1、目 錄引言.21裝置結(jié)構(gòu)、工作原理與基本參數(shù).32實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論.42. 1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.52. 2風(fēng)速,水初溫和環(huán)境溫度對(duì)裝置產(chǎn)水量的影響.72. 2. 1風(fēng)速對(duì)產(chǎn)水量的影響.82. 2. 2水初溫對(duì)產(chǎn)水量的影響.82. 2. 3環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)水量的影響.82. 3裝置的性能分析.82. 3. 1單位太陽(yáng)輻射能產(chǎn)水量比較.82. 3. 2 裝置的性能系數(shù).93裝置的市場(chǎng)前景分析.9參考文獻(xiàn).10太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)與利用肖傳連1（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,?？?570228）摘要：太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)是應(yīng)用集熱才支術(shù)或?qū)⑻?yáng)能變成電能,供海水淡化所需的全部或部分能量的制取淡水的方法。本文設(shè)計(jì)了一種具有

2、折皺底面的多級(jí)迭盤式家用太陽(yáng)能海水淡化裝置。該裝置由熱管式真空集熱管和多級(jí)海水淡化器兩部分組成。在實(shí)際天氣條件下,對(duì)該裝置性能進(jìn)行了測(cè)試,給出了該裝置每0. 5 h的產(chǎn)水量、累計(jì)產(chǎn)水量以及各級(jí)水盤的水溫隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在測(cè)試當(dāng)天累計(jì)太陽(yáng)輻射量22. 46MJ/(m2·d)條件下,該裝置產(chǎn)水量可達(dá)9. 34 kg/(m2·d),單位太陽(yáng)輻射能產(chǎn)水量為1. 50 kg/kWh;該裝置的性能系數(shù)達(dá)到0. 956,是傳統(tǒng)單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器性能系數(shù)的2. 7倍。關(guān)鍵詞:海水淡化;太陽(yáng)能;蒸餾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： 隨著現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展、人口的急劇膨脹以及人們物質(zhì)文化生活水平的極大提高,用水量與日俱增,但是供水量卻有減無(wú)增,而且水體污染日趨嚴(yán)重。因此,全國(guó)性乃至全球范圍的供水矛盾日呼聲一浪高過(guò)一浪,正席卷全球。我國(guó)人均占有水量只居世界的第108

7、位,相當(dāng)于世界人均水平的1/4;缺水城市占全國(guó)城市的2/3,被列為世界上13個(gè)貧水國(guó)之一1”。這將嚴(yán)重影響我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。面對(duì)嚴(yán)峻形勢(shì),多種措施建議如遠(yuǎn)程調(diào)水、廢水利用、制定政策節(jié)約用水、溶化冰川等,均相應(yīng)而出。但目前這些措施能耗大,見(jiàn)效慢,破壞生態(tài)環(huán)境,常引發(fā)爭(zhēng)議。對(duì)于高山、沙漠、丘陵占據(jù)大片土地、水量嚴(yán)重不足的中國(guó),利用現(xiàn)代技術(shù)大規(guī)模地開(kāi)辟新水源具有全局意義,而海水淡化是21世紀(jì)解決水源緊缺的根本措施。 太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)是應(yīng)用集熱技術(shù)或?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)變成電能,供給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,如蒸餾法、離子交換法、滲析法、反滲透膜法以及冷凍法等

8、,然而,這些常規(guī)的方法都是以消耗大量的燃料或電力為前提的,且耗能驚人2。從另一個(gè)角度而言,即使人們支付得起這筆燃料的費(fèi)用,地球的溫室效應(yīng)、空氣污染等也警示人們必須謹(jǐn)慎從事,因此,尋求用豐富而清潔的太陽(yáng)能來(lái)進(jìn)行海水淡化,必將受到青睞。 此外,從經(jīng)濟(jì)上考慮, 利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化亦越來(lái)越具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在美國(guó)利用太陽(yáng)能抽取淡水,價(jià)格僅為每千克 1.1 美分,為一般純凈水價(jià)格的 1/4 左右；據(jù)測(cè)算,在我國(guó)利用太陽(yáng)能制取淡水,價(jià)格也僅為每千克 0.1元左右,適合我國(guó)目前的消費(fèi)水平3。 因此,在世界能源較為緊張的情況下, 利用太陽(yáng)能從海水中抽取淡水,乃是解決淡水資源缺乏的重要途徑之一。 本文設(shè)計(jì)了一

