降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究

1、降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究第28卷第11期2OO7年11月太陽能ACTAENERGIAESOLARISSINICAV01.28.No.11Nov.,2OO7降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究李正良2,鄭宏飛,陳子乾.,何開巖.(1.北京理工大學機械與車輛工程學院,北京100081;2.廣西師范學院物理系,南寧530001;3.廣西大學物理科學與技術學院,南寧530004)摘要:基于降膜蒸發(fā)與降膜凝結機理,設計建造了一臺具有四效回熱性能的吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng),用電加熱水箱模擬太陽能集熱系統(tǒng),對該系統(tǒng)進行了模擬實驗.實驗中,對系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進行了測

2、試,給出了系統(tǒng)在不同運行溫度,壓力下的產水速率和性能系數(shù).實驗結果表明,由于在本系統(tǒng)中采用了橫管,豎管降膜蒸發(fā)及降膜凝結技術,使其中大部分的蒸汽潛熱及部分鹽水的顯熱得到了多次重復利用,并由于吸收工質對最末效蒸汽進行了主動吸收,回收了蒸汽的焓,從而強化了最后一效的蒸發(fā)過程,因而系統(tǒng)具有較高的性能系數(shù).在供熱水溫度為80,系統(tǒng)內部壓力為15kPa時,四效裝置的性能系數(shù)可達到3.0左右,體現(xiàn)出吸收式系統(tǒng)的良好優(yōu)勢.對影響產水率的其他因素也作了探索與分析,給出了合理的取值范圍.關鍵詞:太陽能海水淡化;降膜蒸發(fā);吸收式中圖分類號:TB611文獻標識碼:AO引言研究發(fā)現(xiàn),許多金屬鹽溶液如LiBr,LiC1

3、,LiI和KNO3等,對水蒸汽有強烈的吸收特性,或者說與此類物質的水溶液對應的飽和水蒸汽分壓很低(比如,當LiBr-H2O溶液溫度為25,濃度(質量分數(shù))為50%時,其表面的水蒸汽分壓只有約0.8kPa,而水在25時的飽和蒸汽壓為3.16kPa),也就是說,水表面上蒸汽仍然能被LiBr溶液吸收.然而,盡管吸收式工質對水蒸汽有強烈的吸收特性,但當其溫度升高到一定程度時(此過程需要的能量主要為熱能),它們又能充分地釋放出水分,且釋放出的水分非常純潔.比如對LiBr溶液來說,在常壓下水的沸點是100oC,而LiBr的沸點是1265C,因此溶液沸騰時產生的蒸汽幾乎都是水,很少帶有LiBr的成分,這樣就

4、勿須進行再蒸餾就可得到純凈的淡水_2.吸收式海水淡化裝置就是根據這一原理設計的.由于LiBr稀溶液在被濃縮過程主要需要的熱能可用太陽能集熱驅動,從而可建立高效的吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng).這類裝置最顯著的優(yōu)點是避免蒸汽尾氣的排放,節(jié)約能量,強化系統(tǒng)的蒸發(fā)與凝結過程,因而具有較高的性能系數(shù)r/(PerformanceRatio)'33.Weimberg等在上世紀8O年代就已對LiBr吸收式熱泵與多效蒸發(fā)及真空冷凍等海水淡化過程的結合進行了計算與評估.結果指出,吸收式系統(tǒng)與低溫多效式海水淡化裝置相結合,可以將此類海水淡化裝置性能系數(shù)提高18%20%43.盡管人們對吸收式海水淡化系統(tǒng)進行了許多

5、研究,但至今仍未見有完全商業(yè)化或工業(yè)化裝置運行的報道_3J,因此對此類裝置展開進一步研究很有意義.本研究在分析和總結前人理論和試驗研究成果的基礎上,設計了一臺具有多級降膜蒸發(fā),多級降膜凝結等強化傳熱傳質過程的吸收式太陽能海水淡化裝置,并用模擬熱源對之進行了試驗研究J.1實驗裝置研究表明,降膜蒸發(fā)與降膜凝結過程具有較大的傳熱系數(shù),相同熱負荷條件下所需的傳熱面可大為節(jié)省,因而近年來在海水淡化領域得到了廣泛的收穰日期:2006-0913基金項目:國家自然科學基金項目(505760o4);廣西科學基金項目(桂科基0639034)作者簡介:鄭宏飛(1962一).男,教授.主要從事太陽能熱利用的研究.ho

