海水淡化技术与太阳能利用 2

1、目 录引言.21装置结构、工作原理与基本参数.32实验结果与讨论.42. 1实验数据分析.52. 2风速,水初温和环境温度对装置产水量的影响.72. 2. 1风速对产水量的影响.82. 2. 2水初温对产水量的影响.82. 2. 3环境温度对产水量的影响.82. 3装置的性能分析.82. 3. 1单位太阳辐射能产水量比较.82. 3. 2 装置的性能系数.93装置的市场前景分析.9参考文献.10太阳能海水淡化技术与利用肖传连1（海南大学机电工程学院,海口 570228）摘要：太阳能海水淡化技术是应用集热才支术或将太阳能变成电能,供海水淡化所需的全部或部分能量的制取淡水的方法。本文设计了一种具有

2、折皱底面的多级迭盘式家用太阳能海水淡化装置。该装置由热管式真空集热管和多级海水淡化器两部分组成。在实际天气条件下,对该装置性能进行了测试,给出了该装置每0. 5 h的产水量、累计产水量以及各级水盘的水温随运行时间的变化曲线。实验结果表明,在测试当天累计太阳辐射量22. 46MJ/(m2·d)条件下,该装置产水量可达9. 34 kg/(m2·d),单位太阳辐射能产水量为1. 50 kg/kWh;该装置的性能系数达到0. 956,是传统单级盘式太阳能蒸馏器性能系数的2. 7倍。关键词:海水淡化;太阳能;蒸馏solar energy desalination of sea wat

3、er technology and useXIAO Chuanlian1,GUO Zhizhong2Abstract：Solar energy desalination of sea water is a method of making freshWater by using solar radition receiving technique or turning solar energyInto electric energy to Provide the total or Part of the energy required inThe desalination of sea wat

4、er. A multistage stacked tray household solar desalination unit with folded base face is designed.The system components includes a heatpipe evacuated tube solar collector and amulti-stage desalination tower. The performance of the unit has been tested under climatic condition, then the variation of

5、distillate yield per 0. 5 h, accumulated distillate yield and water temperature with operation time was obtained. The experimental results show that the production rate can reach 9. 34 kg/(m2·d) under the condition that the accumulative solar radiant energy is22. 46MJ/(m2·d). The performan

6、ce coefficient of unit can reach 0. 956, which is about2. 7 times as high as the single basin type solar distiller.Key words: desalination of sea water,solar energy, distillation引言： 随着现代化建设的高速发展、人口的急剧膨胀以及人们物质文化生活水平的极大提高,用水量与日俱增,但是供水量却有减无增,而且水体污染日趋严重。因此,全国性乃至全球范围的供水矛盾日呼声一浪高过一浪,正席卷全球。我国人均占有水量只居世界的第108

7、位,相当于世界人均水平的1/4;缺水城市占全国城市的2/3,被列为世界上13个贫水国之一1”。这将严重影响我国可持续发展战略的实施。面对严峻形势,多种措施建议如远程调水、废水利用、制定政策节约用水、溶化冰川等,均相应而出。但目前这些措施能耗大,见效慢,破坏生态环境,常引发争议。对于高山、沙漠、丘陵占据大片土地、水量严重不足的中国,利用现代技术大规模地开辟新水源具有全局意义,而海水淡化是21世纪解决水源紧缺的根本措施。 太阳能海水淡化技术是应用集热技术或将太阳能转变成电能,供给海水淡化中所需的全部或部分能量制取淡水的方法。海水淡化的方法有很多,如蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等

8、,然而,这些常规的方法都是以消耗大量的燃料或电力为前提的,且耗能惊人2。从另一个角度而言,即使人们支付得起这笔燃料的费用,地球的温室效应、空气污染等也警示人们必须谨慎从事,因此,寻求用丰富而清洁的太阳能来进行海水淡化,必将受到青睐。 此外,从经济上考虑, 利用太阳能进行海水淡化亦越来越具有市场竞争力。在美国利用太阳能抽取淡水,价格仅为每千克 1.1 美分,为一般纯净水价格的 1/4 左右；据测算,在我国利用太阳能制取淡水,价格也仅为每千克 0.1元左右,适合我国目前的消费水平3。 因此,在世界能源较为紧张的情况下, 利用太阳能从海水中抽取淡水,乃是解决淡水资源缺乏的重要途径之一。 本文设计了一

9、种具有多级迭盘结构的主动式太阳能蒸馏器,并采用折皱底面来强化水蒸气的凝结过程。本文将介绍装置的结构与工作原理,实际天气条件下实验测试和数据分析,装置的性能分析和装置的市场前景分析。1装置结构、工作原理与基本参数本新型太阳能海水淡化装置的结构如图1所示。装置运行原理如下:首先,太阳能集热器2收集太阳光3加热装置底盘的海水,产生的蒸汽上升,在最下一级折皱水盘8的背部凝结产生淡水,释放的潜热同时加热该盘中的海水,水盘中海水受热蒸发再次产生蒸汽,并在上一级折皱水盘8的背部凝结形成淡水,释放的潜热又加热该水盘中海水,产生的蒸汽最后在倾斜的玻璃盖板6上凝结。玻璃盖板左边下方和折皱水盘背部每条棱的下方都设有

