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1、横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究第23卷第3期2002年6月太阳台邑ACTAENERC,IAESOLARISSJNICAVO1.23.NO.3Jun.2002文章编号:02540096(2002)03026505横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究郑宏飞,吴裕远2(1.北京理3-大学车辆与交通1:程学院,dr;9;100081;2.西安交通大学能源与动力f:程学院,西安710049)摘要:设计建造了台利用太阳能或其它余热驱动的横管降膜蒸发内回热式海水淡化装置,并利用模拟热源对该装置进行了实验研究.由于在系统的蒸发及冷凝过程中,大部分水蒸汽的凝结潜热被重复利用于海水的
2、预热及蒸发过程,因而系统具有较高的产水率.同时,由于在气流的闭式循环过程中,蒸发腔中处于负压状态,冷凝腔中处于正压状态,强化了系统的产水性能,使系统的产水效率比传统的盘式太阳能蒸馏器提高了3倍左右.介绍了系统的瞬态特性及运行温度,供海水流率与产水量的相互关系.对影响系统产水率的其它因素也进行了讨论.关键词:太阳能;海水淡化;降膜蒸发;内回热中图分类号:TK519文献标识码:A0引言我国许多地区饮用水十分短缺.在这些地区,利用太阳能或其它低级热能从海水或苦咸水中产生可饮用淡水是一条理想的解决方案.目前,人们研究得最多,技术上最为成熟的是盘式太阳能蒸馏器,这种装置因结构简单和取材方便而易于推广应用
3、.然而,盘式太阳能蒸馏器具有效率不高的严重缺陷,一般而言,它的年产率仅为1000kg/m左右,不能满足用户的要求lJ.理论和实践均已证明,如果在系统运行过程中,蒸汽的冷凝潜热能被重复利用的话,蒸发过程所需的热能将被显着降低2-4.在多级闪蒸或蒸汽压缩系统中可实现上述要求.这些系统主要优点在于成功地将蒸汽的凝结潜热和热盐水的显热再循环加以利用,用之预热进入的海水.但是,它们的结构通常都很复杂,运行成本及固定资本的投入相对较高,使得这些先进的系统通常只对大型的设备具有经济可行性.而在大型的系统中,它们又正在逐步地被大规模的反渗透系统所代替.然而,反渗透系统也存在反渗透膜使用寿命短及价格不菲的问题,
4、特别当应用于海水淡化过程时表现尤其明显.从另一方面说,许多时候淡水的用户都是相当分散的,大型的系统有时并不合适,比如在鱼船或一些小岛上,而恰好在这些地方存在很丰富的太收稿目期:20010706基金项目:中国博士后基金资助项目(中博基200023号)阳能或余热,比如柴油机余热等.因此,设计一种小尺寸的利用低品质热能的海水淡化装置很有意义.为此,本文在综合分析已有文献给出的多种新颖的太阳能海水淡化装置的优缺点后_3-6,大胆引进现代海水淡化工业中先进的技术,设计了一台横管降膜式太阳能海水淡化装置,并对该装置进行了实验研究.1实验装置的工作原理实验装置的剖面如图l所示.它主要由下述部分组成:一个带有
5、海水喷淋管及海水分配器的蒸发腔(一个有许多水平横管从其中穿过的长方形盒子);一个由若干横管,管壳及回热器组成的冷凝腔;循环水泵;风机;外冷凝器;一个内带热交换器的汽液分离器和模拟供热系统.系统的运行可分步详述如下:1)由太阳能集热器或其它热源致热的热水由装置进口进入装置,经由一个管壳形分配腔进入蒸发腔中的横管3,在那里放出热量加热管外的海水.热水出横管后经连通管8进入下一级的热水分配腔,再经一个管壳形分配器进入加热横管,最后经出口输出装置.第二级加热与第一级加热在结构上类似,但热水的流动方向相反,如图1所示.2)为了克服现有装置热容量大,出水慢及不利266太阳能23卷1外党;2蒸发腔;3一水平
6、横管;4内置回热器;5一循环水泵;6海水分配器;7一喷淋管;8连通管;9抽气管;1O排污阀;11空气泵;12冷凝腔;13气水分离器;14水阀;15送气管;16溢流阀;17一一外冷凝器图1实验装置剖面图Fig.1Schematicdiagramofthepresentedunit于在摇动的船上使用的缺陷,本装置采用横管降膜蒸发的工作模式.即:海水经喷管7喷出,经一块孔板6再分配后,均匀地滴降至蒸发腔中的加热横管3上,在那里形成海水降膜并受热蒸发.未蒸发的浓海水最终落至蒸发腔底,一部分经溢流阀16流出装置,另一部分经循环泵5再循环至喷头7进行循环使用.新海水由图示入口进入装置,经冷凝腔12中的回热
