%ad型太阳能海水淡化装置的测试与分析.pdf

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1、第2 2 卷第6 期2 0 0 2 年1 2 月北京理工大学学报J o u r n a lo fB e i】i“gI n s t l t u t eo fT e c h n 0 1 0 9 yV o l2 2N o 6I)e c 2 0 0 2文章编号：1 0 0 10 6 4 5(2 0 0 2)0 60 6 9 10 4降膜蒸发多效回热型太阳能海水淡化装置的测试与分析郑宏飞1(1 北京理工大学车辆与交通工程学院，北京l o 0 0 8 l；，张联英22 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西，西安7 l 0 0 4 9)摘要：对利用太阳能驱动的横管降膜蒸发多效回热型海水淡化装置进行了实际天气

2、条件下的动态测试对影响产水率的主要因素作了探索与分析，给出了合理的取值范围实验结果证明，由于采用了多效回热以及其他强化系统产水性能的措施，使系统的产水效率比传统的盘式太阳能蒸馏器提高了近2 5 倍关键词：降膜蒸发；多效回热；海水淡化；太阳能中图分类号：T K5 1 9文献标识码：AM e a s u r e m e n ta n dA n a l y s i so naS o l a rD e s a l i n i z a t i o nU n i tw i t hF a l l i n gF i l mE v a p o r a t i o na n dM u l t i E f f e

3、c tT h e r m a lR e g e n e r a t i o nZ H E N GH o n gf e i l，Z H A N GL i a n y i“9 2(1 S c h o o lo fV e h l c l ea n dT r a n s p o r t a t i o nE“g i n e e r i“g，B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n 0 1 0 9 y，B e i】l“g1 0 0 0 8 1，C h i n a2 S c h o o lo fE n e 7 9 ya n dP o w e rE“g i n e

4、 e r i“g，X i a nJ i a o t o“gU n i v e r s i l y，X i a n，S h a a n x i7 1 0 0 4 9，C h i n a)A b s t r a c t：As p e c i a 儿yd e s i g n e dd e s a l i n i z a t i o nu n i tu t i l i z i“g5 0 l a re n e r g yh a sb e e nt e s t e du n d e ra c t u a lw e a t h e rc o n d i t i o n s C h i e ff a c t

5、o r st h a ti n f l u e n c et h ef r e s h w a t e rv i e l dh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d S u i t a b l er a“g e so ff a c t o r sw e r ec。n f i r m e d A sar e s u l to ft h ea d o p t i o no fm u l t i e f f e c tt h e r m a lr e g e n e r a t i o na n do t h e rm e a s u r e st oi m p

6、r o v et h et h e r m a lp e r f o r m a n c e。ft h es y s t e m，y i e l do ft h es y s t e mw a se n h a n c e dt oa b o u t2 5t i m e 8g r e a t e rt h a nt h a to fac o n v e n t i o n a ls i n g l eb a s i nt y p es o l a rs t i l lu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n so ft h e r m a le n e r

7、g yi n p u t K e yw o r d s：f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n；m u l t i e f f e c tt h e r m a lr e g e n e r a t i o n；d e s a l i n i z a t i。n；s o l a re n e o g y分析发现，传统太阳能海水淡化装置的主要缺陷是 1“：蒸发与冷凝过程中，蒸气的冷凝潜热未能被重复利用；装置中海水的热容量太大，不利于运行温度的提高 装置内的传热基本为自然对流方式，限制了系统的热性能因此，设法克服上述缺陷，是提高太阳能海水淡化装置产水率的

