趙惠忠 吳天浩 王朝陽 李倩文 張敏

摘要：為提供一種船用淡水問題的潛在解決方案，本實驗利用13X、3A和5A型等3種不同沸石分子篩吸附劑吸附空氣中的水蒸氣，并利用太陽能獲取液態(tài)淡水供船舶使用。通過對制作的太陽能取水管（solar watering tube，SWT）性能測試可得出以下結(jié)論：在全日輻射量為20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2時，13X、3A和5A型吸附劑吸附床溫度最高分別為178.2 ℃、180.1 ℃和217.7 ℃，均達到脫附溫度要求。在自然對流風冷式冷凝器中，13X、3A和5A型SWT最高冷凝溫度分別為27.8 ℃、33.2 ℃和31.9 ℃，均滿足冷凝要求;3種吸附劑制備的SWT利用太陽能吸附法可分別從空氣中取淡水57.8 g、39.2 g和44.0 g，有潛在的解決船用淡水的前景。

關(guān)鍵詞： 太陽能取水管（SWT）; 分子篩吸附劑; 全日輻射量; 取水量

中圖分類號： U664.5+9;TK519 ? ?文獻標志碼： A

Experimental study of performance test for solar watering

tube used in ships

ZHAO Huizhong1， WU Tianhao1， WANG Zhaoyang1， LI Qianwen1， ZHANG Min2

（1. Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2. College of Food Sciences and Technology， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to provide a potential solution to the problem of ship fresh water， this experiment uses three different zeolite adsorbents， 13X， 3A and 5A， to absorb water vapor in the air， and uses solar energy to obtain liquid fresh water for ship use. These following conclusions can be drawn by testing the performance of the solar watering tube （SWT）： under the conditions of the full-day radiation being 20.1 MJ/m2 and 16.7 MJ/m2， the maximum temperatures of the adsorption beds of 13X， 3A and 5A adsorbents are 178.2 ℃， 180.1 ℃ and 217.7 ℃， respectively， which meet the desorption temperature requirements. In the natural convection air-cooled condenser， the highest condensation temperatures of 13X， 3A and 5A SWTs are 27.8 ℃， 33.2 ℃ and 31.9 ℃， respectively， which meet the condensation requirements; fresh water 57.8 g， 39.2 g and 44.0 g can be obtained from air by SWTs with three different adsorbents， which has the potential to solve the problem of ship fresh water.

Key words： solar watering tube （SWT）; zeolite adsorbent; full-day radiation; water-obtained quantity

0 引 言

船舶在航行過程中，通常無法由自然界直接獲得淡水，因此船舶的淡水獲取是船舶航行需要解決的非常重要的問題之一。船舶取水方式目前主要有以下幾種：利用船舶余熱取水、利用太陽能蒸餾取水、利用滲透膜進行海水淡化取水。許紅[1]在蒸餾海水技術(shù)基礎(chǔ)上，設計了一種適用于中小型船舶的海水淡化裝置，利用柴油機余熱蒸發(fā)海水并使其冷凝，獲得淡水蒸發(fā)器和冷凝器的有效傳熱面積分別為2.42 m2和0.566 m2;鄭青榕等[2]利用船舶余熱驅(qū)動以硅膠為吸附劑的吸附式取水系統(tǒng)，得出在典型航線上大氣的平均相對濕度均大于70%，船舶的晃動和振動不影響硅膠及其與氯化鈣的復合吸附劑吸附性能的結(jié)論;裴曉斌[3]設計了船舶低溫單效蒸餾海水裝置，計算得出當蒸發(fā)器換熱面積為1.52 m2，冷凝器換熱面積為3.252 m2時，取水率為0.76，單位淡水能耗為1 568 kJ/kg;王亮軍[4]將傳統(tǒng)蒸發(fā)淡水裝置改良為多效蒸發(fā)淡水裝置，每消耗1 kg加熱蒸汽可取1.75 kg淡水（單效蒸發(fā)裝置只能取淡水0.92 kg）。目前，太陽能海水淡化技術(shù)取得了相應的進展：DELGADO-TORRES等[5]以太陽能為驅(qū)動力，利用反滲透法對海水進行淡化處理;MOHAMMADI等[6]提出了新的太陽能混合CSP海水淡化技術(shù)，以降低經(jīng)濟成本和提高取水效率;季建剛等[7]提出了太陽能吸附式取水法，具體分析了該方法的工作原理和吸附熱力循環(huán);侴喬力等[8-10]提出了一種改進的太陽能吸附式空氣取水器，這種空氣取水器有集熱效率高、吸附速率快等優(yōu)點;苑昭闊等[11]以碘鎢燈模擬太陽輻射，研究了在不同輻射強度下在以13X型沸石分子篩為吸附劑的兩次取水循環(huán)中的取水量和脫水量;喬力等[12]提出制冷結(jié)露取水并與吸附取水法進行對比，分析了兩種取水過程的熱力性能、取水率，得出制冷結(jié)露取水法取水量遠少于吸附取水法的結(jié)論。