6、 11期李正良等:降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究應用E6-.本裝置基于前人的研究,主要采用了如下強化傳熱傳質過程:水平管(橫管)外降膜蒸發(fā),水平管內降膜凝結,豎管內螺紋鋼絲強化降膜蒸發(fā)和降膜吸收等,這些皆為近年來發(fā)展起來的淡化海水新技術,具有緊湊式小型化的優(yōu)勢.本裝置的主要結構(四效)及運行原理如圖1所示.圖1裝置的結構及運行原理,下葸圖Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsystem裝置主要由吸收器,發(fā)生器,蒸發(fā)器,換熱器及2)蒸發(fā)器共有4個,可聯(lián)合組裝也可單獨連接,儲(濃鹽水和談)水箱5大部分構成.它們

7、的內部結因此系統(tǒng)可以從單效,二效,三效變化到四效.蒸發(fā)構和相關尺寸分別介紹如下:器的外高0.8m,長和寬均為0.5m,其內橫穿有56根1)發(fā)生器與吸收器,兩者結構類似只是吸收器長為0.45m,內外表面直徑分別為28ram和32ram的比發(fā)生器多了一個輸入蒸汽的管口(見圖1),兩者金屬管,每層管按品字形錯開排列,可使任何一滴下尺寸大小完全一致.吸收器與發(fā)生器均為管殼式豎落的鹽水都會碰到蒸發(fā)管外壁,形成降膜蒸發(fā).橫管換熱器結構,其內徑為400mill,高1200mm,所使用的內外表面換熱面積分別為2.22m2和2.53Il12.的豎管內外表面直徑分別為28ram和32ram,長各發(fā)生器上部均設有長

8、方形噴淋盤,其底面尺750mm.使用豎管總數(shù)為43根.管壁的內外表面寸為0.46m×0.46m,高為0.03m,噴淋盤的噴孔直換熱面積分別為2.84m2和3.24m2.為了強化傳熱徑為2ram,孔距為2ram×2ram,噴孔離降膜蒸發(fā)管距并使降膜溶液更充分地潤濕管壁,設計加工時,在每離為0.2m.根管內插入了由長2m,直徑2.5mm鐵絲制成的螺3)換熱器是由多根換熱管組成的套管換熱器,線管,該鐵絲螺線管在擴張力的作用下,緊貼在管壁內管流動熱溶液,總換熱面積為0.138m2.上,起順流作用,使管內壁的降膜溶液潤濕更均勻.4)本裝置所有溶液管路內徑均為15ram鋁塑同時,為了使

9、每根管都能有溶液流下,特在管的上端管,水(包括鹽水和淡水)管路均用內徑為20ram鋁口置有虹吸棉紗,只要換熱器上端頭有溶液,每根管塑管,蒸汽流動管路內徑均為60ram,在其他部件的就都有溶液流下.管路也與此相同.舟的霧與吸收芝部均萼盤'噴2運行原理360盤的直徑為ram,高為30ram,噴孔直徑為2ram,孔一¨,一距為2ram×2ram,噴孔離降膜蒸發(fā)管距離為250mm.裝置的運行原理可分步解釋如下:太陽能28卷1)冷海水經吸收器上側入水口進入吸收器中,經繞豎管外壁與外殼組成的空腔流動后,從下出口流出,經流量計后分別進入四效蒸發(fā)器中,作為待蒸發(fā)淡化的海水,剩余部分

