基于嵌套結(jié)構(gòu)的多級負(fù)壓太陽能蒸餾裝置實驗研究

謝 果，魏新宇，孫澤榮，劉瑩璋

（四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，水資源短缺問題正在逐年加劇。據(jù)相關(guān)機構(gòu)估計，截至2025年，全球約有39億人將面臨缺水問題[1]。在此背景下，許多行業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者致力于開發(fā)環(huán)境友好、節(jié)能高效的污水或含鹽水淡化技術(shù)，以滿足缺水地區(qū)的飲用水需求[2]。相比于目前已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的蒸餾凈水技術(shù)，太陽能蒸餾技術(shù)更加環(huán)保，因此更受到關(guān)注[3],[4]。然而目前太陽能蒸餾裝置的產(chǎn)水效率較低且成本較高，導(dǎo)致該技術(shù)難以實際應(yīng)用[5]。

維持裝置負(fù)壓運行可有效強化太陽能蒸餾過程，提高產(chǎn)水率并降低產(chǎn)水成本。已有研究表明，負(fù)壓時蒸汽擴散傳質(zhì)動力[6]及熱效率[7]均顯著提升。此外，針對不同結(jié)構(gòu)太陽能蒸餾器的測試結(jié)果也表明負(fù)壓運行時裝置產(chǎn)水量更高，該增益效果在自然真空式[8]，迭盤式[9]及豎壁式[10]等太陽能蒸餾器的測試中均得到驗證。其中，管式結(jié)構(gòu)具有承壓性好且結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，尤其適用于負(fù)壓蒸餾。前期工作中，已針對管式蒸餾空腔內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)特征[11]及蒸汽輸運過程[12]等進(jìn)行了研究，但對負(fù)壓管式蒸餾器處于實際天氣下的產(chǎn)水性能及運行特性仍有待進(jìn)一步評估。

為此，本文設(shè)計了一種具有新型多級嵌套結(jié)構(gòu)的小型負(fù)壓太陽能管式蒸餾裝置，并對其開展戶外實驗測試。該裝置具有多個獨立蒸餾腔室，可實現(xiàn)對熱量的多次利用和高效產(chǎn)水；采用梯級補水結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)各級蒸發(fā)槽的快速補水。此后，分別于成都和西昌兩地搭建戶外實驗平臺，采集裝置處于不同天氣及操作壓力下的運行數(shù)據(jù)，計算得到裝置的產(chǎn)水率和性能系數(shù)。依據(jù)維持裝置負(fù)壓所耗電能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步評估該類小型負(fù)壓蒸餾技術(shù)的產(chǎn)水經(jīng)濟性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 基于嵌套結(jié)構(gòu)的三級管式蒸餾器

基于嵌套結(jié)構(gòu)的三級管式蒸餾器如圖1所示。

圖1 蒸餾器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the still

裝置包括從內(nèi)到外的3個獨立蒸餾腔室，其中各個蒸餾腔室均由同心布置的蒸發(fā)槽、冷凝壁及下部支撐體組成。3組蒸發(fā)槽與冷凝壁在連接補水連通管、淡水連通管及下部支撐體后，再從內(nèi)到外依次固定于圖中左側(cè)的共用端板上，實現(xiàn)裝置的整體組裝和密封。下部支撐體采用短圓鋼，對稱布置于各級蒸發(fā)槽與冷凝壁之間，使蒸發(fā)槽下部形成空氣間隙。該間隙既可作為淡水匯集的通道，同時還具有保溫隔熱作用，可有效減少熱量從蒸餾器底部的耗散。

圖1中：蒸餾器3個蒸發(fā)槽的補水通過兩個180° U形鹽水連通管實現(xiàn)，當(dāng)上一級蒸發(fā)槽補水完畢后，溢出的補水會經(jīng)過連通管流入下級蒸發(fā)槽，形成類似于瀑布的梯級流動，從而實現(xiàn)蒸發(fā)槽的快速補水；淡水連通管則用于匯集三級蒸餾腔室產(chǎn)生的淡水，當(dāng)各級腔室內(nèi)部蒸汽在對應(yīng)的上部弧形壁面凝結(jié)后，形成淡水液滴，液滴沿弧形壁面流入腔室底部的集水通道，最后經(jīng)連通管匯合后，從蒸餾器下部的淡水出口流出。此外，補水連通管和淡水連通管使各級蒸餾腔室互通，因而真空泵從裝置內(nèi)抽氣時能夠保證各級腔室處于同一壓力。相較于大型海水淡化設(shè)備常用的各級腔室壓力單獨控制的方法，本文所采用的負(fù)壓操作更加簡便、可靠且實施難度更低，適用于小型的蒸餾淡化裝置。