7、器4预热,最后流至循环泵5前与一部分浓海水混合进行循环使用.3)当海水从一根水平管到另一根水平管形成降膜流动时,它从水平管内的热水中吸收大量的热量,并产生蒸发而在蒸发腔中放出大量水蒸气.这些水蒸汽通过抽气管9由空气泵ll抽至冷凝腔l2中,蒸汽再经管壳形分配器进入水平横管3,在那里它经历冷凝放热而产生出淡水,并将热量传回给管外的海水,回收了一部分凝结潜热.由于泵的作用,在蒸发腔中形成了负压,而在冷凝腔中形成了正压,因而加速了水的蒸发与凝结过程,使装置的性能得到加强.通过横管后的蒸汽在冷凝腔12中被回热器4进一步冷却并释放潜热给进入的海水,最后经管道进入冷凝散热器17放出热量给环境后进入气液分离器
8、13,在那里被新进的海水进一步冷却释放出淡水,并进行气液分离.最后剩余的低温气体经送风管15送回至装置蒸发腔的下部,进行再循环,而淡水则经水阀14交给用户.在装置中气体始终是闭循环运行的,具有很好的稳定性及可靠性,不受外界干扰.2实验装置描述2.1蒸发腔:蒸发腔是该装置的最主要部分.它是一个长方形的箱体(1000550280ram),由1.5turn厚的不锈钢板构成,其中横穿有117根水平横管.在横管的出口两端,由装置外壳及几块隔板将横管的出口分成了6个区域,每个区域起着分配或汇积加热流体或水蒸汽的作用.这区域的宽度均为50ram.装置最外层用50ram厚的聚苯乙烯泡沫隔热.蒸发腔中包括了一块
9、带孔平板,用之将海水均匀分配至加热横管上,该孔板的小孔直径为2mm,并按20mm20ram排列.水平管由直径20mm,厚度为1mm的铜管构成.水平横管在蒸发腔中以40mm50ram交叉排列,管的长度为550ram.因此,蒸发腔中横管总的内外热交换面积分别为3.839和4.041m.2.2外部能源:外热源由电加热产生温度大约7090的热水,用于模拟太阳能或其它余热产生的热水.热水温度是可i堵J的,以便于分析供热水温度对装置产水量的影响.2.3冷凝腔中的热交换器:热交换器4足由外径8ram,厚0.5ram,长4000mm的紫铜管构成,用于颅热进入装置的新海水.2.4外冷凝器:外冷凝器由外径12mm
10、,厚0.5ram,长lO000mm的紫铜管分两排构成,分两排的原因足为了减少气流的阻力,用于冷却进入气水分离器的循环蒸汽.2.5抽气管和送气管:抽气管由两根并联,外径为25ram,长550mm管道组成,管道两侧打有许多孔以利蒸汽进入.送气管由一根外径为20mm,长550mm铜管构成,管道两侧也打有许多孔以利蒸汽送入.2.6循环水泵和风机:水泵的标称功率和扬程分别为40W和8m.风机的标称功率为180W,最大风压差和最大循环风量分别为15kPa和25m/h.2.7带有热交换器的气液分离器:汽液分离器是用3期郑宏飞等:横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究2670.8mm厚的镀锌铁板制成
11、的长方体盒子,其长宽高分别为200ram,80ram和280mm.蒸馏水量每隔30min测一次.内部热交换器由外径8mm,厚0.5ram,长3500ram的铜管组成,用于进一步降低蒸汽的温度.2.8其它条件:输入装置的海水用普通自来水替代,环境温度用普通水银温度计测量,蒸馏水用250mL量筒测量.3实验数据测量3.1温度:在如图l所示的每个测量点上,都布置有用于测温的热电偶.热电偶提供的电信号由微伏计读取,最后确定各测点的温度.3.2蒸馏水产量:产生的淡水被收集在分离器中,每隔一段固定时间用量筒测量一次.量筒测量范围为5250mL,最小刻度是5mL.3.3热水流量:热水流量用热水表测量,它的相
12、对误差是5%.实验数据是许多测量结果的平均值.3.4供海水流率:进入装置的海水通过一个调节阀(图l中未示出)进入系统.用最小刻度为10mL,测量范围为lO00mL的量筒,每隔一固定时间测量一次它的流率.3.5循环蒸汽流率:实验中实际的蒸汽流率用数字式气体流量计测量.其测量范围为20m/h,最小读数为0.01m/h.3.6耗电量:实验中消耗的总电量认为是风机和水泵的标称功率,即220W.3.7其它条件:整个实验是在室内进行的.环境温度与湿度没有较大变化.整个实验过程巾,室温约为1720:4结果与讨论室内实验持续进行了一个月,对系统进行了充分的研究L.j测试.特别对供海水流率,供热水流率及运行温度
13、等参数对产水量的影响进行深入研究.分离器中稳态产量每隔0.5h测1次.4.1系统的瞬态性能系统采用横管降膜运行的模式,管外海水膜层很薄,很容易被加热.加之系统运行中,保存在系统中的海水量只有几公斤,所以系统很容易达到稳定运行.据测量,在系统开始运行后5min即有淡水产出,l5至25min后即基本达到稳定状态.此后,稳态温度和产水率等参量均基本维持不变.系统中各测点温度随开始运行时间的变化如图2所示(此时供热水温度约为85,供热水流率为15.5kg/min,供海水流率8.6kg/h,循环空气流率约为5.6m/h).相同条件下,每5min产水量随运行时间的变化示于图3.从图2可以看I,系统运行大约