目前，國內(nèi)外已發(fā)展出不同的空氣取水方式，如：劉金亞等[13]利用新制備的4種復合吸附劑在太陽能吸附式空氣取水裝置中進行取水量研究，結(jié)果表明ACF-LiCl的吸附和解吸性能最好（解吸6 h，每1 kg吸附劑取水0.412 kg）;張云凱[14]利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動半導體制冷箱，在夜晚平均相對濕度為65%環(huán)境中，在額定功率為100 W的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動下，從晚上8：00到次日早晨8：00制冷箱可以獲得1 572 g冷凝水;劉建勛[15]采用表面冷卻式取水技術(shù)，利用離心變頻風機將濕空氣鼓入蒸發(fā)器，濕空氣會在蒸發(fā)器中結(jié)露成為液態(tài)水，研究結(jié)果表明蒸發(fā)器出風口相對濕度平均值為95%，9月為取水量最大的月份，每天的夜晚取水性能好，夏季最佳取水時間段為晚上8：00到次日早晨8：00;趙惠忠等[16]利用船舶余熱研制冷管并將其應用于吸附制冷裝置中，通過該方法可制得冷量，再進一步獲得淡水;FESSEHAYE 等[17]研究了霧氣取水法，將收集的霧氣冷凝后獲得淡水資源，對于進入的霧，集熱器效率大約為20%;HAMED[18]研究了利用干燥劑吸收大氣中水蒸氣，然后通過加熱和冷凝水蒸氣將干燥劑與水分離獲得淡水，結(jié)果表明循環(huán)效率值、生成單位質(zhì)量的水蒸氣所需的強溶液質(zhì)量等在很大程度上取決于工作干燥劑的濃度，改變強溶液濃度可以得到大于90%的循環(huán)效率值，當強溶液與弱溶液濃度相差不大時循環(huán)效率值急劇下降。

基于上述研究，本文利用3種不同吸附劑制備了太陽能取水管（solar watering tube，SWT），并研究SWT取水量與室外太陽能輻射強度和溫濕度等各參數(shù)之間的關(guān)系，以期為船舶航行提供生活淡水。

1 實驗原理

SWT[19]是基于熱力學循環(huán)基本理論而設計的一種新型太陽能取水裝置。該系統(tǒng)運行理論遵循熱力學基本定律，熱力循環(huán)見圖1。

圖1中：Pe為冷凝溫度對應的飽和壓力，Pa為水蒸氣分壓力，m1和m2均為吸附量;A→B過程是等容升壓過程，管內(nèi)壓力由Pa升高至Pe，將水管進氣口和出氣口封閉，此時管內(nèi)壓力、溫度迅速升高;B→C過程是等壓升溫過程（白天吸附劑脫附過程），管內(nèi)壓力在理想情況下視為等壓，由于受到太陽光光照影響管內(nèi)溫度升高;C→D過程是等容降壓過程，管內(nèi)壓力由Pe降低至Pa，將進氣口和出氣口開啟，此時管內(nèi)壓力、溫度均迅速下降;D→A過程是等壓降溫過程（夜晚吸附過程），此過程視為等壓過程，水蒸發(fā)造成管內(nèi)溫度降低。

