船舶用太阳能取水管性能测试实验研究

赵惠忠 吴天浩 王朝阳 李倩文 张敏

摘要：为提供一种船用淡水问题的潜在解决方案，本实验利用13X、3A和5A型等3种不同沸石分子筛吸附剂吸附空气中的水蒸气，并利用太阳能获取液态淡水供船舶使用。通过对制作的太阳能取水管（solar watering tube，SWT）性能测试可得出以下结论：在全日辐射量为20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2时，13X、3A和5A型吸附剂吸附床温度最高分别为178.2 ℃、180.1 ℃和217.7 ℃，均达到脱附温度要求。在自然对流风冷式冷凝器中，13X、3A和5A型SWT最高冷凝温度分别为27.8 ℃、33.2 ℃和31.9 ℃，均满足冷凝要求;3种吸附剂制备的SWT利用太阳能吸附法可分别从空气中取淡水57.8 g、39.2 g和44.0 g，有潜在的解决船用淡水的前景。

关键词： 太阳能取水管（SWT）; 分子筛吸附剂; 全日辐射量; 取水量

中图分类号： U664.5+9;TK519    文献标志码： 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

船舶在航行过程中，通常无法由自然界直接获得淡水，因此船舶的淡水获取是船舶航行需要解决的非常重要的问题之一。船舶取水方式目前主要有以下几种：利用船舶余热取水、利用太阳能蒸馏取水、利用渗透膜进行海水淡化取水。许红[1]在蒸馏海水技术基础上，设计了一种适用于中小型船舶的海水淡化装置，利用柴油机余热蒸发海水并使其冷凝，获得淡水蒸发器和冷凝器的有效传热面积分别为2.42 m2和0.566 m2;郑青榕等[2]利用船舶余热驱动以硅胶为吸附剂的吸附式取水系统，得出在典型航线上大气的平均相对湿度均大于70%，船舶的晃动和振动不影响硅胶及其与氯化钙的复合吸附剂吸附性能的结论;裴晓斌[3]设计了船舶低溫单效蒸馏海水装置，计算得出当蒸发器换热面积为1.52 m2，冷凝器换热面积为3.252 m2时，取水率为0.76，单位淡水能耗为1 568 kJ/kg;王亮军[4]将传统蒸发淡水装置改良为多效蒸发淡水装置，每消耗1 kg加热蒸汽可取1.75 kg淡水（单效蒸发装置只能取淡水0.92 kg）。目前，太阳能海水淡化技术取得了相应的进展：DELGADO-TORRES等[5]以太阳能为驱动力，利用反渗透法对海水进行淡化处理;MOHAMMADI等[6]提出了新的太阳能混合CSP海水淡化技术，以降低经济成本和提高取水效率;季建刚等[7]提出了太阳能吸附式取水法，具体分析了该方法的工作原理和吸附热力循环;侴乔力等[8-10]提出了一种改进的太阳能吸附式空气取水器，这种空气取水器有集热效率高、吸附速率快等优点;苑昭阔等[11]以碘钨灯模拟太阳辐射，研究了在不同辐射强度下在以13X型沸石分子筛为吸附剂的两次取水循环中的取水量和脱水量;乔力等[12]提出制冷结露取水并与吸附取水法进行对比，分析了两种取水过程的热力性能、取水率，得出制冷结露取水法取水量远少于吸附取水法的结论。

