真空管集热式加湿—除湿海水淡化系统性能研究

闫磊磊，季 旭，李秋玫，范全海，张世彤，于博文

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500；2.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500)

为了解决海岛饮用水匮乏的问题，近年来许多学者提出了可供家庭或船只使用的太阳能驱动的小型海水淡化系统，这些系统按照淡化原理可分为膜法、加湿除湿(HDH)法及蒸馏法三种[1]。其中，加湿除湿法具有对原水质量要求不高、制水过程简单、可应用于太阳能低温热源驱动和产品后期维护费用低等优点，受到了国内外学者的青睐[2-4]。

为了提高加湿除湿海水淡化系统的产水量和性能系数，某些学者从系统运行工况方面进行相关研究。A.S. Nafey等[5]对太阳能加湿除湿海水淡化系统进行了实验研究，研究表明某天的风量、入射的太阳能总量对系统的产水量有显著的影响，而风速和环境温度对系统的影响较小。CihanYlldlrlm等[6]通过模拟太阳能HDH海水淡化系统，得出提高空气和海水质量流量能够提高淡水产量，但是空气质量流量却有一个最佳值，一旦超过此值，空气质量流量与淡水产量呈现出负相关关系。Mostafa H. Sharqawy等[7]对真空管集热的加湿除湿系统进行了性能研究和经济分析，结果表明系统加湿器进口海水温度都有一个最佳的海水与空气流量的比值，此时系统GOR(性能系数，下同)达到最佳值，优化后系统每年最高产水量为19 445 L，淡水成本约为0.032 S|/L。与此同时，也有学者从余热回收角度对传统加湿除湿系统进行研究。Syed M. Zubair等[8]通过实验对余热回收式HDH系统与没有余热回收的HDH系统进行了对比研究，结果表明通过余热回收可显著提高淡水产率，降低淡水成本。Ali Fouda等[9]通过对HDH系统增加余热回收及能量储存的研究，得出系统每天的产水量可提高两倍。Dahiru U.Lawal等[10]对热泵供能的多种余热回收式HDH系统进行理论分析，结果表明利用余热回收预热加湿器进口空气温度可提高系统的GOR以及淡水产量。

由此可见，通过对加湿除湿系统的运行工况进行优化或对系统的余热回收利用进行优化可显著提高系统性能。文章设计并搭建了一种真空管集热式加湿—除湿海水淡化系统，并对其进行了性能分析及实验测试，为小型化太阳能海水淡化装置的应用提供一定参考。

1 系统结构及工作原理

加湿除湿海水淡化是利用空气作为水蒸气的载体，其中加湿过程是空气与水蒸气的混合过程，而除湿过程是空气与水蒸气分离的过程。文章提出的真空管集热式加湿除湿海水淡化系统主要由包括加湿器、除湿器、真空管集热器、风机盘管和水泵组成。其系统原理图见图1。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

室外空气在风机盘管内加热升温后进入加湿器，接着与经太阳能集热器加热升温后的高温海水直接接触，进行热湿交换(空气被加湿)，然后从加湿器出来的热湿空气在除湿器内被冷凝(空气被除湿)，从被冷凝的湿空气中析出的淡水收集于淡水收集器内。

系统所含主要部件参数如下：实验采用真空管集热器参数(尺寸：58 mm×1 800 mm，总面积2.65 m2)；加湿器参数(300 mm(长)×400 mm(宽) ×1 000 mm(高))，加湿器内填料为湿帘，湿帘参数(340 mm(长)×260 mm(宽)×100 mm(高))，相邻两块湿帘间隙为100 mm，加湿器外壁附有30 mm厚的保温材料，以减少系统的热损失；除湿器主要由4个翅片式换热器构成，每个翅片式换热器参数(23 mm(长)×36 mm(宽)×7 mm(高)) ，共3排9列，换热面积1.7 m2。实验中使用的主要仪器和参数见表1。