10、則排出裝置.2)進入蒸發(fā)器的海水,經循環(huán)泵強迫循環(huán)至噴淋盤中,最后噴淋至蒸發(fā)器內的橫管外壁上,進行降膜蒸發(fā).未蒸發(fā)的濃鹽水通過水位高差自動流至濃鹽水儲存箱中,最后由泵排出裝置.3)吸收器中的LiBH2O溶液吸收來自第四效蒸發(fā)器的蒸汽,濃度變稀,稀溶液經換熱器后,溫度得以提高,最后進入發(fā)生器中進行噴淋降膜加熱蒸發(fā).發(fā)生器的熱量由太陽能模擬器提供.為了提高吸收器的吸收效率,在吸收器中也進行強迫噴淋降膜吸收過程.4)發(fā)生器所產生的蒸汽經管道輸送到第一效的蒸發(fā)器橫管內,同時釋放其潛熱交給橫管外壁正在降膜蒸發(fā)的鹽水,使鹽水的溫度上升,從而驅動橫管外的鹽水蒸發(fā).而管內蒸汽則凝結形成淡水經流量計后進入淡水儲

11、存箱,最后經泵輸出裝置.經發(fā)生器加熱蒸發(fā)后,LiBH2O溶液由稀變濃,恢復濃溶液的吸收性能,經換熱器后,再返回到吸收器中重復吸收水蒸汽,使系統(tǒng)循環(huán)往復的工作.5)在第一效蒸發(fā)器橫管外降膜蒸發(fā)產生的次級蒸汽又經蒸汽連通管進入下一級蒸發(fā)器中的橫管內,又釋放其潛熱交給橫管外壁正在降膜蒸發(fā)的鹽水并使鹽水溫度上升,再次驅動鹽水蒸發(fā),而管內蒸汽則又凝結形成淡水經流量計后也進入淡水儲存箱.如此一級一級地往下傳遞熱量和產生淡水,并逐級回收蒸汽釋放的潛熱,使供入系統(tǒng)的熱量得到多次重復利用.各級產生的淡水最后匯合至淡水儲存罐中,形成整個裝置的淡水產量.6)在吸收器與發(fā)生器之間的熱交換器主要用于預熱進入發(fā)生器的稀溶

12、液,同時冷卻進入吸收器的濃溶液,回收部分熱量,起到回熱作用.7)由最后一效蒸發(fā)器產生的蒸汽進人吸收器中,釋放其潛熱交給吸收器內部流動的冷卻水,使冷卻水升溫,從而使進人蒸發(fā)器的海水溫度提高,回收部分熱量.系統(tǒng)所需真空度由真空泵維持.裝置的外殼用30mm厚的石棉布和特種保溫板保溫.3方法與測量儀器在如圖1所示的每個測量點上,都布置有通過標定的測溫熱電偶.熱電偶提供的電信號由計算機讀取,最后確定各測點的溫度.各級蒸餾水產量由各級的流量計讀取.加熱水流率,冷卻水流率和供海水流率均用水表測量,相對誤差是5%.裝置內壓力用真空表讀取,相對誤差是5%.實驗中消耗的電量均認為是相關電器的標稱功率.,4結果與分

13、析實驗在室內進行,環(huán)境溫度在2025內,環(huán)境相對濕度為40%一85%,實驗用海水用自來水加鹽配制.在穩(wěn)態(tài)條件下,實驗對溫度,產水量及影響系統(tǒng)性能的相關參數(shù)均作了測量.實驗中,主要的運行參數(shù)分別給出如下:加熱水流率為820±50k#h,冷卻水流率為6O0±30kh,進入裝置的海水流率可調,為4080kg/h.各級循環(huán)泵的循環(huán)流率設定為240280kg/h,運行壓力平均值為10kPa,冷卻水進口溫度為18±0.5C.運行溫度(進入裝置的加熱水溫度)分別在圖中給出.4.1瞬態(tài)性能分析在較短時間達到穩(wěn)定狀態(tài)對提高太陽能海水淡化裝置的淡化效率十分重要.為測試裝置的瞬態(tài)產水性

