多级增湿太阳能海水淡化的实验研究

袁怡刚，董 勇，赖艳华，马春元，鹿刘新

(1.山东大学 能源与动力工程学院，山东省能源碳减排技术与资源化利用重点实验室，山东 济南 250061;2.山东山大能源环境有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

常规海水淡化方式，如低温多效、多级闪蒸、反渗透、压汽蒸馏等，以化石燃料为能源，容易走入“能源换水源”的怪圈。太阳能应用于海水淡化领域，在一定程度上可以解决能源与水源间的矛盾，是海水淡化技术重要发展趋势之一。为解决传统太阳能蒸馏器存在蒸发慢、凝结慢、回热差等问题［1－3］，太阳能增湿海水淡化技术采用强化传热传质、改善回热等措施，产水率有较大提升，有着良好的发展前景。

国内外学者对增湿淡化技术进行了相关研究。美国学者 Al－Hajaj等人［4～5］设计一种环形通道式的增湿淡化装置，采用木质蜂窝湿膜作为蒸发填料，空气增湿效果得到有效提升;张旭朋等［6］设计了一种利用鼓泡进行增湿的太阳能淡化装置，并进行了实验研究;美国学者Hamieh B M［7］设计了一种露点蒸发海水淡化装置，系统的回热效果得到了显著提高;德国学者 E.Chafik［8］采用冷凝器分级冷却蒸汽，相比于内回热装置，分级冷凝可将冷凝和蒸汽回热利用完全分离开来，回热温度更容易控制;代彦军［9］指出蒸发器入口海水温度和冷却水温度是影响系统性能的重要参数;原郭丰等［10］建立了闭式增湿减湿海水淡化各部分的热力过程数学模型。

目前回热利用依然是小型热法淡化装置研究的重点。本文在综合分析国内外水膜增湿淡化装置的基础上，针对单级冷凝存在的回热和冷却冲突的矛盾，结合分级冷凝技术，设计了一台两级水膜增湿的分级冷凝回热海水淡化装置，并以太阳能为热源，对系统性能进行了实验研究。

1 实验装置

1.1 实验系统及工作原理

本实验装置如图1所示，主要由水膜加湿器、冷凝器、水泵、风机及管路组成，本装置采用海水预热的闭合回路的空气循环系统(Closed－air，Waterheated cycle，简称CA－WH)。实验所需热海水由太阳能真空管集热器提供。本装置的冷凝系统采用外置式分级冷凝回热，将回热和冷凝环节完全分离，便于冷却流量的控制，具体方法是:于主冷凝器前安装前置冷凝器，前置冷凝器主要用于提高冷却水温，为下一级加湿器提供热水;主冷凝器对湿空气进行充分的冷却，增大淡水产量。

系统工作原理:(1)加湿海水回路。经太阳能集热器加热后的海水由喷水增压泵泵入加湿器喷淋，海水流经加湿器湿膜表面并形成均匀水膜，并与加湿器入口空气充分接触，热海水与湿空气进行热湿交换，喷淋后水温降低，其后进入太阳能集热器加热。(2)湿空气回路。湿空气由循环风机鼓入加湿器内，湿空气受热海水的加热增湿，温度上升，含湿量增大，其后进入冷凝器进行冷却除湿，水蒸气在冷凝器表面凝结形成纯水，并由冷凝器内的接水盘收集导出。(3)冷却水回路。冷却水经冷却水泵进入主冷凝器，冷却水吸收湿空气冷却时放出的热量，温度上升。主冷凝器的出口海水一部分引入前置冷凝器进一步升温，其后进入第二级加湿器进行增湿淡化。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.2 实验设备

本实验装置热源采用太阳能真空管集热器，真空管外径Φ58 mm，管长1.8 m，管数30根，采光面积4.3 m2，热水箱220 L;水膜加湿器采用斜波式木质淋水填料，湿膜尺寸0.5 m(长)×0.5 m(高)×0.15 m(厚)，风阻150 Pa，风速为2.5 m/s，膜间距6.7 mm，比表面积250～300 m2/m3;冷凝器采用FP－51翅片铜管表冷器，两级冷凝器均为逆向错流布置，以增强换热效果;循环风机额定流量385 m3/h，压头895 Pa。为获得较为稳定的水温，喷水增压泵后设置恒温阀，以便于控制喷水温度。由于咸水在70℃以上容易结垢，降低集热器和加湿器效能，因而本实验中喷水温度均控制在70℃以下。

1.3 测量方法

本实验装置中测点布置:(1)加湿海水回路。加湿器进出水口处布置温度测点，加湿器进水口处布置流量测点;(2)湿空气回路。循环风机前布置风速测点，加湿器进出风口及冷凝器出风口布置温湿度测点;(3)冷却水回路。主冷凝器和前置冷凝器的入水口各布置流量测点，其进出水口处布置温度测点。图1中所示为恒温喷水稳态时，各测点的操作参数及工质状态。

本实验采用的测量仪器:水温测量采用PT100温度传感器，范围－200～400℃，精度±0.2℃;水流量测量采用LWYC－10涡轮流量计，范围0.15～1.5 m3/h，精度等级1.0;日照辐射采用TBQ－2总辐射表，范围0～2 000 W/m2，精度＜±5%;湿空气温湿度测量采用 AF3020温湿度变送器，范围－40～80℃、0～99.9%RH，精度 ±0.3℃、±2%RH;湿空气风速测量采用TES－1340热线风速仪，范围0～30 m/s，精度±3%。