表1 主要实验仪器的技术参数Tab.1 Technical parameters of main experimental instruments

2 系统能量平衡分析

基于质量及能量守恒原理，对该系统进行能量平衡分析，为了简化分析过程，特对整个系统做出以下假设：(1)整个系统在常压下运行；(2)加湿器、除湿器内的湿空气处于饱和状态，空气流量在整个循环过程中为定值。

2.1 加湿器能量平衡分析

如图2所示根据能量平衡则有：

mswhs4-mbhs5=ma(ha3-ha2)

(1)

式中：msh、mb、ma——海水的质量流量， kg/s，浓盐水的质量流量，kg/s,空气的质量流量，kg/s；ha3和ha2——加湿器进出口空气的比焓，kJ/kg；hs5和hs4——进入加湿器的海水的比焓和加湿器内浓盐水的比焓，kJ/kg。

图2 系统能量平衡图Fig.2 Balance diagram of system energy

式(1)中mb计算式如下：

msw-mb=mda(d3-d2)

(2)

式中：d3——加湿器进口空气的含湿量，kg/kg；d2——加湿器出口空气的含湿量，kg/kg；在总压力一定时，湿空气的含湿量也可用下式(3)计算：

(3)

式中：P——大气压，Pa；Pg——饱和湿空气分压，Pa；φ为空气相对湿度。

若温度变化范围不大(不超过100℃时)，湿空气的比焓也可近似由下式确定

ha=(1.01+1.84da)Ta+2 500da

(4)

式中：ha——湿空气的焓值，kJ/kg；da——湿空气的含湿量，kg/kg；Ta——湿空气的温度，℃。

2.2 除湿器能量平衡分析

mw(hw2-hw1)+mfhw=ma(ha3-ha4)

(5)

mw=ma(d3-d4)

(6)

式中：mw、mf、ma——冷凝水的质量流量、产生的淡水的质量流量、干空气的质量流量，kg/s；d3、d4——分别为除湿器进出口空气的含湿量，kg/kg；ha3、ha4——分别为除湿器进出口空气的比焓，kJ/kg。

2.3 风机盘管能量平衡分析

mw(hw2-hw3)=ma(ha2-ha1)

(7)

式中：ha2、ha1——分别为风机盘管进出口空气的比焓，kJ/kg；hw2、hw3——分别为进入风机盘管的冷凝水的比焓，kJ/kg。

2.4 系统性能参数

加湿除湿海水淡化系统的性能系数通常用GOR来描述，其定义为获取的淡水所需要消耗的气化潜热量与输入系统能量之比：

(8)

式中：mp——系统淡水产量，kg；hg——淡水的气化潜热，kJ/kg；Qin——输入系统的能量，kJ。

3 室内工况下的实验测试

为了测试系统的性能，首先进行室内条件下产水性能测试。室内实验采用电加热为系统提供热能，主要包括定温测试、定流量测试及定加热时间测试。

3.1 加湿器海水进口温度对系统产水率的影响

图3为系统产水率随温度的变化。从图3可以看出系统的产水率随温度的升高而增加，在温度为80 ℃时，该系统的产水率为5.086 kg/h。这是因为随着水温升高使得加湿器内空气与高温海水的传热传质过程增强，出口空气的温度升高，进而加湿器出口空气的含湿量也随之提高。

图3 系统产水率随海水温度的变化Fig.3 Variation of system water yield with seawater temperature

3.2 加湿器进口海水流量对系统产水率的影响

图4为系统产水率随加湿器进口海水流量的变化。

图4 系统产水率随海水流量的变化Fig.4 Variation of system water yield with seawater flow

从图4可以看出系统的产水率随海水流量的增加而增加，在温度为80 ℃、流量100 L/h时，该系统的产水率为4.732 kg/h；在温度为80 ℃、流量300 L/h时，该系统的产水率为5.419 kg/h，增长率为14.5%。这是因为加湿器进口海水流量升高使得可加热空气的量也相应提高；同时，海水流量的增加使得加湿器进口空气温度也升高，进而空气的含湿量也相应增加。