10、淡水收集槽5用于收集淡水,各级水盘产生的淡水汇集经淡水阀10输送到淡水箱11中。新的海水经进水阀7输入,并通过连通管9,输送到各级水盘和装置底盘,装置底盘的浓盐水经排污阀13输出。为了尽量减少不必要的热量耗散,装置的侧面及底部都用保温层4保温。 图1装置结构示意图1-支架;2-太阳能集热器;3-太阳光; 4-保温层; 5-淡水收集槽;6-玻璃盖板; 7-进水阀; 8-折皱水盘; 9-连通管;10-淡水阀;11-淡水箱;12-溢流阀;13-排污阀此新型太阳能海水淡化装置具有以下特点:(1) 能够重复利用水蒸气凝结所释放的潜热,提高了能量的利用率; (2)采用折皱水盘,增加了水蒸气的冷凝面积,且冷

11、凝面为斜面,更易使水蒸气凝结到淡水槽中,强化了冷凝过程。(3)水盘热容量较小,意味着吸收相同的热量,水盘的水温可以升得更高,从而间接提高运行温度实验装置实物如图2所示,装置采用热管式真空管收集太阳能,数量为16支,采光面积为2. 8m2;顶部的玻璃盖板也可以接收太阳光,面积为1. 2 m2,所以总采光面积为4. 0 m2。水盘的折角为90°,装置共有三级蒸馏腔,各级蒸馏腔中,自水面至上级水盘背部的平均空腔高度为6 cm。底盘水深12 cm,存水量约为142. 6 kg,其他各盘存水量约为36. 2 kg。(2) 图 6 太阳能海水淡化装置实物图2实验结果与讨论2. 1实验数据分析将装

12、置的底盘水温定为装置的运行温度,单位时间的产水量称为装置的产水速率。测试当天的太阳辐照度和累计辐射值如图3所示,当天的累计辐射能量为22. 46MJ/(m2·d),约为6. 24 kWh/(m2·d)。 图3测试太阳辐射值和累计辐射量实验装置的运行温度、最上级水盘的水温和环境温度随运行时间的变化如图4所示,可以看出,运行温度和最上级水盘的水温随着一天中太阳能辐射值的变化先升后降,运行温度在下午1630左右达到最高温度87。从图3可知,太阳能辐射值在1200-1400之间相对较高,而底盘水温并没有在这个时间段达到最高值,而是延后了约2. 5 h,说明装置运行温度相对太阳辐射值

13、大小有滞后性,滞后时间的长短与各级水盘的容水量有关,各级水盘的存水量越少,则滞后时间越短,但在尽量减少滞后时间的同时还要保证各级水盘不被蒸干。并且各级水盘的容水量又会直接影响各级蒸馏腔中蒸发和冷凝面的温差,进而影响装置的产水速率。所以各级水盘的容水量应存在一个合适的值使装置性能达到最佳,这有待进一步研究。实验装置每0. 5 h的产水量如图5所示,结合图4可以看出,产水速率随着装置运行温度的变化而变化,变化趋势基本一致。说明装置的运行温度对产水速率有相当大的影响,运行温度越高,产水速率越大。 图4水温及环境温度的变化 图5每隔0. 5h的产水量变化 从图5还可以看出,产水速率从下午1300开始有

14、较明显的增加,这时对应的底盘水温约为70,在运行温度大于70时,该装置产水率>2 kg/h,最高可达3. 5 kg/h,可见,此装置在较高温度条件下运行,有较高的产水速率。这与文献6的研究结果相符。白天累计产水量变化如图6所示,从早上0930开始到下午1900,白天累计产水23. 10 kg。结合图4可知到1900时底盘水温为78,到第二天早上0930,底盘水温也还能维持在50左右,所以夜间即使没有热量输入,也会产生蒸汽并冷凝产生淡水。从1900到第二天早上0930,夜间累计产水14. 25 kg,该装置一天共累计产水37. 35 kg。系统的夜间产水量是十分可观的。原因是为了减少装置热

15、量的散失,装置外部进行了很好的保温。另外,夜间环境温度会降低,玻璃盖板温度也随之降低,即冷凝面的温度降低,这将有利于最上级水蒸气的凝结,同时也促进了该级水盘中水的蒸发。蒸发带走热量,又有利于下级水盘的水蒸气的冷凝,从而促进了装置各级水蒸气的凝结。 图6白天累计产水量变化2. 2风速,水初温和环境温度对装置产水量的影响 由于外界环境因素对单级盘式蒸馏器和对多级盘式蒸馏器产水量的影响趋势基本上是一致的,前人的研究也基本上都是外界环境因素对单级盘式蒸馏器的影响,其分析结果也同样适用于多级盘式蒸馏器。2. 2. 1风速对产水量的影响 Cooper(1969)4研究指出,在微风条件下(风速<2m/