14、25min后,各测量温度即基本达到稳定.图3也说明,任相同的条件下,系统在运行30min后即基本达到稳定产水率世娟释址三暑,芒蓝图2系统各测点温度随运行时间的变化Fig2Attnmentofthesteadystatelmperalure图3系统水垃随运仃时阳】的变化Fig3Progressofthedistillateyieldversusoperationtime-1.2产水率与稳态运行温度的关系在稳态条件下,图4给出了住稳定的供热水温度下(这里系统的供热水温度被认为是运行温度),各测点温度的变化关系.产水率与供热水温度的变化关系示于图5.与图4相对应的其它条件为:供海水流率8.5kg/h
15、,环境温度为l6l9,供海水温度为l4l6,供热水流率为15.3kg/min.与图5相对应的条件在图中给出.图5的实验结果说明,系统的运行温度对产水量有相当大的影响.运行温O00O000000OO00加64268太阳能23卷度越高,系统的产水量增长越快.可见,系统在高温条件下运行将有更大的优势.图4系统各测点温度随运行温度的变化Fig.4Thevariationofthesteadystatetemperatureinrelevantmeasuringpointswiththeoperationtemperature图5系统产水率随运行温度的变化Fig.5Thevariationofthepr
16、oductivityversustheoperationtemperatureTl4.3供海水流率对产水量的影响实验结果显示,产水量对供海水流率的依赖关系较弱,这为实际操作提供了方便.图6给出了实际产水率与供海水流率的依赖关系.结果显示,当供海水流率从4.0变化到10.Okg/h时,稳态产水量基本没有什么变化.在更大的供海水流率条件下,产水量的降低也是缓慢的.例如,当供海水流率增大到20kg/h时.它相对4.0kg/h的产水率仅降低30%左右.这种现象可作如下解释,供海水量的大小对产水量有两方面的作用.一方面,大的海水流率有利于水蒸气在热交换器4的外壁凝结.在这个过程中,更多的蒸汽潜热被海水回
17、收.而另一方面,大的海水流率降低了被再循环盐水的温度,这是不利于盐水蒸发动力的强化的.因此.两种矛盾的过程造成l供海水流率对产水量影响较弱的结果.当然,在实际运行的系统中,还是取相对较小的供海水流率为好.因为当海水流率增加时,从溢流阀16流出的浓盐水将增加,由其带走的显热也将增加,这不利于节能及提高蒸发腔的工作温度.本实验结果认为,取510kg/h的海水流率为佳.图6供海水流率对产水率的影响Fig.6Feedstockflowrateinfluencingontheyield1图7运行温度对性能系数的影响Fig.7Thevariationoftheperformanceratioofthesy
18、stemversustheoperationtemperature4.4系统的稳态性能系数系统的稳态性能系数由下式给出:袱=警=式中为淡水的产率;hf为水的汽化潜热;Q为加热器提供给系统的总热能;M为供热水流率;c.为水的定压比热;W为系统消耗的电功率;At为运行时间;T和T2分别为供热水进出口温度.实验结果发现,系统总体具有较高的性能系数,一般可达80%以上,这为系统具有较高的产水率提供了保障.实验结果也表明,影响系统稳定性能系数的因素是多个的,特别是供热水流率对系统性系数有相当大的影响.当供热水流率降低时,系统的性能系数普遍升高,但产水率却相对减少,比如,70运行时,当供热水流率为12.7
19、kg/min,供海水流率为14.Okg/h时,性能系数为79.5%.而当供帅帅:2如,_理暮m惦帅加:23期郑宏飞等:横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究269热水流率为5.0kg/min,供海水流率同为14.0kg/h时,性能系数则高达92.1%.热水流率进一步降低,比如降到2.5kg/min,则性能系数将超过100%.可见,供热水流率对性能系数有相当大的影响.而在上述两种运行条件下,其产水率分别为1370g/h和1170g/h,第二种情况产水量反而减少.这可能是因为当供热水流率降低时,热水出口的温度也相应降低得更大,致使滴落至底部铜管外壁的海水温度降低,有利于横管内部蒸汽的凝结
