東南大學能源與環(huán)境學院 ■ 陳浩 丁業(yè)煊 金揚皓 秦曉彤 吳笛 蘇中元

0 引言

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國陸地表面平均每年接收的輻射量為5000 MJ/m2，其中，年日照時數(shù)超過2000 h的地區(qū)面積較大，占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件[1]。據(jù)資料顯示，我國每年接收到的太陽輻射總量相當于2.4×104億噸標準煤的儲量[2-3]。

沒有水，就沒有生命。水在人類社會的發(fā)展中扮演了不可或缺的角色，尤其是淡水，更是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中具有不可替代的作用[4]。然而地球上只有3%的水是淡水，另外97%都是由于含鹽量太高而無法直接飲用的海水[5]。如果淡水資源短缺的問題不能得到有效解決，將會阻礙人類社會的發(fā)展進步。

海水淡化是解決人類淡水資源短缺的重要途徑，而苦咸水淡化作為其中非常重要的一種技術(shù)，在世界多個國家掀起了研究熱潮[6]。據(jù)資料顯示，目前已有超過7500萬人正通過海水淡化技術(shù)來獲取所需的淡水量，已有超過1.3萬座海水淡化工廠在全球各個地區(qū)建成，并以每年15%的速度迅速發(fā)展[7]。

雖然海水淡化技術(shù)有很多種，包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)和反滲透(RO)法等，但這些技術(shù)都僅適用于大規(guī)模生產(chǎn)[8]。亟需針對日照充足的偏遠地區(qū)或海島地區(qū)，研發(fā)一種小規(guī)模、低成本、安裝和使用簡單且效率較高的太陽能凈水裝置。

為此，本文設(shè)計了一種多效太陽能膜蒸發(fā)凈水器裝置(下文簡稱為“凈水裝置”)，其以太陽能作為唯一能量來源，利用太陽能產(chǎn)生的熱能作為驅(qū)動源，避免了由熱能轉(zhuǎn)化為電能再進行利用造成的能量損耗，能夠有效地利用太陽能凈化苦咸水等不干凈的水源，具有高效、耐用、物美價廉的特點。

1 凈水裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 設(shè)計原理

凈水裝置是將太陽能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的內(nèi)能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榭嘞趟畠?nèi)能，將苦咸水加熱蒸發(fā)再收集，將其凈化到飲用水的標準。集熱管將收集的太陽能加熱工程聯(lián)箱(以下簡稱為“聯(lián)箱”)內(nèi)的工質(zhì)，再將熱量傳導到聯(lián)箱外壁水膜，水膜將儲水箱過濾后的水進行蒸發(fā)，蒸發(fā)后的凈水流入凈水箱，完成最后的收集工作。因此，凈水裝置主要由集熱部分、傳熱部分、收集儲存部分這3大功能部分及支撐部分組成。

1.2 集熱裝置

傳統(tǒng)的太陽能熱水器集熱裝置主要為圖1所示的豎單排真空管型太陽能集熱器，集熱器利用熱虹吸現(xiàn)象將集熱管中的熱量通過傳熱工質(zhì)傳遞給聯(lián)集管，這是20世紀80年代由清華大學的殷志強教授和悉尼大學的 Harding 博士一起研制成的[9-10]；相比于平板型集熱器，這種裝置的優(yōu)點是制造簡單、成本低廉，因此得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

圖1 豎單排真空管型太陽能集熱器

由于集熱管是圓形的，所以無論光線從哪個角度入射，集熱管都能夠正常工作。但在實際工作時，集熱管一半朝光，另一半背光，同時由于太陽的運動，其入射線光并不總是在集熱管所在平面的法線，因此集熱管只有一部分能夠吸收到太陽輻射[11]；而且相鄰集熱管之間存在間隙，因此集熱管所在平面上的太陽輻射并不能被完全吸收，如圖2所示，在BC 之間的太陽輻射無法被吸收。綜合來看，直接使用豎單排真空管型太陽能集熱器集熱存在很多不足，需要進行改進。

圖2 集熱管直接吸收太陽輻射

與太陽能熱水器不同的是，本文介紹的凈水裝置需要更高的溫度，但不需要太多的傳熱工質(zhì)。因此，將聚光技術(shù)與熱管式真空管相結(jié)合，設(shè)計了如圖3所示的集熱裝置。

