海湾地区冷凝器取水工程参数研究

陈 驰，陈大伟

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

海湾地区冷凝器取水工程参数研究

陈 驰，陈大伟

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

水资源的日益短缺影响着人类的生存，制约了人类世界的发展。露水取水作为一种无污染、高效节能的取水方式，其可行性及优越性很早就被人们所发掘。由于海湾地区有着相对较高的温度和湿度，因此被选为露水取水研究的主要地区。基于海湾地区的特定条件，利用工程方程求解软件EES，首先确定了在气象条件为湿度RH=90%、风速v=8 m/s，冷凝器截面面积A=100 m2时冷凝器会产生最大冷凝率；然后在供应最少电力条件下确定出了最优冷凝器尺寸为直径D=1 m、 传热系数U=1.6、弯部数量N=50和表面面积S=1 800 m2。该研究成果对海湾地区冷凝器露水取水有一定的参考意义。

露水取水；海湾地区；冷凝率；工程参数；求解软件EES

1 工程简介

水资源是地球的生命之源。近年来，水资源却面临着严重短缺的问题。Leitner等[1]研究表明，水资源的短缺影响到88个发展中国家,其总人口占世界人口的一半，在这些水资源短缺的地方,80%～90%的疾病和30%的死亡是由水质环境差导致的[2]。世界各国政府都开始关注这一迫在眉睫的危机，并且意识到未来发展的和平与繁荣与清洁可用的水密切相关。

露水取水的起源至少可以追溯到古希腊时代，当时奥多西亚利的一部分供应水就依赖于露水收集设备[3]。然而，一个地区是否适合露水取水受到几个条件的影响：首先需要一个大量吸热的介质,例如,深层海水；其次,高湿度的空气也是主导因素；最后是相对较高的环境温度。由于环境温度和空气湿度相对较高，海湾地区成为露水取水的理想地区。本文采用工程方程求解软件EES(engineering equation solver)进行研究，首先根据最大淡水产量确定最佳天气条件，然后根据最少的电力供应推断出最优冷凝器的尺寸。

2 海湾地区气象概况

海湾地区的气象数据取自当地的气象站，气象数据的收集区域为沙特阿拉伯的沿海城市达曼和阿联酋的迪拜。气象数据是2个地区2005年至2010年这5 a的平均值，收集到的气象数据见图1和图2[4]。

图1 达曼气象数据Fig.1 Meteorological data of Dammam

图2 迪拜气象数据Fig.2 Meteorological data of Dubai

气象数据的总结如表1所示。根据研究,海湾地区的最低水温一般在17 ℃左右。此外,由于冷凝器位于近海,相对湿度会高于数据记录。因此，对于海湾地区，推断出来气象条件的范围如表2所示。由于低温水可以增加热交换率和冷凝率，所以在海湾地区应该通过设置深入海洋的管道来利用17 ℃的低温海水。

表1 所选城市气象数据Table 1 Meteorological data of selected cities

表2 海湾地区气象条件Table 2 Meteorological condition of the gulf region

表3 空气参数最优条件下各参数取值Table 3 Parameter values under optimal air condition

表4 各参数对冷凝率的影响Table 4 Influence of each parameter on condensation rate

3 确定最大冷凝率的气象条件

3.1 EES介绍

EES提供的基本功能是一组代数方程的解决方法。EES也可以解微分方程和复杂变量的方程,可以使其优化,提供线性和非线性回归,简化不确定性分析[5]。

3.2 试验过程

冷凝率大小是由空气进口温度(Tai)、空气出口温度(Tao)、相对湿度(RH)、风速(v)和冷凝器截面面积(A)决定的[6]。应该指出,冷凝器横截面面积的区域垂直于风向。在现实中,随着风向的变化,冷凝器截面面积将从0(平行)到A(垂直)。

首先,保持冷凝器大小固定,改变任意一个参数(Tai，Tao，RH,v，A),基于表2调查不同的气象条件下冷凝率的变化趋势，其余4个变量应该设置为定值,如表3所示。试验分为4组,结果如表4所示。应该注意的是,由EES得到的结果表明进出口空气温差不应太大,一般来说<3 ℃。因此,第4组空气出口温度设置为9～38 ℃。

3.3 试验结果分析

第1组的结果表明,冷凝器的冷凝率随着截面面积增加而线性增加。因此,为了提高冷凝率,冷凝器的截面面积应尽可能大,即100 m2。除此之外,在现实中,冷凝器应该面对盛行风的方向,确保以最大的区域捕捉风。