14、能,在加熱水溫達到某一特定值時,啟動裝置,并10min記錄一次產水量,相應的溫度值由計算機自動讀取.4.1.1瞬態(tài)產水性能當模擬太陽能熱水溫度達到75時,將熱水輸入裝置并開始計時,1.5h內裝置每10min內的總產水量及各級產水量隨時間的變化過程如圖2和圖3所示.圖2表明,每10min內的總產水量在裝置運行40min左右即達到穩(wěn)定值,之后基本保持不變,雖然此時3,4級蒸發(fā)器的產水速率仍未達到最大值.圖3說明,第1,2級蒸發(fā)器的產水速率在運行40rain左右達到最大值,之后有一定下降后保持平穩(wěn).第3,4級蒸發(fā)器的產水速率一直到60min后才基本達到穩(wěn)定值.第1,2級蒸發(fā)器的產水速率達到最大值后有

15、一定下降的原因可能是剛開始運行時,后面的蒸發(fā)器處于冷的狀態(tài),有利于前一級蒸發(fā),所以產率迅速增加.但運行一段時間后,后級蒸發(fā)器溫度上升,傳熱熱阻增加,不利于前級蒸發(fā)器橫管外海水的蒸發(fā),因此管內的蒸氣凝結受到影響,減少了淡水的產率.11期李正良等:降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究圖2每10rain總產水量隨時問的變化Fig.2Variationsoftheyiddper10rainwithtransientstateoperatingtime圖3每10rain各級產水量隨時問的變化Fig.3Variationsoftheyiddper10raininvariationsagewi

16、thtransientstateoperatingtime4.1.2瞬態(tài)溫變性能當模擬太陽能熱水溫度達到75時,將熱水輸人裝置并開始計時,裝置各典型測點溫度隨時問的變化,如圖4所示.其中,為發(fā)生器中蒸汽溫度;,和分別為各級蒸發(fā)器中蒸汽的溫度.圖4表明,系統(tǒng)在運行6080rain后即基本穩(wěn)定.4.2穩(wěn)態(tài)性能分析裝置的瞬態(tài)性能是衡量裝置運行穩(wěn)定性,可靠性的重要指標.在穩(wěn)態(tài)條件下,產水量越大表明系統(tǒng)性能越優(yōu)越,因此對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進行測試很有意義.4.2.1穩(wěn)態(tài)產水性能在給定裝置壓力約為10kPa,加熱水流率為8204-50kg/h時,加熱水溫度對產水總量的影響如圖5所示,蒸發(fā)器各級的產水量如圖6所

17、示.從圖5和圖6均可看出,運行溫度提高時,裝置的產水總量和每級蒸發(fā)器的產水量都增加,且隨溫度的增加基本呈線性關系.圖4各測點溫度隨時問的變化Fig.4Variationsofthetemperatureofmeasuringpointwithtransientstateoperatingtime,窶*L珀圖5運行溫度對產水總量的影響Fig.5Operationtemperatureinfluencingonthefreshwateryidd圖6運行溫度對產水總量的影響Fig.6Operationtemperatureinfluencingonthefreshwateryieldofvariat

18、ionstage4.2.2穩(wěn)態(tài)溫度分布在上述給定條件下穩(wěn)定運行時,裝置中各典型測溫點的溫度分布如圖7所示.圖7顯示,發(fā)生器中蒸汽溫度最高,第四級蒸發(fā)器中蒸汽溫度最低,但都隨加熱水溫度的提高而升高.與的差別最642O8642O21lllOOOOOOg蛔繁口E0_【.太陽能28卷大,其次是與差異.與.產生較大差別的原因可能是由發(fā)生器至第一級蒸發(fā)器的蒸氣管道較小引起的,應適當加大該蒸汽管道的直徑.與的較大差異可能是由于吸收器主動吸收第四級蒸發(fā)器中的蒸汽引起的,說明吸收式海水淡化裝置能使最后一級蒸發(fā)器在更低溫度下運行,并回收末級蒸汽的潛熱有利于提高裝置的熱利用率.事實上,由于最后一級裝置在更低的溫度下