1.4 加湿器出口截面上湿空气温度测定

由于风压分布不均、水蒸气密度低等因素易导致加湿器纵向截面(500 mm×500 mm)上气体温度和流速分布不均衡，为减小实验误差，本文通过测量截面上9个节点(如图2所示)的温湿度、流速，利用能量平均法获得加湿器出口的湿空气参数。

各节点控制域Am，n处湿空气携带能量为

由于图中各节点的控制域Am，n相等，故各节点处比焓的平均值为

由于截面上空气温度变化范围较小，且接近饱和状态，故φ≈1、cp，a基本不变。所需测量的参数为节点处的温度ta和流速ua。

图2 加湿器纵向截面上气温测定方法Fig.2 The method for temperature measurement of moist air

表1为实验测得的各节点温度和流速，实验工况为 G=242 kg/h，tw=45℃，mw=240 kg/h。由表中可以看出，截面中心处的流速最高，这主要是由于风机的风口正对加湿器的中心，中央的流速要远高于周边区域;而上部的气温较高，这是由于喷淋海水在向下流动过程中，温度不断下降，气温也随之降低;另外加湿过程中产生的上升气流也可导致上部气温较高。

表1 加湿器出口截面上各节点温度 t/℃和流速ua/m·s－1Table 1 Parameters on outlet cross section of humidifier

根据公式所求得的湿空气平均焓值144 kJ/kg，查表得平均温度为36.9℃。大量实验结果表明，在喷水温度低于70℃时，中心节点处温度与平均温度差别小于±0.5℃，因而本实验中使用中心节点温度表征截面上的湿空气温度。

2 实验结果与分析

2.1 分级冷凝的热力过程

图3中所示为干空气质量流量G=300 kg/h，加湿器喷水量 tw=64℃，主冷凝器水量 mc=240 kg/h，前置冷凝器水量tc，pre=120 kg/h工况下，空气增湿及冷凝的热力过程。0点代表增湿前空气的状态参数;1点为虚拟状态点，其数值代表绝热增湿所需的湿空气参数;2点为增湿后空气的状态参数。将增湿过程简化为加热过程0－1和绝热增湿过程1－2;过程线2－3表示湿空气在前置冷凝器中的状态变化;过程线3－0表示湿空气在主冷凝器中的状态变化。由图中可以看出，2－3过程温度变化较为平缓，前置冷凝器工作在这一区间，可以在尽量减小温降的同时，获得较高温度的回热水。

本装置在该工况下运行所得到第二级加湿器进水温度为42℃，流量为120 kg/h，同时第一级的淡水产量约为6.8 kg/h，第二级加湿器所得淡水产量约为2.9 kg/h，所产淡水的总溶解固体量9～21 ppm。

2.2 空气引入方式对热损失的影响

按照加湿器入口空气的引入方式，一般将增湿型淡化装置分为开口和闭口系统，本文对这两种引风方式进行了研究。开口系引入环境空气，温度t=33.5℃，相对湿度φ=41%;而闭口系引入冷凝器的出口空气。图4所示为每千克干空气排出系统所损失的热量，从图中可以看出开口系会产生较大的热

，，口系的2%～5%。这是由于开口系冷凝器出口的湿空气直接排入大气，因而造成系统水汽焓值的损失;当喷水温度升高时，排气温度随之提高，排气热损失也随之升高;但由于冷凝器换热的逐步增强，其曲线趋于平缓。对于水温较高的增湿型淡化装置，采用闭口系的热效率较高，有利于提高产水量。

图3 分级冷凝的热力过程曲线Fig.3 The heating process of fractional condensation

图4 不同空气引入方式对系统热损失的影响Fig.4 Comparison of Open－Air and Closed－Air system

图5 分级冷凝器出口水温随喷水温度的变化Fig.5 Effect of seawater temperature onfractional condensation

2.3 分级冷凝对回热利用的影响

利用分级冷凝可更好的控制冷却水的流量，提高冷却水的出口温度，充分利用蒸汽潜热。图5为主冷凝器和前置冷凝器流量比例为7∶2时，不同喷水温度下，主冷凝器和前置冷凝器出口水温的变化曲线。从图中可以看出，前置冷凝器较主冷凝器的出口水温高，在喷水温度为67℃时，其水温可达47℃。同时前置冷凝器冷却水流量不可过高，以避免产生大量的低温废水，无法重新利用。

为提高回热利用，将前置冷凝器出口水引入第二级加湿器进行增湿淡化。第二级加湿器干空气的质量流量为300 kg/h。如图6所示为第一、二级增湿装置在不同水温下的淡水产量，喷水温度为67.0℃时，装置的热耗率q=2 092 kJ/kg。由于采用了分级冷凝回热和多级增湿技术，装置产水量提高了25%～50%。

3 结论

本文设计的分级冷凝式的多级增湿淡化装置，可将冷凝环节和回热环节分离，避免了单级冷凝产生的大量低温废水，回热效果增强，系统运行可靠。通过实验研究发现，增湿型淡化装置水气比为0.8时，空气回路采用闭口系可减少排气热损失90%以上;分级冷凝流量比例控制在7∶2以上时，可获得较高温度的回热水;淡水产量较单级淡化装置提高25% ～50%，所产淡水总溶解固体量为9～21 ppm。分级冷凝的流量优化、增湿—回热环节的匹配设计等问题需要进一步研究。

符号表

φ相对湿度/［%］RH

ρ 密度/kg·m－3

cp定压比热容/kg·(kg·℃)－1

G 干空气流量/kg·h－1

i比焓/kJ·kg－1

m 质量流量/kg·h－1

t温度/℃

u空气流速/m·s－1

下标

a湿空气

w水

c冷却水

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