漂浮式聚光升膜多效太陽(yáng)能蒸餾器的性能研究

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1291 文章編號(hào)：0254-0096（2023）03-0504-05

摘 要：提出一種漂浮在海面上進(jìn)行淡化產(chǎn)水的聚光升膜多效太陽(yáng)能蒸餾器，該淡化裝置包含一個(gè)拋物面聚光鏡和多個(gè)垂直布置的蒸發(fā)-冷凝單元。采用吸水芯作為蒸發(fā)器，利用毛細(xì)吸力使海水形成上升的液膜，有效減少了加熱損失。建立理論模型分析裝置內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)裝置溫度、產(chǎn)水量和比能耗的影響。室內(nèi)穩(wěn)態(tài)研究結(jié)果表明，當(dāng)太陽(yáng)輻照度為900 W/m2時(shí)，蒸餾器內(nèi)部溫差為56.9 ℃，產(chǎn)水率可達(dá)到2.64 kg/（m2·h）。在戶外平均太陽(yáng)輻照度為603.7 W/m2的條件下，裝置一天產(chǎn)水量為5.3 kg/（m2·d），日平均比能耗為1591.6 kJ/kg。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；聚光；海水淡化；蒸餾；傳熱傳質(zhì)

中圖分類號(hào)：TK519 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

預(yù)計(jì)到2030年，全世界的需水量將超過(guò)自然供水量的50%。商業(yè)化的海水淡化技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用高，同時(shí)需消耗大量的化石能源來(lái)驅(qū)動(dòng)。太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)由于具有低成本和對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景［1-4］。

為了提高海水的蒸發(fā)溫度，減少換熱損失，有學(xué)者提出與聚光鏡直接結(jié)合的淡化系統(tǒng)。祝子夜等［5］提出與復(fù)合拋物面相結(jié)合的地下嵌入式太陽(yáng)能海水淡化裝置，在800 W/m2的太陽(yáng)輻照度下，產(chǎn)水效率為45.5%；Bahrami等［6］提出一種使用拋物面碟式聚光鏡聚光加熱的太陽(yáng)能蒸餾器；葉鴻烈等［7］提出一種利用圓柱形菲涅爾透鏡直接加熱的加濕除濕系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的產(chǎn)水成本；Mu等［8］研究了一種使用點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡直接加熱的單坡度太陽(yáng)能蒸餾器，與不帶聚光鏡的盆式蒸餾器相比，日淡化速率提高了84.7%。

以上研究均有效提高了淡化裝置的產(chǎn)水速率，然而目前的聚光太陽(yáng)能海水淡化裝置還存在以下問(wèn)題：1）需配備送水管路和輸水管路，使系統(tǒng)占地面積大，建設(shè)成本高；2）聚集的太陽(yáng)能需加熱整個(gè)熱水箱內(nèi)海水，而蒸發(fā)僅發(fā)生在海水表面，導(dǎo)致太陽(yáng)能利用效率低下；3）水蒸氣凝結(jié)時(shí)的潛熱直接散失于環(huán)境中，未得到充分利用，限制了太陽(yáng)能的利用效率。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種漂浮式聚光升膜多效太陽(yáng)能蒸餾器。這種新型淡化裝置將多級(jí)蒸餾器與聚光鏡集成為一個(gè)整體，省去了換熱管路的安裝，可漂浮在海面上生產(chǎn)淡水；海水以液膜的形式被蒸發(fā)，避免了體積式加熱引起的熱容損失；豎直安裝的多級(jí)淡化單元可多次回收水蒸氣的凝結(jié)潛熱，有效提高了產(chǎn)水速率。