圖3 凈水裝置的集熱裝置示意圖

在集熱裝置面積不變的情況下，將集熱器原來的12根集熱管改為4根，并為每一根集熱管配備了1個聚光器，這樣不僅提高了太陽輻射的吸收率，還降低了成本。

集熱裝置所占面積為1.15 m2，盡管為每一根集熱管都配備了聚光器，但集熱管并不能吸收所有面積上的太陽輻射。假設(shè)平均太陽輻射為800 W/m2，集熱管的太陽吸收比為0.9，經(jīng)過試驗，集熱管只能獲得其中80%的太陽輻射，因此，每小時集熱裝置能夠吸收的能量W=800×1.15×0.9×0.8×3600=2384.64 kJ。

集熱裝置以水作為傳熱工質(zhì)，比熱容C為4200 J/(kg·℃)；集熱管的長度l為1 m，外管直徑?為47 mm，除兩層玻璃之間不能裝水的部分外，每根集熱管可盛水0.95 L，再加上聯(lián)箱里盛放的水，共含有15 L的水。假設(shè)環(huán)境溫度為20℃，那么將裝置中的水加熱到80 ℃需要1.58 h。

1.3 傳熱部分

傳熱部分主要由聯(lián)箱、吸水面料(水膜)、隔板組成。聯(lián)箱內(nèi)的工質(zhì)為主要熱量來源，聯(lián)箱將吸附在聯(lián)箱外壁吸水面料上的水蒸發(fā)；水蒸氣在隔板處凝結(jié)，凝結(jié)產(chǎn)生的熱量傳遞至隔板外，將吸水面料處的水再次蒸發(fā)；最后使水凝結(jié)在儲水箱外壁，凝結(jié)產(chǎn)生的熱量為儲水箱內(nèi)的苦咸水預熱。4個階段的傳熱過程使整個蒸發(fā)過程中的熱量可以被多次高效利用。

圖4 凈水裝置正面圖

圖5 凈水裝置背面圖

聯(lián)箱內(nèi)平均每天能提供6 h 80 ℃的熱源，所要凈化的苦咸水的溫度為20℃；鋁制箱體壁面的導熱系數(shù)k1為230 W/(m·K)。

凈水裝置的蒸發(fā)面和冷凝壁面的溫度不平衡，且由于水蒸氣在空間中的運動，因此裝置內(nèi)不僅存在導熱、對流和輻射傳熱，還存在較為復雜的相變傳熱。

凈水裝置的蒸發(fā)冷凝發(fā)生在3個地方，且共有4種能量參與其中，分別為：聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)能量、聯(lián)箱外表面上的能量、內(nèi)層換熱面上的苦咸水能量，以及外層換熱面上的苦咸水能量，下文將對這4種能量進行分析。

1.3.1 聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)能量分析

聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)水的熱量全部來自于集熱管，根據(jù)能量守恒原理可知：

式中，I(t)為t時刻當?shù)氐奶栞椛淞?，W/m2；Ac為集熱器面積，m2；ηs為集熱器熱效率，%；m0為集熱器內(nèi)水的質(zhì)量，kg；qc,1為聯(lián)箱與外表面水膜之間的對流換熱量，W；T0為集熱系統(tǒng)內(nèi)水的平均溫度，℃；qlos,0為集熱系統(tǒng)內(nèi)的水與環(huán)境之間的散熱；dt為時間的微分。

qlos,0可表示為：

式中，Ub為熱損系數(shù)，W/(℃·m2)；Ta為環(huán)境溫度，℃；Ah為集熱系統(tǒng)外表面的表面積，m2。

1.3.2 聯(lián)箱外表面上的能量分析

根據(jù)能量守恒定律，聯(lián)箱外表面流過的苦咸水能量可表示為：

式中，q′為水的汽化潛熱，J/kg；ΔT1為水從初始狀態(tài)加熱到蒸發(fā)狀態(tài)的溫度差，℃；dm1為聯(lián)箱外表面上dt時間內(nèi)蒸發(fā)的水量，kg。

該換熱面上覆有吸水面料，其會對表面換熱系數(shù)產(chǎn)生影響，平均影響系數(shù)為k，則qc,1可表示為：

式中，h1為聯(lián)箱外表面上的對流換熱系數(shù)，W/(℃·m2)；A1為聯(lián)箱外表面的表面積，m2；Th為聯(lián)箱外表面流過的苦咸水的溫度，℃。

