鼓泡蒸发式太阳能海水淡化装置的试验研究

目前人工海水淡化方法已经有数十种。工业上采用的主要有多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等[1]。这些方法都要以消耗大量的燃料或电力为代价。如何降低淡水制备的能耗或如何利用自然绿色能源是目前世界淡水制备发展的重要方向之一。太阳能海水淡化最直接的想法就是利用太阳能加热海水，或者利用太阳能发电为装置提供电力驱动。基于此思想设计而成的盘式太阳能蒸馏器因其结构简单，取材方便而被大量的研究和推广。进而产生出多种配以降膜蒸发和低温多效等技术的低温太阳能海水淡化的系统和方法。多级闪蒸及多效蒸发技术的运用，在提高海水淡化效率的同时，却投入了大量喷淋及装置内部抽真空的功耗[2-4]。实际上无论是喷淋形成降膜还是装置抽真空都是为了强化海水的传热传质效率。鼓泡传热传质作为一种低功耗的强化传热传质技术，将其运用于太阳能海水淡化领域可以在提高海水淡化效率的同时降低功耗。研究在充分认识鼓泡蒸发的强化传热传质优势基础上，分析和总结前人理论和试验研究成果，设计了一台具有鼓泡蒸发，强制对流等强化传热传质过程的太阳能海水淡化装置，并对之进行了鼓泡蒸发试验研究，给出了影响鼓泡蒸发量的各参数的试验关系。1试验部分1.1鼓泡蒸发式海水淡化基本原理鼓泡传热传质是利用气液相平衡原理，将气体通入液体中并使之形成气泡，气泡在液体中因浮力作用而上升过程中，在气液接触面形成边界层，由于气液两相存在温差和分压差，从而实现气液相之间传质传热。其作为一种强化传热传质技术在化工领域有着广泛的运用。由此衍生出了鼓泡流化床、鼓泡塔、鼓泡反应器、鼓泡流化床锅炉、鼓泡式吸收塔等设备。鼓泡蒸发式海水淡化的基本思想就是利用空气通入热海水中形成气泡，在气泡上升的过程中吸收海水的热量和蒸发出的水蒸气，收集水蒸气，冷凝以获得淡水。鼓泡蒸发与降膜蒸发相比，其用于形成气泡的气泵功耗远远小于形成降膜所需的喷淋功耗。将其应用于太阳能海水淡化系统，可以在保证较高产水率的同时降低能耗。因此，研究其鼓泡量、鼓泡温度与蒸发量之间的相互关系显得尤为重要。1.2试验装置及工作原理研究表明，对流换热和相变换热的过程具有较大的传热系数[4]。空气作为一种不凝结性气体，其载湿能力会随着温度的升高而显著提高。基于此，装置鼓泡蒸发式太阳能海水淡化装置的试验研究刘忠，曾胜，沈海平，金涛（浙江大学玉泉化工机械研究所，浙江杭州310027）摘要：基于鼓泡蒸发和露点蒸发机理，设计建造了一台综合利用太阳能的鼓泡蒸发式海水淡化装置，并对该装置进行了鼓泡蒸发试验。试验对装置的稳态蒸发性能进行了研究，给出了装置在特定的运行温度和压力，不同的鼓气量和引风量下的产水率、耗电当量及经济性能系数。结果表明，由于在装置中采用了鼓泡蒸发技术，并对蒸汽进行了引风的强制对流措施，从而提高了装置的产水率，使装置具备较高的经济性能系数。关键词：太阳能海水淡化；鼓泡蒸发；引风；露点蒸发中图分类号：P747+.14文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)08-0075-005收稿日期：2009-10-27基金项目：浙江省科技计划项目（2007C31G2010048）作者简介：刘忠（1985－），男，硕士研究生，研究方向为太阳能海水淡化；E-mail：shengzeng@zju.edu.cn第36卷第8期2010年8月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.36No.8Aug.,201075主要采用了鼓泡蒸发、强制对流的强化传热传质手段。试验研究表明此强化传热传质方法有效提高了蒸发效率。试验装置流程如图1所示。主要由1个带有保温箱的太阳能集热器；1个带有换热管及鼓泡装置的蒸发腔（其中鼓泡装置是由8个独立的多孔状鼓泡柱阵列布置而成）；风机；离心泵；气泵；淡水槽和海水槽组成。太阳能集热器，采用21根全玻璃真空太阳能集热管并联接入联箱结构。真空集热管单管长度1800mm，管径57mm，标称集热面积2.90m2。整个集热器（含联箱）蓄水容量为220L。集热管成南北向45°倾斜安装。由控制器控制热水泵及电磁阀以控制其进出水流量。联箱中安设温度计和液位计，监测水温和水位。加热后的循环水从位于鼓泡蒸发器上部的换热器入口进入下部流出。为了避免太阳能集热器结垢，装置采取了间接加热海水的方式。由太阳能集热器加热的闭式循环热水由装置入口进入换热管中，与管外冷海水换热，使海水升温。调节离心泵以控制热水流量，以控制装置运行温度。放热后的循环水回到太阳能集热器中再次加热。鼓泡蒸发器作为该装置最主要的部件，为一圆柱状结构。总高650mm，内径260mm，容量20L，由2mm厚的不锈钢板焊接构成。筒体外部用50mm厚的聚苯乙烯泡沫作保温层隔热。为保证试验的季节连续性，蒸发器下部有电辅助加热装置。装置各测点布置有热电偶，监测海水及蒸汽温度。当鼓泡蒸发器中的海水被加热到某一设定