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    室外環(huán)境參數(shù)對(duì)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的影響

    2023-05-13 07:01:24稔,強(qiáng),
    煤氣與熱力 2023年5期
    關(guān)鍵詞:苦咸水濕簾產(chǎn)水量

    江 稔, 李 強(qiáng), 郭 峰

    (山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)

    1 概述

    隨著人口增長(zhǎng)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展,水資源短缺問(wèn)題普遍得到世界各國(guó)矚目[1-2]。其中,農(nóng)業(yè)用水量占比較大,尤其在干旱地區(qū),農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%[3]。因此,如何解決農(nóng)用灌溉用水與淡水短缺之間的矛盾日益被人們重視。溫室大棚作為一種低成本的節(jié)能節(jié)水裝置,不僅能通過(guò)減少作物蒸騰量來(lái)節(jié)省灌溉用水,而且還能實(shí)現(xiàn)作物種植的增量增產(chǎn),成為近年來(lái)可持續(xù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。

    為了進(jìn)一步減少干旱地區(qū)溫室種植業(yè)的水資源消耗,相關(guān)學(xué)者基于加濕-除濕技術(shù),提出了“海水溫室”概念[5],能夠在淡水短缺或苦咸水居多的地方提供灌溉用水,并于1994年成功進(jìn)行了項(xiàng)目試點(diǎn)[6]。之后,諸多學(xué)者開始對(duì)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬研究。通過(guò)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)研究,得到溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水量受到太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫濕度、送風(fēng)量、溫室結(jié)構(gòu)、加濕除濕裝置運(yùn)行參數(shù)的影響,且這些影響之間相互耦合[7-8]。因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)很難得到運(yùn)行參數(shù)對(duì)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)性能的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的有效方法。

    Davies等最早建立溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[9],但由于模型未考慮溫室內(nèi)作物蒸騰等影響,且假定二級(jí)濕簾加濕后的相對(duì)濕度為95%,導(dǎo)致模擬結(jié)果誤差較大。為了更快速地預(yù)測(cè)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能,相關(guān)學(xué)者基于數(shù)值模擬建立產(chǎn)水量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[10-11],但受限于溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同,相關(guān)的關(guān)聯(lián)式均不具有普適性。為了進(jìn)一步優(yōu)化溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能,Ehteram等[12]與Zarei等[4]通過(guò)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到當(dāng)溫室寬125 m、長(zhǎng)200 m、蒸發(fā)器高4 m時(shí)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)性能最佳。此外,通過(guò)模擬濕空氣在不同結(jié)構(gòu)冷凝器中的冷凝傳熱過(guò)程,Zamen等[5]證明了使用直接接觸式冷凝器比間接式冷凝器更能夠提高產(chǎn)水量。

    綜上所述,目前對(duì)于溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的研究忽略了室內(nèi)作物的蒸騰作用,且未分析室外環(huán)境參數(shù)對(duì)產(chǎn)水量的影響。因此,本文建立了溫室淡化系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,分析產(chǎn)水量與室外環(huán)境參數(shù)的關(guān)系,以期對(duì)溫室淡化系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支持。

    2 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)描述

    “海水溫室”就是利用濕空氣加濕、除濕來(lái)產(chǎn)生淡水,其主要設(shè)備由2個(gè)濕簾、1個(gè)冷凝器、離心泵和引風(fēng)機(jī)等組成[13]。溫室為半圓拱型,均采用高透光的PO薄膜。溫室苦咸水淡化系統(tǒng)流程見圖1。