1.3.3 內(nèi)層換熱面上的苦咸水能量分析

該換熱面上覆有吸水面料。聯(lián)箱外表面上產(chǎn)生的蒸汽在此處冷卻凝結(jié)，而外部水冷壁上的苦咸水吸熱蒸發(fā)，同時該換熱面接收來自聯(lián)箱外表面的輻射傳熱，并與外層換熱面進行輻射傳熱。

根據(jù)能量守恒定律，內(nèi)層換熱面上的苦咸水能量可表示為：

式中，dm2為內(nèi)層換熱面外部水冷壁上在dt時間內(nèi)蒸發(fā)的水量，kg；qm1為蒸汽在內(nèi)表面上進行冷卻凝結(jié)過程中的換熱量，W；qr為輻射換熱量，W；ΔT2為內(nèi)層換熱面外部水冷壁上在dt時間內(nèi)蒸發(fā)水量溫度的上升值，℃。

qm1可表示為：

式中，ΔT1′為水從氣態(tài)變到液態(tài)的溫度差，℃。

qr可表示為：

式中，qr,2為接收來自聯(lián)箱外表面的輻射傳熱量，W；qr,3為傳遞給外層換熱面的輻射傳熱量，W。

qr,2可表示為：

式中，A2為內(nèi)層換熱面的表面積，m2；hr,2為聯(lián)箱外表面到內(nèi)層換熱面的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K4)；T10為聯(lián)箱外表面的溫度，℃；T20為內(nèi)層換熱面的溫度，℃。

qr,3可表示為：

式中，A3為外層換熱面的表面積，m2；hr,3為內(nèi)層換熱面到外層換熱面的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K4)；T30為外層換熱面上的溫度，℃。

1.3.4 外層換熱面上的苦咸水能量分析

內(nèi)層換熱面上產(chǎn)生的水蒸氣，在外層換熱面上遇到水冷壁，水冷壁上溫度低的苦咸水使內(nèi)層換熱面上產(chǎn)生的水蒸氣冷卻、凝結(jié)，儲水箱中的苦咸水則吸收熱量，升溫流入內(nèi)層換熱面與聯(lián)箱外表面。此過程用公式可表示為：

式中，m2為在外層換熱面上進行換熱的水蒸氣質(zhì)量，kg；Qr,3為內(nèi)層換熱面與外層換熱面之間的輻射熱交換量，J；ΔT3為在外層換熱面上進行換熱的水蒸氣從氣態(tài)變化到液態(tài)的溫度差，℃；Q為儲水箱內(nèi)的苦咸水所吸收的熱量，J。

1.4 收集儲存

收集儲存部分包括儲水箱、廢水箱、凈水箱和相應(yīng)的導水管道。其中，儲水箱同時起到初步過濾和冷凝壁的作用，所以其要架設(shè)于隔板之上?？紤]到支架承重，以及水的凝結(jié)效果、過濾效果等因素，最終決定蒸發(fā)冷卻裝置采用圖6所示結(jié)構(gòu)。

圖6 蒸發(fā)冷卻裝置結(jié)構(gòu)圖

儲水箱分為上下兩層，上層作為過濾部分，內(nèi)置活性炭、砂石等物，下層為水冷壁，用導管與下層相接，將過濾后的水導到吸水面料處進行蒸發(fā)。凈水箱與廢水箱與托板相連，分別負責收集蒸發(fā)后的干凈水與未蒸發(fā)完成的廢水。

支撐部分包括托板與支架。支架由不銹鋼制成，負責總體支撐；托板由塑料制成，負責支撐隔板及儲水箱，同時，托板也具有收集作用，凝結(jié)水與廢水順壁面流到托板處，通過隔層分開，最終順著管道流入各個水箱內(nèi)。

2 苦咸水的凈化實驗及研究

2.1 苦咸水組分

實驗所用水是根據(jù)崇明島苦咸水成分模擬所得，與GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中飲用水標準相比，其所含溶解性固體、鐵、氯化物、硫酸鹽及其濁度、硬度都嚴重超標[12]。由于崇明島苦咸水的總?cè)芙夤腆w(TDS)較高，且具有多重污染、隨季節(jié)變化快的特點，實驗用水僅部分模擬低咸期時崇明島的苦咸水成分，具體組分情況如表1所示。

