蔣 樾，陳觀生，劉良德，劉湘云，肖宏新，羅超鴻

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

隨著能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，新能源的開發(fā)與利用得到越來(lái)越多的關(guān)注。太陽(yáng)能作為新能源之一，儲(chǔ)量巨大且廣泛分布，收集即可利用。利用太陽(yáng)能來(lái)進(jìn)行溶液再生的想法多年前即被提出[1-2]。根據(jù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換形式的不同可將太陽(yáng)能溶液再生器分為光熱式太陽(yáng)能溶液再生器、光伏式太陽(yáng)能溶液再生器和光熱/光伏混合式太陽(yáng)能溶液再生器[3-8]。但上述類型的太陽(yáng)能溶液再生器通常需要增加儲(chǔ)液罐、太陽(yáng)能電池、電滲透再生器、輔助加熱器等設(shè)備來(lái)保證太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這意味著系統(tǒng)更復(fù)雜、造價(jià)更高、能耗更大[9-12]。因此，對(duì)相關(guān)設(shè)備的簡(jiǎn)化也成為當(dāng)下研究的趨勢(shì)，包括對(duì)集熱器的再設(shè)計(jì)、儲(chǔ)液罐的功能整合等[12-15]。而在常規(guī)太陽(yáng)能集熱器中，槽式聚光集熱器因其對(duì)工質(zhì)的加熱溫度較高而被應(yīng)用于太陽(yáng)能溶液再生器中[16-17]。

在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能溶液再生器中，太陽(yáng)能集熱器收集的熱量首先儲(chǔ)存在作為傳熱媒介的水里，高溫水再通過液泵輸送到儲(chǔ)液罐中儲(chǔ)存。這些高溫水通過熱交換器把熱量傳輸?shù)饺芤涸偕髦械牡蜐舛仍偕芤褐?，溶液中的水分蒸發(fā)，完成再生過程。顯然，以上再生過程屬于二次換熱過程，太陽(yáng)能必須經(jīng)過水作為媒介才能輸送到目標(biāo)的再生溶液中去，系統(tǒng)較為復(fù)雜，不利于再生過程的進(jìn)行。

為了達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)備、提高吸熱再生性能的目的，本文提出了一種新型太陽(yáng)能溶液再生器。該新型太陽(yáng)能溶液再生器節(jié)省了儲(chǔ)液罐及二次換熱設(shè)備，直接將太陽(yáng)能集熱器與溶液再生器連接在一起，利用槽式聚光集熱器直接加熱管內(nèi)溶液，并使溶液在溶液發(fā)生器內(nèi)汽化，完成再生過程。這樣可以簡(jiǎn)化太陽(yáng)能溶液再生裝置，增強(qiáng)溶液的加熱效果，達(dá)到提高溶液蒸發(fā)效率的目的。本研究在無(wú)預(yù)熱及有預(yù)熱情況下對(duì)太陽(yáng)能溶液再生器的吸熱再生性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用的太陽(yáng)能溶液再生器主要由槽式聚光集熱器、溶液發(fā)生器、液泵、流量計(jì)、三通閥等構(gòu)成，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

圖 1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System schematic diagram

圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup diagram

1.1 太陽(yáng)能溶液再生器

太陽(yáng)能溶液再生器的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表 1 太陽(yáng)能溶液再生器系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The specifications of solar regenerator

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)利用槽式集熱器對(duì)循環(huán)回路中的溴化鋰溶液進(jìn)行加熱，并使其在溶液發(fā)生器中蒸發(fā)，完成溶液再生過程。為了記錄實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)變化，在太陽(yáng)能溶液再生器的各部分位置設(shè)置了多種測(cè)量?jī)x器，其主要參數(shù)情況如表2所示。

表 2 測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)參數(shù)Table 2 The specifications of testing system

