高文忠，徐暢達(dá)，李長(zhǎng)松，王棟，蘇天龍

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固體吸附作用對(duì)熱管真空閃蒸水分離過(guò)程的影響

高文忠，徐暢達(dá)，李長(zhǎng)松，王棟，蘇天龍

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

液滴的過(guò)熱度是維持其蒸發(fā)的關(guān)鍵因素，直接決定了鹽水分離設(shè)備的水分離率。提出和設(shè)計(jì)了一種集高效熱管傳熱和固體吸附技術(shù)為一體的鹽水分離裝置，并對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液進(jìn)行水分離實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：熱管能以高熱通量快速傳遞液體閃蒸后二次沸騰所需的熱量，顯著增加單位時(shí)間內(nèi)的水分離容積速率；引入吸附床后，蒸發(fā)室壓力在吸附過(guò)程前半段有明顯降低，降幅約為0.4～1 kPa，即降低了液滴的沸點(diǎn)，提升了過(guò)熱度，這為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑；降低熱源溫度，吸附劑的吸附能力相應(yīng)降低，要達(dá)到同樣的水分離速率，需增加吸附劑用量。

熱管；固體吸附；真空；閃蒸；水分離

引 言

鹽水分離主要通過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶以及反滲透等方式實(shí)現(xiàn)。真空閃蒸鹽水分離技術(shù)被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如溶液除濕[1-2]、海水淡化[3-4]以及污水處理[5-6]等。而日趨枯竭的傳統(tǒng)能源卻由于能量轉(zhuǎn)化規(guī)律、工藝特點(diǎn)等原因，使用中產(chǎn)生大量低品位熱能（40～100℃），不能高效利用[7]，因此，探索新的基于低品位熱能的高效鹽水分離方法顯得尤為迫切。

真空蒸發(fā)器作為真空閃蒸鹽水分離裝置的核心部分部件，是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，如，郭雪華[8]將熱管應(yīng)用于真空蒸發(fā)器，提高了其熱傳遞效率及水分離率；齊春華等[9]對(duì)海水淡化閃蒸罐的閃蒸特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了閃蒸罐內(nèi)的氣液相含率分布、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)等；邵福喜等[10]進(jìn)行了噴淋式閃蒸海水淡化實(shí)驗(yàn)研究，建立了計(jì)算不平衡溫差的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并推導(dǎo)出不平衡溫差與閃蒸率的關(guān)聯(lián)關(guān)系；劉偉民等[11]對(duì)低壓閃蒸液滴形態(tài)和溫度變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，液滴閃蒸分6種形態(tài)，穩(wěn)態(tài)閃蒸中環(huán)境壓力越低，則液滴的最終溫度也越低，液滴的初始溫度越高，則降到最低溫度的時(shí)間越長(zhǎng)；筆者課題組[12]在對(duì)氯化鋰溶液液滴真空閃蒸過(guò)程溫度分布特性研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)輻射熱對(duì)液滴閃蒸過(guò)程蒸發(fā)強(qiáng)度和熱量傳遞的影響較為顯著，及時(shí)補(bǔ)充液滴閃蒸所消耗的熱量是維持液滴蒸發(fā)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

液滴閃蒸后，蒸發(fā)室內(nèi)的水蒸氣必須快速轉(zhuǎn)移才能維持蒸發(fā)腔的低壓，保證其蒸發(fā)的持續(xù)性，相較于傳統(tǒng)的冷卻水間接冷凝方式，采用固體吸附可大幅降低系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣壓力，近年來(lái)在海水淡化領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可，尤以新加坡國(guó)立大學(xué)海水淡化研究團(tuán)隊(duì)成果突出[13-15]，研究表明，采用固體吸附劑替代傳統(tǒng)冷凝系統(tǒng)使吸附溫度降低至4～5℃，即顯著降低了冷凝端壓力，顯著增加了級(jí)數(shù)設(shè)置，使造水比達(dá)到原來(lái)的1.5～2倍。

筆者課題組[16]基于對(duì)低品位熱源的有效利用，為提高鹽溶液蒸發(fā)強(qiáng)度，提出并實(shí)驗(yàn)研究了一種新型噴霧式熱管傳熱真空鹽水分離系統(tǒng)，熱管以高熱通量快速傳遞液體閃蒸后二次沸騰所需的熱量，提高液滴蒸發(fā)強(qiáng)度，增加單位體積容量的水分分離速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱管的應(yīng)用使單位容積的水分離速率提高了1倍。