1 裝置組成及工作原理

漂浮式聚光升膜多效太陽(yáng)能蒸餾器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該蒸餾器主要包括拋物面聚光鏡、透光板、吸熱器和多效淡化單元。每一效淡化單元包括吸水芯、冷凝板和淡水槽。冷凝板為豎直布置，這有利于凝結(jié)的淡水在重力作用下快速滴落到下方的淡水槽內(nèi)。吸水芯下方浸沒(méi)在海水中，每一效吸水芯緊貼在上一效冷凝板的背面，吸水芯與冷凝板之間為狹窄的冷凝夾層。最后一效冷凝板伸入到海水中，使蒸餾器內(nèi)部形成較大溫差，以此強(qiáng)化水蒸氣的擴(kuò)散過(guò)程。蒸餾器的下方安裝有保溫漂浮板，起到隔熱作用的同時(shí)還可為裝置提供浮力。

裝置運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)光線穿過(guò)透明蓋板，然后被聚光鏡反射給涂有黑色涂層的太陽(yáng)能吸熱器。吸水芯利用毛細(xì)吸力持續(xù)地從下方汲取海水，使海水形成上升的液膜。吸熱器將光能吸收轉(zhuǎn)化為熱能后，加熱液膜內(nèi)的海水，產(chǎn)生的水蒸氣擴(kuò)散至冷凝夾層內(nèi)，遇到溫度較低的冷凝器時(shí)被凝結(jié)為淡水，同時(shí)釋放潛熱加熱下一級(jí)蒸發(fā)器內(nèi)的海水，直到最后一級(jí)冷凝板將熱量散失到環(huán)境中。通過(guò)對(duì)水蒸氣汽化潛熱的多次回收和利用，提高裝置的太陽(yáng)能利用率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

淡化裝置對(duì)太陽(yáng)光線采用側(cè)入射聚光，這有利于降低高度，提高裝置在海面上抵抗風(fēng)浪的能力。同時(shí)為了能使裝置接收大范圍的太陽(yáng)入射角度，采用拋物面曲線來(lái)設(shè)計(jì)聚光鏡。拋物線的幾何方程為[y=0.01173x2]，曲線輪廓圖如圖2所示，圖中[Dg]表示透光板的進(jìn)光口的寬度，[Ha]表示吸熱器的高度。聚光鏡的聚光比定義為[C=Dg/Ha]。吸熱器的垂直高度和聚光比隨進(jìn)光口寬度的變化關(guān)系如圖3所示，結(jié)果表明，隨著進(jìn)光口寬度的增加，吸熱器的高度呈非線性增加，而聚光比卻逐漸減小。吸熱器過(guò)高會(huì)因?yàn)槲镜拿?xì)吸水力不足而導(dǎo)致蒸發(fā)器上端出現(xiàn)干涸，降低太陽(yáng)能利用效率，因此考慮到吸水芯的吸水速率，最終將吸熱器的高度設(shè)定為15 cm，此時(shí)透光板寬度為32.8 cm，聚光鏡的幾何聚光比為2.38。

圖4為聚光鏡內(nèi)部的光線追跡圖，圖中[θ]表示太陽(yáng)入射角，它被定義為太陽(yáng)光線與豎直面的夾角?？煽闯觯S著光線入射角的增大，聚光鏡能接收的光線數(shù)目逐漸降低，導(dǎo)致吸熱器的有效聚光面積逐漸減少。

聚光鏡主體框架由PC材料構(gòu)成，在其反射表面貼有反射率為0.9的鋁膜。透明蓋板為厚度為2 mm，長(zhǎng)為0.4 m，寬為0.357 m的亞克力板。吸熱器表面噴涂有吸收率為0.9的選擇性吸收涂層。吸水芯使用高度為20 cm，厚度為0.3 mm的純棉纖維布。冷凝板使用高度為15 cm，厚度為0.5 mm的鋁板。冷凝夾層間距為5 mm。淡水槽寬度和高度均為4 mm，淡水槽出口外接方形橡膠管，用于引出淡水。在裝置下方貼有2 cm厚的珍珠巖棉，作為保溫漂浮板。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用鹽度為3.5%的自來(lái)水來(lái)代替海水。為了準(zhǔn)確測(cè)試裝置的工作性能，在水箱內(nèi)部、吸熱器及各級(jí)冷凝板的中心位置處安裝有K型熱電偶，所有溫度數(shù)據(jù)均由32通道數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄。使用電子秤稱量從淡水槽流出的淡水。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用人工太陽(yáng)能模擬器模擬太陽(yáng)輻照度。在戶外實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用輻射表實(shí)時(shí)記錄太陽(yáng)輻照度。各個(gè)測(cè)量設(shè)備的量程及精度如表1所示。