8、关键作者在综合分析已有文献给出的多种新颖的太收稿日期；2 0 0 2 0 31 1作着简介：郑宏飞(19 6 3 一)，男，剐教授阳能海水淡化装置的优缺点后o“1，大胆引进现代海水淡化工业中的先进技术，设计了一台横管降膜式太阳能海水淡化装置，并对其进行了实验测试1 实验装置的工作原理实验装置的剖面如图1 所示它主要由下述几部分组成：带有海水喷淋管及海水分配器的蒸发腔 万方数据北京理工大学学报第2 2 卷(有许多水平横管从其中穿过的长方形盒子)，由若干横管、管壳及回热器组成的冷凝腔，循环水泵，风机，热交换器，用于进一步回收潜热的迭盘式蒸馏室，气液分离器和太阳能集热、供热系统围l 实验装置削面圈F

9、。g 1S c h e m t I cd i 8 9 r a mo ft h e u n l t1 太阳能集热器1 2 热水贮水箱 3 热水泵4 热水分配器1 5 海水分配器 6 热交换器7 迭盘式蒸馏室 8 集水槽l9 连通管l o 喷淋管I l l 抽气管 1 2 连通管1 3 二气液分离器 1 4 淡水阀 1 5 内置回热器1 6 淡水阀1 1 7 一一循环水泵；1 8 排污阀1 9 送气管1 2 0 溢流阀 2 1 冷凝室2 2 风机2 3 水平横管，了 l 一了 9 为测温点装置的运行可分步详述如下：由太阳能集热器1 提供的热水由水泵3 送入装置，经由热水分配器4 进入蒸发腔中的横管

10、2 3，在那里放出热量加热流在管外的海水热水出横管后经连通管1 2 进入下一级的热水分配腔，再经分配腔进入加热横管，最后经出口返回至贮水箱2 中为了克服现有装置热容量大、出水慢及不利于在摇动船上使用的缺陷，本装置采用横管降膜蒸发的工作模式，即：海水经喷淋管1 0 喷出，经孔板5再分配后，均匀地滴降至蒸发腔中的加热横管2 3上，在那里形成海水降膜并受热蒸发未蒸发的浓海水最终落至蒸发腔底部，一部分经溢流阀2 0 流出装置，另一部分经循环泵1 7 再循环至喷管1 0 进行循环使用新海水由输入装置经连通管9 进入盘式蒸馏室7，在那里被换热器6 加热并产生蒸发，蒸气在第1 级盘底背部凝结形成一部分蒸馏水

11、并经集水槽8 输出蒸馏室7 中剩余的海水经管道被再输入至冷凝腔2 1 右边的回热器1 5 中再预热，最后流至循环泵1 7 前与一部分浓海水混合进行循环使用当海水从一根水平管到另一根水平管形成降膜流动时，它从水平管内的热水中吸收大量的热量，产生蒸发并在蒸发腔中放出大量水蒸气这些水蒸气通过抽气管1 1 由风机2 2 送至冷凝腔2 1 中，再经管壳形分配器进入水平横管2 3 内，在那里它经冷凝放热而产生出淡水，并将热量传回给管外的海水，回收一部分凝结潜热由于风机的作用，在蒸发腔中形成了负压，而在冷凝腔中形成了正压，因而加速了水的蒸发与凝结过程，使装置的性能得到加强通过横管后的蒸气在冷凝腔2 1 右边

12、被回热器1 5 进一步冷却并释放潜热给进入的海水，最后经管道进入换热器6 中，放出热量给蒸馏室7 中的海水后进入气液分离器13，并进行气液分离最后剩余的低温气体经送气管1 9 送回至装置蒸发腔的下部，进行再循环，而淡水则经淡水阀1 4 交给用户在装置中气体始终是闭循环运行的，具有很好的稳定性及可靠性，不受外界干扰2 实验装置描述蒸发腔体积为0 5 5m m 0 3 0m m 0 9 0m m，降膜横管共1 1 7 根，其外径为2c m，厚度为1m m 太阳能集热器为真空管式集热器，集热面积为2 1m 2 贮水箱贮水量3 0k g 迭盘式蒸馏室的外壳及底用o 8m m 厚的铝板制成，开口面积为o