第2组的结果显示,冷凝率随着相对湿度的变大线性增长。理论上讲,相对湿度越高,越多的水分将被去除。因此,为了达到较高的冷凝率，冷凝器设置应尽可能靠近大海。除此之外,在现实中,由于比较高的相对湿度，在雨天和夏日冷凝器将产生更多的饮用水。

第3组的结果表明,冷凝率随着风速的增加而增加。高风速带来丰富的水分凝结过程，海边有相对快速的风速是它的优越性所在。现实中,与风力涡轮机设计相似的是，当设置冷凝器之间的分离距离时应该确保避免影响生产风速的变化。

第4组的结果表明,冷凝率随着空气进口温度的增加而增加。也就是说,夏季比冬季产生的水量要多。总而言之,最优的参数取值可以推断为RH=90%,v=8 m/s，A=100 m2。由于这些变量的增加，都会使冷凝率增加。

通过设置这些变量的边界条件，根据EES的计算结果得出了最大冷凝率是当RH=90%,A=100 m2,v=8 m/s时。应该注意的是,虽然解决了最大的水产量所需的最优条件，但1 a内只有几天能够满足这一条件，其它则是以实现在海湾地区无论有多大冷凝器都能保证最大水生产为目的。

表5 确定最优冷凝管尺寸各参数设置范围取值Table 5 Range of each parameter for determining the optimum condensation size

表6 各参数对总抽运功率的影响Table 6 Influence of each parameter on total pumping power

4 确定最优冷凝管尺寸

4.1 试验过程

管道中压力损失由3部分组成：直截面摩擦引起的压力损失、弯部压力损失和提供水流的压力。在探索水凝结的最佳条件之后,冷凝过程所需总抽运功率应该最小化。冷凝过程中顶部压力及压力损失需要由总抽运功率提供。与此同时,由于冷凝器是位于水位平面,顶部压力可以忽略。

功率需求量是由管直径(D)、管道弯部的数量(N)、冷凝器的总表面积(S)和冷凝器的传热系数(U)决定的[7]，这4个变量相互独立。为了找到最小的功率要求的4个变量范围，应该首先确定总抽运功率的变化趋势；另外,其余3个变量应该设置为一个基本值来保证其单因素对功率的影响。一般来说,冷凝器用于国家的淡水生产,所以冷凝器的大小应该足够大。更重要的是,要设置一系列的冷凝管来保证生产充足的水。根据有关的其他科学家以前做的试验,确定最优冷凝管尺寸时各参数取值范围见表5[8-9]。试验分为4组,结果如表6所示。

4.2 试验结果分析

第1组结果表明总抽运功率随着管直径的增加减少。应该注意的是,当管直径为0.8～1.0 m时，抽运功率的减少非常小。然而,为了最大程度上减少抽运功率，管直径应尽可能大。另一方面,如果直径太大,管中水流速度将会非常小,被水吸收的热量不能及时去除。考虑到这一事实，直径应限制在一定的范围内。在本组试验中直径限制为1 m可以满足从空气去除足够的热量。

第2组结果表明总抽运功率随着管道弯部数量的增加线性增加。大量的弯部将导致大量压降，为了降低抽运功率，管道弯部应该保持小的数量。

第3组结果显示总抽运功率随着冷凝器总表面积的增加而增加。理论上说，大表面积将导致水流大量摩擦压力损失，所以冷凝器的表面积需要满足抽运功率最小化的要求。

最后,第4组结果显示,当U<1.2 kW/(m2·℃)时总抽运功率随U增加而下降很快。传热系数取决于介质的热性能,其流动的水动力特征、水动力和热边界条件,如流速度、液层厚度、质量流率和清洁的表面。因此,当求解最小抽运功率时，传热系数的值在1.2～2.0之间。总之,满足最低抽运功率要求的参数取值可以认为是D=1 m,U=1.5 kW/(m2·℃),N=50和S=500 m2。

通过设置之前解决的最佳气象条件和这些变量的边界条件，EES解出了最低抽运功率的要求,即D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50和S=1 800 m2。该最优冷凝器尺寸适用于一般情况，在以后研究中,各参数取值D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50和S=1 800 m2将被设定为基本值。

5 冷凝率及进出口温度的确定

以阿联酋地区为例来考虑淡水供应量。阿联酋环境部门报告显示，2014年阿联酋水资源总需求量达44万m3，其中40%需要淡水供应。假设这些水资源来源于便携式水供应，则阿联酋每年需要约17万m3纯净水产量。假设有50 000个冷凝器同时工作，当冷凝率为0.57 kg/s时能满足约50%的淡水供应。