3 傳熱傳質(zhì)過(guò)程分析

基于所設(shè)計(jì)的蒸餾器的結(jié)構(gòu)，對(duì)其內(nèi)部的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程展開理論分析。在此做出以下假設(shè)：1）由于冷凝板和吸水芯很薄，熱阻很小，因此可認(rèn)為它們溫度相同；2）吸水芯時(shí)刻保持濕潤(rùn)狀態(tài)，無(wú)局部變干的問(wèn)題；3）裝置密封性良好，不存在氣體泄漏。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，吸熱器獲得的太陽(yáng)輻射能為：

式中：[I]——太陽(yáng)直射輻射輻照度，W/m2；[Ag]——吸熱器面積，m2；[τg]——玻璃蓋板的透光率；[ρref]——聚光鏡對(duì)太陽(yáng)光線的反射率；[αabs]——吸熱器對(duì)太陽(yáng)光線的吸收率。

下一級(jí)淡化單元獲得的能量等于上一級(jí)淡化單元輸出的能量，由式（2）表示：

式中：[Qcv，loss（i）]——每級(jí)淡化單元與外界的對(duì)流換熱損失，W；[Qrad，loss（i）]——每級(jí)淡化單元與外界的輻射換熱損失，W。

每一級(jí)淡化單元的內(nèi)部換熱包含吸水芯與冷凝腔內(nèi)氣體的導(dǎo)熱[Qcond（i）]、吸水芯與冷凝板的對(duì)流換熱[Qconv（i）]以及吸水芯蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量[Qeva（i）]，由式（3）表示：

蒸發(fā)面與冷凝腔內(nèi)氣體的導(dǎo)熱熱量為：

式中：[λa]——冷凝夾層內(nèi)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[Awc]——吸熱器的蒸發(fā)面積，m2；[Twc，i]、[TAl，i]——各級(jí)蒸發(fā)面、冷凝面的溫度，℃；[δag]——冷凝夾層的寬度，m。

吸水芯與冷凝板的對(duì)流換熱量為：

式中：[hwc-Al]——吸水芯與冷凝板間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

吸水芯內(nèi)海水的蒸發(fā)熱量為：

式中：[hfg]——水的氣化潛熱，J/kg；[me]——海水的蒸發(fā)速率，kg/s，可由式（7）計(jì)算［9］：

式中：[ρwa]——濕空氣的密度，kg/m3；[cp，wa]——濕空氣的比熱容，J/（kg·K）；[Le]——?jiǎng)⒁姿箶?shù)；[Mw]——水蒸氣的摩爾質(zhì)量，g/mol；[RM]——通用氣體常數(shù)，J/（mol·K）；[p]——對(duì)應(yīng)溫度水的飽和蒸氣壓，Pa。

使用比能耗來(lái)評(píng)估淡化裝置的太陽(yáng)能利用效率［9］，它表示裝置每生產(chǎn)1 kg淡水所需消耗的太陽(yáng)能，由式（8）表示。

