锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置实验研究

李海洋，常泽辉，2，侯 静，张 鑫，朱国鹏

（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；
2.内蒙古工业大学 太阳能应用技术工程中心，内蒙古 呼和浩特 010051；
3.内蒙古建筑职业技术学院 建筑设备与自动化学院，内蒙古呼和浩特 010070）

淡水是人类社会赖以生存和发展的重要物资之一，地球上只有1%的淡水资源可供人类饮用或从事生产活动[1]，[2]，随着人口增长和城市经济发展，到2025年，将有39亿人生活在水资源枯竭地区[3]。利用含盐水淡化技术对地球表面分布广泛的海水、苦咸水等含盐水进行淡化是缓解淡水匮乏的重要途径之一[4]～[6]。工业化的苦咸水淡化系统成本较高、需要配置完备的基础设施，适宜于大规模制水，同时需要消耗大量化石能源作为能源供应。此过程中所使用的化石能源释放出的有害气体也会对环境造成污染。针对减小苦咸水淡化过程中的能耗及碳排放问题，研究人员将目光投向了分布广泛的太阳能资源。淡水匮乏的地区往往是太阳能一类和二类区域，可以通过太阳能收集装置实现光热或光电转化，进而为苦咸水淡化提供驱动能源，加之转化过程中无需机械传动，转化效率提升空间大。为此，在化石能源缺乏和基础设施落后的地区，小型分布式太阳能苦咸水淡化装置拥有广阔的应用前景，也得到了国内外学者的广泛关注，其中降膜蒸发管式太阳能苦咸水淡化装置以其可承压、结构紧凑、可多效运行而备受关注，许多专家学者致力于提升其热质传递性能优 化 方 法 的 探 索 和 尝 试[7]～[10]。

Samir[11]针对管式太阳能蒸馏器，建立了两种不同形状的吸收体模型，并对其进行了火用分析和经济性分析，在实际天气下进行了实验测试，结果表明，半圆波纹面接收体较平板型接收体产水量提高了26.47%，热效率提高了25.90%，每升淡水价格下降了20.77%。Hou[12]研究了不同载气介质对多效竖管降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置产水性能的影响，在二氧化碳、氦气、氮气、氧气、空气、氩气等不同载气介质工况下测试了装置产水量。结果表明，载气介质为氦气时，产水速率达到最大，可达1.19kg/h，比空气作为载气介质增加30.76%。Xie[13]研究了三效横管式太阳能蒸馏器，结果表明，在运行压力分别为95，60，40，20kPa时，装 置 产 水 速 率 分 别 为3.27，6.32，7.06，4.29kg/d，能 量 利 用 效 率 分 别 为0.77，1.28，1.39和0.88，在40kPa的工作压力下装置产水性能最优。伍纲[14]将线性菲涅耳反射镜与多效横管式降膜苦咸水淡化装置进行高效耦合，结果表明，装置累计产水量为11.35kg，当采用真空管集热器时，最大性能比为2.88，制水成本约为6.16美元/t。

综上研究，管式太阳能苦咸水淡化装置在实际应用中，由于蒸发冷凝腔结构存在有效冷凝面积小于冷凝套筒内表面面积、水蒸气传热距离长等缺点。为了解决上述技术瓶颈以及由此带来的产水速率满足不了实际需求的问题，本文提出并设计一种新型锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置，通过改变冷凝面与水平面之间的夹角（定义为冷凝面倾斜角度），实现了装置蒸发面与冷凝面倾斜平行相对，倾斜冷凝面可以直接拦截浮升的水蒸气，缩短了水蒸气蒸发传热距离，减小了竖直方向冷凝温度不均匀性。在实验室内搭建锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置性能测试台，基于其腔内气水二元混合气体传热传质机理，研究了在定功率输入条件下，装置的产水速率、蒸发冷凝温差、竖直方向冷凝温度差、性能系数等随运行工况的变化规律。

锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置主要由太阳能驱动运行，属于小型分布式热法太阳能苦咸水淡化装置，具有占地面积小、可就地取材、易损件少、对操作人员要求低等特点，其结构如图1所示。

图1 锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置结构Fig.1 Structure diagram of cone-type falling film evaporation solar brackish water desalination device

锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置工作原理：顶部聚光光漏斗对入射太阳光进行汇聚，由此所形成的高密度光能向下传输，进入装置几何中心的加热水箱内水体中，实现光热直接转化，水体温度随之升高，并通过热传导方式使得加热水箱外表面吸水材料中的苦咸水液膜温升蒸发生成水蒸气，浮升水蒸气在温度较低的冷凝套筒内表面凝结生成淡水，沿套筒内表面流到装置底部进入淡水收集罐内，同时未蒸发的浓苦咸水流到装置底部进入浓盐水收集罐内，水蒸气释放的凝结潜热散失到周围空气中。腔内水蒸气传热传质过程如图2所示。

