2時(shí)，系統(tǒng)最大產(chǎn)水速率為2.28 kg/h，系統(tǒng)累計(jì)產(chǎn)水量為12.6 kg，系統(tǒng)的平均性能系數(shù)為0.96。