充水排气式自然真空太阳能海水淡化系统的实验研究

充水排气式自然真空太阳能海水淡化系统的实验研究

0太阳能海水淡化系统世界上许多地方都缺乏淡水，但缺乏淡水的地方通常缺乏水和太阳能资源。因此，利用太阳能进行水处理具有重要意义。事实上,国外学者已经对利用自然真空技术的太阳能海水淡化系统进行了初步的研究,但国内学者对此研究的较少。2003年,Al-Kharabsheh和Yogigoswami但是,已有研究没有关注到如何解决不凝性气体的释放问题,因为海水在蒸发过程中,会释放出溶解于海水中的不凝性气体(如氮气、氧气和二氧化碳等),这会严重降低水蒸气到冷却管的传热速率,同时会使蒸发器内压力升高,降低了蒸发速率1实验系统的搭建本文设计的自然真空太阳能海水淡化系统原理如图1所示,主要结构包括蒸发器、冷凝器、淡水收集槽、水泵、恒温水箱、淡水罐、太阳能集热器和真空压力表等。系统工作原理:首先利用充水泵给高于10m的蒸发器内注满海水,然后打开放水阀将蒸发器内海水放净,利用一个大气压托起10m水柱的原理使蒸发器内部形成真空;然后,进料海水先经过冷凝器,实现对蒸汽的冷凝,同时回收蒸汽的凝结潜热,最后进入恒温热水箱,被太阳能集热器进一步加热后进入蒸发器;为了实现逆流换热,增加换热效果,冷却水进口管道和热海水进口管道分别安装于蒸发器的两侧;由于蒸发器处于真空状态,对应的海水饱和温度降低,加热后的海水进入蒸发器后会立刻沸腾,产生的水蒸气被上部的冷凝器冷凝产生淡水;凝结的淡水滴落在淡水收集槽上,在重力的作用下经过管道进入到淡水储蓄箱中。当设备运行一段时间后,海水中的不凝性气体将会不断地在蒸发器内累积,导致蒸发器中的压力增大从而降低淡水降低蒸发速率。此时需要重新给蒸发器内充水排气,开始下一次的工作周期。具体操作是,关闭海水进入热水箱的阀门,让海水直接进入到蒸发器中,此时关闭淡水管和浓海水管上的阀门,让海水不断充满蒸发器整个空间,不凝结气体从真空表附近的排气管道流出。当排气管中不再有气体排出时,打开浓海水管的阀门,让海水排净,系统重新恢复真空状态。本实验系统充分利用“托里拆利”现象形成低压空间,降低了蒸发器内海水的蒸发温度,提高了低温海水蒸发效率和淡水产量。图2为所搭建实验样机的照片,该实验样机搭建在广西南宁市广西民族大学相思湖学院一座三层楼的楼顶。其中蒸发器是直径为350mm、长2000mm的不锈钢罐容器,蒸发器外壁用20mm厚的橡塑棉保温材料保温。冷凝器为长度为11m的不锈钢波纹软管,其直径为25mm,采用蛇形盘管布置方法将其完整且均匀的布置在蒸发器内部,盘管的布置空间为240mm×1900mm。淡水收集槽为一个V形槽,张角为130°,左右有5°安装倾角,便于淡水从收集槽流入淡水输出管。在实验过程中,使用3根3500W的电加热棒代替太阳能集热器作为系统的热源,热水箱的温度由温控箱控制。为了能够准确预测系统在不同工况下的产水性能,在蒸发器顶部等间距布置了三个温度测点,在冷海水进口、浓盐水出口和淡水出口分别布置了一个温度测点,如图3所示。所有温度测点均由K型热电偶测量,精度为±0.5℃,温度数据最后汇总到32通道温度巡检记录仪(JLS-XMT),精度为±0.1℃。蒸发器内部压力由真空表测得,量程为0～100kPa,精度为±1.6%。淡水罐下方放置有电子秤,测量精度为±0.5g可以随时记录系统淡水产量。实验前对所有热电偶进行温度校正,温度数据每1min记录一次,淡水产量每5min记录一次,当产水量低于0.10kg/5min时,认为系统工作周期结束,开始新一轮的充水排气过程。2供热损失的计算为了进一步分析系统的换热过程及淡水产量,基于能量守恒方程对系统建立了数学模型。这里假设蒸发器的保温性能良好,忽略与外界的换热损失。