蒸餾器實驗樣機的所有部件，包括蒸發(fā)槽、冷凝壁、支撐體及連通管等均采用304不銹鋼加工而成，各部件尺寸和重量如表1所示。

表1 蒸餾器部件尺寸及重量Table 1 Component size and weight of the still

裝置第 一、二、三級蒸發(fā)槽的蒸發(fā)面積分別為0.13，0.17，0.18 m2；有效凝結(jié)面積分別為0.19，0.3，0.3 m2。裝置一、二、三級蒸發(fā)槽的有效儲水重量分別為6.6，6.7，10.8 kg，整個裝置凈重為35.3 kg。

1.2 實驗系統(tǒng)及運行原理

三級管式負(fù)壓太陽能蒸餾裝置的戶外實驗系統(tǒng)如圖2所示。

系統(tǒng)主要由三級管式蒸餾器、太陽能集熱器、補水箱、淡水罐、溢水罐、光伏板組件、真空泵、循環(huán)水泵、支架、測試系統(tǒng)及其閥門管路組成。系統(tǒng)運行時，太陽能集熱器吸收太陽輻照并加熱內(nèi)部循環(huán)熱水，熱水在循環(huán)泵的驅(qū)動下進(jìn)入蒸餾器內(nèi)部換熱管，加熱第一級蒸發(fā)槽內(nèi)儲水，儲水受熱蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸汽在其上方管壁凝結(jié)并釋放出熱量，該熱量繼續(xù)加熱第二級蒸發(fā)槽內(nèi)儲水并使其蒸發(fā)，蒸汽冷凝時會加熱第三級儲水，此后熱量隨著蒸汽凝結(jié)傳遞到蒸餾器外壁，通過輻射和對流釋放到周圍環(huán)境中。期間，各級蒸餾腔室產(chǎn)生的冷凝淡水在下方匯聚，然后經(jīng)由淡水出口流入淡水罐中。裝置內(nèi)部的真空壓力通過一臺真空泵及壓力開關(guān)控制和調(diào)節(jié)，以保證腔室壓力始終處于設(shè)置的上下閾值之間。與以往單級常壓管式蒸餾相比，該三級蒸餾器處于負(fù)壓運行且可實現(xiàn)熱量的多次利用，因而其產(chǎn)水率得以大幅提高。

1.3 測試儀表

實驗測試儀表包括太陽輻照計、熱線風(fēng)速儀、熱電偶、熱電阻、電子天平、壓力表、流量計及多回路巡檢儀。太陽能輻照計用于測量瞬時太陽輻照強度，誤差為±3%；熱線風(fēng)速儀用于測量環(huán)境風(fēng)速，誤差為±0.2 m/s；4個熱電偶用于測量3個蒸發(fā)槽水溫及循環(huán)熱水溫度，誤差為±0.5℃；5個貼片式熱電阻沿外管壁從上到下間隔40 mm布置，用于測量管壁散熱溫度，誤差為±0.35℃；另有一個熱電阻用于測量環(huán)境溫度，誤差為±0.35℃；上述溫度數(shù)據(jù)由多回路巡檢儀采集和記錄，采集間隔為1 min，采集誤差為±0.2%；電子天平每隔30 min稱量一次產(chǎn)水重量，誤差為±0.5 g；壓力表用于觀測空腔內(nèi)壓力，誤差為±1.6%；流量計為浮子式，用于觀測和調(diào)節(jié)補水流量，誤差為±2%。