9、種具有多級(jí)迭盤結(jié)構(gòu)的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器,并采用折皺底面來(lái)強(qiáng)化水蒸氣的凝結(jié)過(guò)程。本文將介紹裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理,實(shí)際天氣條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,裝置的性能分析和裝置的市場(chǎng)前景分析。1裝置結(jié)構(gòu)、工作原理與基本參數(shù)本新型太陽(yáng)能海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置運(yùn)行原理如下:首先,太陽(yáng)能集熱器2收集太陽(yáng)光3加熱裝置底盤的海水,產(chǎn)生的蒸汽上升,在最下一級(jí)折皺水盤8的背部凝結(jié)產(chǎn)生淡水,釋放的潛熱同時(shí)加熱該盤中的海水,水盤中海水受熱蒸發(fā)再次產(chǎn)生蒸汽,并在上一級(jí)折皺水盤8的背部凝結(jié)形成淡水,釋放的潛熱又加熱該水盤中海水,產(chǎn)生的蒸汽最后在傾斜的玻璃蓋板6上凝結(jié)。玻璃蓋板左邊下方和折皺水盤背部每條棱的下方都設(shè)有

10、淡水收集槽5用于收集淡水,各級(jí)水盤產(chǎn)生的淡水匯集經(jīng)淡水閥10輸送到淡水箱11中。新的海水經(jīng)進(jìn)水閥7輸入,并通過(guò)連通管9,輸送到各級(jí)水盤和裝置底盤,裝置底盤的濃鹽水經(jīng)排污閥13輸出。為了盡量減少不必要的熱量耗散,裝置的側(cè)面及底部都用保溫層4保溫。 圖1裝置結(jié)構(gòu)示意圖1-支架;2-太陽(yáng)能集熱器;3-太陽(yáng)光; 4-保溫層; 5-淡水收集槽;6-玻璃蓋板; 7-進(jìn)水閥; 8-折皺水盤; 9-連通管;10-淡水閥;11-淡水箱;12-溢流閥;13-排污閥此新型太陽(yáng)能海水淡化裝置具有以下特點(diǎn):(1) 能夠重復(fù)利用水蒸氣凝結(jié)所釋放的潛熱,提高了能量的利用率; (2)采用折皺水盤,增加了水蒸氣的冷凝面積,且冷

11、凝面為斜面,更易使水蒸氣凝結(jié)到淡水槽中,強(qiáng)化了冷凝過(guò)程。(3)水盤熱容量較小,意味著吸收相同的熱量,水盤的水溫可以升得更高,從而間接提高運(yùn)行溫度實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示,裝置采用熱管式真空管收集太陽(yáng)能,數(shù)量為16支,采光面積為2. 8m2;頂部的玻璃蓋板也可以接收太陽(yáng)光,面積為1. 2 m2,所以總采光面積為4. 0 m2。水盤的折角為90°,裝置共有三級(jí)蒸餾腔,各級(jí)蒸餾腔中,自水面至上級(jí)水盤背部的平均空腔高度為6 cm。底盤水深12 cm,存水量約為142. 6 kg,其他各盤存水量約為36. 2 kg。(2) 圖 6 太陽(yáng)能海水淡化裝置實(shí)物圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2. 1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析將裝

12、置的底盤水溫定為裝置的運(yùn)行溫度,單位時(shí)間的產(chǎn)水量稱為裝置的產(chǎn)水速率。測(cè)試當(dāng)天的太陽(yáng)輻照度和累計(jì)輻射值如圖3所示,當(dāng)天的累計(jì)輻射能量為22. 46MJ/(m2·d),約為6. 24 kWh/(m2·d)。 圖3測(cè)試太陽(yáng)輻射值和累計(jì)輻射量實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行溫度、最上級(jí)水盤的水溫和環(huán)境溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖4所示,可以看出,運(yùn)行溫度和最上級(jí)水盤的水溫隨著一天中太陽(yáng)能輻射值的變化先升后降,運(yùn)行溫度在下午1630左右達(dá)到最高溫度87。從圖3可知,太陽(yáng)能輻射值在1200-1400之間相對(duì)較高,而底盤水溫并沒(méi)有在這個(gè)時(shí)間段達(dá)到最高值,而是延后了約2. 5 h,說(shuō)明裝置運(yùn)行溫度相對(duì)太陽(yáng)輻射值

13、大小有滯后性,滯后時(shí)間的長(zhǎng)短與各級(jí)水盤的容水量有關(guān),各級(jí)水盤的存水量越少,則滯后時(shí)間越短,但在盡量減少滯后時(shí)間的同時(shí)還要保證各級(jí)水盤不被蒸干。并且各級(jí)水盤的容水量又會(huì)直接影響各級(jí)蒸餾腔中蒸發(fā)和冷凝面的溫差,進(jìn)而影響裝置的產(chǎn)水速率。所以各級(jí)水盤的容水量應(yīng)存在一個(gè)合適的值使裝置性能達(dá)到最佳,這有待進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)裝置每0. 5 h的產(chǎn)水量如圖5所示,結(jié)合圖4可以看出,產(chǎn)水速率隨著裝置運(yùn)行溫度的變化而變化,變化趨勢(shì)基本一致。說(shuō)明裝置的運(yùn)行溫度對(duì)產(chǎn)水速率有相當(dāng)大的影響,運(yùn)行溫度越高,產(chǎn)水速率越大。 圖4水溫及環(huán)境溫度的變化 圖5每隔0. 5h的產(chǎn)水量變化 從圖5還可以看出,產(chǎn)水速率從下午1300開(kāi)始有

