皇明太阳能股份有限公司 ■ 刘建明 许全宝 平杰

0 引言

海水淡化方法主要分两大类：一类是膜分离法，如反渗透、电渗析、膜蒸馏等；另一类是蒸馏法，如单级蒸馏、多效蒸发、多级闪蒸等。膜分离法代表了用电能直接产生淡水的发展方向，具有装置简单、易于小型化和单位产量能耗低等特点，但这种方法海水预处理装置复杂、膜层昂贵，日常维护费用较高。蒸馏法是使用大量热能，通过水的蒸发和冷凝产生淡水的一种方法，其显著特点是可重复利用水蒸发与冷凝过程的潜热，使之在预热原水的同时，冷凝蒸汽成为淡水产品。

多效蒸发和多级闪蒸工艺一般通过热电联产方式来实现。就目前的科技发展水平而言，每生产1 t淡水，需要消耗热能123～294 MJ，电能2～4 kWh，从用能状况来看，系统主要消耗的是热能，这为太阳能供热创造了条件。

与单级蒸馏相比，多效蒸发和多级闪蒸由于多次重复利用水的汽化潜热，单位能耗的淡水产率较高，然而，由于太阳辐射量变化很大，造成热能供需难于同步，使得多效蒸发和多级闪蒸很难稳态运行；此外，多级闪蒸过程需精确的压力控制，并需在不同级数间维持恒定的压力差，使系统在瞬态控制方面也很困难。因此，太阳能多效蒸发和多级闪蒸工艺较难实现。

单级蒸馏分为两种，一种为自然蒸发式，一种是真空沸腾式。太阳能海水淡化普遍采用自然蒸发式，这种方法与自然界中雨的形成过程类似，靠海水在常压下自然蒸发后，遇冷凝结成淡水。该装置工艺简单，较易实现，但它不能重复利用水的汽化潜热，单位面积的日产量较低，为1～2 kg/m2集热面积，且传热慢、热损大、效率低。

真空沸腾式海水淡化装置是通过强制循环系统集热、供热的单级负压蒸馏系统。与自然蒸发式相比，该装置能一次重复利用水的汽化潜热，单位面积产水量大、传热速率大、操作温度低、不易结垢，易与太阳能集热系统结合。

1 实验部分

1.1 装置的结构

如图1所示，自制的真空沸腾式太阳能海水淡化装置主要由集热器、蒸发器、冷凝器、太阳能泵站、真空泵、海水泵及光电组件组成。其中，集热器采用真空管式，采光面积为9.16 m2；海水蒸发器由内胆、盘管换热器、液位计、保温层、外皮组成，其上部设置蒸汽出口，侧面设置原水进口，下部设置浓盐水出口；冷凝器由外皮、盘管换热器、液位计组成，其上部设置不凝气出口，下部设置淡水出口，盘管冷却器进出口位于侧上部，蒸汽进口位于侧下部；集热器与蒸发器间为介质循环管路，海水储槽和冷凝器间为冷却水上水管路，冷却水下水管路分两路，一路与喷淋器连接，一路与蒸发器原水进口连接，蒸发器与冷凝器间为蒸汽管路，真空泵与冷凝器间为抽真空管路，冷凝器与淡水罐之间为淡水管路。光电组件与蓄电池电路连接，太阳能泵站、真空泵及海水泵与控制器电路连接，通过蓄电池供电。

图1 真空沸腾式太阳能海水淡化系统图

1.2 装置的操作方法

装置运行时，首先给海水储槽内注满海水；然后打开海水补充阀，关闭海水喷淋阀，启动海水泵，将海水注入到蒸发器内；至液位计刻度1/2～2/3时，关闭海水补充阀，打开海水喷淋阀，海水即开始喷淋，形成的众多细流落到海水储槽内。有太阳时，太阳光照射在光电组件和集热器上，光电组件通过吸收太阳辐射，将太阳能转化为电能，并把电能储存在蓄电池里；同时集热器亦吸收太阳辐射并将其转化为热能，并把热能传递给传热介质，这时，启动太阳能泵站，传热介质即在循环管路内循环；并通过蒸发器内盘管加热海水，使水温不断升高；当水温达到一定值时，开启真空泵，抽出冷凝器和蒸发器内的空气，降低其压力；当水温升至其饱和温度时，海水开始大量汽化，产生的蒸汽通过管路流入冷凝器中，与盘管中流动的海水充分换热后，冷凝成液态水(淡水)，并暂存在冷凝器底部；当淡水水位升至液位计满刻度时，停真空泵，并使系统通大气，系统内外压力平衡后，打开淡水排出阀，将淡水放至淡水罐中，用电子称称量淡水的重量；之后，装置再次按照以上所述步骤操作。实验结束后，打开蒸发器的浓盐水排出阀，把浓缩的盐水全部放掉。