由于是在海湾地区，相对湿度RH=50%，风速v=5 m/s的气象条件占大多数。正如之前所讨论的，我们所设计的冷凝器最优参数取值为为D=1 m，U=1.6 kW/(m2·℃)，N=50，S=1 800 m2，A=100 m2。我们将讨论在这些工程参数及气象条件下，冷凝率为0.57 kg/s时所需的最低空气温度。

如表1所示，迪拜的空气温度范围是15～39 ℃，通常情况下超过20 ℃。因此，在计算中进口温度首先被设置为20～38 ℃,而出口温度则相对低一点，设置为19～37 ℃。计算结果如表7所示。

表7 不同进出口温度条件下冷凝率计算结果Table 7 Calculated results of condensation rate under different air temperatures at inlet and outlet

从计算结果可以看出，当进出口温度过低时，冷凝器的冷凝率是小于基本值的。当进口温度达到24 ℃，出口温度达到23 ℃时，能够满足基于迪拜特定条件下所要求的冷凝率，即0.57 kg/s。

6 研究结论及展望

(1) 露水取水作为一种无污染、高效节能的取水方式，已经被证实在海湾地区供应淡水是可行的。本文通过工程方程求解器EES首先解决了生产最大水产量的气象条件是RH=90%,A=100 m2,v=8 m/s；然后基于最优气象条件，在电力供应最小的情况下确定了最优冷凝管尺寸D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50；最后确定了满足当地淡水需求量所需达到的冷凝率为0.57 kg/s；以及最低温度条件Tai=24 ℃，Tao=23 ℃。

(2) 冷凝率随着冷凝器截面面积、相对湿度，风速和温度的增加而增加。也就是说气象条件在优于RH=50%，v=5 m/s，进口温度为24 ℃时，冷凝率会>0.57 kg/s。正如之前所讨论的，在阿联酋地区，大多数时的气象条件都优于这个标准值。所以我们可以认为冷凝率为0.57 kg/s时可以满足阿联酋地区每年50%的淡水供应。

(3) 我国是人均水资源最为匮乏的国家之一，因此，对于淡水资源的开发显得尤为重要。冷凝器淡水取水技术目前在国外很多海湾地区已经得到了广泛应用，而在我国暂时还没有对这一领域进行系统的可行性研究。本文的研究成果对我国相似气候条件地区的淡水开发有一定的指导意义。

[1] LEINER B. Grundlagen Statistischer Methoden[M]. Germany: Oldenbourg Wissenschafts Verlag, 1995.

[2] RAJVANSHI A K.Large Scale Dew Collection as A Source of Fresh Water Supply[J]. Desalination, 1981, 36(3):299-306.

[3]NIKOLAYEV V S,BEYSENS D,GIODA A,etal.Water Recovery from Dew[J].Journal of Hydrology,1996,182(1/4):19-35.

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[5]WAHLGREN R V. Atmospheric Water Vapor Processor Designs for Potable Water Production: A Review[J]. Water Research, 2001,35(1):1-22.

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(编辑：王 慰)

Engineering Parameters of Dew Water Collectionby Condenser in Gulf Region

CHEN Chi，CHEN Da-wei

(School of River & Ocean Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China)

Growing shortage of water resources threatens the survival and development of mankind. Dew water collection, as an approach of water collection with high efficiency and energy saving performance yet no pollution, hasbeen used for a long time due to its feasibility and superiority. Gulf region is a main study area for dew water collection because of its high temperature and humidity. According to features of the gulf region and in association with EES(engineering equation solver) software, the maximum condensation rate is determined under meteorological conditions of relative humidity(RH) 90%, wind speed (v) 8 m/s, and condenser’s sectional area (A) 100 m2. The optimum values of parameters of condenser under minimum power supply are also obtained as follows: condenser diameter (D) 1 m, heat transfer coefficient (U) 1.6, elbow number (N) 50, and superficial area (S) 1 800 m2. The research results could offer reference for dew water collection by condenser in Gulf region.

dew water collection; gulf region; condensation rate;engineering parameters；engineering equation solver

2015-12-15;

2016-02-14

陈 驰(1992-)，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为水利工程，(电话)13983935401(电子信箱)184392482@qq.com。

10.11988/ckyyb.20151063

2017,34(5):18-21,26

TV211.15

A

1001-5485(2017)05-0018-04