19、運行,也有利于強化前面各級蒸發(fā)器的蒸發(fā)與冷凝過程,從而提高整個裝置的熱質傳遞效率.圖8給出了裝置在穩(wěn)定運行時,裝置加熱水的進出口溫差隨運行溫度的變化.圖7加熱水溫度對各蒸發(fā)器中蒸汽溫度的影響Fig.7ThetemperatureofthevaporinthedifferentstageVShotwatertemperature5.65?45.2剁5.0望4.8丑4.64.4蕞4.24.03.8圖8加熱水進出口溫度隨運行溫度的變化Fig.8TheinputandoutputtemperaturedifferenceofthehotwaterVStheoperationtemperature4.2

20、.3穩(wěn)態(tài)性能系數(shù)裝置的性能系數(shù)是表征系統(tǒng)性能好壞的重要指標,性能系數(shù)越大系統(tǒng)性能越優(yōu)越.根據輸入輸出能量關系,本裝置的穩(wěn)態(tài)性能系數(shù)由下式給出:叩=警:(1)式中,m系統(tǒng)產水總量;hfs水的氣化潛熱,近似取h=2320kJ/kg;E輸入系統(tǒng)的總能量;p輸入的總熱能;尸水泵功率;運行時間.實驗結果發(fā)現(xiàn),裝置總體性能系數(shù)較高,在8090附近運行時,一般可達3.0左右,這為系統(tǒng)具有較高的產水率提供了保障.圖9給出了裝置的性能系數(shù)隨運行溫度(加熱水溫度)的變化.結果表明,當其它條件相同時,運行溫度越高性能系數(shù)越大,這表明系統(tǒng)在高溫段運行時具有更大優(yōu)勢.P垛避圖9裝置的運行溫度對性能系數(shù)的影響Fig.9T

21、heoperatingtemperatureoftheunitinfluencingontheperformanceratio實驗結果也表明,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性能系數(shù)的因素較多,特別是運行壓力,供海水流率等.壓力降低有利于蒸發(fā)過程,因而有利于提高系統(tǒng)性能系數(shù).濃鹽水排除時要帶走一部分顯熱,當供海水流率降低時,系統(tǒng)的性能系數(shù)普遍升高,但供海水流率要受到濃鹽水結晶的控制,流率不能太低,一般應在淡水產率的1.52.0倍.5結論1)設計了一套具有四效回熱的低溫多效吸收式太陽能海水淡化裝置,用電加熱器對該裝置進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗.裝置運行穩(wěn)定,具有較高產水效率,8090供熱時,穩(wěn)態(tài)產水量達到30kg/h以上

22、;2)裝置采用了激淋式橫管降膜蒸發(fā),多效閃蒸與多效回熱,強化冷凝,強化對流等多項先進的強化傳熱傳質措施,有效地減少了裝置中海水的熱容量,使裝置升溫更迅速,運行10min即有淡水產出,40min后即基本達到產水量的飽和值;3)由于吸收器能夠主動吸收第四級蒸發(fā)器中的蒸氣,從而使最后一級蒸發(fā)器橫管外面的蒸發(fā)過程l】期李正良等:降膜蒸發(fā)多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統(tǒng)的實驗研究得到強化,同時也強化了橫管內的凝結過程.作為它的延伸效應,也有利于強化前面各級蒸發(fā)器的蒸發(fā)與冷凝過程,從而提高整個裝置的熱質傳遞效率.裝置的性能系數(shù)一般可達3.0左右,優(yōu)化設計后有望達到3.3;4)裝置在高溫和相對較高真空度下工

23、作有更多優(yōu)勢,但能在7090C供熱水溫度,820kPa的運行壓力內正常工作,而且加熱水流率及冷卻水流率對系統(tǒng)的產水率影響并不明顯,能分別在0.62.5rn3/h和0.51.5rn3/h范圍內正常工作;5)循環(huán)泵的循環(huán)流率對產水率有一定影響,但關系較弱,實驗結果發(fā)現(xiàn),30W以上的磁力驅動泵即可滿足要求.參考文獻1HeYaong.LithiumbromideabsorptionchillerusedbyairconditioningM.Beijing:ArchitectureIndustrialPressofChina,1993.ZhengHongfei,HeKaiyan,ChenZiqian.S

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