    圖1 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)流程

    通過(guò)離心泵抽取苦咸水箱中溫度為20 ℃的苦咸水,由電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)調(diào)控離心泵轉(zhuǎn)速,保證冷凝器苦咸水入口位置6始終保持苦咸水質(zhì)量流量為3 kg/s,苦咸水進(jìn)入冷凝器管內(nèi),吸收濕空氣在冷凝器管外放出的顯熱和潛熱后,溫度升高3~8 ℃,從冷凝器出口7處離開。冷凝器管外產(chǎn)生的冷凝水從位置12處進(jìn)入淡水箱,淡水箱裝有液位計(jì),通過(guò)讀取液位高度計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)淡水量。之后,冷凝器出口的苦咸水在電磁閥的調(diào)控下,分兩路從位置8和位置9處分別進(jìn)入二級(jí)濕簾、一級(jí)濕簾對(duì)空氣進(jìn)行加濕,苦咸水蒸發(fā)升溫0~2 ℃后從位置11和位置10處由管道返回苦咸水箱。通過(guò)補(bǔ)水控制苦咸水箱中的苦咸水溫度,實(shí)現(xiàn)持續(xù)循環(huán)。

    為了方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算分析,水管路連接設(shè)備的接口處應(yīng)設(shè)有溫度計(jì),圖中位置1~5處均設(shè)置溫濕度傳感器,一級(jí)濕簾入口設(shè)有風(fēng)速測(cè)量?jī)x。

    在引風(fēng)機(jī)作用下,溫度為28~38 ℃、相對(duì)濕度為30%~60%的室外空氣從位置1處進(jìn)入一級(jí)濕簾,通過(guò)入口處的風(fēng)速測(cè)量?jī)x調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而根據(jù)一級(jí)濕簾迎風(fēng)斷面積計(jì)算出空氣的質(zhì)量流量。20 ℃的苦咸水使空氣加濕降溫為溫度為26~32 ℃、相對(duì)濕度為65%~85%的濕空氣,從位置2處進(jìn)入溫室種植區(qū),帶走溫室種植區(qū)的熱量,并進(jìn)一步吸收植物蒸騰作用釋放的水蒸氣,變成溫度為29~34 ℃、相對(duì)濕度為60%~80%的濕空氣,此時(shí)位置3處的濕空氣能夠容納更多的水蒸氣。濕空氣在二級(jí)濕簾的作用下進(jìn)一步加濕,成為溫度為25~30 ℃、相對(duì)濕度為90%~100%的近飽和濕空氣,從位置4處進(jìn)入冷凝器。最后,近飽和的濕空氣與冷凝器管內(nèi)的苦咸水換熱,變成溫度為23~28 ℃、相對(duì)濕度為90%~100%的空氣,從位置5處由引風(fēng)機(jī)排至室外,而在冷凝器管外凝結(jié)出淡水。典型工況條件系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)見表1。

    表1 典型工況條件系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化

    3 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)模型

    ① 模擬假設(shè)

    為了評(píng)估系統(tǒng)的性能,基于能量和質(zhì)量守恒定律列出子系統(tǒng)的平衡方程,并作如下假設(shè)[5,14-16]。

    a.濕簾中熱質(zhì)傳遞僅發(fā)生在空氣與水之間,且空氣不會(huì)加濕到過(guò)飽和狀態(tài);

    b.空氣-水界面的溫度等于進(jìn)出口水的平均溫度;

    c.假定土壤層絕熱,忽略土壤表面的水分蒸發(fā);

    d.冷凝器中,空氣與水流動(dòng)的交叉方式近似視為全逆流方式;

    e.假定冷凝器出口空氣相對(duì)濕度為95%,出口空氣溫度等于凝結(jié)淡水溫度。

    ② 控制方程[15]

    將溫室苦咸水淡化系統(tǒng)分成加濕、溫室和除濕等子系統(tǒng),根據(jù)熱質(zhì)平衡方程分別得出子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,溫室苦咸水淡化系統(tǒng)計(jì)算流程見圖2。

    圖2 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)計(jì)算流程

    a.一級(jí)濕簾

    一級(jí)濕簾的熱質(zhì)平衡方程為:

    qm,ah1+qm,9h9=qm,ah2+qm,10h10

    (1)

    qm,ad1+qm,9=qm,ad2+qm,10

    (2)