13、 7 5 m o 4 0m，迭盘之间的平均高度为5 0m m，第1 盘底部斜面倾角为1 5。系统主体部分外壳及迭盘式蒸馏室的外壳均用5 0m m 厚的聚苯乙烯泡沫板保温3 实验数据测量图1 所示的每个温度标示点上，都布置有用于测温的热电偶热电偶提供的电信号由v 计读取，最后确定各测点的温度经水阀9、集水槽1 6 和气液分离器1 3 产生的淡水，每隔一段固定时间用量筒测量一次量筒测量范围为5 2 5 0mL 热水流量用热水表测量，它的相对误差是5 实验数据是多次测量的平均值进入装置的海水通过调节阀(图l中未示出)进入系统，用最小刻度为5 0m L，测量范围为10 0 0m L 的量筒，每隔固定时

14、间测量一次流率实验中，实际的蒸气流率用数字式气体流量计测量其测量范围为2 0m 3 h，最小读数为o 0 1m 3 h 实验中消耗的总电功率认为是风机和水泵的标称功 万方数据第6 期郁宏飞等：降膜蒸发多效回热型太阳能海水淡化装置的测试与分析6 9 3率，即2 2 0w 太阳辐射的强度用太阳辐射表测量太阳辐射表的放髓倾角与太阳能集热器倾角相同4 结果与讨论4 1 太阳辐照量对产水量的影响对实际的太阳辐照量、各测点温度及系统的产水量均作了室外测量，实验结果表明，太阳辐照量是影响产水量的最大因素太阳辐照量大、辐照度高，则产水量迅速增长；反之则降低几个典型晴天条件下的实验结果列于表1 4 个典型晴天条

15、件下的太阳辐照度随时间的变化如图2所示相应日期系统的产水量示于图3 表1 典型天气条件下系统的运行结果T a b 1R e s u I t so fo p e r a t j o u n d e rt y p i c a lw e a t h e rc o n d i t i o n s0Ej=蟛建；骤噩描图2 太阳辐照量陋时f 可的变化F 1 92V a n a t I o n o fs o j a r r a d i a t i l t ht 帆实验结果说明，由于系统采用了降膜蒸发技术，使得蒸发腔中管外的海水很薄，很容易被加热而且，系统在运行过程中，保存在系统中的海水量只有几k g 所以系

16、统很容易达到稳定状态，起动运行1 0m i n 即有淡水产出实验结果还发现，由于系统采用了多效回热措施，因而具有较高的产水率在晴天条件下，能得到比传统盘式太阳能蒸馏器高2 3 倍的产水量另外，系统起始运行时的温度及环境温度，都对产水量有一定影响，环境温度较高时，产水量相应增加这是由于环境温度高时，热损失减少而提高了系统运行温度的缘故一般来说，起始运行之上晶卿*址北京时间图3 系统产水量与运行时间的关系F I g 3P r o g r e s s o fd l s t l l l a t ey i e l dv e r s u st h eo p e r a t l o nt l m e前，需等

17、太阳能集热器将贮水箱2 1 中的水加热到一定温度起动时热水温度越高，则所需加热时间越长，系统的运行时间就会相应减少但起动温度太低时，系统的产水效率也很低所以，应合理选取起动温度实验结果表明，起动温度选择在7 5 8 5c 范围是合理的4 2 迭盘式蒸馏室对系统产水量的贡献迭盘式蒸馏室产水量与运行时间的关系如图4所示图4 表明，迭盘式蒸馏室的产水量起动较慢，但衰减也比较慢，一天内总的产水量约占系统总产水量的1 0 15 天气条件越好，系统运行温度 万方数据北京理工大学学报第2 2 卷越高，其所占的份额越大，表明迭盘式蒸馏室在高温段运行更有优势如果合理调整供海水的流率，改进蒸馏室中的传热效率，迭盘

