袁怡剛，董 勇，賴(lài)艷華，馬春元，鹿劉新

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東省能源碳減排技術(shù)與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061;2.山東山大能源環(huán)境有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

常規(guī)海水淡化方式，如低溫多效、多級(jí)閃蒸、反滲透、壓汽蒸餾等，以化石燃料為能源，容易走入“能源換水源”的怪圈。太陽(yáng)能應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，在一定程度上可以解決能源與水源間的矛盾，是海水淡化技術(shù)重要發(fā)展趨勢(shì)之一。為解決傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾器存在蒸發(fā)慢、凝結(jié)慢、回?zé)岵畹葐?wèn)題［1－3］，太陽(yáng)能增濕海水淡化技術(shù)采用強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)、改善回?zé)岬却胧?，產(chǎn)水率有較大提升，有著良好的發(fā)展前景。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)增濕淡化技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。美國(guó)學(xué)者 Al－Hajaj等人［4～5］設(shè)計(jì)一種環(huán)形通道式的增濕淡化裝置，采用木質(zhì)蜂窩濕膜作為蒸發(fā)填料，空氣增濕效果得到有效提升;張旭朋等［6］設(shè)計(jì)了一種利用鼓泡進(jìn)行增濕的太陽(yáng)能淡化裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;美國(guó)學(xué)者Hamieh B M［7］設(shè)計(jì)了一種露點(diǎn)蒸發(fā)海水淡化裝置，系統(tǒng)的回?zé)嵝Ч玫搅孙@著提高;德國(guó)學(xué)者 E.Chafik［8］采用冷凝器分級(jí)冷卻蒸汽，相比于內(nèi)回?zé)嵫b置，分級(jí)冷凝可將冷凝和蒸汽回?zé)崂猛耆蛛x開(kāi)來(lái)，回?zé)釡囟雀菀卓刂?代彥軍［9］指出蒸發(fā)器入口海水溫度和冷卻水溫度是影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù);原郭豐等［10］建立了閉式增濕減濕海水淡化各部分的熱力過(guò)程數(shù)學(xué)模型。

目前回?zé)崂靡廊皇切⌒蜔岱ǖb置研究的重點(diǎn)。本文在綜合分析國(guó)內(nèi)外水膜增濕淡化裝置的基礎(chǔ)上，針對(duì)單級(jí)冷凝存在的回?zé)岷屠鋮s沖突的矛盾，結(jié)合分級(jí)冷凝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)兩級(jí)水膜增濕的分級(jí)冷凝回?zé)岷Ｋb置，并以太陽(yáng)能為熱源，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及工作原理

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由水膜加濕器、冷凝器、水泵、風(fēng)機(jī)及管路組成，本裝置采用海水預(yù)熱的閉合回路的空氣循環(huán)系統(tǒng)(Closed－air，Waterheated cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)CA－WH)。實(shí)驗(yàn)所需熱海水由太陽(yáng)能真空管集熱器提供。本裝置的冷凝系統(tǒng)采用外置式分級(jí)冷凝回?zé)?，將回?zé)岷屠淠h(huán)節(jié)完全分離，便于冷卻流量的控制，具體方法是:于主冷凝器前安裝前置冷凝器，前置冷凝器主要用于提高冷卻水溫，為下一級(jí)加濕器提供熱水;主冷凝器對(duì)濕空氣進(jìn)行充分的冷卻，增大淡水產(chǎn)量。

系統(tǒng)工作原理:(1)加濕海水回路。經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱后的海水由噴水增壓泵泵入加濕器噴淋，海水流經(jīng)加濕器濕膜表面并形成均勻水膜，并與加濕器入口空氣充分接觸，熱海水與濕空氣進(jìn)行熱濕交換，噴淋后水溫降低，其后進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器加熱。(2)濕空氣回路。濕空氣由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入加濕器內(nèi)，濕空氣受熱海水的加熱增濕，溫度上升，含濕量增大，其后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷卻除濕，水蒸氣在冷凝器表面凝結(jié)形成純水，并由冷凝器內(nèi)的接水盤(pán)收集導(dǎo)出。(3)冷卻水回路。冷卻水經(jīng)冷卻水泵進(jìn)入主冷凝器，冷卻水吸收濕空氣冷卻時(shí)放出的熱量，溫度上升。主冷凝器的出口海水一部分引入前置冷凝器進(jìn)一步升溫，其后進(jìn)入第二級(jí)加濕器進(jìn)行增濕淡化。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)裝置熱源采用太陽(yáng)能真空管集熱器，真空管外徑Φ58 mm，管長(zhǎng)1.8 m，管數(shù)30根，采光面積4.3 m2，熱水箱220 L;水膜加濕器采用斜波式木質(zhì)淋水填料，濕膜尺寸0.5 m(長(zhǎng))×0.5 m(高)×0.15 m(厚)，風(fēng)阻150 Pa，風(fēng)速為2.5 m/s，膜間距6.7 mm，比表面積250～300 m2/m3;冷凝器采用FP－51翅片銅管表冷器，兩級(jí)冷凝器均為逆向錯(cuò)流布置，以增強(qiáng)換熱效果;循環(huán)風(fēng)機(jī)額定流量385 m3/h，壓頭895 Pa。為獲得較為穩(wěn)定的水溫，噴水增壓泵后設(shè)置恒溫閥，以便于控制噴水溫度。由于咸水在70℃以上容易結(jié)垢，降低集熱器和加濕器效能，因而本實(shí)驗(yàn)中噴水溫度均控制在70℃以下。