SWT基于開式吸附原理，主要分為夜間吸附和白天脫附兩個基本過程：夜間吸附過程主要是在夜晚將SWT進氣口和出氣口開啟并置于室外，利用強制對流加速氣流流動，從而強化吸附劑吸附過程，另外吸附劑吸附也會產(chǎn)生吸附熱，管一端有吸附劑、另一端留有空隙，則其兩端就會產(chǎn)生溫度差，從而使兩端產(chǎn)生壓力差，進而使空氣在壓力差作用下流動。若吸附劑吸附前、后的總質(zhì)量分別為m3和m4，則Δm=m4-m3為吸附劑吸附量。白天脫附過程主要是在陽光充沛條件下，將SWT進氣口和出氣口封閉，置于陽光下脫附。太陽輻射會造成管內(nèi)溫度的不同，進而影響取水量。吸附劑在高溫下會解吸出水蒸氣，水蒸氣經(jīng)過冷凝器時冷凝為液態(tài)水，液態(tài)水采用集水器收集。

2 SWT取水實驗

SWT性能測試系統(tǒng)主要由SWT、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、若干T型熱電偶等組成。系統(tǒng)裝置原理見圖2。系統(tǒng)裝置照片見圖3。

SWT主要由不銹鋼管、玻璃套管、不銹鋼濾網(wǎng)、吸附劑、空氣進口和空氣出口組成。SWT結(jié)構(gòu)見圖4。

在SWT中，不銹鋼管一端開口，不銹鋼管外表面的涂層用于強化吸收太陽輻射能。不銹鋼管內(nèi)放置直徑為30 mm的不銹鋼濾網(wǎng)，不銹鋼管外則是真空玻璃套管。不銹鋼濾網(wǎng)中裝有吸附劑，在夜晚吸附時，將濾網(wǎng)置于室外，同時開啟風扇以強化吸附效果。在白天將濾網(wǎng)置于玻璃套管中，同時利用輻射儀記錄太陽輻射強度變化。該SWT在脫附過程中需將空氣進口封閉，空氣出口直接連接冷凝器和集水器。經(jīng)過一段時間脫附后，觀察集水器液位變化，即可得到取水量。利用T型熱電偶將吸附/脫附過程溫度變化記錄在數(shù)據(jù)采集儀中。

本實驗主要在室外進行，在相同環(huán)境溫濕度、太陽輻射強度條件下，分別在夜晚和白天利用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀進行測量。實驗開始前先將活化后的13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑分別裝填進3個SWT中，夜晚將取水管置于室外并開啟其空氣進口、空氣出口。在吸附之前利用電子天平稱出吸附劑初始質(zhì)量為m3。為較準確地測量吸附劑吸附時溫度的變化，在SWT壁面正中布置T型熱電偶溫度探頭，在管內(nèi)中芯處也布置一個T型溫度探頭，記錄時間間隔定為30 min，并將吸附時間定為31 h，利用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀記錄吸附床溫度變化和環(huán)境溫度、濕度變化。

吸附劑溫度測試裝置是利用T型熱電偶測量吸附床壁表面溫度變化的。吸附劑產(chǎn)生的吸附熱會使其溫度升高，從而導致其周圍空氣產(chǎn)生對流換熱，因此吸附床壁面溫度會低于實際溫度。另外，熱電偶溫度探頭在與吸附床壁面接觸時也會由于熱對流和熱輻射而產(chǎn)生測量誤差。為減小測量誤差，本實驗對SWT中芯處吸附床溫度變化也進行了測量，由于熱量集聚中芯溫度比實際吸附床吸附溫度高。若將溫度近似視為線性分布，則吸附床實際吸附溫度應該為吸附床壁面溫度與中芯溫度的算術(shù)平均值。脫附溫度應記錄為吸附床壁面溫度或中芯溫度，吸附床壁面溫度因太陽輻射的緣故而較高，而中芯溫度因熱量集聚與吸附床外壁面溫度相差不大。