本文將嘗試在原有添加熱管傳熱的基礎(chǔ)上，將固體吸附劑設(shè)置在水分離系統(tǒng)末端，即以熱管傳遞蒸發(fā)所需熱量，固體吸附劑快速轉(zhuǎn)移蒸發(fā)的水分，來(lái)維持系統(tǒng)較低的水蒸氣壓力，整個(gè)系統(tǒng)中形成霧化閃蒸、吸熱再蒸發(fā)、吸附、脫附及冷凝的水分劇烈相變轉(zhuǎn)移分離過(guò)程。并嘗試對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液進(jìn)行水分離實(shí)驗(yàn)，研究增加吸附床后系統(tǒng)內(nèi)的熱質(zhì)耦合傳遞規(guī)律，將為更有效地在鹽水分離領(lǐng)域利用低品位熱源提供一種新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由蒸發(fā)室、吸附-脫附室、冷凝室、熱水回路、冷水回路以及蒸汽通道組成。蒸發(fā)室主要由上下盲板與中間內(nèi)徑135 mm、高度450 mm的鋼化玻璃筒組成，下盲板均勻布置有18根采用性能穩(wěn)定的燒結(jié)紫銅-水熱管[17]，熱管主要性能參數(shù)見(jiàn)表1；吸附室以及脫附室均由上下盲板與中間內(nèi)徑220 mm、高度550 mm的鋼化玻璃筒組成，其下盲板上均布置了由5組U形不銹鋼翅片管組成的吸附床，翅片管翅片間用不銹鋼網(wǎng)包裹粒徑為0.5～1.5 mm的A型細(xì)孔硅膠，每個(gè)吸附床的硅膠填充量為8 kg，吸附劑中的溫度測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示，在布置于距U形管底部100、200、300及400 mm處的8個(gè)測(cè)點(diǎn)處，分別將熱電偶插入吸附劑填料內(nèi)部，以測(cè)量該位置吸附劑溫度；冷凝室結(jié)構(gòu)與吸附及脫附室相同，其上盲板下表面與冷凝盤管相焊接；冷、熱水回路中，設(shè)置8個(gè)電磁閥以切系統(tǒng)冷、熱水通路。系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)溫度采用精度±0.5℃的T型熱電偶測(cè)量，蒸發(fā)室及冷凝室分別設(shè)置絕對(duì)壓力量程為0～20 kPa，精度為0.1%的壓力傳感器。由于吸附-脫附室與冷凝室（蒸發(fā)室）具有較大流通面積，因此壓力傳感器測(cè)量值為整個(gè)吸附（脫附）腔體的壓力。

表1 熱管性能 Table 1 Performance of heat pipe

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，含鹽量3%的氯化鈉稀溶液經(jīng)高壓泵送至離心式噴嘴，霧化噴入真空蒸發(fā)室中。霧化細(xì)微液滴經(jīng)閃蒸、熱管表面吸熱沸騰，分離出的水蒸氣被吸附床A內(nèi)的吸附劑快速吸附轉(zhuǎn)移，剩余溶液被濃縮并泵出腔體。待吸附接近飽和，切換吸附床A氣路使其與冷凝室連通，并切換水路使床內(nèi)水管由流通冷卻水變?yōu)榱魍崴?。此時(shí)，吸附床A內(nèi)的吸附劑受熱脫附再生，得以循環(huán)使用。當(dāng)吸附床A脫附時(shí)，吸附床B進(jìn)行吸附，雙床交替進(jìn)行吸附-脫附，使實(shí)驗(yàn)得以連續(xù)進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試熱源溫度h(℃)、冷卻水溫度c(℃)，及真空壓力對(duì)固體吸附劑吸附及脫附過(guò)程性能的影響，涉及蒸發(fā)室、冷凝室的壓力及溫度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。系統(tǒng)冷凝量為冷凝室初、末液位讀數(shù)差；系統(tǒng)分離率為系統(tǒng)噴霧量與系統(tǒng)冷凝量之比。

表2 實(shí)驗(yàn)工況 Table 2 Experimental operating conditions

2 結(jié)果及分析

在表2所示的各工況條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采集于對(duì)應(yīng)工況穩(wěn)定時(shí)的一個(gè)吸附-脫附循環(huán)過(guò)程，每個(gè)循環(huán)的吸附及脫附時(shí)間均為1800 s。