16、s),风速的增加有利于产水量的增加,而强 风则使产水量增加不明显。原因可能是,在有风的条件下,对盖板的散热有利,相对地提高了盖板与蒸发面的温差,增强了蒸馏器内部对流换热,从而使产水量增加。但当风速过大时,盖板散热过快,从而使整个装置的热能散失过快,不利于盘中水温的提高,影响了水蒸气的产生量,而影响了产水量。2. 2. 2水初温对产水量的影响 Yadav (1991)5等人研究指出,装置产水量随着水初温的增加而增加。原因是水需要加热到一定温度才会有较大的蒸汽量产生,从上文对图5和图6的对比分析结果也可以看出,当运行温度达到70时,产水量才有明显的提高,也就是说这时水蒸气量才有明显的增加。而这个加

17、热过程是需要能量的,假设输入的能量是一定的,如果水的初始温度高,这个过程需要的能量就少,就有更多的能量来产生蒸汽,从而增加产水量。2. 2. 3环境温度对产水量的影响 Morse和Read4研究指出,装置产水量随着环境温度的降低而降低。原因可能是环境温度降低,盖板的散热增加,增大了盖板和蒸发面的温差,使得蒸馏器内部的对流有所增强,有利于提高产水率,但同时也使得整个装置的热能散失过快,不利于盘中水温的升高,总的作用结果还是使得装置的产水量降低了。2. 3装置的性能分析2. 3. 1单位太阳辐射能产水量比较 装置总采光面积为4. 0 m2,测试当天的累计产水量为37. 35 kg,则单位采光面积的

18、产水量为9. 34 kg/(m2·d)。测得该天的累计太阳辐射能为6.24 kWh/(m2·d),则该装置单位太阳辐射能产水量为1. 50 kg/kWh。文献7中给出了关于单级盘式太阳能蒸馏器的一个实验拟合公式P=0.8258+0·10453HR-0.00002HR2,其中P为单位采光面积的日产水量,单位kg/(m2·d);HR为累计太阳辐射能量,单位MJ/(m2·d)。这个公式是根据一个月的实验数据拟合得到的,适用的范围是日累计太阳辐射能在9. 53226. 391MJ/(m2·d)之间。本文中的累计太阳辐射能为22. 46 MJ/

19、(m2·d),带入公式计算得出单位采光面积的产水量为3·16 kg/(m2·d),则此文献中单级盘式太阳能蒸馏器的单位能耗产水量为0. 51kg/kWh。通过比较可知,相对单级盘式蒸馏器,本文中装置单位太阳辐射能的产水量有了明显提高。2. 3. 2装置的性能系数性能系数PR(Performance ratio)是表征系统性能的重要指标,性能系数大,表明系统性能优越。根据输入输出关系,本装置的性能系数可以由下式计算式中m装置在一天内累计淡水的产量, kg;hfg水的汽化潜热,取2 300 kJ/kg;Qc集热器接受的太阳辐射总能量,MJ/(m2·d)。测试

20、当天的累计太阳辐射能为22. 46MJ/(m2·d),采光面积为4. 0 m2,则集热器接受的太阳辐射总能量Qc=22. 46×4=89. 84 MJ/(m2·d);测试当天的累计产水量为37. 35 kg。本装置的性能系数一般传统单级盘式太阳能蒸馏器的性能系数为0. 35左右,本装置的性能系数是单级盘式太阳能蒸馏器的2. 7倍,而本装置是一个3级盘式的太阳能蒸馏器,说明水蒸气的凝结潜热得到了充分的回收利用,从而使得装置单位能耗的产水量也得到了明显的提高。3装置的市场前景分析 随着海水淡化技术的日趋成熟和完善、成本的降低,海水淡化将逐步被国人所接受,海水淡化必然成

21、为沿海城市和地区解决淡水资源短缺的有效方案。能源利用是海水淡化能否发展的关键,利用太阳能等清洁能源是海水淡化的方向。太阳能海水淡化系统具有无污染、低能耗、运行安全、稳定可靠等优势,具有广阔的发展前景9。将太阳能海水淡化系统和常规的现代海水淡化技术紧密结合,借鉴其先进制造工艺和强化传热传质方面的成果,与太阳能本身的优势实现互补,可取得较理想的效果。 此新型家用太阳能海水淡化装置具有操作简单、无运动部件、故障率低、维护费用低、产水率大等优点,既可用于海水淡化又可用于苦咸水淡化,是一种解决分散式淡水短缺的较理想装置。并且我国缺乏淡水的地区,往往都具有很丰富的太阳能资源,用太阳能生产淡水既节能环保,又符合利用自然资源的优势。另外,国家也出台了相关的扶持政策,以促进清洁能源的利用,随着工程技术的进步,新材料、新工艺的采用,装置的成本将会有很大程度的降低。10综合以上分析,在缺