图2 装置工作原理示意图Fig.2 Structure diagram of working principle of the device

与管式太阳能苦咸水淡化装置相比，锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置具有以下特点：①蒸发面与冷凝面倾斜相对，缩短了蒸发面产生水蒸气的传热传质距离，对强化装置产水速率是有益的；
②有效克服了管式苦咸水淡化装置中水蒸气由于密度小而在装置中上部凝结，造成竖直方向冷凝温差大所导致的有效冷凝面积小于冷凝套筒内表面积的技术缺陷；
③聚光光漏斗与苦咸水淡化装置的高效集成，实现了光热直接转化，减少了冗长换热管道的散热损失；
④可实现小特征尺寸运行，减少装置内不凝气体量，水蒸气传热速率增加。

装置性能测试系统主要由锥台式苦咸水淡化单元、苦咸水进料单元、加热单元、浓盐水收集单元、淡水收集单元、数据采集单元等部分组成，系统实物如图3所示。锥台式苦咸水淡化单元核心区域为环形封闭蒸发冷凝腔，其由2个形状呈上小下大、顶部封闭的不锈钢锥筒与不锈钢底板焊接而成，吸水材料紧密贴合在加热水箱外表面形成液膜蒸发面，最外层不锈钢套筒内侧为冷凝面。苦咸水进料单元由苦咸水水箱、苦咸水进水管、调节阀等组成，数据采集单元由多通路巡检仪、热电偶、压力计等组成。蒸发冷凝腔底部安装有环形挡水板，两侧分别为浓盐水收集区和淡水收集区，在浓盐水收集区底部布置浓盐水出水管，连接外部浓盐水收集罐构成浓盐水收集单元；
在淡水收集区内有淡水出水管，连接外部淡水收集罐构成淡水收集单元。内侧锥筒与不锈钢底板构成的封闭空间为装置的加热水箱，其内部水体可以由太阳能加热也可以由电加热棒供能。

图3 测试系统Fig.3 Testing system of the devices

鉴于苦咸水液膜降膜距离与冷凝面倾角θ二者之间的函数关系，本文在保持蒸发面积恒定的前提下，通过改变冷凝面倾角间接改变液膜降膜距离，θ越大，降膜距离越大，降膜阻力随之越小；
θ越小，则反之。为此，本文分别选择θ=70°（装置一）和 θ=45°（装置二）两种测试装置，通过实验测试对比分析其性能优劣。

由于太阳能作为驱动能源难以精确控制，为准确测试锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置给定工况下的产水速率，用电压可调的电加热棒代替太阳能聚光集热装置。在环境温度和空气流速均可控的实验室内，测试在输入功率为240W时，两台淡化装置在瞬态温升过程中产水速率、冷凝温度、蒸发冷凝温差变化规律。试验中，各测温点温度由校核后的K型热电偶测得并由多通道巡检仪实时记录，测试误差为±0.5℃，记录间隔1min，淡水产量使用精密电子秤每20min称量1次，测量精度为±0.1g。由于装置在运行时沿冷凝套筒竖直方向会产生温度梯度，故在冷凝面竖直方向等距布置3个热电偶，取其平均值作为冷凝温度。进水流量由调节阀控制，由于苦咸水与地下水蒸发性能相差不大，故本试验使用地下水替代苦咸水进行试验测试。

锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置的产水速率受输入功率、进水流量等因素影响。基于前期大量测试数据，控制进水流量Mw为0.30kg/h，变压器控制电加热输入功率稳定为240W，为减小高温运行时装置管路结垢及散热损失，运行温度限制在小于95℃。当两种测试装置的蒸发面积均为0.25m2时，产水速率变化曲线如图4所示。

图4 装置产水速率对比曲线Fig.4 Comparison curve of water production rate of devices

由图4可知，两测试装置的产水速率均随加热时间延长而增加，经历了先快速增大然后增幅逐渐放缓的过程，且装置一的产水速率大于装置二，最大值可达0.24kg/h，比装置二增加了8.33%。这是因为当输入功率、蒸发面积一定时，θ不同，装置苦咸水液膜沿着蒸发面降膜距离不同，θ越大，tanθ值越大，因此装置一的苦咸水液膜降膜距离更长，苦咸水液膜与加热水箱内水体换热过程充分，液膜蒸发效率高，使得装置产水速率升高，蒸发面下部温度更高，该规律可以从竖直方向蒸发温度差体现，其中竖直方向蒸发温度差是蒸发面上部温度与下部温度的差值，如图5所示。

图5 竖直方向蒸发温度差随运行时间变化Fig.5 Variation of evaporation temperature difference along vertical direction with operating time

由图5可知，装置一的竖直方向蒸发温度差（0.9℃）整体小于装置二（3.3℃），说明装置一蒸发面上、下部温度更接近，苦咸水液膜在降膜过程中与加热水箱换热效果明显，液膜整体蒸发温度趋于一致，可以保持设定高温均匀蒸发。

装置运行过程中，蒸发冷凝腔内的蒸发冷凝温差直接影响装置传热传质过程和产水速率，本文装置的蒸发冷凝温差为蒸发面平均温度与冷凝面平均温度差值。装置蒸发冷凝温差随运行时间变化曲线如图6所示。