目前，国内外已发展出不同的空气取水方式，如：刘金亚等[13]利用新制备的4种复合吸附剂在太阳能吸附式空气取水装置中进行取水量研究，结果表明ACF-LiCl的吸附和解吸性能最好（解吸6 h，每1 kg吸附剂取水0.412 kg）;张云凯[14]利用太阳能光伏发电系统驱动半导体制冷箱，在夜晚平均相对湿度为65%环境中，在额定功率为100 W的太阳能光伏发电系统的驱动下，从晚上8：00到次日早晨8：00制冷箱可以获得1 572 g冷凝水;刘建勋[15]采用表面冷却式取水技术，利用离心变频风机将湿空气鼓入蒸发器，湿空气会在蒸发器中结露成为液态水，研究结果表明蒸发器出风口相对湿度平均值为95%，9月为取水量最大的月份，每天的夜晚取水性能好，夏季最佳取水时间段为晚上8：00到次日早晨8：00;赵惠忠等[16]利用船舶余热研制冷管并将其应用于吸附制冷装置中，通过该方法可制得冷量，再进一步获得淡水;FESSEHAYE 等[17]研究了雾气取水法，将收集的雾气冷凝后获得淡水资源，对于进入的雾，集热器效率大约为20%;HAMED[18]研究了利用干燥剂吸收大气中水蒸气，然后通过加热和冷凝水蒸气将干燥剂与水分离获得淡水，结果表明循环效率值、生成单位质量的水蒸气所需的强溶液质量等在很大程度上取决于工作干燥剂的浓度，改变强溶液浓度可以得到大于90%的循环效率值，当强溶液与弱溶液浓度相差不大时循环效率值急剧下降。

基于上述研究，本文利用3种不同吸附剂制备了太阳能取水管（solar watering tube，SWT），并研究SWT取水量与室外太阳能辐射强度和温湿度等各参数之间的关系，以期为船舶航行提供生活淡水。

1 实验原理

SWT[19]是基于热力学循环基本理论而设计的一种新型太阳能取水装置。该系统运行理论遵循热力学基本定律，热力循环见图1。

图1中：Pe为冷凝温度对应的饱和压力，Pa为水蒸气分压力，m1和m2均为吸附量;A→B过程是等容升压过程，管内压力由Pa升高至Pe，将水管进气口和出气口封闭，此时管内压力、温度迅速升高;B→C过程是等压升温过程（白天吸附剂脱附过程），管内压力在理想情況下视为等压，由于受到太阳光光照影响管内温度升高;C→D过程是等容降压过程，管内压力由Pe降低至Pa，将进气口和出气口开启，此时管内压力、温度均迅速下降;D→A过程是等压降温过程（夜晚吸附过程），此过程视为等压过程，水蒸发造成管内温度降低。

SWT基于开式吸附原理，主要分为夜间吸附和白天脱附两个基本过程：夜间吸附过程主要是在夜晚将SWT进气口和出气口开启并置于室外，利用强制对流加速气流流动，从而强化吸附剂吸附过程，另外吸附剂吸附也会产生吸附热，管一端有吸附剂、另一端留有空隙，则其两端就会产生温度差，从而使两端产生压力差，进而使空气在压力差作用下流动。若吸附剂吸附前、后的总质量分别为m3和m4，则Δm=m4-m3为吸附剂吸附量。白天脱附过程主要是在阳光充沛条件下，将SWT进气口和出气口封闭，置于阳光下脱附。太阳辐射会造成管内温度的不同，进而影响取水量。吸附剂在高温下会解吸出水蒸气，水蒸气经过冷凝器时冷凝为液态水，液态水采用集水器收集。

2 SWT取水实验

SWT性能测试系统主要由SWT、安捷伦数据采集仪、若干T型热电偶等组成。系统装置原理见图2。系统装置照片见图3。

SWT主要由不锈钢管、玻璃套管、不锈钢滤网、吸附剂、空气进口和空气出口组成。SWT结构见图4。

在SWT中，不锈钢管一端开口，不锈钢管外表面的涂层用于强化吸收太阳辐射能。不锈钢管内放置直径为30 mm的不锈钢滤网，不锈钢管外则是真空玻璃套管。不锈钢滤网中装有吸附剂，在夜晚吸附时，将滤网置于室外，同时开启风扇以强化吸附效果。在白天将滤网置于玻璃套管中，同时利用辐射仪记录太阳辐射强度变化。该SWT在脱附过程中需将空气进口封闭，空气出口直接连接冷凝器和集水器。经过一段时间脱附后，观察集水器液位变化，即可得到取水量。利用T型热电偶将吸附/脱附过程温度变化记录在数据采集仪中。