5個(gè)K型熱電偶分別布置在如圖1所示的位置中，分別用于測(cè)量太陽(yáng)能溶液再生器中的集熱器進(jìn)口溫度tin、集熱器出口溫度tout、溶液發(fā)生器溫度ts1、ts2和ts3，其中定義溶液發(fā)生器的溫度ts為ts1、ts2和ts3的平均值。除此外還有1個(gè)熱電偶放置在空氣中測(cè)量環(huán)境溫度ta。所有的溫度數(shù)據(jù)都傳輸?shù)絋P700多路數(shù)據(jù)采集儀中保存。而放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的太陽(yáng)直射儀用于采集實(shí)時(shí)太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度。

本研究的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)三號(hào)館樓頂，實(shí)驗(yàn)所用的槽式集熱器為南北軸向放置于樓頂，所用溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，實(shí)驗(yàn)過程中的流量穩(wěn)定在0.1 L/min，溫度、太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度由相應(yīng)儀器自動(dòng)記錄，同時(shí)每半小時(shí)讀取一次溶液發(fā)生器上的刻度值記錄溶液蒸發(fā)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8:30～16:30。

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

采用Kline[18]的不確定性分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)中的蒸發(fā)效率進(jìn)行誤差分析。在太陽(yáng)能溶液發(fā)生器吸熱實(shí)驗(yàn)過程中，熱電偶測(cè)溫、流量計(jì)測(cè)流量及太陽(yáng)直射儀測(cè)輻射強(qiáng)度可以作為3個(gè)主要的不確定性變量。根據(jù)相關(guān)分析，熱電偶測(cè)溫的不確定度為2%，流量計(jì)測(cè)流量的不確定度為4%，太陽(yáng)直射儀測(cè)輻射強(qiáng)度不確定度為1%，其總體的蒸發(fā)效率不確定度為4.6%。通過至少3次以上重復(fù)測(cè)試表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不確定度均在可以接受的范圍內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算公式

槽式集熱器所吸收的太陽(yáng)能由直射輻射強(qiáng)度以及集熱面積求得，如式(1)所示。

其中ΦI為集熱器所吸收的太陽(yáng)能，W； q 為直射輻射強(qiáng)度，W/m2； A 為集熱面積，m2。溴化鋰溶液所吸收的顯熱為

其中C是溴化鋰溶液的比熱容，J/(kg·℃)；M是質(zhì)量流量，kg/s；?t=tout?tin。水蒸發(fā)所需要的潛熱為

其中 ?m代表單位時(shí)間溶液蒸發(fā)質(zhì)量，g；m代表溶液總質(zhì)量，g，τ為記錄時(shí)間間隔，s；ΦE為水蒸氣所需要的潛熱，W；ΦW為水的汽化潛熱， J/kg。溴化鋰溶液所吸收的全熱為

其中ΦT為溶液所吸收的全熱，W。水的蒸發(fā)速率為

其中v為水的蒸發(fā)速率，g/min。系統(tǒng)的蒸發(fā)效率 ηs為

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 無(wú)預(yù)熱實(shí)驗(yàn)

于2019年3月17日進(jìn)行了無(wú)預(yù)熱過程實(shí)驗(yàn)，溴化鋰溶液從室溫開始接受槽式集熱器加熱，其相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在圖3(a)～圖3(f)中。

圖3(a)是第1次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度ta和直射輻射強(qiáng)度q 隨時(shí)間的變化曲線。圖3(b)中記錄了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各位置溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體溫度都在隨時(shí)間升高，但溫升速率較低，以至于經(jīng)過1 d的日曬，各位置溫度都不超過86 ℃。圖3(c)則展示了蒸發(fā)速率v和溶液發(fā)生器溫度ts隨時(shí)間變化的曲線，由于溶液發(fā)生器溫度在1 d內(nèi)都沒有超過100 ℃，導(dǎo)致了溴化鋰溶液的蒸發(fā)速率v一直保持較低水平。圖3(d)記錄了溶液總質(zhì)量m和溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) ζ 時(shí)間變化曲線，其溶液總質(zhì)量由最初的12 000 g下降到11 104 g，質(zhì)量濃度由40%上升到43.2%，由此可見其蒸發(fā)量較少。

圖 3 無(wú)預(yù)熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Data of the experiment without pre-heating