2.1 吸附過(guò)程閃蒸室壓力變化特性

各實(shí)驗(yàn)工況條件下，蒸發(fā)室中熱管的溫度分局情況相似，即，熱管蒸發(fā)段溫度基本與熱源溫度相同，冷凝段溫度比熱源溫度低20℃左右且相差不大；而在測(cè)點(diǎn)5、6之間與不銹鋼盲板相接處，熱管溫度驟然降低，這是因?yàn)椴讳P鋼盲板的接觸使得一部分散失造成的。蒸發(fā)室壓力變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著蒸發(fā)-吸附過(guò)程進(jìn)行，蒸發(fā)室壓力在初始階段顯著下降，隨后緩慢回升。這是由于初始階段吸附劑剛投入使用，吸附能力強(qiáng)，吸附劑吸附水蒸氣速率遠(yuǎn)大于蒸發(fā)室水蒸氣產(chǎn)生速率，導(dǎo)致蒸發(fā)室壓力顯著下降，進(jìn)而明顯降低了其對(duì)應(yīng)的飽和溫度，在相同加熱溫度下，必然使熱管冷端表面的液滴過(guò)熱度增加，蒸發(fā)強(qiáng)度快速提高，水蒸氣產(chǎn)生速率躍升。而后，隨著吸附量的增加，吸附劑吸附能力下降，水蒸氣產(chǎn)生速率反超吸附速率。因此，到達(dá)最低點(diǎn)后，蒸發(fā)室壓力開(kāi)始緩慢上升，直至吸附劑在平衡壓力下吸附接近飽和時(shí)，切換到另一臺(tái)吸附床。

對(duì)比工況1、3、5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在冷卻水溫度為10℃時(shí)，熱源溫度越高，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的蒸發(fā)室壓力越高，到達(dá)最低點(diǎn)后上漲幅度更為顯著。這說(shuō)明在吸附系統(tǒng)參數(shù)固定時(shí)，閃蒸室平衡水蒸氣壓力主要由熱源溫度決定。比較工況1、2可知，在熱源溫度為50℃時(shí)，即使冷卻水溫度由10℃變化到20℃，兩種工況下閃蒸室內(nèi)的壓力在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化規(guī)律和大小均基本一致；而在熱源溫度為90℃時(shí)，即工況5、6，相同的冷卻水溫度變化下，工況5在各個(gè)時(shí)刻的平衡壓力均明顯低于工況6，幅度最高1000 Pa，該現(xiàn)象說(shuō)明在熱源溫度較低時(shí)，降低冷卻水溫度對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)度的影響作用有限。需要指出的是，由于蒸發(fā)-吸附過(guò)程結(jié)束時(shí)系統(tǒng)氣路切換，此時(shí)壓力較高的蒸發(fā)室與脫附完畢壓力較低的吸附床連通，兩個(gè)腔體的壓力瞬間達(dá)到平衡，故新的蒸發(fā)-吸附過(guò)程開(kāi)始時(shí)，其初始?jí)毫Φ陀趧偼瓿傻恼舭l(fā)-吸附過(guò)程結(jié)束時(shí)的閃蒸室壓力。

如圖4所示，為NaCl溶液在傳統(tǒng)噴霧低壓蒸發(fā)過(guò)程中真空蒸發(fā)室的平均壓力曲線，為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蒸發(fā)-吸附過(guò)程中蒸發(fā)室壓力變化曲線。對(duì)比本課題組前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鹽水分離系統(tǒng)中由于吸附床的引入，蒸發(fā)室壓力在吸附過(guò)程前半段的測(cè)量值較未使用時(shí)有明顯降低，降低幅度約為0.4～1 kPa，即固體吸附作用降低了蒸發(fā)室壓力，為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑。

2.2 吸附過(guò)程的吸附劑溫度變化

各實(shí)驗(yàn)工況條件下，吸附過(guò)程中吸附劑平均溫度變化如圖5所示。從圖中工況1～6可以看出，吸附過(guò)程中吸附劑平均溫度在開(kāi)始階段快速上升，到達(dá)峰值后持續(xù)下降直至吸附過(guò)程結(jié)束。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，開(kāi)始階段吸附劑由于剛脫附完成，內(nèi)部含水量最低，且經(jīng)過(guò)冷卻水快速預(yù)降溫，此時(shí)吸附劑吸附能力最強(qiáng)，吸附速率最大，釋放的吸附熱也最多，這些熱量不能及時(shí)被冷卻水帶走，導(dǎo)致吸附劑平均溫度明顯上升；而隨著吸附總量的增加，吸附劑的吸附能力逐漸降低，吸附速率隨之減小，吸附熱釋放量也同步減少，冷卻水帶走的熱量也逐步超過(guò)吸附熱，所以吸附劑平均溫度呈現(xiàn)持續(xù)下降過(guò)程。