本实验主要在室外进行，在相同环境温湿度、太阳辐射强度条件下，分别在夜晚和白天利用安捷伦数据采集仪进行测量。实验开始前先将活化后的13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂分别装填进3个SWT中，夜晚将取水管置于室外并开启其空气进口、空气出口。在吸附之前利用电子天平称出吸附剂初始质量为m3。为较准确地测量吸附剂吸附时温度的变化，在SWT壁面正中布置T型热电偶温度探头，在管内中芯处也布置一个T型温度探头，记录时间间隔定为30 min，并将吸附时间定为31 h，利用安捷伦数据采集仪记录吸附床温度变化和环境温度、湿度变化。

吸附剂温度测试装置是利用T型热电偶测量吸附床壁表面温度变化的。吸附剂产生的吸附热会使其温度升高，从而导致其周围空气产生对流换热，因此吸附床壁面温度会低于实际温度。另外，热电偶温度探头在与吸附床壁面接触时也会由于热对流和热辐射而产生测量误差。为减小测量误差，本实验对SWT中芯处吸附床温度变化也进行了测量，由于热量集聚中芯温度比实际吸附床吸附温度高。若将温度近似视为线性分布，则吸附床实际吸附温度应该为吸附床壁面温度与中芯温度的算术平均值。脱附温度应记录为吸附床壁面温度或中芯温度，吸附床壁面温度因太阳辐射的缘故而较高，而中芯温度因热量集聚与吸附床外壁面温度相差不大。

在研究太阳辐射能对吸附剂脱附过程的影响时，在白天光照充足条件下，将利用3种吸附剂制备的SWT进气口封闭、出气口接冷凝器，通过TBQ-2型太阳能辐射仪记录当天的太阳辐射强度变化，同时记录3种吸附剂脱附温度变化。

太阳辐射能会影响冷凝器温度分布。为得知冷凝器温度分布，在冷凝器上、中、下3个位置布置T型热电偶温度探头。

3 实验结果与数据分析

3.1 太阳辐射强度

太阳辐射能对吸附剂脱附过程影响较大。SWT会将吸收的太阳辐射能转化为热能，从而使管内温度升高。当管内温度达到吸附剂脱附温度时，吸附剂开始快速解吸出水蒸气，SWT内温度和压力均会升高。水蒸气在压力差作用下被导入冷凝器中，向周围环境散热冷凝为液态水，液态水被收集到集水器。太阳辐射强度大小可直接影响吸附剂脱附时的温度，影响水蒸气的产量，循环取水量也会发生相应的变化。采用TBQ-2型太阳能辐射仪记录白天太阳辐射强度变化，见图5。

表1为两次循环实验的太阳辐射强度和全日辐射量。从表1可以得出，在晴和多云的天气条件下最大太阳辐射强度分别为1 021 W/m2和905 W/m2，全日辐射量分别为20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2。因此，太阳辐射影响吸附剂脱附的主要表现为：在相同脱附时间内，太阳辐射强度越大，吸附剂脱附越充分。

3.2 吸附床温度

虽然吸附剂吸附温度与环境温度有着一致的变化趋势，但由于吸附剂在吸附时会有吸附热产生，所以吸附床温度会高于环境温度。为较准确地得出吸附床温度变化趋势，采用吸附床壁面与中芯的平均温度表征整个吸附床的温度。吸附过程吸附床温度变化见图6。

