基于嵌套结构的多级负压太阳能蒸馏装置实验研究

谢 果，魏新宇，孙泽荣，刘莹璋

（四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引言

随着人类社会的发展，水资源短缺问题正在逐年加剧。据相关机构估计，截至2025年，全球约有39亿人将面临缺水问题[1]。在此背景下，许多行业内专家、学者致力于开发环境友好、节能高效的污水或含盐水淡化技术，以满足缺水地区的饮用水需求[2]。相比于目前已经大规模商业应用的蒸馏净水技术，太阳能蒸馏技术更加环保，因此更受到关注[3],[4]。然而目前太阳能蒸馏装置的产水效率较低且成本较高，导致该技术难以实际应用[5]。

维持装置负压运行可有效强化太阳能蒸馏过程，提高产水率并降低产水成本。已有研究表明，负压时蒸汽扩散传质动力[6]及热效率[7]均显著提升。此外，针对不同结构太阳能蒸馏器的测试结果也表明负压运行时装置产水量更高，该增益效果在自然真空式[8]，迭盘式[9]及竖壁式[10]等太阳能蒸馏器的测试中均得到验证。其中，管式结构具有承压性好且结构紧凑等优点，尤其适用于负压蒸馏。前期工作中，已针对管式蒸馏空腔内部的传热、传质特征[11]及蒸汽输运过程[12]等进行了研究，但对负压管式蒸馏器处于实际天气下的产水性能及运行特性仍有待进一步评估。

为此，本文设计了一种具有新型多级嵌套结构的小型负压太阳能管式蒸馏装置，并对其开展户外实验测试。该装置具有多个独立蒸馏腔室，可实现对热量的多次利用和高效产水；采用梯级补水结构，以实现各级蒸发槽的快速补水。此后，分别于成都和西昌两地搭建户外实验平台，采集装置处于不同天气及操作压力下的运行数据，计算得到装置的产水率和性能系数。依据维持装置负压所耗电能数据，进一步评估该类小型负压蒸馏技术的产水经济性。

1 实验系统

1.1 基于嵌套结构的三级管式蒸馏器

基于嵌套结构的三级管式蒸馏器如图1所示。

图1 蒸馏器结构示意图Fig.1 Structural diagram of the still

装置包括从内到外的3个独立蒸馏腔室，其中各个蒸馏腔室均由同心布置的蒸发槽、冷凝壁及下部支撑体组成。3组蒸发槽与冷凝壁在连接补水连通管、淡水连通管及下部支撑体后，再从内到外依次固定于图中左侧的共用端板上，实现装置的整体组装和密封。下部支撑体采用短圆钢，对称布置于各级蒸发槽与冷凝壁之间，使蒸发槽下部形成空气间隙。该间隙既可作为淡水汇集的通道，同时还具有保温隔热作用，可有效减少热量从蒸馏器底部的耗散。

图1中：蒸馏器3个蒸发槽的补水通过两个180° U形盐水连通管实现，当上一级蒸发槽补水完毕后，溢出的补水会经过连通管流入下级蒸发槽，形成类似于瀑布的梯级流动，从而实现蒸发槽的快速补水；淡水连通管则用于汇集三级蒸馏腔室产生的淡水，当各级腔室内部蒸汽在对应的上部弧形壁面凝结后，形成淡水液滴，液滴沿弧形壁面流入腔室底部的集水通道，最后经连通管汇合后，从蒸馏器下部的淡水出口流出。此外，补水连通管和淡水连通管使各级蒸馏腔室互通，因而真空泵从装置内抽气时能够保证各级腔室处于同一压力。相较于大型海水淡化设备常用的各级腔室压力单独控制的方法，本文所采用的负压操作更加简便、可靠且实施难度更低，适用于小型的蒸馏淡化装置。