    式中qm,a——室外空氣中干空氣的質(zhì)量流量(簡(jiǎn)稱室外干空氣質(zhì)量流量),kg/s

    h1——一級(jí)濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

    qm,9——一級(jí)濕簾入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h9——一級(jí)濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

    h2——一級(jí)濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

    qm,10——一級(jí)濕簾出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h10——一級(jí)濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

    d1——一級(jí)濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

    d2——一級(jí)濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

    一級(jí)濕簾的傳熱傳質(zhì)關(guān)系見文獻(xiàn)[15]。

    b.溫室種植區(qū)

    溫室種植區(qū)的熱質(zhì)平衡方程為:

    qm,ah2+(1-φp)EτA=

    qm,ah3+KAc(tave,shi-t1)+Φ+

    (3)

    Tsky,k=0.055 2(t1+273.15)1.5

    (4)

    (5)

    式中φp——作物冠層的短波反射率,取0.25

    E——太陽(yáng)輻照度,kW/m2

    τ——薄膜透過(guò)率,取0.82

    A——作物種植面積,m2

    h3——二級(jí)濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

    K——薄膜傳熱系數(shù),W/(m2·K),取7 W/(m2·K)

    Ac——薄膜傳熱面積,m2

    tave,shi——溫室種植區(qū)內(nèi)平均溫度,℃,取溫室種植區(qū)入口溫度t2和溫室種植區(qū)出口溫度t3的平均值

    t1——室外空氣溫度,即一級(jí)濕簾入口空氣溫度,℃

    Φ——作物蒸騰散熱量,kW,采用彭曼公式[17]計(jì)算

    fv——長(zhǎng)波輻射系數(shù),取0.81

    σ——斯忒藩-玻耳茲曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)

    εs——作物葉表面發(fā)射率,取0.98

    Tave,shi,k——溫室種植區(qū)內(nèi)平均熱力學(xué)溫度,K

    Tsky,k——天空有效溫度,K

    r——汽化潛熱,kJ/kg,取2 500 kJ/kg

    d3——二級(jí)濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

    c.二級(jí)濕簾

    二級(jí)濕簾的熱質(zhì)平衡方程為:

    qm,ah3+qm,8h8=qm,ah4+qm,11h11

    (6)

    qm,ad3+qm,8=qm,ad4+qm,11

    (7)

    式中qm,8——二級(jí)濕簾入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h8——二級(jí)濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

    h4——二級(jí)濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

    qm,11——二級(jí)濕簾出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h11——二級(jí)濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

    d4——二級(jí)濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

    二級(jí)濕簾的傳熱傳質(zhì)關(guān)系見文獻(xiàn)[15]。

    d.冷凝器

    冷凝器的熱質(zhì)平衡方程為:

    qm,ah4+qm,6h6=qm,ah5+qm,7h7+qm,12h12

    (8)

    qm,ad4=qm,ad5+qm,12

    (9)

    qm,6=qm,7

    (10)

    式中qm,6——冷凝器入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h6——冷凝器入口苦咸水的比焓,kJ/kg

    h5——冷凝器出口空氣的比焓,kJ/kg

    qm,7——冷凝器出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

    h7——冷凝器出口苦咸水的比焓,kJ/kg

    qm,12——冷凝水的質(zhì)量流量(簡(jiǎn)稱產(chǎn)水量),kg/s

    h12——冷凝淡水的比焓,kJ/kg

    d5——冷凝器出口空氣的含濕量,kg/kg

    關(guān)于冷凝器的傳熱關(guān)系式見文獻(xiàn)[15]。

    4 結(jié)果與討論

    4.1 模型驗(yàn)證

    采用文獻(xiàn)[15]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)濕簾、溫室種植區(qū)和冷凝器等子系統(tǒng)模型中出口空氣的溫度和含濕量進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明濕簾模型的溫度模擬值的相對(duì)偏差為3.96%~5.88%,含濕量模擬值相對(duì)偏差為0.43%~4.39%;溫室種植區(qū)模型溫度模擬值的相對(duì)偏差為-3.04%~1.47%,含濕量相對(duì)偏差范圍為-7.12%~0.52%;冷凝器模型的溫度模擬值相對(duì)偏差為-1.05%~2.22%,含濕量相對(duì)偏差為-2.46%~1.26%。綜上,模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差低于15%,本文所建立的數(shù)學(xué)模型可以有效預(yù)測(cè)溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的熱濕傳遞性能。