在研究太陽輻射能對吸附劑脫附過程的影響時，在白天光照充足條件下，將利用3種吸附劑制備的SWT進氣口封閉、出氣口接冷凝器，通過TBQ-2型太陽能輻射儀記錄當天的太陽輻射強度變化，同時記錄3種吸附劑脫附溫度變化。

太陽輻射能會影響冷凝器溫度分布。為得知冷凝器溫度分布，在冷凝器上、中、下3個位置布置T型熱電偶溫度探頭。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 太陽輻射強度

太陽輻射能對吸附劑脫附過程影響較大。SWT會將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使管內(nèi)溫度升高。當管內(nèi)溫度達到吸附劑脫附溫度時，吸附劑開始快速解吸出水蒸氣，SWT內(nèi)溫度和壓力均會升高。水蒸氣在壓力差作用下被導入冷凝器中，向周圍環(huán)境散熱冷凝為液態(tài)水，液態(tài)水被收集到集水器。太陽輻射強度大小可直接影響吸附劑脫附時的溫度，影響水蒸氣的產(chǎn)量，循環(huán)取水量也會發(fā)生相應的變化。采用TBQ-2型太陽能輻射儀記錄白天太陽輻射強度變化，見圖5。

表1為兩次循環(huán)實驗的太陽輻射強度和全日輻射量。從表1可以得出，在晴和多云的天氣條件下最大太陽輻射強度分別為1 021 W/m2和905 W/m2，全日輻射量分別為20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2。因此，太陽輻射影響吸附劑脫附的主要表現(xiàn)為：在相同脫附時間內(nèi)，太陽輻射強度越大，吸附劑脫附越充分。

3.2 吸附床溫度

雖然吸附劑吸附溫度與環(huán)境溫度有著一致的變化趨勢，但由于吸附劑在吸附時會有吸附熱產(chǎn)生，所以吸附床溫度會高于環(huán)境溫度。為較準確地得出吸附床溫度變化趨勢，采用吸附床壁面與中芯的平均溫度表征整個吸附床的溫度。吸附過程吸附床溫度變化見圖6。

兩次循環(huán)實驗吸附過程吸附床溫度見表2。比較表2中3種吸附劑吸附過程中吸附床溫度可得出：5A型沸石分子篩吸附溫度較高，說明該吸附劑吸附速率較其他的大;環(huán)境溫度對5A型沸石分子篩吸附劑吸附影響較為明顯。環(huán)境濕度也影響吸附劑吸附速率，環(huán)境濕度越大吸附劑吸附速率越大，但當環(huán)境濕度過低時影響吸附劑吸附的主要因素為環(huán)境溫度。表3為兩次實驗中環(huán)境溫度和濕度最大值和最小值。比較表2和3可得出，由于環(huán)境溫度會影響吸附床溫度，并影響吸附劑活性和吸附速率，從而會影響平衡吸附量和吸附率。本文中的3種不同吸附劑受環(huán)境溫度影響程度不同，各自的平衡吸附量和吸附率也不同。在吸附過程中，吸附熱會造成吸附床溫度升高，而環(huán)境溫度的高低也會影響吸附床的傳熱過程。在夜間，吸附床與環(huán)境的換熱方式主要為熱對流，擾動吸附床周圍空氣會強化吸附劑與空氣之間的傳質(zhì)傳熱過程。吸附床溫度與環(huán)境溫度相差過大則會導致吸附床熱量的散失或增加從而使其溫度降低或升高，進而影響吸附劑活性。環(huán)境濕度對吸附劑吸附過程也有影響，由于吸附劑會吸附空氣中的水蒸氣，環(huán)境濕度不同則會導致吸附劑吸附量的不同。在吸附時間段內(nèi)，如果吸附劑未到達吸附飽和，則在同一種吸附速率下空氣濕度越小吸附劑吸附量越小，如果環(huán)境濕度過大則空氣中水蒸氣可能會在吸附劑表面凝結(jié)，影響吸附劑吸附。在脫附過程中，循環(huán)一次所得取水量也會受吸附過程環(huán)境濕度的影響。