2 實驗測試結(jié)果及分析

在成都和西昌兩地對裝置性能進(jìn)行了測試，其中成都海拔約為500 m，大氣壓約為95 kPa；西昌海拔約為1 500 m，大氣壓約為91 kPa。測試期間，采用當(dāng)?shù)睾蜃詠硭鳛檠b置補水。于每日清晨7：00左右（測試之前），對蒸餾器蒸發(fā)槽進(jìn)行過量補水，以稀釋蒸發(fā)槽內(nèi)剩余原液的離子濃度，減少裝置運行期間的結(jié)垢。在補水開始溢出后繼續(xù)補水15 min，然后關(guān)閉補水閥門，測試期間不再對裝置進(jìn)行補水操作。每組實驗從8：30-20：00，每隔30 min對產(chǎn)水進(jìn)行稱重，裝置夜間的產(chǎn)水于次日清晨測試前進(jìn)行稱重，當(dāng)日風(fēng)速于早、中、晚多次測量后取平均值。此外，成都實驗中采用120 W真空泵維持真空，西昌測試中則將大泵優(yōu)化為8 W小真空泵，且由光伏電池驅(qū)動。

2.1 環(huán)境參數(shù)

日照條件對裝置產(chǎn)水性能具有重要影響，實驗測試期間成都和西昌兩地的太陽能輻照強度如圖3所示。

圖3 實驗期間輻照強度Fig.3 Solar radiant during the test

在成都測試中，分別對裝置處于20，40，60，95 kPa（常壓）操作壓力條件下的運行性能進(jìn)行綜合對比研究；在西昌測試中，則重點考察較好日照條件下裝置的負(fù)壓產(chǎn)水性能，依據(jù)前期實驗結(jié)果僅選用了40，60 kPa兩個壓力作為測試工況。由圖3可以看出，成都全天輻照波動較大，主要因為成都地處盆地，受多云天氣影響較大；而西昌地處高原，日照充裕，全天輻照曲線相對平滑。從圖3可見，從左到右6 d測試期間的最大輻照強度Qsr依次為880，1 019，995，1 094，922，939 W/m2，全天累計輻射值依次為19.4，20.1，19.6，16.8，22.2，19.3 MJ/m2，平均風(fēng)速依次為0.6，1.6，1.2，0.8，0.7，0.7 m/s。

2.2 溫度

實驗測試期間各測點溫度變化如圖4所示。在啟泵后，循環(huán)熱水進(jìn)入蒸餾器內(nèi)的換熱管中，間接加熱第一級蒸餾水槽內(nèi)儲水，使其水溫快速升高；與之相比，第二、三級儲水的加熱過程依賴于上一級蒸汽冷凝釋放的熱量，因此響應(yīng)較慢。上午時段蒸餾器整體運行溫度較低，儲水蒸發(fā)量較小，導(dǎo)致第二、三級儲水的升溫過程顯著滯后?？傮w趨勢上看，操作壓力越低，級間傳熱溫差越小，各級儲水溫度曲線越貼合，整體運行溫度更低，且各級水溫會更快達(dá)到最高溫度。從數(shù)據(jù)可得，在成都測試期間，蒸餾器在20，40，60，95 kPa（常壓）下達(dá)到最高運行溫度所需時間約為2，3，4.5，4.5 h，對應(yīng)儲水的最高水溫為67.2，79.9，86.4，89.2℃，其中67.2℃所對應(yīng)的飽和壓力高于設(shè)定值20 kPa，原因是真空控制系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)時壓力會在一定范圍內(nèi)波動，因而內(nèi)部壓力會周期性地高于設(shè)定壓力；西昌測試期間，40，60 kPa下達(dá)到最高運行溫度所需時間為2.5，3.5 h，對應(yīng)的最高水溫分別為83.1，86.4℃。