    4.2 產(chǎn)水量與室外參數(shù)的關(guān)系

    本研究使用前文所建立并驗(yàn)證的模型,利用Matlab軟件編寫程序進(jìn)行仿真模擬,模型模擬參數(shù)及邊界條件設(shè)置見表2。在溫室種植區(qū)環(huán)境滿足作物生長(zhǎng)所需的允許溫濕度范圍時(shí)(溫度不超過(guò)33 ℃,相對(duì)濕度不超過(guò)90%),本研究主要關(guān)注室外環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水量的影響。其中,冷凝器作為溫室淡化系統(tǒng)產(chǎn)水的核心部件,在冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻水流量和溫度已定的情況下,產(chǎn)水量主要取決于冷凝器入口前空氣的狀態(tài)參數(shù)。下文將重點(diǎn)分析室外環(huán)境參數(shù)引起的產(chǎn)水量變化。

    表2 模型模擬參數(shù)及邊界條件設(shè)置

    4.2.1太陽(yáng)輻照度對(duì)產(chǎn)水量的影響

    當(dāng)室外空氣溫度為34 ℃,相對(duì)濕度為45%,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時(shí)產(chǎn)水量與太陽(yáng)輻照度關(guān)系見圖3。

    由圖3可以看出,室外干空氣質(zhì)量流量一定的條件下,產(chǎn)水量隨著太陽(yáng)輻照度增加而增加。其原因在于,室外太陽(yáng)輻射熱最終轉(zhuǎn)化為溫室內(nèi)空氣的顯熱和作物蒸騰水分的潛熱,空氣需要帶走室內(nèi)的余熱余濕,其溫度升高,含濕量增加。當(dāng)空氣在進(jìn)入二級(jí)濕簾時(shí),空氣的容水能力增加,最終使冷凝器入口前空氣的溫濕度相對(duì)較高,產(chǎn)水量增加。

    圖3 產(chǎn)水量與太陽(yáng)輻照度的關(guān)系

    隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量逐漸減小,且隨著太陽(yáng)輻照度增加,由室外干空氣質(zhì)量流量增加引起產(chǎn)水量負(fù)面效應(yīng)逐漸顯著。這是因?yàn)樵诘吞?yáng)輻照度情況下,溫室種植區(qū)產(chǎn)生的余熱余濕較少,此時(shí),室外干空氣質(zhì)量流量對(duì)空氣的加濕除濕效果影響不大;而高太陽(yáng)輻照度會(huì)顯著增加溫室種植區(qū)內(nèi)的余熱余濕,所以室外干空氣質(zhì)量流量使冷凝器入口前空氣溫濕度出現(xiàn)較大的差異。

    當(dāng)室外干空氣質(zhì)量流量為10~20 kg/s,太陽(yáng)輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2,可以使產(chǎn)水量增加13%~29%。

    4.2.2室外空氣相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)水量的影響

    當(dāng)室外空氣溫度為34 ℃,太陽(yáng)輻照度為800 W/m2,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時(shí),產(chǎn)水量與室外空氣相對(duì)濕度關(guān)系見圖4。

    圖4 產(chǎn)水量與室外空氣相對(duì)濕度關(guān)系

    由圖4可以看出,在室外空氣質(zhì)量流量一定條件下,產(chǎn)水量隨著室外空氣相對(duì)濕度增加而增加。其原因在于,由于室外空氣相對(duì)濕度較高,使空氣經(jīng)過(guò)濕簾加濕后能夠達(dá)到飽和狀態(tài)。最終導(dǎo)致空氣在冷凝器入口溫濕度高,產(chǎn)水量大。當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度低于55%時(shí),產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而減小;當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度高于55%時(shí),產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而增大。

    在室外空氣溫度為34 ℃、太陽(yáng)輻照度為800 W/m2條件下,當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度從30%增加到80%時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)水量增加了2.5~7.0倍。