式中：[Qs]——裝置獲得的太陽(yáng)輻射能，W；[Δt]——裝置的運(yùn)行時(shí)間，s；[Mf]——裝置獲得的總產(chǎn)水量，kg。

4 蒸餾器性能研究

4.1 室內(nèi)穩(wěn)態(tài)性能分析

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)裝置內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度保持恒定時(shí)即認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)下，每隔15 min對(duì)產(chǎn)水量進(jìn)行一次測(cè)量，每種工況測(cè)量4次，最后取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)模擬光源的輻照度為700 W/m2時(shí)，不同冷凝夾層間距下各效淡化單元的產(chǎn)水速率如圖5所示。由于蒸餾器側(cè)壁與外界間的換熱損失，導(dǎo)致產(chǎn)水率隨效數(shù)的增加呈指數(shù)型下降。實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果同理論計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，但產(chǎn)水量偏低，這是因?yàn)閷?shí)際過(guò)程中水蒸氣并未全部冷凝，而且淡水在流出的過(guò)程中也會(huì)帶走部分熱量。對(duì)于六效淡化裝置，前三效淡化單元的產(chǎn)水量為1.55 kg/（m2·h），占總產(chǎn)水量的79%。這說(shuō)明了合理布置效數(shù)的重要性，因?yàn)橄到y(tǒng)的淡化效數(shù)越多，所帶來(lái)的產(chǎn)水增益越小。此外，理論計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)冷凝夾層間距從5 mm增加至10 mm后，每效淡化單元的產(chǎn)水速率均會(huì)降低，而總產(chǎn)水速率降低17%。這是因?yàn)閵A層間距的增大會(huì)增加水蒸氣的擴(kuò)散阻力，降低冷凝速率。

不同太陽(yáng)輻照度下吸熱面和末級(jí)冷凝板的溫度如圖6所示，圖中[Tabs]為吸熱器的溫度，[Tcd1～Tcd6]為第1～6效的冷凝板溫度，陰影部分面積表示蒸餾器內(nèi)部的溫差。結(jié)果表明，冷凝板溫度會(huì)隨著效數(shù)的增加而降低，形成明顯的溫度梯度，這為水蒸氣的擴(kuò)散和冷凝創(chuàng)造了條件。此外，裝置內(nèi)部溫差隨著太陽(yáng)輻照度的提高而增加。當(dāng)輻照度為900 W/m2時(shí)，吸熱面與末級(jí)冷凝板間的溫差可達(dá)56.9 ℃，而它們之間的間距僅約為3 cm，實(shí)現(xiàn)了在狹窄空間內(nèi)的大溫差換熱。造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)，一是拋物面聚光鏡提高了熱能的輸入量，使蒸發(fā)面的工作溫度提高；二是末級(jí)冷凝板通過(guò)水冷的方式維持在一個(gè)較低的溫度。裝置內(nèi)部較大的溫度梯度可強(qiáng)化蒸汽擴(kuò)散過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力，從而能有效提高產(chǎn)水速率。

圖7為不同太陽(yáng)輻照度下系統(tǒng)產(chǎn)水率和比能耗的變化曲線。當(dāng)太陽(yáng)輻照度從500 W/m2增加至900 W/m2時(shí)，裝置的產(chǎn)水速率從1.27 kg/（m2·h）增加至2.64 kg/（m2·h），對(duì)應(yīng)的比能耗從1417.3 kJ/kg降低至1227.3 kJ/kg。

4.2 實(shí)際天氣下性能評(píng)估

在實(shí)際天氣下實(shí)驗(yàn)時(shí)，將裝置放置于跟蹤平臺(tái)上，以對(duì)太陽(yáng)方位角實(shí)時(shí)跟蹤。戶外實(shí)驗(yàn)測(cè)得的太陽(yáng)輻照度和瞬時(shí)產(chǎn)水量如圖8所示。測(cè)試時(shí)間為09：00—15：30，測(cè)試期間環(huán)境風(fēng)速為0.6 m/s。從圖中可看出，全天的直射輻射波動(dòng)較小，約在12：15達(dá)到最大值705 W/m2，平均太陽(yáng)輻照度為603.7 W/m2，進(jìn)入裝置內(nèi)部的輻射總量為1.17 MJ。在運(yùn)行初期，由于蒸餾器獲得的輻射能較少，因此產(chǎn)水率較低。隨著太陽(yáng)輻照度的升高，產(chǎn)水率也逐漸增加，在12：00—12：15期間達(dá)到最大值38.5 g/15 min。之后隨著太陽(yáng)輻照度的降低，產(chǎn)水率開始逐步下降。最終，在6.5 h的工作時(shí)間里，裝置累積產(chǎn)水734.8 g，日產(chǎn)水量為5.3 kg/（m2·d）。