14、較明顯的增加,這時(shí)對(duì)應(yīng)的底盤水溫約為70,在運(yùn)行溫度大于70時(shí),該裝置產(chǎn)水率>2 kg/h,最高可達(dá)3. 5 kg/h,可見(jiàn),此裝置在較高溫度條件下運(yùn)行,有較高的產(chǎn)水速率。這與文獻(xiàn)6的研究結(jié)果相符。白天累計(jì)產(chǎn)水量變化如圖6所示,從早上0930開(kāi)始到下午1900,白天累計(jì)產(chǎn)水23. 10 kg。結(jié)合圖4可知到1900時(shí)底盤水溫為78,到第二天早上0930,底盤水溫也還能維持在50左右,所以夜間即使沒(méi)有熱量輸入,也會(huì)產(chǎn)生蒸汽并冷凝產(chǎn)生淡水。從1900到第二天早上0930,夜間累計(jì)產(chǎn)水14. 25 kg,該裝置一天共累計(jì)產(chǎn)水37. 35 kg。系統(tǒng)的夜間產(chǎn)水量是十分可觀的。原因是為了減少裝置熱

15、量的散失,裝置外部進(jìn)行了很好的保溫。另外,夜間環(huán)境溫度會(huì)降低,玻璃蓋板溫度也隨之降低,即冷凝面的溫度降低,這將有利于最上級(jí)水蒸氣的凝結(jié),同時(shí)也促進(jìn)了該級(jí)水盤中水的蒸發(fā)。蒸發(fā)帶走熱量,又有利于下級(jí)水盤的水蒸氣的冷凝,從而促進(jìn)了裝置各級(jí)水蒸氣的凝結(jié)。 圖6白天累計(jì)產(chǎn)水量變化2. 2風(fēng)速,水初溫和環(huán)境溫度對(duì)裝置產(chǎn)水量的影響 由于外界環(huán)境因素對(duì)單級(jí)盤式蒸餾器和對(duì)多級(jí)盤式蒸餾器產(chǎn)水量的影響趨勢(shì)基本上是一致的,前人的研究也基本上都是外界環(huán)境因素對(duì)單級(jí)盤式蒸餾器的影響,其分析結(jié)果也同樣適用于多級(jí)盤式蒸餾器。2. 2. 1風(fēng)速對(duì)產(chǎn)水量的影響 Cooper(1969)4研究指出,在微風(fēng)條件下(風(fēng)速<2m/

16、s),風(fēng)速的增加有利于產(chǎn)水量的增加,而強(qiáng) 風(fēng)則使產(chǎn)水量增加不明顯。原因可能是,在有風(fēng)的條件下,對(duì)蓋板的散熱有利,相對(duì)地提高了蓋板與蒸發(fā)面的溫差,增強(qiáng)了蒸餾器內(nèi)部對(duì)流換熱,從而使產(chǎn)水量增加。但當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí),蓋板散熱過(guò)快,從而使整個(gè)裝置的熱能散失過(guò)快,不利于盤中水溫的提高,影響了水蒸氣的產(chǎn)生量,而影響了產(chǎn)水量。2. 2. 2水初溫對(duì)產(chǎn)水量的影響 Yadav (1991)5等人研究指出,裝置產(chǎn)水量隨著水初溫的增加而增加。原因是水需要加熱到一定溫度才會(huì)有較大的蒸汽量產(chǎn)生,從上文對(duì)圖5和圖6的對(duì)比分析結(jié)果也可以看出,當(dāng)運(yùn)行溫度達(dá)到70時(shí),產(chǎn)水量才有明顯的提高,也就是說(shuō)這時(shí)水蒸氣量才有明顯的增加。而這個(gè)加