18、式蒸馏室中产水量还可进一步提高J 匕糸叫I H I图4 迭盘式蒸馏室中产水量随运行时间的变化F g 4V a r I a“o no ft h ed I s t I l l a t ey l e dl nt h eb a s l nd ls I I l l a t I h a m b e r v so D e r a t I o nt 一4 3 系统运行温度随时间的变化实验中，对如图1 中系统的温度标示点处的温度进行了测量结果表明，在不同的天气和运行参数条件下，各测点的温度有较大变化，图5 给出了8 月8 日的测量结果E世赠嚣图5系统各测点温度随运行时间的变化F l 昏5V a m t l o

19、no“e m p e r a t u r e si nt h em e a s ur I n gp o i n t sv s o p e r a t l O nt l m e4 4 系统的性能系数由于在本装置的运行过程中，有一定的电功率消耗，因此系统性能系数的计算式应为吁一：m。缸(A 日+P z)，式中“为水的气化潜热 A 为太阳能集热器面积；H 为日太阳曝辐照度I P 为系统所耗电功率；血为系统运行时间；乏：m。为系统一天总的产水量从表1 可以看出，系统有较高的性能系数，这是因为系统极大地回收了水蒸气的凝结潜热所致这为系统高产水率提供了保障实验结果表明，影响系统性能系数的因素有多个，特别是

20、循环热水流率对效率有相当大的影响当循环热水流率降低时，系统的性能系数普遍提高这可能是因为当循环热水流率降低时，热水出口的温度也相应降低，致使滴落至底部铜管外壁的海水温度降低，这有利于横管内部蒸气的凝结，从而回收到更多的蒸气凝结潜热但循环热水流率太低时，会增加太阳能集热器的工作温度，进而降低其集热效率，使系统总产水量减少5 结论本装置采用降膜蒸发过程，具有传热量大、产水快(运行5 1 0m i n 即有淡水产出)及稳定性高等优点，具有较高产水率系统结构简单、投资少并适宜采用太阳能及工业余热运行小幅摇动对系统产水性能没有影响，因此特别适合在海上的渔船利用发动机余热生产淡水，具有良好的生产前景影响产

21、水率最大的因素是运行温度，其次是循环热水流率和供海水流率温度在7 0c 以上起始运行为佳供海水流率在5 12 妇h 为佳；循环热水流率一般选择在3 0 0 6 0 0k g h 1 范围为宜系统可经简单改造使其适合太阳能与其它余热混合供热运行参考文献：1 M a I i kM，T i w ar iGN，K u m a rA，e ta I s o l a rd i s t i l l a t i o n M O x f o r d：P e g a m a nP r e s s，1 9 8 2 2 M i n kG，A b o a b b o u dMM K a r m a z 剐nE A i r

22、 七l o w ns o l a rs t i l lw l t hh e a tr e c y c l i“g J s 0 1 a rE n e g y，1 9 9 8。6 2(4)：3 0 9 3 1 7 3 A b o a b b o u dMM，H o r v a t hL，M i n kG，e ta 1 A ne n e g ys a v i“ga t m o s p h e r i ce v a p o r a t o ru t i I i z l“gl o wg r a d et h e r m a lo rw a s t ee n e g y J E n e g y，1 9 9

23、 6，2 1(1 2)：1 1 0 7 1 1 1 7 4 S i d e m a ns s o m ed e s l g na s p e c t so ft h l nf i l me v a p o r a t o r c o n d e n s e ri nw a t e rd e s a l l n i z a t l o n A K a k a cs H e a tE x c h a“g e r s c N e wY o r k：H e m i s p h o r eP u b l i s h i“gC o r p o r a t i o n，1 9 8 0 6 8 1 7 0 3 5 s i d e m a ns F i l me v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o ni nd e s a l i n a t i o n A K a k a cs H e a tE x c h a“g e r s c N e wY o r k：H e m i 5 p h o f eP u b l 诂h l n gC o r p o r a t i o n，1 9 8 0 3 5 7 3 7 5 万方数据