圖9顯示了戶外全天各溫度測(cè)點(diǎn)的變化曲線。圖中Tamb表示環(huán)境溫度，Tsw表示海水溫度。測(cè)試當(dāng)天環(huán)境溫度變化范圍在20.8～31.6 ℃之間，下午溫度較高。由于淡化裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，熱惰性小，僅加熱約20 min，裝置便接近于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)吸熱器的溫度可達(dá)到69.3 ℃。之后吸熱器溫度變化與太陽(yáng)輻照度變化基本一致，呈先上升后下降的趨勢(shì)。在12：15時(shí)吸熱面溫度達(dá)到最高值87.2 ℃，此時(shí)蒸餾器內(nèi)的溫差也最大，為51.5 ℃。較大的溫差會(huì)增加傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力，因此該階段產(chǎn)水率也最高。

根據(jù)式（8），裝置的日產(chǎn)水比能耗為1591.6 kJ/kg。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用ST6型鹽度計(jì)測(cè)量所產(chǎn)出的淡水鹽度為23 mg/L，達(dá)到世界衛(wèi)生組織建議的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（lt;500 mg/L），證明了該淡化裝置運(yùn)行的可靠性。所設(shè)計(jì)的漂浮式蒸餾器為海島居民及海上工作平臺(tái)的飲用水需求提供了潛在的解決方案。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作一種可在海面上產(chǎn)水的漂浮式聚光升膜多效太陽(yáng)能蒸餾器。通過(guò)利用拋物面聚光鏡直接加熱及冷凝板強(qiáng)化散熱的方法，強(qiáng)化了水蒸氣的擴(kuò)散過(guò)程。建立理論模型用以分析多級(jí)淡化單元內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下裝置的溫度、產(chǎn)水率和效率的變化規(guī)律。具體結(jié)論如下：

1）穩(wěn)態(tài)時(shí)，各級(jí)淡化單元產(chǎn)水速率呈指數(shù)型降低；當(dāng)輻照度為700 W/m2時(shí)，前三效產(chǎn)水量占6級(jí)蒸餾器總產(chǎn)水量的79%，裝置效數(shù)越多，帶來(lái)的產(chǎn)水增益越小。

2）蒸餾器的內(nèi)部溫差和產(chǎn)水率隨著輻照度的增加而增加。在輻照度為900 W/m2的條件下，裝置內(nèi)部溫差可達(dá)到56.9 ℃，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)水率和比能耗分別為2.64 kg/（m2·h）和1227.3 kJ/kg。

3）在平均風(fēng)速為0.6 m/s，平均太陽(yáng)輻照度為603.7 W/m2的天氣下，裝置日產(chǎn)水量為5.3 kg/（m2·d），日平均比能耗為1591.6 kJ/kg。

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INVESTIGATION OF FLOATING RISING FILM MULTI EFFECTS

SOLAR STILL WITH LIGHT CONCENTRATING

Wang Lu，He Qian，Ouyang Zhiwei， Zheng Hongfei

（School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract：A concentrated multi effects solar still with rising film was proposed to desalinate on the sea. The desalination device comprises a parabolic concentrator and a plurality of vertically arranged evaporation-condensation units. A hydrophilic wick is selected as the evaporator， and seawater forms a rising liquid film under the action of capillary suction， which effectively reduces the heating loss. The internal heat and mass transfer process was analyzed through the theoretical model. The effects of different operating parameters on the temperature， water yield and specific energy consumption of the unit were studied experimentally. The indoor steady-state research results show that when the solar irradiance is 900 W/m2， the internal temperature difference of the distiller is 56.9 ℃， and the water yield can reach 2.64 kg/（m2·h）. Under the outdoor average irradiance of 603.7 W/m2， the daily water yield of the unit is 5.3 kg/（m2·d） and the daily average specific energy consumption is 1591.6 kJ/kg.

Keywords：solar energy； light concentration； desalination； distillation； heat and mass transfer