觀察工況1、2條件下的溫度曲線，則未出現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，主要是因?yàn)檫@兩種工況熱源溫度只有50℃，液滴蒸發(fā)強(qiáng)度較弱，水蒸氣產(chǎn)生的速率慢，所以吸附過(guò)程中釋放的吸附熱基本被冷卻水帶走，吸附劑平均溫度波動(dòng)不明顯，當(dāng)冷卻水溫度更低，即冷卻能力更強(qiáng)時(shí)，吸附床內(nèi)溫度越趨于穩(wěn)定，比如工況1。

上述現(xiàn)象說(shuō)明，為了充分發(fā)揮吸附劑在吸附水蒸氣過(guò)程中的強(qiáng)吸附作用，快速轉(zhuǎn)移吸附熱是影響其性能的關(guān)鍵因素，即需要保持吸附劑在吸附過(guò)程中較低的溫度。

2.3 脫附過(guò)程冷凝室壓力變化

圖6為各實(shí)驗(yàn)工況條件下吸附完成后，脫附過(guò)程冷凝室壓力變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，脫附過(guò)程冷凝室壓力在不同工況下均呈現(xiàn)開(kāi)始階段迅速下降，而后趨于平緩，最后基本穩(wěn)定的相似規(guī)律。其原因在于，脫附開(kāi)始階段吸附床水蒸氣壓力較高，遇到溫度較低的冷凝盤管迅速被冷凝，故壓力下降十分顯著。隨著吸附劑被加熱溫度上升，內(nèi)部吸附的水蒸氣受熱脫附，產(chǎn)生大量水蒸氣，所以冷凝室壓力下呈現(xiàn)下降趨勢(shì)逐漸平緩，當(dāng)脫附完成時(shí)，冷凝室壓力不再改變。

對(duì)比各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，熱源溫度越高，冷凝室初始?jí)毫υ礁?，但?dāng)冷卻水溫度相同時(shí)，冷凝室終壓力卻基本相同。這是因?yàn)樗魵獾娘柡蜏囟群惋柡蛪毫Υ嬖谝灰粚?duì)應(yīng)的關(guān)系，而冷卻水溫度又決定了冷凝室內(nèi)水蒸氣的飽和溫度，所以冷卻水溫度決定了冷凝室終壓力。另外，當(dāng)熱源溫度相同時(shí)，冷凝室壓力變化趨勢(shì)相同；而熱源溫度越高，冷凝室壓力在脫附開(kāi)始階段下降得越迅速，但發(fā)展到穩(wěn)定所需時(shí)間卻越長(zhǎng)。這是由于熱源溫度相同時(shí)，吸附劑的吸附量基本相同，故其脫附過(guò)程的特征也就基本相似；而吸附時(shí)熱源溫度較高時(shí)，吸附室內(nèi)平衡水蒸氣壓力越高，即所含的水蒸氣越多，這些水蒸氣在吸附床剛切換到脫附模式時(shí)迅速被冷凝，導(dǎo)致開(kāi)始階段冷凝室壓力下降很迅速；另外，高熱源溫度使吸附完成時(shí)的水蒸氣平衡壓力增加，吸附劑平衡吸附量增加，故延長(zhǎng)了脫附時(shí)間。

因此，由于熱源溫度不同，吸附劑在脫附初始階段壓力有明顯差異，但這對(duì)脫附時(shí)間及脫附平衡壓力影響有限，該過(guò)程主要由冷凝器內(nèi)的冷卻水溫度決定，即相同的脫附加熱溫度下，冷卻水溫度越低，脫附效果越好。

2.4 脫附過(guò)程的吸附劑溫度及脫附量

各實(shí)驗(yàn)工況下，脫附過(guò)程吸附劑溫度及脫附水量變化分別如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，脫附開(kāi)始階段吸附劑溫度略有下降，隨后保持一段時(shí)間基本穩(wěn)定，最后階段持續(xù)顯著上升。這是因?yàn)槊摳竭^(guò)程初始階段，吸附劑處于飽和狀態(tài)，含水量大，脫附速率高，所需脫附熱多，而此時(shí)熱水不能及時(shí)補(bǔ)充足夠的熱量，導(dǎo)致吸附劑溫度有所降低；隨著大量水分的析出，脫附速率降低，隨之所需脫附熱也減少，熱水提供的熱量則由開(kāi)始時(shí)不足轉(zhuǎn)為基本平衡，繼而過(guò)剩，表現(xiàn)為脫附的后階段吸附劑溫度逐漸上升。與之對(duì)應(yīng)，圖8中的脫附量總體呈現(xiàn)脫附開(kāi)始時(shí)快速增加，而后趨于平穩(wěn)增長(zhǎng)的過(guò)程。