1.3 測(cè)量方法

本實(shí)驗(yàn)裝置中測(cè)點(diǎn)布置:(1)加濕海水回路。加濕器進(jìn)出水口處布置溫度測(cè)點(diǎn)，加濕器進(jìn)水口處布置流量測(cè)點(diǎn);(2)濕空氣回路。循環(huán)風(fēng)機(jī)前布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，加濕器進(jìn)出風(fēng)口及冷凝器出風(fēng)口布置溫濕度測(cè)點(diǎn);(3)冷卻水回路。主冷凝器和前置冷凝器的入水口各布置流量測(cè)點(diǎn)，其進(jìn)出水口處布置溫度測(cè)點(diǎn)。圖1中所示為恒溫噴水穩(wěn)態(tài)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的操作參數(shù)及工質(zhì)狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器:水溫測(cè)量采用PT100溫度傳感器，范圍－200～400℃，精度±0.2℃;水流量測(cè)量采用LWYC－10渦輪流量計(jì)，范圍0.15～1.5 m3/h，精度等級(jí)1.0;日照輻射采用TBQ－2總輻射表，范圍0～2 000 W/m2，精度＜±5%;濕空氣溫濕度測(cè)量采用 AF3020溫濕度變送器，范圍－40～80℃、0～99.9%RH，精度 ±0.3℃、±2%RH;濕空氣風(fēng)速測(cè)量采用TES－1340熱線風(fēng)速儀，范圍0～30 m/s，精度±3%。

1.4 加濕器出口截面上濕空氣溫度測(cè)定

由于風(fēng)壓分布不均、水蒸氣密度低等因素易導(dǎo)致加濕器縱向截面(500 mm×500 mm)上氣體溫度和流速分布不均衡，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，本文通過(guò)測(cè)量截面上9個(gè)節(jié)點(diǎn)(如圖2所示)的溫濕度、流速，利用能量平均法獲得加濕器出口的濕空氣參數(shù)。

各節(jié)點(diǎn)控制域Am，n處濕空氣攜帶能量為

由于圖中各節(jié)點(diǎn)的控制域Am，n相等，故各節(jié)點(diǎn)處比焓的平均值為

由于截面上空氣溫度變化范圍較小，且接近飽和狀態(tài)，故φ≈1、cp，a基本不變。所需測(cè)量的參數(shù)為節(jié)點(diǎn)處的溫度ta和流速u(mài)a。

圖2 加濕器縱向截面上氣溫測(cè)定方法Fig.2 The method for temperature measurement of moist air

表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各節(jié)點(diǎn)溫度和流速，實(shí)驗(yàn)工況為 G=242 kg/h，tw=45℃，mw=240 kg/h。由表中可以看出，截面中心處的流速最高，這主要是由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)口正對(duì)加濕器的中心，中央的流速要遠(yuǎn)高于周邊區(qū)域;而上部的氣溫較高，這是由于噴淋海水在向下流動(dòng)過(guò)程中，溫度不斷下降，氣溫也隨之降低;另外加濕過(guò)程中產(chǎn)生的上升氣流也可導(dǎo)致上部氣溫較高。

表1 加濕器出口截面上各節(jié)點(diǎn)溫度 t/℃和流速u(mài)a/m·s－1Table 1 Parameters on outlet cross section of humidifier

根據(jù)公式所求得的濕空氣平均焓值144 kJ/kg，查表得平均溫度為36.9℃。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在噴水溫度低于70℃時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)處溫度與平均溫度差別小于±0.5℃，因而本實(shí)驗(yàn)中使用中心節(jié)點(diǎn)溫度表征截面上的濕空氣溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分級(jí)冷凝的熱力過(guò)程

圖3中所示為干空氣質(zhì)量流量G=300 kg/h，加濕器噴水量 tw=64℃，主冷凝器水量 mc=240 kg/h，前置冷凝器水量tc，pre=120 kg/h工況下，空氣增濕及冷凝的熱力過(guò)程。0點(diǎn)代表增濕前空氣的狀態(tài)參數(shù);1點(diǎn)為虛擬狀態(tài)點(diǎn)，其數(shù)值代表絕熱增濕所需的濕空氣參數(shù);2點(diǎn)為增濕后空氣的狀態(tài)參數(shù)。將增濕過(guò)程簡(jiǎn)化為加熱過(guò)程0－1和絕熱增濕過(guò)程1－2;過(guò)程線2－3表示濕空氣在前置冷凝器中的狀態(tài)變化;過(guò)程線3－0表示濕空氣在主冷凝器中的狀態(tài)變化。由圖中可以看出，2－3過(guò)程溫度變化較為平緩，前置冷凝器工作在這一區(qū)間，可以在盡量減小溫降的同時(shí)，獲得較高溫度的回?zé)崴?/p>