蒸馏器实验样机的所有部件，包括蒸发槽、冷凝壁、支撑体及连通管等均采用304不锈钢加工而成，各部件尺寸和重量如表1所示。

表1 蒸馏器部件尺寸及重量Table 1 Component size and weight of the still

装置第 一、二、三级蒸发槽的蒸发面积分别为0.13，0.17，0.18 m2；有效凝结面积分别为0.19，0.3，0.3 m2。装置一、二、三级蒸发槽的有效储水重量分别为6.6，6.7，10.8 kg，整个装置净重为35.3 kg。

1.2 实验系统及运行原理

三级管式负压太阳能蒸馏装置的户外实验系统如图2所示。

系统主要由三级管式蒸馏器、太阳能集热器、补水箱、淡水罐、溢水罐、光伏板组件、真空泵、循环水泵、支架、测试系统及其阀门管路组成。系统运行时，太阳能集热器吸收太阳辐照并加热内部循环热水，热水在循环泵的驱动下进入蒸馏器内部换热管，加热第一级蒸发槽内储水，储水受热蒸发所产生的蒸汽在其上方管壁凝结并释放出热量，该热量继续加热第二级蒸发槽内储水并使其蒸发，蒸汽冷凝时会加热第三级储水，此后热量随着蒸汽凝结传递到蒸馏器外壁，通过辐射和对流释放到周围环境中。期间，各级蒸馏腔室产生的冷凝淡水在下方汇聚，然后经由淡水出口流入淡水罐中。装置内部的真空压力通过一台真空泵及压力开关控制和调节，以保证腔室压力始终处于设置的上下阈值之间。与以往单级常压管式蒸馏相比，该三级蒸馏器处于负压运行且可实现热量的多次利用，因而其产水率得以大幅提高。

1.3 测试仪表

实验测试仪表包括太阳辐照计、热线风速仪、热电偶、热电阻、电子天平、压力表、流量计及多回路巡检仪。太阳能辐照计用于测量瞬时太阳辐照强度，误差为±3%；热线风速仪用于测量环境风速，误差为±0.2 m/s；4个热电偶用于测量3个蒸发槽水温及循环热水温度，误差为±0.5℃；5个贴片式热电阻沿外管壁从上到下间隔40 mm布置，用于测量管壁散热温度，误差为±0.35℃；另有一个热电阻用于测量环境温度，误差为±0.35℃；上述温度数据由多回路巡检仪采集和记录，采集间隔为1 min，采集误差为±0.2%；电子天平每隔30 min称量一次产水重量，误差为±0.5 g；压力表用于观测空腔内压力，误差为±1.6%；流量计为浮子式，用于观测和调节补水流量，误差为±2%。

2 实验测试结果及分析

在成都和西昌两地对装置性能进行了测试，其中成都海拔约为500 m，大气压约为95 kPa；西昌海拔约为1 500 m，大气压约为91 kPa。测试期间，采用当地湖水或自来水作为装置补水。于每日清晨7：00左右（测试之前），对蒸馏器蒸发槽进行过量补水，以稀释蒸发槽内剩余原液的离子浓度，减少装置运行期间的结垢。在补水开始溢出后继续补水15 min，然后关闭补水阀门，测试期间不再对装置进行补水操作。每组实验从8：30-20：00，每隔30 min对产水进行称重，装置夜间的产水于次日清晨测试前进行称重，当日风速于早、中、晚多次测量后取平均值。此外，成都实验中采用120 W真空泵维持真空，西昌测试中则将大泵优化为8 W小真空泵，且由光伏电池驱动。

2.1 环境参数

日照条件对装置产水性能具有重要影响，实验测试期间成都和西昌两地的太阳能辐照强度如图3所示。

图3 实验期间辐照强度Fig.3 Solar radiant during the test

在成都测试中，分别对装置处于20，40，60，95 kPa（常压）操作压力条件下的运行性能进行综合对比研究；在西昌测试中，则重点考察较好日照条件下装置的负压产水性能，依据前期实验结果仅选用了40，60 kPa两个压力作为测试工况。由图3可以看出，成都全天辐照波动较大，主要因为成都地处盆地，受多云天气影响较大；而西昌地处高原，日照充裕，全天辐照曲线相对平滑。从图3可见，从左到右6 d测试期间的最大辐照强度Qsr依次为880，1 019，995，1 094，922，939 W/m2，全天累计辐射值依次为19.4，20.1，19.6，16.8，22.2，19.3 MJ/m2，平均风速依次为0.6，1.6，1.2，0.8，0.7，0.7 m/s。

