多级增湿太阳能海水淡化的实验研究

2012-08-20 12:56袁怡刚赖艳华马春元鹿刘新
节能技术 2012年1期
关键词:湿空气加湿器淡化

袁怡刚,董 勇,赖艳华,马春元,鹿刘新

(1.山东大学 能源与动力工程学院,山东省能源碳减排技术与资源化利用重点实验室,山东 济南 250061;2.山东山大能源环境有限公司,山东 济南 250014)

0 引言

常规海水淡化方式,如低温多效、多级闪蒸、反渗透、压汽蒸馏等,以化石燃料为能源,容易走入“能源换水源”的怪圈。太阳能应用于海水淡化领域,在一定程度上可以解决能源与水源间的矛盾,是海水淡化技术重要发展趋势之一。为解决传统太阳能蒸馏器存在蒸发慢、凝结慢、回热差等问题[1-3],太阳能增湿海水淡化技术采用强化传热传质、改善回热等措施,产水率有较大提升,有着良好的发展前景。

国内外学者对增湿淡化技术进行了相关研究。美国学者 Al-Hajaj等人[4~5]设计一种环形通道式的增湿淡化装置,采用木质蜂窝湿膜作为蒸发填料,空气增湿效果得到有效提升;张旭朋等[6]设计了一种利用鼓泡进行增湿的太阳能淡化装置,并进行了实验研究;美国学者Hamieh B M[7]设计了一种露点蒸发海水淡化装置,系统的回热效果得到了显著提高;德国学者 E.Chafik[8]采用冷凝器分级冷却蒸汽,相比于内回热装置,分级冷凝可将冷凝和蒸汽回热利用完全分离开来,回热温度更容易控制;代彦军[9]指出蒸发器入口海水温度和冷却水温度是影响系统性能的重要参数;原郭丰等[10]建立了闭式增湿减湿海水淡化各部分的热力过程数学模型。

目前回热利用依然是小型热法淡化装置研究的重点。本文在综合分析国内外水膜增湿淡化装置的基础上,针对单级冷凝存在的回热和冷却冲突的矛盾,结合分级冷凝技术,设计了一台两级水膜增湿的分级冷凝回热海水淡化装置,并以太阳能为热源,对系统性能进行了实验研究。

1 实验装置

1.1 实验系统及工作原理

本实验装置如图1所示,主要由水膜加湿器、冷凝器、水泵、风机及管路组成,本装置采用海水预热的闭合回路的空气循环系统(Closed-air,Waterheated cycle,简称CA-WH)。实验所需热海水由太阳能真空管集热器提供。本装置的冷凝系统采用外置式分级冷凝回热,将回热和冷凝环节完全分离,便于冷却流量的控制,具体方法是:于主冷凝器前安装前置冷凝器,前置冷凝器主要用于提高冷却水温,为下一级加湿器提供热水;主冷凝器对湿空气进行充分的冷却,增大淡水产量。

系统工作原理:(1)加湿海水回路。经太阳能集热器加热后的海水由喷水增压泵泵入加湿器喷淋,海水流经加湿器湿膜表面并形成均匀水膜,并与加湿器入口空气充分接触,热海水与湿空气进行热湿交换,喷淋后水温降低,其后进入太阳能集热器加热。(2)湿空气回路。湿空气由循环风机鼓入加湿器内,湿空气受热海水的加热增湿,温度上升,含湿量增大,其后进入冷凝器进行冷却除湿,水蒸气在冷凝器表面凝结形成纯水,并由冷凝器内的接水盘收集导出。(3)冷却水回路。冷却水经冷却水泵进入主冷凝器,冷却水吸收湿空气冷却时放出的热量,温度上升。主冷凝器的出口海水一部分引入前置冷凝器进一步升温,其后进入第二级加湿器进行增湿淡化。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.2 实验设备

本实验装置热源采用太阳能真空管集热器,真空管外径Φ58 mm,管长1.8 m,管数30根,采光面积4.3 m2,热水箱220 L;水膜加湿器采用斜波式木质淋水填料,湿膜尺寸0.5 m(长)×0.5 m(高)×0.15 m(厚),风阻150 Pa,风速为2.5 m/s,膜间距6.7 mm,比表面积250~300 m2/m3;冷凝器采用FP-51翅片铜管表冷器,两级冷凝器均为逆向错流布置,以增强换热效果;循环风机额定流量385 m3/h,压头895 Pa。为获得较为稳定的水温,喷水增压泵后设置恒温阀,以便于控制喷水温度。由于咸水在70℃以上容易结垢,降低集热器和加湿器效能,因而本实验中喷水温度均控制在70℃以下。

1.3 测量方法

本实验装置中测点布置:(1)加湿海水回路。加湿器进出水口处布置温度测点,加湿器进水口处布置流量测点;(2)湿空气回路。循环风机前布置风速测点,加湿器进出风口及冷凝器出风口布置温湿度测点;(3)冷却水回路。主冷凝器和前置冷凝器的入水口各布置流量测点,其进出水口处布置温度测点。图1中所示为恒温喷水稳态时,各测点的操作参数及工质状态。

本实验采用的测量仪器:水温测量采用PT100温度传感器,范围-200~400℃,精度±0.2℃;水流量测量采用LWYC-10涡轮流量计,范围0.15~1.5 m3/h,精度等级1.0;日照辐射采用TBQ-2总辐射表,范围0~2 000 W/m2,精度<±5%;湿空气温湿度测量采用 AF3020温湿度变送器,范围-40~80℃、0~99.9%RH,精度 ±0.3℃、±2%RH;湿空气风速测量采用TES-1340热线风速仪,范围0~30 m/s,精度±3%。