本裝置在該工況下運(yùn)行所得到第二級(jí)加濕器進(jìn)水溫度為42℃，流量為120 kg/h，同時(shí)第一級(jí)的淡水產(chǎn)量約為6.8 kg/h，第二級(jí)加濕器所得淡水產(chǎn)量約為2.9 kg/h，所產(chǎn)淡水的總?cè)芙夤腆w量9～21 ppm。

2.2 空氣引入方式對(duì)熱損失的影響

按照加濕器入口空氣的引入方式，一般將增濕型淡化裝置分為開(kāi)口和閉口系統(tǒng)，本文對(duì)這兩種引風(fēng)方式進(jìn)行了研究。開(kāi)口系引入環(huán)境空氣，溫度t=33.5℃，相對(duì)濕度φ=41%;而閉口系引入冷凝器的出口空氣。圖4所示為每千克干空氣排出系統(tǒng)所損失的熱量，從圖中可以看出開(kāi)口系會(huì)產(chǎn)生較大的熱

，，口系的2%～5%。這是由于開(kāi)口系冷凝器出口的濕空氣直接排入大氣，因而造成系統(tǒng)水汽焓值的損失;當(dāng)噴水溫度升高時(shí)，排氣溫度隨之提高，排氣熱損失也隨之升高;但由于冷凝器換熱的逐步增強(qiáng)，其曲線趨于平緩。對(duì)于水溫較高的增濕型淡化裝置，采用閉口系的熱效率較高，有利于提高產(chǎn)水量。

圖3 分級(jí)冷凝的熱力過(guò)程曲線Fig.3 The heating process of fractional condensation

圖4 不同空氣引入方式對(duì)系統(tǒng)熱損失的影響Fig.4 Comparison of Open－Air and Closed－Air system

圖5 分級(jí)冷凝器出口水溫隨噴水溫度的變化Fig.5 Effect of seawater temperature onfractional condensation

2.3 分級(jí)冷凝對(duì)回?zé)崂玫挠绊?/h3>

利用分級(jí)冷凝可更好的控制冷卻水的流量，提高冷卻水的出口溫度，充分利用蒸汽潛熱。圖5為主冷凝器和前置冷凝器流量比例為7∶2時(shí)，不同噴水溫度下，主冷凝器和前置冷凝器出口水溫的變化曲線。從圖中可以看出，前置冷凝器較主冷凝器的出口水溫高，在噴水溫度為67℃時(shí)，其水溫可達(dá)47℃。同時(shí)前置冷凝器冷卻水流量不可過(guò)高，以避免產(chǎn)生大量的低溫廢水，無(wú)法重新利用。

為提高回?zé)崂?，將前置冷凝器出口水引入第二?jí)加濕器進(jìn)行增濕淡化。第二級(jí)加濕器干空氣的質(zhì)量流量為300 kg/h。如圖6所示為第一、二級(jí)增濕裝置在不同水溫下的淡水產(chǎn)量，噴水溫度為67.0℃時(shí)，裝置的熱耗率q=2 092 kJ/kg。由于采用了分級(jí)冷凝回?zé)岷投嗉?jí)增濕技術(shù)，裝置產(chǎn)水量提高了25%～50%。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的分級(jí)冷凝式的多級(jí)增濕淡化裝置，可將冷凝環(huán)節(jié)和回?zé)岘h(huán)節(jié)分離，避免了單級(jí)冷凝產(chǎn)生的大量低溫廢水，回?zé)嵝Ч鰪?qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，增濕型淡化裝置水氣比為0.8時(shí)，空氣回路采用閉口系可減少排氣熱損失90%以上;分級(jí)冷凝流量比例控制在7∶2以上時(shí)，可獲得較高溫度的回?zé)崴?淡水產(chǎn)量較單級(jí)淡化裝置提高25% ～50%，所產(chǎn)淡水總?cè)芙夤腆w量為9～21 ppm。分級(jí)冷凝的流量?jī)?yōu)化、增濕—回?zé)岘h(huán)節(jié)的匹配設(shè)計(jì)等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

符號(hào)表

φ相對(duì)濕度/［%］RH

ρ 密度/kg·m－3

cp定壓比熱容/kg·(kg·℃)－1

G 干空氣流量/kg·h－1

i比焓/kJ·kg－1

m 質(zhì)量流量/kg·h－1

t溫度/℃

u空氣流速/m·s－1

下標(biāo)

a濕空氣

w水

c冷卻水

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