3.3 加热时间对系统性能的影响

不同加热时间条件下加湿器进出口温度和0.5 h产水量随时间的变化如图5a、图5b、图5c所示。一方面从图5可以看出加热初始阶段，加湿器的进/出水温度显著上升，此后上升幅度逐渐变缓。从图5可以看出，加热时间1 h、2 h、3 h对应的加湿器最大进水温度分别为60.7 ℃、70.2 ℃、70.7 ℃,对应的最大0.5 h产水量分别为：0.795 kg、1.522 kg、1.722 kg。当系统停止供热时，加湿器的进/出水温度急剧下降，然后下降速度逐渐变缓。

另一方面延长加热时间加湿器最大进水温度增加不明显，特别是加热2 h和加热3 h的差异(表2)。这是因为随着加热时间的增加，加湿器进口水温升高，加湿器出口空气的温度和含湿量也随之增加。同时系统的温度和周围环境温度差增加，进而与外界的换热也增加。这就导致水箱内水温升高缓慢。所以加热时间3 h内水箱温度先增加之后逐渐稳定在70 ℃附近。在停止供热后没有了能量的输入，此时能量主要来自于海水自身的热容，水的蒸发吸收的热量和系统的热损失很大，所以系统的温度会骤然下降。随着系统温度的进一步降低，热损失和水的蒸发吸热减小，这时系统温度降低就会越来越慢，直到和周围环境温度相同，产水速率也会越来越慢，直到产水速率为零。

表2 不同加热时间下系统的累计产水量和性能系数Tab.2 Cumulative water yield and performance coefficient of the system under different heating time

从表2可以看出随着加热时间的增加，系统累计产水量增加。当加热时间从1 h加热到3 h，产水量相应增加了6.27 kg，而系统的性能系数随加热时间的增加先增加后减小。原因主要有以下几点：第一，当温度越高时，系统的温度和周围环境的温差就越大，热损失有越多；第二，是由于温度越高，水蒸汽产生速率就越大，但是冷凝器的冷凝冷却能力是有限的，当超出冷凝器的冷凝能力范围时，就会导致水蒸气不能够完全被冷凝，进而影响产水量，从而系统的性能系数也会下降。

4 室外工况下的实验测试

太阳能辐照度和加湿器水温随时间的变化见图6。选择测试时间为09 ∶ 00～19 ∶ 00，其中09 ∶ 00～12 ∶ 00为真空管预热阶段，此阶段系统没有淡水产出。从图6可以看出太阳辐照度在12 ∶ 00以后开始逐渐减小，加湿器进出口温度亦随之下降。但由于保温水箱的作用水温基本维持在55 ℃以上。17 ∶ 00以后由于系统基本接收不到太阳辐照度及环境温度的降低，加湿器进出口水温开始急剧下降。

图6 太阳辐照度和加湿器水温随时间的变化Fig.6 Changes of solar irradiance and humidifier water temperature with time

系统的产水量和性能系数随时间的变化见图7。由图7可以看出系统的产水量呈现出先增加后减少的现象。这是因为12 ∶ 00以后系统开始产淡水，虽然此时海水的进口水温最高，但通入的空气温度较低，所以产水量较低，之后随着进入风机盘管的冷凝水温度的升高，进入加湿器的空气温度出现升高，系统的淡水产量也随之提高。可是13 ∶ 30以后随着太阳辐照度的降低，加湿器内喷淋海水温度出现降低，系统产水量也随之降低。

图7 系统产水量和性能系数随时间的变化Fig.7 Variation of system water yield and performance coefficient with time

5 结论

文章设计并搭建了一种利用真空管集热的加湿除湿海水淡化系统，并对其进行了性能分析及实验研究，主要研究结论如下：

1)在室内工况条件下，海水淡水产率随加湿器内的海水流量和海水温度的增加而增加，当海水流量300 L/h，海水温度80 ℃时，产水速率为5.419 kg/h，延长加热时间系统总的产水量增加，但其性能系数随加热时间的增加先增加后减小；

2)在室外工况条件下，在平均太阳辐照度846 W/m2时，系统最大产水速率为2.28 kg/h，系统累计产水量为12.6 kg，系统的平均性能系数为0.96。