將脫附時間定為9 h，脫附前測得3種吸附劑質(zhì)量m2分別為874.5 g、842.9 g、846.6 g，則可算出13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑平衡吸附量分別為0.25 g/g、0.2 g/g、0.21 g/g。由于在室溫和相同環(huán)境濕度下13X、3A、5A型吸附劑開式平衡吸附量一般分別為0.2 g/g、0.23 g/g、0.24 g/g，與3種吸附劑平衡吸附量較為相近，所以該SWT的吸附可近似看作開式吸附。

脫附過程吸附床溫度變化見圖7。從圖7可看出：吸附床溫度隨著太陽輻射強度增加而升高;5A型吸附劑脫附溫度最高，3A型吸附劑脫附溫度最低。

表4為兩次循環(huán)實驗脫附過程吸附床溫度。從表4可看出：在太陽光照強烈條件下，當冷凝器溫度高于環(huán)境溫度時，脫附溫度可視為脫附開始溫度;當冷凝器溫度等于環(huán)境溫度時，脫附溫度可視為脫附結(jié)束溫度。由于T型熱電偶溫度探頭在SWT內(nèi)布置的位置原因，當溫度探頭置于SWT正面時脫附溫度會較高，而位于背面時脫附溫度會較低。太陽輻射強度越大，吸附床所能達到的脫附溫度最高值越高，脫附溫度也會越高。

綜上所述：在吸附劑吸附過程中，相對濕度越大吸附越充分，且吸附床溫度高于環(huán)境溫度;在脫附過程中，3種吸附劑均能達到脫附溫度并開始脫附。因此，在太陽能取水管中可進行脫附冷凝并獲得淡水。

3.3 冷凝器溫度變化

該冷凝器冷凝方式為自然對流風冷式，為得知冷凝器溫度分布，可在其上、中、下3個位置布置T型熱電偶溫度探頭。在脫附過程中，由于吸附劑脫附出水蒸氣，所以冷凝器平均溫度稍高于環(huán)境溫度。為比較得出兩次循環(huán)實驗中冷凝器溫度的變化，采用3個位置的平均溫度表征每個冷凝器溫度。在圖8中，“13X冷凝器1”和“13X冷凝器2”分別表示第一次循環(huán)和第二次循環(huán)中13X型吸附劑冷凝器平均溫度，其他以此類推。

從圖8可看出：在脫附過程開始階段，3種吸附劑脫附溫度較高，脫附速率較快;隨著脫附過程的進行，脫附溫度逐漸降低，脫附速率逐漸下降，3種吸附劑脫附溫度趨于環(huán)境溫度，最終達到環(huán)境溫度。冷凝器溫度會受太陽光照影響：在太陽光照強烈的條件下，其溫度變化趨勢與太陽輻射強度變化一致，而當太陽輻射強度較低時，其溫度分布主要由吸附劑脫附過程決定。因此，考慮脫附水蒸氣的影響，冷凝器溫度應是由上往下逐漸降低，且溫度要稍高于環(huán)境溫度。另外，可通過測量冷凝器平均溫度變化得知該吸附劑脫附速率，這是由于吸附劑脫附速率越大，相同時間內(nèi)脫附的水蒸氣量越大，水蒸氣放出的冷凝熱越多，會使得該冷凝器平均壁面溫度越高（由此可知3A型沸石分子篩脫附速率最大，而13X型沸石分子篩脫附速率最小）。然而，每種吸附劑有其特定的脫附溫度，當溫度未達到脫附溫度時，脫附進程比較緩慢，吸附劑脫附出的水蒸氣會在管內(nèi)高溫高壓驅(qū)動下進入冷凝器，并在冷凝器中迅速冷凝為液態(tài)水。在水蒸氣冷凝過程中，不同太陽輻射強度會導致脫附水蒸氣量不同，因此水蒸氣在冷凝器中冷凝為液態(tài)水的溫度會不同。

