横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究.doc

横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究 第23卷第3期 2002年6月 太阳台邑 ACTAENERC,IAESOLARISSJNICA VO1.23.NO.3 Jun.2002 文章编号:0254—0096(2002)03—0265—05 横管降膜蒸发内回热式太阳能海水淡化装置的实验研究 郑宏飞,吴裕远2 (1.北京理3-大学车辆与交通1:程学院,dr;9;100081;2.西安交通大学能源与动力f:程学院,西安710049) 摘要:设计建造了～台利用太阳能或其它余热驱动的横管降膜蒸发内回热式海水淡化装置,并利用模拟热源对 该装置进行了实验研究.由于在系统的蒸发及冷凝过程中,大部分水蒸汽的凝结潜热被重复利用于海水的预热及 蒸发过程,因而系统具有较高的产水率.同时,由于在气流的闭式循环过程中,蒸发腔中处于负压状态,冷凝腔中 处于正压状态,强化了系统的产水性能,使系统的产水效率比传统的盘式太阳能蒸馏器提高了3倍左右.介绍了 系统的瞬态特性及运行温度,供海水流率与产水量的相互关系.对影响系统产水率的其它因素也进行了讨论. 关键词:太阳能;海水淡化;降膜蒸发;内回热 中图分类号:TK519文献标识码:A 0引言 我国许多地区饮用水十分短缺.在这些地区, 利用太阳能或其它低级热能从海水或苦咸水中产生 可饮用淡水是一条理想的解决方案.目前,人们研 究得最多,技术上最为成熟的是盘式太阳能蒸馏器, 这种装置因结构简单和取材方便而易于推广应用. 然而,盘式太阳能蒸馏器具有效率不高的严重缺陷, 一 般而言,它的年产率仅为1000kg/m左右,不能 满足用户的要求lJ.理论和实践均已证明,如果在 系统运行过程中,蒸汽的冷凝潜热能被重复利用的 话,蒸发过程所需的热能将被显着降低[2--4.在多 级闪蒸或蒸汽压缩系统中可实现上述要求.这些系 统主要优点在于成功地将蒸汽的凝结潜热和热盐水 的显热再循环加以利用,用之预热进入的海水.但 是,它们的结构通常都很复杂,运行成本及固定资本 的投入相对较高,使得这些先进的系统通常只对大 型的设备具有经济可行性.而在大型的系统中,它 们又正在逐步地被大规模的反渗透系统所代替.然 而,反渗透系统也存在反渗透膜使用寿命短及价格 不菲的问题,特别当应用于海水淡化过程时表现尤 其明显.从另一方面说,许多时候淡水的用户都是 相当分散的,大型的系统有时并不合适,比如在鱼船 或一些小岛上,而恰好在这些地方存在很丰富的太 收稿目期:2001—07—06 基金项目:中国博士后基金资助项目(中博基[2000]23号) 阳能或余热,比如柴油机余热等.因此,设计一种小 尺寸的利用低品质热能的海水淡化装置很有意义. 为此,本文在综合分析已有文献给出的多种新 颖的太阳能海水淡化装置的优缺点后_3-6],大胆引 进现代海水淡化工业中先进的技术,设计了一台横 管降膜式太阳能海水淡化装置,并对该装置进行了’ 实验研究. 1实验装置的工作原理 实验装置的剖面如图l所示.它主要由下述部 分组成:一个带有海水喷淋管及海水分配器的蒸发 腔(一个有许多水平横管从其中穿过的长方形盒 子);一个由若干横管,管壳及回热器组成的冷凝腔; 循环水泵;风机;外冷凝器;一个内带热交换器的汽 液分离器和模拟供热系统.系统的运行可分步详述 如下: 1)由太阳能集热器或其它热源致热的热水由装 置进口进入装置,经由一个管壳形分配腔进入蒸发 腔中的横管3,在那里放出热量加热管外的海水. 热水出横管后经连通管8进入下一级的热水分配 腔,再经一个管壳形分配器进入加热横管,最后经出 口输出装置.第二级加热与第一级加热在结构上类 似,但热水的流动方向相反,如图1所示. 2)为了克服现有装置热容量大,出水慢及不利 266太阳能23卷 1——外党;2——蒸发腔;3一水平横管;4——内置回热器; 5一循环水泵;6——海水分配器;7一喷淋管;8——连通管; 9——抽气管;1O——排污阀;11——空气泵;12——冷凝腔; 13——气水分离器;14——水阀;15——送气管;16——溢流阀; 17一一外冷凝器 图1实验装置剖面图 Fig.1Schematicdiagramofthepresentedunit 于在摇动的船上使用的缺陷,本装置采用横管降膜 蒸发的工作模式.即:海水经喷管7喷出,经一块孔 板6再分配后,均匀地滴降至蒸发腔中的加热横管 3上,在那里形成海水降膜并受热蒸发.未蒸发的 浓海水最终落至蒸发腔底,一部分经溢流阀16流出 装置,另一部分经循环泵5再循环至喷头7进行循 环使用.新海水由图示入口进入装置,经冷凝腔12 中的回热器4预热,最后流至循环泵5前与一部分 浓海水混合进行循环使用. 3)当海水从一根水平管到另一根水平管形成降 膜流动时,它从水平管内的热水中吸收大量的热量, 并产