装置运行时，应通过海水补充阀适当地给蒸发器补充原水，保持液位计刻度在1/2～2/3；同时，蒸汽的部分冷凝热通过换热，随原水带入蒸发器中，使冷凝热得到重复利用；另一部分冷凝热在海水通过喷淋器喷淋时散失在大气中。

1.3 装置的测试仪器

实验时，使用型号为TBQ-2C总辐射表测量太阳辐照度；集热器进出口、蒸发器和真空泵入口内均设有热电阻传感器，以测量相应的温度；使用型号为Agilent 34970A的数据采集仪自动采集并记录各实验数据；使用电子称称量淡水重量。

2 实验结果和讨论

2.1 装置的运行状况

图2是用2014年6月22日的实验数据绘制而成的，下面用此图来说明装置的运行状况。图中，te为蒸发器温度；tv为真空泵进口温度；tc为集热器进出口平均温度；G为太阳辐照度。当天天气多云，气温为23～31℃。装置中，蒸发器初始水位为1/2～2/3液位计，初始水温29 ℃。如图2所示，8：09～11：49，太阳辐照度从 253 W/m2逐渐升至 812 W/m2，12：29～13：09 因天空多云，辐照度先降至404 W/m2，又升至最高值855 W/m2，之后，辐照度逐渐降低，16：59降至296 W/m2，全天辐照度均值为577 W/m2。

图2 太阳能海水淡化装置运行图(6月22日)

整个实验为半连续操作，分4个时间段(8：09 ～ 10：29，10：29 ～ 11：59，11：59 ～ 13：49，13：49～16：29)，经历 4 次连续的蒸馏操作。每次操作分升温和蒸馏2个阶段，第1次操作的升温段时间为 8：09～9：09，蒸馏段时间为 9：09～10：29；第 2 次的升温段时间为 10：29～10：49，蒸馏段时间为10：49～11：59；第3次的升温段时间为 11：59～12：49，蒸馏段时间为 12：49～13：49；第4次的升温段时间为13：49～14：19，蒸馏段时间为 14：19～16：29。实验从 8：09 开始，当时集热器进出口介质平均温度(以下简称介质温度)为48 ℃；之后，介质温度随着太阳辐照度的增大而逐渐升高，9：09升至81 ℃；此后，介质通过强制循环将热量不断地传给蒸发器中的海水，水温相应从29 ℃升至61 ℃，这时，随着蒸发器真空环境的建立及真空度不断升高，海水开始沸腾并产生大量蒸汽，蒸汽沿管路进入冷凝器中，与盘管内的循环冷却水换热后，凝结成淡水，暂存在冷凝器底部；10：29当淡水水位升至液位计满刻度时，第1次操作结束，把所得淡水放至淡水罐中，经称量，所得淡水的重量为11.6 kg。后面3次蒸馏过程与第1次相似，所得的淡水重量分别为12.5、11.8和12.2 kg，经计算，单位集热面积淡水日产量为5.26 kg/m2。此外，从图2可看出，12：29～13：09辐照度大幅度变化时，蒸发器温度相对稳定，蒸馏操作基本稳态运行，说明该装置操作弹性良好。

图3是用2014年7月7日的实验数据绘制而成的，当天天气晴朗，气温为26～33 ℃，全天辐照度均值为580 W/m2。对比图2和图3，装置的两次运行过程相似，只是这次实验分为5个时间段 (8：09 ～ 10：29，10：29 ～ 11：59，11：59 ～ 13：29，13：29～14：59，14：59～16：19)，每个时间段的淡水产量分别为11.0、11.8、12.1、11.7、6.0 kg，经计算，单位集热面积淡水日产量为5.65 kg/m2。