表1 苦咸水組分

2.2 工藝流程

實驗中，初步凈化所用的活性炭為顆粒活性炭層，用于初步吸附苦咸水中的大顆粒及不溶性物質(zhì)。實驗所采用的吸水面料為coolmax纖維針織面料，相比于純棉面料或普通化纖面料，其四溝槽纖維結(jié)構(gòu)具備良好的吸水及擴散能力，可迅速吸收水分并傳導至外層纖維，形成水膜。

苦咸水由重力作用經(jīng)活性炭層初步吸附凈化后，流入儲水箱中儲存；當集熱器開始工作，儲水箱中的苦咸水經(jīng)虹吸管大部分虹吸至內(nèi)層吸水面料，在吸水面料表層形成水膜；水膜受熱蒸發(fā)后(蒸發(fā)溫度為45～72 ℃)，在內(nèi)腔體內(nèi)側(cè)遇冷凝結(jié)(冷卻溫度為30 ℃)，再由重力作用經(jīng)管道流入凈水箱；儲水箱中的苦咸水少部分經(jīng)虹吸管虹吸至內(nèi)腔體外側(cè)的外層吸水面料，利用內(nèi)層的蒸發(fā)余熱使面料表層水膜蒸發(fā)，在外腔體內(nèi)側(cè)遇冷凝結(jié)，流入凈水箱。

圖9 凈水裝置工藝流程圖

2.3 模擬實驗結(jié)果

為了測試吸水面料的性能與所得凈水的水質(zhì)，在實驗室利用已有的器材搭建了簡單的平臺進行模擬實驗。

模擬實驗中，550 ml苦咸水(室溫24 ℃)，在0.12 m2的吸水面料表面，經(jīng)40 s基本完全蒸發(fā)。也就是說，充足熱源的情況下，苦咸水的平均蒸發(fā)速率約為114.58 mL/(s·m2)。蒸汽遇冷凝結(jié)后，共收集到淡化水370 mL。

收集到的淡化水經(jīng)TDS水質(zhì)檢測筆檢測，其TDS值在GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中規(guī)定的1000 mg/L這一限值以內(nèi)。

3 凈水裝置的性能分析

3.1 凈水裝置的實驗結(jié)果

為了測量凈水裝置的性能，根據(jù)設(shè)計圖紙搭建了實驗平臺，分別在9月23-24、10月2-3日、10月12日、10月19-20日這7天進行了測試。

表2 實驗當天的太陽輻射量、苦咸水量與凈水量

3.2 凈水裝置的性能計算

該凈水裝置的性能系數(shù)ηpr的計算式為：

式中，M為凈水箱內(nèi)收集的凈水量，kg；ΔT為苦咸水從進入蒸發(fā)面到離開裝置過程中的溫度差，℃。

將表2中7天的實驗數(shù)值代入式(11)，可得ηpr=0.75。

水的凈化率ηw可表示為：

式中，M1為苦咸水量，L。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可計算得到，水的凈化率ηw=79.54%。

3.3 凈水裝置的經(jīng)濟性分析

按實驗搭建1 m2的凈水裝置計算投資成本；集熱管的成本為4×20=80元，支架成本為100元，聚光槽為60元，吸水面料為40元，過濾材料為50元，水箱為150元，管路為40元，總計為520元。當多臺凈水裝置共同使用時可采用共用水箱、過濾裝置等，以降低投資成本。

吸水面料1年更換一次，產(chǎn)水成本為5元/t，接近大型反滲透法凈化苦咸水成本，但該裝置初始投資低，建設(shè)周期短，維護簡單。因此本裝置具有較高的實用價值與良好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

本文對現(xiàn)有的真空集熱管使用方式進行了改進，設(shè)計制造了一種多效太陽能膜蒸發(fā)凈水器裝置，以太陽能作為唯一能量來源，利用膜蒸發(fā)的方式達到凈化苦咸水的目的，降低了成本，并增加了太陽輻射的吸收效率。該裝置采用雙層凈化的方式，使用第一次蒸發(fā)出的水蒸氣的余熱給第二層的苦咸水水膜加熱，同時第二層的苦咸水水膜起到水冷壁的作用，大幅提高了裝置的能源利用率；并采用了具有特殊結(jié)構(gòu)的吸收材料，可以將臟水擴散在最外面，有效提高了苦咸水的蒸發(fā)速率。

通過實驗可以看出，該裝置完美實現(xiàn)了凈化目標，且凈水能力很強，完全可滿足人們?nèi)粘ｏ嬘盟男枨蟆?/p>