圖3(e)計(jì)算了熱量隨時(shí)間變化的曲線，圖3(f)表示蒸發(fā)效率ηs和溶液發(fā)生器溫度ts隨時(shí)間變化的曲線。顯然可見，較低的潛熱量以及溶液發(fā)生器溫度直接影響了整個(gè)太陽(yáng)能溶液再生器的蒸發(fā)效率ηs，導(dǎo)致其日均蒸發(fā)效率ηs只有0.049。

結(jié)合上述圖表的分析，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中，由于溴化鋰溶液是從環(huán)境溫度開始升溫的，溫升緩慢，以至于1 d內(nèi)溶液發(fā)生器溫度尚未提升到86 ℃，而水在100 ℃以上才有較高蒸發(fā)量。為了進(jìn)一步提高溶液的蒸發(fā)效率，進(jìn)行了有預(yù)熱的實(shí)驗(yàn)，利用加熱器將溶液發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰溶液預(yù)熱至90 ℃，然后關(guān)閉加熱器，開始后續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 有預(yù)熱實(shí)驗(yàn)

于2019年3月19日進(jìn)行有預(yù)熱過程實(shí)驗(yàn)。溴化鋰溶液從8:00開始預(yù)熱，約在8:28達(dá)到90 ℃，此時(shí)關(guān)閉電加熱器，轉(zhuǎn)入太陽(yáng)能加熱過程，其相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在圖4(a)～圖4(f)中。

圖 4 有預(yù)熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Data of the experiment with pre-heating

圖4(a)是環(huán)境溫度ta和直射輻射強(qiáng)度q 隨時(shí)間變化的曲線。而圖4(b)所示的溫度變化曲線則與圖3(b)截然不同，在預(yù)熱的作用下，溶液溫度ts在起始階段就達(dá)到了90 ℃附近，并在日照下，1 d內(nèi)大部分時(shí)間維持在100～105 ℃。圖4(c)中顯示溴化鋰溶液能在1 d內(nèi)都保持較高水平的溶液溫度ts以及蒸發(fā)速率v。由此可見，溶液溫度ts與蒸發(fā)速率v呈現(xiàn)正相關(guān)。圖4(d)記錄了溶液總質(zhì)量m和溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) ζ 隨時(shí)間變化的曲線，其溶液總質(zhì)量由最初的12 000 g下降到7 859 g，質(zhì)量濃度由40%上升到61.1%，與圖3(d)相比，蒸發(fā)量有較為明顯的改進(jìn)。

輻射熱ΦI、總熱ΦT、顯熱ΦS以及潛熱ΦE隨時(shí)間變化的曲線如圖4(e)所示。得益于預(yù)熱帶來(lái)的高蒸發(fā)速率v，圖4(e)所示的潛熱ΦE顯著高于圖3(e)的。其余熱量則在2 d中保持大體一致的水平。

通過圖4(f)可以得出，第2次實(shí)驗(yàn)的日均蒸發(fā)效率ηs為0.186，是第1次實(shí)驗(yàn)的3.8倍。由此可以得出推論：實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用預(yù)熱的方式后，其蒸發(fā)效率ηs比不采用預(yù)熱有明顯提高。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用槽式集熱器對(duì)循環(huán)回路中的溴化鋰溶液進(jìn)行加熱，并使其在溶液發(fā)生器中蒸發(fā)，完成溶液再生過程。具體而言是研究了溴化鋰溶液所體現(xiàn)的吸熱升溫及汽化特性，獲得了無(wú)預(yù)熱及有預(yù)熱的情況下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)溴化鋰溶液的相關(guān)結(jié)果。

結(jié)果表明，再生器內(nèi)的溴化鋰溶液具有較為理想的吸熱能力，升溫速率快，能夠連續(xù)而且穩(wěn)定地產(chǎn)生蒸汽，特別是在利用了預(yù)熱方式后，溴化鋰溶液汽化效果更為明顯，其日均蒸發(fā)效率可達(dá)0.186，是不進(jìn)行預(yù)熱情況下的3.8倍。兩次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證了加入預(yù)熱過程能使溶液蒸發(fā)效率得到較大提升，這為以后在同類實(shí)驗(yàn)中利用預(yù)熱手段提升溶液蒸發(fā)效率提供了依據(jù)。