    當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度較高時(shí),即使室外干空氣質(zhì)量流量增加,空氣流速變大,空氣經(jīng)過(guò)兩個(gè)濕簾加濕后,依然能夠以較高的相對(duì)濕度進(jìn)入冷凝器除濕。換言之,增加相對(duì)濕度較高的干空氣質(zhì)量流量提高了冷凝器的除濕效率,所以當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度高于55%時(shí),隨室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量增加。

    4.2.3室外空氣溫度對(duì)產(chǎn)水量的影響

    當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度為45%,太陽(yáng)輻照度為800 W/m2,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時(shí)產(chǎn)水量與室外空氣溫度關(guān)系見圖5。

    由圖5可以看出,室外干空氣質(zhì)量流量一定時(shí),室外干空氣溫度越高,產(chǎn)水量越大。這是由于當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度相同時(shí),溫度越高,空氣的容水能力越強(qiáng)。高溫空氣在經(jīng)過(guò)兩個(gè)濕簾加濕后能夠帶走更多的水蒸氣,使空氣以高溫高濕的狀態(tài)進(jìn)入冷凝器除濕,所以產(chǎn)水量增大。

    從圖5中還可以看出,當(dāng)室外空氣溫度低于36 ℃時(shí),隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量減小;而當(dāng)室外空氣溫度超過(guò)36 ℃以后,改變室外干空氣質(zhì)量流量對(duì)產(chǎn)水量影響不大。這是因?yàn)樵谙嗤氖彝饪諝庀鄬?duì)濕度條件下,雖然高溫空氣有容納更多水蒸氣的潛力,但改變室外干空氣質(zhì)量流量會(huì)影響空氣與濕簾水的熱質(zhì)傳遞效果,在室外空氣溫度較低時(shí),較小的室外干空氣質(zhì)量流量能夠使空氣加濕到近飽和狀態(tài)。

    圖5 產(chǎn)水量與室外空氣溫度的關(guān)系

    在室外相對(duì)濕度為45%、太陽(yáng)輻照度為800 W/m2的條件下,當(dāng)室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時(shí),產(chǎn)水量增加了1.5~2.3倍。

    經(jīng)以上分析可以發(fā)現(xiàn),室外環(huán)境參數(shù)改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產(chǎn)水量的根本原因,室外環(huán)境參數(shù)對(duì)產(chǎn)水量的影響由大到小為室外空氣相對(duì)濕度、室外空氣溫度、太陽(yáng)輻照度。

    5 結(jié)論

    ① 在室外干空氣質(zhì)量流量一定的條件下,產(chǎn)水量隨著太陽(yáng)輻照度增加而增加。當(dāng)室外干空氣質(zhì)量流量為10~20 kg/s,太陽(yáng)輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2時(shí),產(chǎn)水量增加13%~29%。

    ② 在相同室外干空氣質(zhì)量流量下,產(chǎn)水量隨著室外空氣相對(duì)濕度增加而增加。當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度低于55%時(shí),產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而減小;當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度高于55%時(shí),產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而增大。在室外空氣溫度為34 ℃、太陽(yáng)輻照度為800 W/m2條件下,當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度從30%增加到80%時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)水量增加了2.5~7.0倍。

    ③ 室外干空氣質(zhì)量流量一定時(shí),室外空氣溫度越高,產(chǎn)水量越大。當(dāng)室外空氣溫度低于36 ℃時(shí),隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量減小;當(dāng)室外空氣溫度超過(guò)36 ℃以后,改變室外干空氣質(zhì)量流量對(duì)產(chǎn)水量影響不大。在室外相對(duì)濕度為45%、太陽(yáng)輻照度為800 W/m2的條件下,當(dāng)室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時(shí),產(chǎn)水量增加了1.5~2.3倍。

    ④ 室外環(huán)境參數(shù)改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產(chǎn)水量的根本原因,室外環(huán)境參數(shù)對(duì)產(chǎn)水量的影響由大到小為室外空氣相對(duì)濕度、室外空氣溫度、太陽(yáng)輻照度。

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