两次循环实验吸附过程吸附床温度见表2。比较表2中3种吸附剂吸附过程中吸附床温度可得出：5A型沸石分子筛吸附温度较高，说明该吸附剂吸附速率较其他的大;环境温度对5A型沸石分子筛吸附剂吸附影响较为明显。环境湿度也影响吸附剂吸附速率，环境湿度越大吸附剂吸附速率越大，但当环境湿度过低时影响吸附剂吸附的主要因素为环境温度。表3为两次实验中环境温度和湿度最大值和最小值。比较表2和3可得出，由于环境温度会影响吸附床温度，并影响吸附剂活性和吸附速率，从而会影响平衡吸附量和吸附率。本文中的3种不同吸附剂受环境温度影响程度不同，各自的平衡吸附量和吸附率也不同。在吸附过程中，吸附热会造成吸附床温度升高，而环境温度的高低也会影响吸附床的传热过程。在夜间，吸附床与环境的换热方式主要为热对流，扰动吸附床周围空气会强化吸附剂与空气之间的传质传热过程。吸附床温度与环境温度相差过大则会导致吸附床热量的散失或增加从而使其温度降低或升高，进而影响吸附剂活性。环境湿度对吸附剂吸附过程也有影响，由于吸附剂会吸附空气中的水蒸气，环境湿度不同则会导致吸附剂吸附量的不同。在吸附时间段内，如果吸附剂未到达吸附饱和，则在同一种吸附速率下空氣湿度越小吸附剂吸附量越小，如果环境湿度过大则空气中水蒸气可能会在吸附剂表面凝结，影响吸附剂吸附。在脱附过程中，循环一次所得取水量也会受吸附过程环境湿度的影响。

将脱附时间定为9 h，脱附前测得3种吸附剂质量m2分别为874.5 g、842.9 g、846.6 g，则可算出13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂平衡吸附量分别为0.25 g/g、0.2 g/g、0.21 g/g。由于在室温和相同环境湿度下13X、3A、5A型吸附剂开式平衡吸附量一般分别为0.2 g/g、0.23 g/g、0.24 g/g，与3种吸附剂平衡吸附量较为相近，所以该SWT的吸附可近似看作开式吸附。

脱附过程吸附床温度变化见图7。从图7可看出：吸附床温度随着太阳辐射强度增加而升高;5A型吸附剂脱附温度最高，3A型吸附剂脱附温度最低。

表4为两次循环实验脱附过程吸附床温度。从表4可看出：在太阳光照强烈条件下，当冷凝器温度高于环境温度时，脱附温度可视为脱附开始温度;当冷凝器温度等于环境温度时，脱附温度可视为脱附结束温度。由于T型热电偶温度探头在SWT内布置的位置原因，当温度探头置于SWT正面时脱附温度会较高，而位于背面时脱附温度会较低。太阳辐射强度越大，吸附床所能达到的脱附温度最高值越高，脱附温度也会越高。

综上所述：在吸附剂吸附过程中，相对湿度越大吸附越充分，且吸附床温度高于环境温度;在脱附过程中，3种吸附剂均能达到脱附温度并开始脱附。因此，在太阳能取水管中可进行脱附冷凝并获得淡水。

3.3 冷凝器温度变化

该冷凝器冷凝方式为自然对流风冷式，为得知冷凝器温度分布，可在其上、中、下3个位置布置T型热电偶温度探头。在脱附过程中，由于吸附剂脱附出水蒸气，所以冷凝器平均温度稍高于环境温度。为比较得出两次循环实验中冷凝器温度的变化，采用3个位置的平均温度表征每个冷凝器温度。在图8中，“13X冷凝器1”和“13X冷凝器2”分别表示第一次循环和第二次循环中13X型吸附剂冷凝器平均温度，其他以此类推。