2.2 温度

实验测试期间各测点温度变化如图4所示。在启泵后，循环热水进入蒸馏器内的换热管中，间接加热第一级蒸馏水槽内储水，使其水温快速升高；与之相比，第二、三级储水的加热过程依赖于上一级蒸汽冷凝释放的热量，因此响应较慢。上午时段蒸馏器整体运行温度较低，储水蒸发量较小，导致第二、三级储水的升温过程显著滞后。总体趋势上看，操作压力越低，级间传热温差越小，各级储水温度曲线越贴合，整体运行温度更低，且各级水温会更快达到最高温度。从数据可得，在成都测试期间，蒸馏器在20，40，60，95 kPa（常压）下达到最高运行温度所需时间约为2，3，4.5，4.5 h，对应储水的最高水温为67.2，79.9，86.4，89.2℃，其中67.2℃所对应的饱和压力高于设定值20 kPa，原因是真空控制系统运行调节时压力会在一定范围内波动，因而内部压力会周期性地高于设定压力；西昌测试期间，40，60 kPa下达到最高运行温度所需时间为2.5，3.5 h，对应的最高水温分别为83.1，86.4℃。

图4 实验期间各测点温度变化Fig.4 Variation in tested temperature during the experiment

2.3 产水

两地测试期间蒸馏器全天产水率变化如图5所示。

图5 实验期间产水率变化Fig.5 Freshwater yield rate during the experiment

实验期间蒸馏器在启泵约0.5 h后开始产水，在启泵约3 h后达到产水峰值。数据可得，在成都测试期间，蒸馏器在20，40，60，95 kPa（常压）下的最高产水率分别为1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h。虽然20 kPa时蒸馏器很快达到了较高的产水率，但是由于该条件下蒸馏器运行温度低，使得最外层冷凝壁面散热功率不足，期间观测到大量蒸汽无法冷凝并从真空泵溢出，造成该条件下蒸馏器产水率在中午12：00之后快速下降至较低值。在西昌测试期间，蒸馏器在40，60 kPa下的最高产水率分别为1.07，1.06 kg/h，与成都测试期间的最高产水率接近。在60 kPa时，成都地区16：00时测得最高产水率，对比图4辐照数据可以看出，蒸馏器最高产水滞后于最大辐照约1 h，该滞后现象是内部蒸汽扩散冷凝及凝液流动引起的。对比文献[13]中常压蒸馏器的产水数据可以看出，本文蒸馏器由于处于负压运行，其内部蒸汽的传质速率更快，因而该滞后时间得以显著降低。

两地测试期间，装置白天、夜间和全天的累计产水数据见表2。

表2 装置累计产水Table 2 Accumulated freshwater yield of the still

装置白天产水过程由太阳能吸收的热量驱动，夜间产水则是依靠储水自身的显热驱动。由成都测试数据可以看出，装置最佳产水量出现在40，60 kPa工况条件下，对应全天累计产水量分别为7.056，6.323 kg；95 kPa时由于装置内部传质扩散能力不足因而产水量不高，20 kPa时则是由于内部蒸汽无法充分冷凝溢出而导致产水量较低。测试期间相同工况下，西昌与成都两地的产水量相差不大。此外，蒸馏淡化后水的含盐量从约120 mg/L降低至约1.5 mg/L，验证了产水过程的可靠性。

2.4 能量利用效率

太阳能蒸馏器的能量利用效率可通过性能系数（Performance Ratio，PR）来衡量，PR值越高则代表蒸馏器运行效果越好，装置在测试当天的平均性能系数表达式为

式中：Mt为测试全天装置的累计产水量，kg；hfg为水的汽化潜热，取2 300 kJ/kg；Es为装置的有效输入热量，kJ；Evc为测试期间维持负压的累计电能消耗，该值通过真空泵累计运行时间乘以其功率计算得到，kJ；Asc为有效太阳能集热面积，m2；Rsr为测试当天累计辐射值，kJ；ηc为集热器平均效率。