圖4 實驗期間各測點溫度變化Fig.4 Variation in tested temperature during the experiment

2.3 產(chǎn)水

兩地測試期間蒸餾器全天產(chǎn)水率變化如圖5所示。

圖5 實驗期間產(chǎn)水率變化Fig.5 Freshwater yield rate during the experiment

實驗期間蒸餾器在啟泵約0.5 h后開始產(chǎn)水，在啟泵約3 h后達(dá)到產(chǎn)水峰值。數(shù)據(jù)可得，在成都測試期間，蒸餾器在20，40，60，95 kPa（常壓）下的最高產(chǎn)水率分別為1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h。雖然20 kPa時蒸餾器很快達(dá)到了較高的產(chǎn)水率，但是由于該條件下蒸餾器運行溫度低，使得最外層冷凝壁面散熱功率不足，期間觀測到大量蒸汽無法冷凝并從真空泵溢出，造成該條件下蒸餾器產(chǎn)水率在中午12：00之后快速下降至較低值。在西昌測試期間，蒸餾器在40，60 kPa下的最高產(chǎn)水率分別為1.07，1.06 kg/h，與成都測試期間的最高產(chǎn)水率接近。在60 kPa時，成都地區(qū)16：00時測得最高產(chǎn)水率，對比圖4輻照數(shù)據(jù)可以看出，蒸餾器最高產(chǎn)水滯后于最大輻照約1 h，該滯后現(xiàn)象是內(nèi)部蒸汽擴散冷凝及凝液流動引起的。對比文獻(xiàn)[13]中常壓蒸餾器的產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)可以看出，本文蒸餾器由于處于負(fù)壓運行，其內(nèi)部蒸汽的傳質(zhì)速率更快，因而該滯后時間得以顯著降低。

兩地測試期間，裝置白天、夜間和全天的累計產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)見表2。

表2 裝置累計產(chǎn)水Table 2 Accumulated freshwater yield of the still

裝置白天產(chǎn)水過程由太陽能吸收的熱量驅(qū)動，夜間產(chǎn)水則是依靠儲水自身的顯熱驅(qū)動。由成都測試數(shù)據(jù)可以看出，裝置最佳產(chǎn)水量出現(xiàn)在40，60 kPa工況條件下，對應(yīng)全天累計產(chǎn)水量分別為7.056，6.323 kg；95 kPa時由于裝置內(nèi)部傳質(zhì)擴散能力不足因而產(chǎn)水量不高，20 kPa時則是由于內(nèi)部蒸汽無法充分冷凝溢出而導(dǎo)致產(chǎn)水量較低。測試期間相同工況下，西昌與成都兩地的產(chǎn)水量相差不大。此外，蒸餾淡化后水的含鹽量從約120 mg/L降低至約1.5 mg/L，驗證了產(chǎn)水過程的可靠性。

2.4 能量利用效率

太陽能蒸餾器的能量利用效率可通過性能系數(shù)（Performance Ratio，PR）來衡量，PR值越高則代表蒸餾器運行效果越好，裝置在測試當(dāng)天的平均性能系數(shù)表達(dá)式為

式中：Mt為測試全天裝置的累計產(chǎn)水量，kg；hfg為水的汽化潛熱，取2 300 kJ/kg；Es為裝置的有效輸入熱量，kJ；Evc為測試期間維持負(fù)壓的累計電能消耗，該值通過真空泵累計運行時間乘以其功率計算得到，kJ；Asc為有效太陽能集熱面積，m2；Rsr為測試當(dāng)天累計輻射值，kJ；ηc為集熱器平均效率。

經(jīng)計算得到三級管式蒸餾器在測試期間的性能系數(shù)如圖6所示。

圖6 蒸餾器在測試期間的性能系數(shù)Fig.6 Performance Ratio（PR）of the still during the experiment

成都測試期間，在20，40，60，95 kPa操作壓力時裝置對應(yīng)PR為0.88，1.39，1.28，0.77；西昌測試期間，40，60 kPa時裝置對應(yīng)PR為1.45，1.31。可以看出，由于西昌測試期間日照條件更好，裝置PR值更高?？傮w而言，維持負(fù)壓有利于強化裝置內(nèi)部蒸餾過程，可提升裝置產(chǎn)水性能；但過低的操作壓力（例如成都測試期間20 kPa）反而會導(dǎo)致內(nèi)部蒸汽無法充分冷凝，并引起裝置性能下降。據(jù)此，本測試中裝置的優(yōu)選壓力為40～60 kPa。