工況1、2條件下，由于吸附時(shí)熱源溫度只有50℃，水蒸氣平衡吸附壓力偏低，吸附劑吸附量少，故脫附時(shí)所需熱量也低，吸附劑溫度下降不明顯，并在400 s后就顯著升溫；工況3、4條件下，熱源溫度增加到70℃，吸附劑吸附后水蒸氣含量較工況1、2增多，故脫附時(shí)吸附劑溫度下降較為明顯；而工況5、6條件下，熱源溫度繼續(xù)增加到90℃，吸附劑脫附時(shí)溫度在開(kāi)始階段下降更為顯著，并且保持1000 s左右基本穩(wěn)定，說(shuō)明其保持高速率脫附的時(shí)間明顯增加，脫附的總水量也明顯增加。由系統(tǒng)質(zhì)量平衡可知，脫附量即為吸附時(shí)的吸附量。

以上現(xiàn)象說(shuō)明，吸附劑的使用雖然可以明顯降低閃蒸室的蒸發(fā)壓力，使更低品位的能源利用成為可能，然而低熱源溫度也同時(shí)降低了吸附劑的吸附量，即要達(dá)到同樣的水分離速率，需要顯著增加吸附劑總量。

2.5 分離率的影響因素

分離率，即通過(guò)閃蒸、熱管表面吸熱沸騰，蒸發(fā)的水分占總?cè)芤旱馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。各工況下系統(tǒng)的水分離率變化如圖9所示。很顯然，相同的冷卻水溫度下，熱源溫度越高，溶液中水分離率越高。這是因?yàn)闊嵩礈囟仍礁?，溶液接觸熱管冷端時(shí)水分的過(guò)熱度越大，沸騰蒸發(fā)越劇烈，蒸發(fā)室內(nèi)的平衡水蒸氣壓力越高，趨于吸附飽和的速率也越快（圖4），此外，冷卻水溫度為10℃時(shí)比20℃時(shí)分離率高5%左右，因?yàn)楦蜏氐睦鋮s水將使閃蒸室維持更低的蒸發(fā)壓力，同時(shí)使吸附劑的吸附量也稍有提升。

因此，閃蒸室的熱源溫度是影響分離率的核心因素，而冷卻水溫度越低也越有助于提高溶液中的水分離率。

3 結(jié) 論

提出了一種由低品位熱源驅(qū)動(dòng)，以熱管傳遞高熱通量的熱量，使霧化后的鹽液滴劇烈蒸發(fā)，并由固體吸附劑快速轉(zhuǎn)移水分的鹽水分離新方法。依據(jù)該方法搭建實(shí)驗(yàn)裝置并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，所得主要結(jié)論如下。

（1）鹽水分離系統(tǒng)中由于吸附床的引入，蒸發(fā)室壓力在吸附過(guò)程前半段的測(cè)量值較未使用時(shí)有明顯降低，降低幅度約為0.4～1 kPa，即降低了蒸發(fā)室壓力，為更低品位的熱源在鹽水分離方面的利用提供了新途徑。

（2）吸附劑的使用雖然可以明顯降低閃蒸室的蒸發(fā)壓力，使更低品位的能源利用成為可能，然而低熱源溫度也同時(shí)降低了吸附劑的吸附量，即要達(dá)到同樣的水分離速率，需要顯著增加吸附劑總量。

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Effects of solid adsorption on vacuum flash water separation process with heat pipe

GAO Wenzhong, XU Changda, LI Changsong, WANG Dong, SU Tianlong

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The superheat is the key factor for liquid drop to keep evaporating and it determines the water separation rate of the solute/water separator. A solute/water separation device combined with high efficient heat pipe and solid adsorption technology is developed in this paper. Water separation experiment of NaCl solution with concentration of 3% is conducted and the results show that the heat pipe can rapidly transfer heat to the drop just flashed for the second boiling with high heat flux and increase the water separation rate per unit volume. During the front half part of the adsorption process, the evaporator pressure value has a significant decrease by 0.4—1 kPa than that without adsorbent bed. Namely, the boiling point of drop is reduced and superheat is increased. This provides a new method for utilizing lower grade heat source in the solute/water separation.

heat pipe; solid adsorption; vacuum; flashing; water separation

supported by the National Natural Science Foundation of China (51106094) and the Natural Science Foundation of Shanghai (16ZR1414700).

date: 2015-12-16.

GAO Wenzhong, wzgao@shmtu.edu.cn

TK 124

A

0438—1157（2016）09—3755—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20151909

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106094）；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（16ZR1414700）。

2015-12-16收到初稿，2016-05-11收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：高文忠（1978—），男，博士后，副教授。