从图8可看出：在脱附过程开始阶段，3种吸附剂脱附温度较高，脱附速率较快;随着脱附过程的进行，脱附温度逐渐降低，脱附速率逐渐下降，3种吸附剂脱附温度趋于环境温度，最终达到环境温度。冷凝器温度会受太阳光照影响：在太阳光照强烈的条件下，其温度变化趋势与太阳辐射强度变化一致，而当太阳辐射强度较低时，其温度分布主要由吸附剂脱附过程决定。因此，考虑脱附水蒸气的影响，冷凝器温度应是由上往下逐渐降低，且温度要稍高于环境温度。另外，可通过测量冷凝器平均温度变化得知该吸附剂脱附速率，这是由于吸附剂脱附速率越大，相同时间内脱附的水蒸气量越大，水蒸气放出的冷凝热越多，会使得该冷凝器平均壁面温度越高（由此可知3A型沸石分子筛脱附速率最大，而13X型沸石分子筛脱附速率最小）。然而，每种吸附剂有其特定的脱附温度，当温度未达到脱附温度时，脱附进程比较缓慢，吸附剂脱附出的水蒸气会在管内高温高压驱动下进入冷凝器，并在冷凝器中迅速冷凝为液态水。在水蒸气冷凝过程中，不同太阳辐射强度会导致脱附水蒸气量不同，因此水蒸气在冷凝器中冷凝为液态水的温度会不同。

综上所述，冷凝温度高于环境温度，因为冷凝方式为自然对流风冷式冷凝，所以冷凝温度变化趋势与环境温度变化趋势一致。

3.4 取水量

在太阳能吸附取水法中，进行两次循环实验，每次循环实验取水量见表5。从表5可看出，以两次实验平均耗散水量作为此SWT的耗散水量，装有13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂的SWT平均耗散水量分别为4.1 g、5.5 g、3.9 g。从以上数据可看出，循环水量与太阳辐射强度有关，太阳辐射强度越大，SWT所能达到的脱附温度越高，取水量越大。这是由于该吸附剂吸附主要为化学吸附，太阳辐射强度越大，吸附剂中水分子动能和势能会越大，越能够克服吸附剂吸附势而从分子筛中逸走，从而增加吸附剂的活化能。太阳辐射强度越大，SWT中吸附剂所能达到的脱附温度越高，越接近该种吸附剂脱附开始温度，则吸附剂解吸越充分，得到的液态水量也越多。

综上所述：取水量与太阳辐射强度有关，在其他条件相同的条件下，太阳辐射强度越大，吸附剂取水量越大;相比于其他两种吸附剂，13X型吸附剂平均取水量最大。

4 结 论

通过对制作的太阳能取水管（SWT）进行两次循环取水实验，发现SWT经过夜间吸附和白天脱附可以获得淡水，有潜在的为船舶提供淡水的应用前景，通过实验可以得出以下结论：

（1）在太阳辐射强度最大值分别为1 021 W/m2和905 W/m2，全日辐射量为20.1 MJ/m2和16.7 MJ/m2的条件下，13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂分别在最高温度178.2 ℃、180.1 ℃和217.7 ℃下脱附解吸出水蒸气，5A型沸石分子筛吸附剂的平均脱附温度最高，3A型沸石分子筛吸附剂的最低。

（2）在环境温度下，在自然对流风冷式冷凝器中水蒸气冷凝为液态淡水的温度变化趋势与环境温度变化一致，装有13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂的SWT最高冷凝温度分别为27.8 ℃、33.2 ℃、31.9 ℃，3种SWT冷凝温度均满足冷凝要求，其中装有3A型沸石分子筛吸附剂的SWT平均冷凝温度最高，装有5A型沸石分子筛吸附剂的SWT的平均冷凝温度比装有13X型沸石分子筛吸附剂的SWT的略高。

（3）在两次循环实验中，虽然SWT冷凝温度与环境温度变化趋势一致，但冷凝温度高于环境温度。单支装有13X、3A、5A型沸石分子筛吸附剂的SWT取水量分别为57.8 g、39.2 g、44.0 g。

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（编辑 贾裙平）

收稿日期： 2019- 06- 11 修回日期： 2019- 11- 15

基金项目： 国家自然科学基金（50976073，31371526）;上海市教育委员会科研创新重点项目（13ZZ121）

作者简介： 赵惠忠（1968—），男，河南郑州人，副教授，硕导，博士，研究方向为太阳能空气取水技术，（E-mail）hzzhao@shmtu.edu.cn