2.2 蒸发器的沸腾状态

蒸发器内海水的沸腾属于大容器沸腾。大容器内液体沸腾状况随与液体接触的壁面和饱和蒸汽的温度差ΔT而变，出现不同类型的沸腾状态。对于常压下水在大容器中沸腾，当ΔT≤5 ℃时，水处于自然对流状态，传热速率小，水仅在水面上蒸发，但无气泡从水面溢出；当5 ℃＜ΔT≤25 ℃时，为泡状沸腾状态，对流传热速率大，这时水中有气泡产生，ΔT越大，气泡越多，水扰动越剧烈；ΔT＞25 ℃时，为膜状沸腾，对流传热速率小。工业生产中，一般设法将其控制在泡状沸腾状态。

蒸发器盘管为薄壁不锈钢管制作，其壁面温度与介质温度相差很小，故盘管壁面与海水的温差和介质与海水的温差相当。如表1所示，实验过程中，蒸发器的操作压力为常压(绝对压力为10～20 kPa)，4个时间段的ΔT均在5～25 ℃，且ΔT越大，淡水产率越高，说明蒸发器中的海水处于泡状沸腾状态。

2.3 冷凝器的冷凝效果

蒸汽冷凝分膜状冷凝和滴状冷凝两种方式，二者区别是，膜状冷凝时，冷凝液在冷凝壁面上能形成一层润湿壁面的液膜，这层液膜往往是膜状冷凝的主要热阻。一般，工业上遇到的大多是膜状冷凝，强化膜状冷凝主要是减薄这层液膜。蒸汽以一定速度运动时，和液膜间会产生一定摩擦力，若蒸汽和液膜同向流动，则摩擦力将使液膜加速，厚度减薄，对流传热系数增大；若逆向流动，如果摩擦力超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，也会使对流传热系数增大。本装置的冷凝器的蒸汽和液膜是逆向流动，蒸馏过程中，由于真空泵的抽吸作用，增大了蒸汽流速，使液膜减薄，从而增大了对流传热系数；而且，真空泵还抽走了蒸汽中大多数不凝性气体，减小了覆盖在盘管壁面气体层所形成的附加热阻，也进一步强化了膜状冷凝。此外，冷凝液膜两侧的温度差也是强化膜状冷凝的重要途径，因此，蒸馏操作时，除不断通过海水喷淋降低其温度外，在海水储槽内补充海水(一般，海水与淡水的重量比值介于3～4之间)也是增加冷凝盘管两侧温度差的重要途径。

蒸馏过程中，真空泵进口温度是判断冷凝器冷凝效果的重要指标，此温度越低，冷凝器的冷凝效果越好。一般，真空泵进口温度小于40 ℃(水的平衡压力为7.38 kPa)，基本满足要求。否则，真空泵内会抽进一定量的水汽，不仅减少淡水产量，还会降低泵的寿命。实验中，真空泵进口温度在20～40 ℃，说明冷凝器的冷凝效果良好，蒸发器产生的蒸汽绝大多数凝结成液态水。

2.4 装置的淡水日产量

表2为2014年在不同季节进行的10次海水淡化实验的统计数据。从表2可看出，太阳辐照时间在370～530 min，日平均辐照度在516～625 W/m2，单位集热面积淡水日产量在5.01～6.02 kg/m2，单位集热面积淡水日产量随太阳辐照时间增加和太阳辐照强度的增强呈增长趋势。

表2 日平均辐照度和淡水日产量

下面以这10次实验数据为样本，在95%的置信概率下，计算单位集热面积淡水日产量的置信区间。经计算，该样本单位集热面积淡水日产量平均数为5.50，标准差为1.871，从标准正态分布函数表查得，置信概率为95%时，正态分布变 量z=1.96，ε=5.50±1.96×1.871/√10=5.50±1.156，即置信区间为(4.34，6.66)。故在95%的置信概率下，单位集热面积淡水日产量在4.34～6.66 kg/m2集热面积。

3 结语

真空沸腾式太阳能海水淡化装置使用真空管集热器提供热能，光电组件提供动力电，通过强制循环系统给蒸发器供热，由直流供电的真空泵来抽除不凝性气体，维持装置的真空度并保证装置的半连续运行，使蒸发器中的水处于泡状沸腾状态，产生大量蒸汽，并通过高效冷凝器，将蒸汽凝结成淡水。在95%的置信概率下，单位面积淡水日产量在4.34～6.66 kg/m2集热面积，性能远优于自然蒸发式。该装置仅使用太阳能，苦咸水或海水充当冷却水源，不使用任何常规能源和水源，淡水制造成本极低，且工艺简单、操作弹性大，与其他太阳能海水淡化方法相比，真空沸腾式有较大优势，特别适宜在海岛或苦咸水地区应用。