20、,从而回收到更多的蒸汽凝结潜热.虽然系统的产水量有所下降,但输入系统的总热能由于热水流量的减少也减少了,两相比较,结果系统的性能系数还是得到了提高.供海水流率,运行温度等参数对性能系数也有较大影响,一般来说,当其它条件相同时,运行温度越高,性能系数越大,这表明,系统在高温段运行时具有更大的优势,如图7所示.5结论1)系统采用降膜蒸发过程,具有传热量大,产水快的优点,系统运行5min即有淡水产出,25min即基本达到稳定状态.2)本实验装置具有较高的产水率和运行性能系数,一般可达到80%以上,运行温度越高,产水效果越好.因此,本装置适宜在70以上温度运行.3)对装置产水率影响最大的因素是运行温度
21、,其次是供热水流率和供海水流率.实验结果表明,供海水流率取510kg/h范围为佳,供热水流率取820kg/min为佳.4)系统具有结构简单,投资小和适宜采用工业余热运行等优点.小幅摇动对系统产水性能没有影响,特别适合在海水渔船利用发动机余热生产淡水,具有良好的生产前景.参考文献1MalikM,TiwariGN,KumarA,etalSolardistillationMOxford:PergamanPress,19822j屈卫东,俞金娣,张鹤飞.新型海水淡化装置中的模糊控制J.太阳能,1998,19(2):1271323MinkG,AboabboudMM,KarmazsinE.Airblowns
22、olarstillwithheatrecyclingJSolarEnergy,1998,62(4):3093l7.4AboabboudMM,HorvathL,MinkG,etalAnenergysavingatmosphericevaporatorutilizinglowgradethermalorwasteenergylJJ.Energy,1996,2l(12):l107一l1l7.15JSidemanS.Somedesignaspectsofthinfilmevaporator/condenserinwaterdesalinizationMHeatExchangers,NewYork:He
23、misphorepublishingcorporation,1980,68l一703.6SidemanS,FilmevaporationandcondensationindesalinationM.HeatExchangers,NewYork:Hemisphorepublishingcorporation,1980,357375.EXPERIMENTALSTUDYoNASoCARDISTILLAToNSYSTEMCHARACTERIZEDWITHFALLINGBRINEFILMACRoSSHoRIZoNTALTUBULAREVAPoRAToRWITHREGENERAToRINSIDEZheng
24、Hongfei,WuYuyuan(1.SchoolofVehicleandTransportEngineering,t3eoingInstituteofTechnology,Beijing100081,a)Abstract:Anoveldistillationsystempoweredbysolarorwasteenergysourcewasdevelopedandtestedindoors.Inthisunit,alargefractionoflatentheatofthecondensateandthesensibleheatofbrineissuccessfullvrecvcledfor
25、preheatingthefeedstockandforitsevaporationprocess.Duringoperation,theevaporationchambergeneratesvacuumwhilethecondensationchamberkeepsnormalatmosphericpressure,SOtheoutputoffreshwaterincreasesgreatlyljtimesgreaterthanthatofaconventionalbasintypestil1.Throughthetest,theparametersdealtwithoperationarealsodicussedinthispaper.Keywords:solarenergy;failingfilmevaporation;innerthermalregeneration;desalinization联系人Email:zhenghongfeil