图6 蒸发冷凝温差随运行时间变化Fig.6 Variation of temperature difference of evaporation and condensation of with operating time

由图6可得，两测试装置蒸发冷凝温差均随运行时间增加呈减小趋势，且装置一蒸发冷凝温差小于装置二的蒸发冷凝温差。装置二最大蒸发冷凝温差约为6.5℃，装置一最大蒸发冷凝温差约为3.8℃，装置二比装置一蒸发冷凝温差高约2.7℃。其原因是，在输入相同功率情况下，随着装置内水蒸气温度的升高，传热传质速度增快，蒸发冷凝温差减小，但装置二中苦咸水液膜降膜距离短，有效蒸发速率小于装置一，水蒸气凝结量小，导致蒸发冷凝温差大于装置一的蒸发冷凝温差。

装置在运行过程中，由于水蒸气受到浮升力的作用而向上扩散，多在冷凝套筒中上部进行凝结，从而造成冷凝面沿竖直方向产生温度差，造成装置有效冷凝面积小于冷凝套筒内壁面面积，影响装置的淡水产量。为此，装置竖直方向冷凝温度差值的大小可以表示蒸发面所产生的水蒸气在冷凝套筒凝结区域的均匀性，其值越小，表明水蒸气在冷凝套筒沿竖直方向凝结的量差越小，即装置有效冷凝面积越接近冷凝套筒内表面面积，反之亦然，其值可用冷凝套筒最高点和最低点之间温度差加以描述，其随运行时间变化如图7所示。

图7 竖直方向冷凝温度差随运行时间变化Fig.7 Variation of condensation temperature difference along vertical direction with operating time

由图7可知，在测试前期，装置一竖直方向冷凝温度差整体小于装置二，随着加热时间延长，装置一的竖直方向冷凝温度差与装置二竖直方向冷凝温度差差值逐渐减小，装置一竖直方向冷凝温度差平均值为1.7℃，装置二竖直方向冷凝温度差平均值为3.8℃。其原因是，装置竖直方向冷凝温度差变化主要受到腔内对应液膜产生水蒸气凝结区域的影响，由图5可知，装置一竖直方向蒸发温度差小，直接导致其竖直方向冷凝温度差小，表明蒸发面水蒸气可以在对应位置实现凝结，同时释放出凝结潜热，为装置有效冷凝面积的保障提供了可能。

装置在运行过程中，加热水箱内热量以热传导和热辐射的方式传递至加热水箱外表面苦咸水液膜，苦咸水液膜受热蒸发产生水蒸气，水蒸气密度小，在浮升力作用下，在对应斜上方温度较低的套筒内壁面凝结成淡水。本文采用性能系数GOR作为描述装置在运行过程中对输入热能的利用效率，其定义为装置最大产水速率所含潜热与输入能量的比值，计算式为

式中：m为产水速率，kg/h；
h为水汽化潜热，取2300 kJ/kg；
P为 输 入 功 率，W；
t为 运 行 时 间，s。

为了对比研究不同冷凝面倾斜角度对锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置热能利用效率的影响，将性能系数等相关参数列表，如表1所示。

表1 装置性能系数对比Table1 Comparation of GOR of the device

由表1可知，在输入功率为240W，装置一最大蒸发冷凝温差为3.8℃时，m为0.24kg/h，GOR为0.63，装置二产水速率比装置一减小约9.09%，GOR为0.58，表明装置一对输入热能利用效率比装置二大，散热损失更小。

本文设计了一种新型锥台式降膜蒸发太阳能苦咸水淡化装置，通过改变冷凝面与水平面的角度，减小了装置的特征尺寸，缩小了水蒸气热质传递距离，改善了冷凝面竖直方向温度的不均匀性。为了研究冷凝面倾斜角度对装置性能的影响，制作了冷凝面倾斜角度分别为70°和45°的装置一和装置二，并在实验室内对比测试了相同输入电功率条件下，两台装置的产水速率、竖直方向蒸发温度差、蒸发冷凝温差及性能系数变化规律，得到了以下结论。

①在相同输入功率条件下，装置一的产水速率比装置二大，装置一最大产水速率为0.24kg/h，比装置二增加8.33%。

②装置一平均竖直方向蒸发温差为0.9℃，装置二平均竖直方向蒸发温差为3.3℃，即装置一苦咸水液膜在降膜过程中与加热水箱换热更加充分，蒸发面温度更均匀。装置二的蒸发冷凝温差大于装置一的蒸发冷凝温差，装置一最大蒸发冷凝温差约为3.8℃。

③两测试装置在竖直冷凝面方向均产生温差，装置一竖直方向冷凝温差平均值为1.7℃，装置二竖直方向冷凝温差平均值为3.8℃，说明装置一的冷凝面积更接近于冷凝套筒内表面积。

④装置一性能系数为0.63，装置二性能系数为0.58，表明装置一对输入热能利用效率比装置二高，综合上述结论可得装置一产水性能和热能利用效率更优。