1.4 加湿器出口截面上湿空气温度测定

由于风压分布不均、水蒸气密度低等因素易导致加湿器纵向截面(500 mm×500 mm)上气体温度和流速分布不均衡,为减小实验误差,本文通过测量截面上9个节点(如图2所示)的温湿度、流速,利用能量平均法获得加湿器出口的湿空气参数。

各节点控制域Am,n处湿空气携带能量为

由于图中各节点的控制域Am,n相等,故各节点处比焓的平均值为

由于截面上空气温度变化范围较小,且接近饱和状态,故φ≈1、cp,a基本不变。所需测量的参数为节点处的温度ta和流速ua。

图2 加湿器纵向截面上气温测定方法Fig.2 The method for temperature measurement of moist air

表1为实验测得的各节点温度和流速,实验工况为 G=242 kg/h,tw=45℃,mw=240 kg/h。由表中可以看出,截面中心处的流速最高,这主要是由于风机的风口正对加湿器的中心,中央的流速要远高于周边区域;而上部的气温较高,这是由于喷淋海水在向下流动过程中,温度不断下降,气温也随之降低;另外加湿过程中产生的上升气流也可导致上部气温较高。

表1 加湿器出口截面上各节点温度 t/℃和流速ua/m·s-1Table 1 Parameters on outlet cross section of humidifier

根据公式所求得的湿空气平均焓值144 kJ/kg,查表得平均温度为36.9℃。大量实验结果表明,在喷水温度低于70℃时,中心节点处温度与平均温度差别小于±0.5℃,因而本实验中使用中心节点温度表征截面上的湿空气温度。

2 实验结果与分析

2.1 分级冷凝的热力过程

图3中所示为干空气质量流量G=300 kg/h,加湿器喷水量 tw=64℃,主冷凝器水量 mc=240 kg/h,前置冷凝器水量tc,pre=120 kg/h工况下,空气增湿及冷凝的热力过程。0点代表增湿前空气的状态参数;1点为虚拟状态点,其数值代表绝热增湿所需的湿空气参数;2点为增湿后空气的状态参数。将增湿过程简化为加热过程0-1和绝热增湿过程1-2;过程线2-3表示湿空气在前置冷凝器中的状态变化;过程线3-0表示湿空气在主冷凝器中的状态变化。由图中可以看出,2-3过程温度变化较为平缓,前置冷凝器工作在这一区间,可以在尽量减小温降的同时,获得较高温度的回热水。

本装置在该工况下运行所得到第二级加湿器进水温度为42℃,流量为120 kg/h,同时第一级的淡水产量约为6.8 kg/h,第二级加湿器所得淡水产量约为2.9 kg/h,所产淡水的总溶解固体量9~21 ppm。

2.2 空气引入方式对热损失的影响

按照加湿器入口空气的引入方式,一般将增湿型淡化装置分为开口和闭口系统,本文对这两种引风方式进行了研究。开口系引入环境空气,温度t=33.5℃,相对湿度φ=41%;而闭口系引入冷凝器的出口空气。图4所示为每千克干空气排出系统所损失的热量,从图中可以看出开口系会产生较大的热

,,口系的2%~5%。这是由于开口系冷凝器出口的湿空气直接排入大气,因而造成系统水汽焓值的损失;当喷水温度升高时,排气温度随之提高,排气热损失也随之升高;但由于冷凝器换热的逐步增强,其曲线趋于平缓。对于水温较高的增湿型淡化装置,采用闭口系的热效率较高,有利于提高产水量。

图3 分级冷凝的热力过程曲线Fig.3 The heating process of fractional condensation

图4 不同空气引入方式对系统热损失的影响Fig.4 Comparison of Open-Air and Closed-Air system

图5 分级冷凝器出口水温随喷水温度的变化Fig.5 Effect of seawater temperature onfractional condensation

2.3 分级冷凝对回热利用的影响

利用分级冷凝可更好的控制冷却水的流量,提高冷却水的出口温度,充分利用蒸汽潜热。图5为主冷凝器和前置冷凝器流量比例为7∶2时,不同喷水温度下,主冷凝器和前置冷凝器出口水温的变化曲线。从图中可以看出,前置冷凝器较主冷凝器的出口水温高,在喷水温度为67℃时,其水温可达47℃。同时前置冷凝器冷却水流量不可过高,以避免产生大量的低温废水,无法重新利用。

为提高回热利用,将前置冷凝器出口水引入第二级加湿器进行增湿淡化。第二级加湿器干空气的质量流量为300 kg/h。如图6所示为第一、二级增湿装置在不同水温下的淡水产量,喷水温度为67.0℃时,装置的热耗率q=2 092 kJ/kg。由于采用了分级冷凝回热和多级增湿技术,装置产水量提高了25%~50%。

3 结论

本文设计的分级冷凝式的多级增湿淡化装置,可将冷凝环节和回热环节分离,避免了单级冷凝产生的大量低温废水,回热效果增强,系统运行可靠。通过实验研究发现,增湿型淡化装置水气比为0.8时,空气回路采用闭口系可减少排气热损失90%以上;分级冷凝流量比例控制在7∶2以上时,可获得较高温度的回热水;淡水产量较单级淡化装置提高25% ~50%,所产淡水总溶解固体量为9~21 ppm。分级冷凝的流量优化、增湿—回热环节的匹配设计等问题需要进一步研究。

符号表

φ相对湿度/[%]RH

ρ 密度/kg·m-3

cp定压比热容/kg·(kg·℃)-1

G 干空气流量/kg·h-1

i比焓/kJ·kg-1

m 质量流量/kg·h-1

t温度/℃

u空气流速/m·s-1

下标

a湿空气

w水

c冷却水

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