热海水在蒸发器内流动过程中不断蒸发,其减少的能量为水气化带走的蒸发热量,具体如式(1)所示:=式中:热海水蒸发出的水蒸气不断上浮,遇到低温冷凝器被凝结为淡水,装置所产淡水流量为(2)式中:=2501.897-2.407式中:冷海水流经冷凝器时会吸收水蒸气凝结释放的潜热,使其温度升高,提高了系统的能量利用效率,该过程获得的热量为=式中:3结果与讨论3.1系统运行周期在实验过程中,使用城市自来水加3.5%的盐代替海水,用温控箱控制热水箱内的温度。在准备阶段,需要花费总计20min左右的时间来给蒸发器充水和放水,以使其内部形成真空。放水结束后,蒸发器内可以形成8kPa左右的绝对压力。当热海水温度50℃、质量流量为0.1kg/s时,蒸发器顶部外壁温度的温度变化如图4所示,此时冷海水温度为30℃左右。实验发现蒸发器外壁温度先迅速升高,经一段运行时间后,下一次充水时温度迅速降低,表现出完整的运行周期。当蒸发器内注入热海水后,由于热海水温度高于其内部压力对应下的饱和温度,因此海水会立刻沸腾,部分水蒸气遇到冷凝器凝结为淡水,其他热蒸气和不凝性气体在浮力作用下聚集在蒸发器顶部,使内部空气温度和压力升高,所以在运行阶段,蒸发器外壁温度会有不断下降的过程。这里可以发现,越靠近冷海水进口端蒸发器壁面温度越低(图5为各管路出口温度随时间变化曲线。图5中显示,随着时间的进行,浓海水出口水温图6为蒸发器内部连续两个周期的压力和瞬时产水量变化。从图6可以看出,理论计算得出的产水量曲线与实验测得的产水量曲线基本一致。由于水的表面张力的作用,冷凝器上的淡水水滴不能立刻滴落到淡水收集槽上,导致计算产水量略高于实验产水量。在刚开始供入热海水时,蒸馏器内的压力升高的非常快,淡水产率也很高,达到5min产水1.05kg。但随后压力升高,产水速率逐渐减少。这是因为热海水在刚进入压力很低的蒸馏器时蒸发效率很高,水蒸气和不凝性气体溢出速率较快,但随着水蒸气不断被冷凝器凝结为淡水,导致蒸馏器内聚集的不凝性气体不断增多。不凝性气体会严重阻碍水蒸气与冷凝管的凝结换热,使部分水蒸汽聚集在蒸发器内使压力升高,导致淡水产量的不断减少。从图6可以看出,当热海水以50℃的温度进入装置时,由于温度偏低,受不凝结气体影响较大,除去充水放水的时间,每个周期只能工作35min左右,这对装置的运行是不利的。3.2热海水温度的影响不同热海水进水温度会对系统的工作性能产生重要影响。当供水流量为0.1kg/s保持不变时,蒸发器内压力随热海水温度的变化如图7所示。从图7中可以看出,热海水温度越低,系统的运行周期时间越短,压力上升的幅度越小。这是因为供水温度越低,越容易受到不凝结气体的影响。因为温度越低时,海水的蒸发量越少,尽管不凝性气体的释放量也小,但相对蒸汽的比例来说较大,导致运行时间减少。图8为对应不同热海水温度下系统的累积产水量,系统累积产水量随热海水温度升高而升高,当热海水温度为60℃时,系统的工作周期为75min,累积产水量为13.73kg,即每小时产出淡水10.98kg。系统的性能评价指标用性能系数((5)根据式(5),计算得到系统在不同热海水温度下的性能系数如表1所示。计算结果表明,性能系数随着热海水温度的升高而升高,最大性能系数为1.77左右。这是因为较高的供水温度使水蒸气与冷凝管换热温差变大,凝结效率提高,淡水产量增多,也就能使冷海水吸收更多的气化潜热,因此提高了能量利用的效率。4设备经济性分析太阳能淡化装置的经济性是决定该装置能否可以商业化并在市场上广泛应用的关键因素之一,因此分析设备的经济性具有重要意义。这里参考文献==式中:=式中:如果要求系统每小时可以产出淡水10.98kg,即按照流量为0.1kg/s,热海水温度为60℃的工况进行工作,当每日平均太阳辐照度为850W/m保守估计系统的使用寿命是18a,则5系统不凝性气体不稳定不凝为2kpa本文提出了一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置。蒸发器与冷凝器一体化设计,可有效利用气化潜热。该装置还可以利用充水方式去除装置中产生的不凝结气体,实现装置的真空度恢复。通过对装置的初步研究,得到结论。1)利用自然真空的原理,蒸发器