綜上所述，冷凝溫度高于環(huán)境溫度，因為冷凝方式為自然對流風冷式冷凝，所以冷凝溫度變化趨勢與環(huán)境溫度變化趨勢一致。

3.4 取水量

在太陽能吸附取水法中，進行兩次循環(huán)實驗，每次循環(huán)實驗取水量見表5。從表5可看出，以兩次實驗平均耗散水量作為此SWT的耗散水量，裝有13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑的SWT平均耗散水量分別為4.1 g、5.5 g、3.9 g。從以上數(shù)據(jù)可看出，循環(huán)水量與太陽輻射強度有關(guān)，太陽輻射強度越大，SWT所能達到的脫附溫度越高，取水量越大。這是由于該吸附劑吸附主要為化學吸附，太陽輻射強度越大，吸附劑中水分子動能和勢能會越大，越能夠克服吸附劑吸附勢而從分子篩中逸走，從而增加吸附劑的活化能。太陽輻射強度越大，SWT中吸附劑所能達到的脫附溫度越高，越接近該種吸附劑脫附開始溫度，則吸附劑解吸越充分，得到的液態(tài)水量也越多。

綜上所述：取水量與太陽輻射強度有關(guān)，在其他條件相同的條件下，太陽輻射強度越大，吸附劑取水量越大;相比于其他兩種吸附劑，13X型吸附劑平均取水量最大。

4 結(jié) 論

通過對制作的太陽能取水管（SWT）進行兩次循環(huán)取水實驗，發(fā)現(xiàn)SWT經(jīng)過夜間吸附和白天脫附可以獲得淡水，有潛在的為船舶提供淡水的應用前景，通過實驗可以得出以下結(jié)論：

（1）在太陽輻射強度最大值分別為1 021 W/m2和905 W/m2，全日輻射量為20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2的條件下，13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑分別在最高溫度178.2 ℃、180.1 ℃和217.7 ℃下脫附解吸出水蒸氣，5A型沸石分子篩吸附劑的平均脫附溫度最高，3A型沸石分子篩吸附劑的最低。

（2）在環(huán)境溫度下，在自然對流風冷式冷凝器中水蒸氣冷凝為液態(tài)淡水的溫度變化趨勢與環(huán)境溫度變化一致，裝有13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑的SWT最高冷凝溫度分別為27.8 ℃、33.2 ℃、31.9 ℃，3種SWT冷凝溫度均滿足冷凝要求，其中裝有3A型沸石分子篩吸附劑的SWT平均冷凝溫度最高，裝有5A型沸石分子篩吸附劑的SWT的平均冷凝溫度比裝有13X型沸石分子篩吸附劑的SWT的略高。

（3）在兩次循環(huán)實驗中，雖然SWT冷凝溫度與環(huán)境溫度變化趨勢一致，但冷凝溫度高于環(huán)境溫度。單支裝有13X、3A、5A型沸石分子篩吸附劑的SWT取水量分別為57.8 g、39.2 g、44.0 g。

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（編輯 賈裙平）

收稿日期： 2019- 06- 11 修回日期： 2019- 11- 15

基金項目： 國家自然科學基金（50976073，31371526）;上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點項目（13ZZ121）

作者簡介： 趙惠忠（1968—），男，河南鄭州人，副教授，碩導，博士，研究方向為太陽能空氣取水技術(shù)，（E-mail）hzzhao@shmtu.edu.cn