经计算得到三级管式蒸馏器在测试期间的性能系数如图6所示。

图6 蒸馏器在测试期间的性能系数Fig.6 Performance Ratio（PR）of the still during the experiment

成都测试期间，在20，40，60，95 kPa操作压力时装置对应PR为0.88，1.39，1.28，0.77；西昌测试期间，40，60 kPa时装置对应PR为1.45，1.31。可以看出，由于西昌测试期间日照条件更好，装置PR值更高。总体而言，维持负压有利于强化装置内部蒸馏过程，可提升装置产水性能；但过低的操作压力（例如成都测试期间20 kPa）反而会导致内部蒸汽无法充分冷凝，并引起装置性能下降。据此，本测试中装置的优选压力为40～60 kPa。

3 负压能耗及经济性分析

主动式负压蒸馏可强化腔室内部传质过程并排出不凝结气体，使蒸馏器产水效果显著提升。但维持负压状态依赖于电能消耗，单位产水的负压能耗越低，说明辅助代价越小，技术越具有推广价值。据此，将本文三级管式蒸馏器与其他负压蒸馏器的单位产水负压能耗 （Specific Electricity Consumption，SEC）进行对比，SEC表达式为

由于测试期间成都120 W真空泵频繁启停，且单次抽气时间仅为1～3 s，统计误差较大，故后续SEC计算中采用西昌测试数据。基于测试数据得到了本装置的负压能耗，并将其与不同太阳能蒸馏器的负压能耗进行对比，结果见表3。

表3 不同太阳能蒸馏器维持负压的能耗对比Table 3 Comparison of specific electricity consumption for vacuum between different solar stills

从表3可以看出，本装置单位产水的负压能耗低于4 kJ/kg，结合产水数据可以看出，仅需付出输入热量约0.1%的电能代价，即可使装置产水性能提升50%以上。此外，数据表明本装置维持负压所需能耗显著低于同类装置，该低能耗主要归功于：①管式空腔结构紧凑，维持负压能耗低；②采用8 W小泵及每小时运行策略，抽气效率高。

产水综合成本（Cost Per Liter，CPL）是衡量太阳能蒸馏过程经济性的重要指标。采用文献[17]中的计算方法对蒸馏器的产水成本进行评估。计算中，蒸馏系统初始建造费用为2 680元，利率取为5%，系统寿命取为20 a，每年有效产水时间取为270 d。计算得到不同条件下装置产水成本，并将计算结果与其他蒸馏器进行对比，见表4。

表4 不同太阳能蒸馏器产水成本对比Table 4 Comparison of freshwater cost among different solar stills

虽然有文献提及了更低成本的蒸馏方法，但综合考虑产水质量、装置寿命及运行稳定性等多方面因素，本文提出的多级负压管式蒸馏技术依然具有一定优势和推广价值。

4 结论

本文提出了一种具有新型嵌套结构的多级负压太阳能蒸馏装置，对其在实际天气条件下的产水性能进行了测试，得到了装置的优选运行压力范围，并分析了维持负压能耗和产水综合成本，主要结论如下。

①在成都测试期间，装置处于常压95，60，40，20 kPa时的单日累计产水量分别为3.270，6.323，7.056，4.287 kg，对应最高产水率分别为1.10，0.97，1.10，0.58 kg/h；西昌测试期间，60，40 kPa时累计产水量为6.008，7.236 kg，对应最高产水率为1.06，1.07 kg/h。

②装置的优选运行压力为40～60 kPa，在西昌维持40 kPa运行时装置具有最优产水性能，对应性能系数为1.45。

③装置处于优选压力运行时，单位产水的负压能耗低于4 kJ/kg，说明该系统中维护真空负压操作仅需要使用0.1%的总系统耗能，即可使装置性能提升50%以上。此外，估算结果表明，该装置的综合产水成本约为0.1元/L，与同类装置相比具有一定的优势。