新型太阳能海水淡化装置CPC匹配研究

新型太阳能海水淡化装置新型太阳能海水淡化装置 CPC 匹配研究匹配研究 1 引言引言 由于陆地淡水资源的紧缺 海水淡化已经越来越为世界各沿海国家所重视 常用的海水 淡化方法如蒸馏法 离子交换法 电渗析法 反渗透膜法等 要消耗大量的电力和燃料 太阳能 海水淡化技术由于不消耗常规能源 无污染 所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视 目前常见的太阳能海水淡化系统以蒸馏法为主 也存在一定问题 如一般采用自然对流 热效 率不高 水蒸气未被充分利用 造成能量损失等 近年来 由于太阳能集热器技术的发展 集热 器与常规海水淡化装置的联合运行是研究的热点 科威特等国家已经做出了有益的尝试 但 目前已有的装置普遍存在效率不高的问题 本文提出了一种新型高效太阳能 空调 海水 淡化复合装置的模型 论述了该系统的运行原理 将太阳能作为该装置的主要热源 可以节约 大量常规能源 研究了淡水产量与海水喷淋量 海水喷淋温度的关系 进而对与海水淡化装 置联合运行的 CPC 太阳能集热器系统进行了设计 取得了最大淡水产量下 CPC 太阳能集热 器吸收体的最佳直径 2 系统的组成及原理系统的组成及原理 211 组成 太阳能海水淡化与组合式空调系统由三大部件组成 CPC 太阳能集热器 空调与海水淡 化装置 其中系统以 CPC 太阳能集热器作为海水淡化装置的主要热源 见图 1 由于本文主 要研究基于该系统产水特性的 CPC 太阳能集热器设计 其空调 除湿功能在此不再赘述 212 原理分析 首先 被抽入 CPC 太阳能集热器的冷海水经 CPC 吸收太阳辐射加热后 流出的已是高温 海水 高温海水与回流热海水在高温混合室 5 混合后进入海水淡化装置 然后通过喷淋盘 均 匀地喷淋到两级高效蒸发器 7 上 由于高效蒸发器特殊的蜂窝结构 其表面积较大 因而热 海水的蒸发面积很大 风机 6 送入的高速气流经过高效蒸发器 将高温海水不断蒸发的水蒸 气送入冷凝装置 8 水蒸气经蛇形管管壁与冷海水换热 在冷凝作用下 水蒸气液化为水滴 水滴不断 会聚 成股流下 收集可得到淡水 因为高温水蒸气不能在一级冷凝装置中完全冷凝 我们将 海水淡化装置设计成两级立式结构 在风扇的作用下 未冷凝的水蒸气强制对流 进入下一级 的高效蒸发器 冷凝器 如此循环 充分利用了余热 大大提高了热效率 喷淋到两级高效蒸 发器未蒸发的热海水流出后被收集 然后导出海水淡化室 为充分利用这部分海水的热量 我 们将之导入空调的蒸发器中降温 然后流入海水淡化器的冷凝装置 在蛇形管中流过 与管外 高温的水蒸气换热以使水蒸气冷凝 然后进入空调的冷凝器 这部分的海水虽然低于流出太 阳能集热器的海水温度 但由于水蒸气的换热和空调冷凝器的放热 温度还是比较高的 使之 流入混合室 与流出太阳能集热器的热海水混合 充分利用了余热 整个系统主要以 CPC 太 阳能集热器作为热源 可以极大的节约常规能源 3 系统的系统的 CPC 太阳能集热器匹配研究太阳能集热器匹配研究 311 原理样机的海水淡化试验 海水喷淋量和海水喷淋温度是影响淡水产量的重要因素 也是影响 CPC 太阳能集热器 阵列面积及吸收体直径的重要参数 为对与该海水淡化装置匹配的 CPC 太阳能集热器系统 进行优化设计 必须研究原理样机海水淡化功能中淡水产量与海水喷淋量 海水喷淋温度的 关系 在西北工业大学空调制冷与太阳能应用研究所建立的原理样机试验台上进行了相关 试验 试验是在进口空气流量和温度以及相对湿度一定的情况下进行的 结果见图 2 和图 3 从图 2 可以看出 在其他试验条件不变的情况下 海水喷淋量的增加会使淡水产量逐渐增 大 但淡水产量的增幅比较缓慢 这是因为在其他条件不变的情况下 随着海水喷淋量的增加 湿 空气渐趋饱和 故淡水产量增加比较缓慢 从太阳能利用和对 CPC 吸热体直径影响的角度 考虑 在保证设计淡水产量的前提下 应减小海水的喷淋速度 保持在 210 kg h 左右 从图 3 可以看出 在其他试验条件不变的条件下 淡水产量随海水喷淋温度的升高逐渐增大 变化比 较明显 但是高于 75 以后 装置的淡水产量增幅趋于平稳 这是因为海水喷淋温度继续升 高 但在海水淡化系统的冷凝装置中是由空调蒸发器提供冷源来冷凝的 而空调蒸发器的制冷 能力是有限的 故淡水产量不能随海水喷淋温度升高而增加很多 海水喷淋温度取 80 312 CPC 系统的匹配设计 在前面试验中 得到了以下最优值 海水流量在 210 kg h 海水淡化装置入口海水温度在 80 在此基础上 对与海水淡化装置匹配的 CPC 太阳能集热器系统进行最优设计 CPC Welford and Winston 1978 是一种依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器 与在 线聚焦槽形抛物面集热器 PTC 相比 CPC 接收角较大 在运行时不需要太阳跟踪装置 结构 简单 费用低 复合抛物面型集热器 CPC 有如下主要优点 可以利用几乎所有可以接收到 的太阳辐射 有较高的光效率