3 負(fù)壓能耗及經(jīng)濟性分析

主動式負(fù)壓蒸餾可強化腔室內(nèi)部傳質(zhì)過程并排出不凝結(jié)氣體，使蒸餾器產(chǎn)水效果顯著提升。但維持負(fù)壓狀態(tài)依賴于電能消耗，單位產(chǎn)水的負(fù)壓能耗越低，說明輔助代價越小，技術(shù)越具有推廣價值。據(jù)此，將本文三級管式蒸餾器與其他負(fù)壓蒸餾器的單位產(chǎn)水負(fù)壓能耗 （Specific Electricity Consumption，SEC）進(jìn)行對比，SEC表達(dá)式為

由于測試期間成都120 W真空泵頻繁啟停，且單次抽氣時間僅為1～3 s，統(tǒng)計誤差較大，故后續(xù)SEC計算中采用西昌測試數(shù)據(jù)?；跍y試數(shù)據(jù)得到了本裝置的負(fù)壓能耗，并將其與不同太陽能蒸餾器的負(fù)壓能耗進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。

表3 不同太陽能蒸餾器維持負(fù)壓的能耗對比Table 3 Comparison of specific electricity consumption for vacuum between different solar stills

從表3可以看出，本裝置單位產(chǎn)水的負(fù)壓能耗低于4 kJ/kg，結(jié)合產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)可以看出，僅需付出輸入熱量約0.1%的電能代價，即可使裝置產(chǎn)水性能提升50%以上。此外，數(shù)據(jù)表明本裝置維持負(fù)壓所需能耗顯著低于同類裝置，該低能耗主要歸功于：①管式空腔結(jié)構(gòu)緊湊，維持負(fù)壓能耗低；②采用8 W小泵及每小時運行策略，抽氣效率高。

產(chǎn)水綜合成本（Cost Per Liter，CPL）是衡量太陽能蒸餾過程經(jīng)濟性的重要指標(biāo)。采用文獻(xiàn)[17]中的計算方法對蒸餾器的產(chǎn)水成本進(jìn)行評估。計算中，蒸餾系統(tǒng)初始建造費用為2 680元，利率取為5%，系統(tǒng)壽命取為20 a，每年有效產(chǎn)水時間取為270 d。計算得到不同條件下裝置產(chǎn)水成本，并將計算結(jié)果與其他蒸餾器進(jìn)行對比，見表4。

表4 不同太陽能蒸餾器產(chǎn)水成本對比Table 4 Comparison of freshwater cost among different solar stills

雖然有文獻(xiàn)提及了更低成本的蒸餾方法，但綜合考慮產(chǎn)水質(zhì)量、裝置壽命及運行穩(wěn)定性等多方面因素，本文提出的多級負(fù)壓管式蒸餾技術(shù)依然具有一定優(yōu)勢和推廣價值。

4 結(jié)論

本文提出了一種具有新型嵌套結(jié)構(gòu)的多級負(fù)壓太陽能蒸餾裝置，對其在實際天氣條件下的產(chǎn)水性能進(jìn)行了測試，得到了裝置的優(yōu)選運行壓力范圍，并分析了維持負(fù)壓能耗和產(chǎn)水綜合成本，主要結(jié)論如下。

①在成都測試期間，裝置處于常壓95，60，40，20 kPa時的單日累計產(chǎn)水量分別為3.270，6.323，7.056，4.287 kg，對應(yīng)最高產(chǎn)水率分別為1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h；西昌測試期間，60，40 kPa時累計產(chǎn)水量為6.008，7.236 kg，對應(yīng)最高產(chǎn)水率為1.06，1.07 kg/h。

②裝置的優(yōu)選運行壓力為40～60 kPa，在西昌維持40 kPa運行時裝置具有最優(yōu)產(chǎn)水性能，對應(yīng)性能系數(shù)為1.45。

③裝置處于優(yōu)選壓力運行時，單位產(chǎn)水的負(fù)壓能耗低于4 kJ/kg，說明該系統(tǒng)中維護(hù)真空負(fù)壓操作僅需要使用0.1%的總系統(tǒng)耗能，即可使裝置性能提升50%以上。此外，估算結(jié)果表明，該裝置的綜合產(chǎn)水成本約為0.1元/L，與同類裝置相比具有一定的優(yōu)勢。