17、熱過(guò)程是需要能量的,假設(shè)輸入的能量是一定的,如果水的初始溫度高,這個(gè)過(guò)程需要的能量就少,就有更多的能量來(lái)產(chǎn)生蒸汽,從而增加產(chǎn)水量。2. 2. 3環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)水量的影響 Morse和Read4研究指出,裝置產(chǎn)水量隨著環(huán)境溫度的降低而降低。原因可能是環(huán)境溫度降低,蓋板的散熱增加,增大了蓋板和蒸發(fā)面的溫差,使得蒸餾器內(nèi)部的對(duì)流有所增強(qiáng),有利于提高產(chǎn)水率,但同時(shí)也使得整個(gè)裝置的熱能散失過(guò)快,不利于盤中水溫的升高,總的作用結(jié)果還是使得裝置的產(chǎn)水量降低了。2. 3裝置的性能分析2. 3. 1單位太陽(yáng)輻射能產(chǎn)水量比較 裝置總采光面積為4. 0 m2,測(cè)試當(dāng)天的累計(jì)產(chǎn)水量為37. 35 kg,則單位采光面積的

18、產(chǎn)水量為9. 34 kg/(m2·d)。測(cè)得該天的累計(jì)太陽(yáng)輻射能為6.24 kWh/(m2·d),則該裝置單位太陽(yáng)輻射能產(chǎn)水量為1. 50 kg/kWh。文獻(xiàn)7中給出了關(guān)于單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器的一個(gè)實(shí)驗(yàn)擬合公式P=0.8258+0·10453HR-0.00002HR2,其中P為單位采光面積的日產(chǎn)水量,單位kg/(m2·d);HR為累計(jì)太陽(yáng)輻射能量,單位MJ/(m2·d)。這個(gè)公式是根據(jù)一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的,適用的范圍是日累計(jì)太陽(yáng)輻射能在9. 53226. 391MJ/(m2·d)之間。本文中的累計(jì)太陽(yáng)輻射能為22. 46 MJ/

19、(m2·d),帶入公式計(jì)算得出單位采光面積的產(chǎn)水量為3·16 kg/(m2·d),則此文獻(xiàn)中單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器的單位能耗產(chǎn)水量為0. 51kg/kWh。通過(guò)比較可知,相對(duì)單級(jí)盤式蒸餾器,本文中裝置單位太陽(yáng)輻射能的產(chǎn)水量有了明顯提高。2. 3. 2裝置的性能系數(shù)性能系數(shù)PR(Performance ratio)是表征系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),性能系數(shù)大,表明系統(tǒng)性能優(yōu)越。根據(jù)輸入輸出關(guān)系,本裝置的性能系數(shù)可以由下式計(jì)算式中m裝置在一天內(nèi)累計(jì)淡水的產(chǎn)量, kg;hfg水的汽化潛熱,取2 300 kJ/kg;Qc集熱器接受的太陽(yáng)輻射總能量,MJ/(m2·d)。測(cè)試

20、當(dāng)天的累計(jì)太陽(yáng)輻射能為22. 46MJ/(m2·d),采光面積為4. 0 m2,則集熱器接受的太陽(yáng)輻射總能量Qc=22. 46×4=89. 84 MJ/(m2·d);測(cè)試當(dāng)天的累計(jì)產(chǎn)水量為37. 35 kg。本裝置的性能系數(shù)一般傳統(tǒng)單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器的性能系數(shù)為0. 35左右,本裝置的性能系數(shù)是單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器的2. 7倍,而本裝置是一個(gè)3級(jí)盤式的太陽(yáng)能蒸餾器,說(shuō)明水蒸氣的凝結(jié)潛熱得到了充分的回收利用,從而使得裝置單位能耗的產(chǎn)水量也得到了明顯的提高。3裝置的市場(chǎng)前景分析 隨著海水淡化技術(shù)的日趨成熟和完善、成本的降低,海水淡化將逐步被國(guó)人所接受,海水淡化必然成

21、為沿海城市和地區(qū)解決淡水資源短缺的有效方案。能源利用是海水淡化能否發(fā)展的關(guān)鍵,利用太陽(yáng)能等清潔能源是海水淡化的方向。太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)具有無(wú)污染、低能耗、運(yùn)行安全、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì),具有廣闊的發(fā)展前景9。將太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)和常規(guī)的現(xiàn)代海水淡化技術(shù)緊密結(jié)合,借鑒其先進(jìn)制造工藝和強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)方面的成果,與太陽(yáng)能本身的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),可取得較理想的效果。 此新型家用太陽(yáng)能海水淡化裝置具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)費(fèi)用低、產(chǎn)水率大等優(yōu)點(diǎn),既可用于海水淡化又可用于苦咸水淡化,是一種解決分散式淡水短缺的較理想裝置。并且我國(guó)缺乏淡水的地區(qū),往往都具有很豐富的太陽(yáng)能資源,用太陽(yáng)能生產(chǎn)淡水既節(jié)能環(huán)保,又符合利用自然資源的優(yōu)勢(shì)。另外,國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)的扶持政策,以促進(jìn)清潔能源的利用,隨著工程技術(shù)的進(jìn)步,新材料、新工藝的采用,裝置的成本將會(huì)有很大程度的降低。10綜合以上分析,在缺