固体吸附作用对热管真空闪蒸水分离过程的影响

高文忠，徐畅达，李长松，王栋，苏天龙



固体吸附作用对热管真空闪蒸水分离过程的影响

高文忠，徐畅达，李长松，王栋，苏天龙

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

液滴的过热度是维持其蒸发的关键因素，直接决定了盐水分离设备的水分离率。提出和设计了一种集高效热管传热和固体吸附技术为一体的盐水分离装置，并对质量分数为3%的NaCl溶液进行水分离实验，结果表明：热管能以高热通量快速传递液体闪蒸后二次沸腾所需的热量，显著增加单位时间内的水分离容积速率；引入吸附床后，蒸发室压力在吸附过程前半段有明显降低，降幅约为0.4～1 kPa，即降低了液滴的沸点，提升了过热度，这为更低品位的热源在盐水分离方面的利用提供了新途径；降低热源温度，吸附剂的吸附能力相应降低，要达到同样的水分离速率，需增加吸附剂用量。

热管；固体吸附；真空；闪蒸；水分离

引 言

盐水分离主要通过蒸发浓缩、冷却结晶以及反渗透等方式实现。真空闪蒸盐水分离技术被应用于众多领域，如溶液除湿[1-2]、海水淡化[3-4]以及污水处理[5-6]等。而日趋枯竭的传统能源却由于能量转化规律、工艺特点等原因，使用中产生大量低品位热能（40～100℃），不能高效利用[7]，因此，探索新的基于低品位热能的高效盐水分离方法显得尤为迫切。

真空蒸发器作为真空闪蒸盐水分离装置的核心部分部件，是学者们研究的重点，如，郭雪华[8]将热管应用于真空蒸发器，提高了其热传递效率及水分离率；齐春华等[9]对海水淡化闪蒸罐的闪蒸特性进行了数值模拟，得出了闪蒸罐内的气液相含率分布、速度场、温度场以及内部流动状态等；邵福喜等[10]进行了喷淋式闪蒸海水淡化实验研究，建立了计算不平衡温差的经验关系式，并推导出不平衡温差与闪蒸率的关联关系；刘伟民等[11]对低压闪蒸液滴形态和温度变化进行了研究，结果表明，液滴闪蒸分6种形态，稳态闪蒸中环境压力越低，则液滴的最终温度也越低，液滴的初始温度越高，则降到最低温度的时间越长；笔者课题组[12]在对氯化锂溶液液滴真空闪蒸过程温度分布特性研究时，发现辐射热对液滴闪蒸过程蒸发强度和热量传递的影响较为显著，及时补充液滴闪蒸所消耗的热量是维持液滴蒸发强度的关键因素。

液滴闪蒸后，蒸发室内的水蒸气必须快速转移才能维持蒸发腔的低压，保证其蒸发的持续性，相较于传统的冷却水间接冷凝方式，采用固体吸附可大幅降低系统内的水蒸气压力，近年来在海水淡化领域得到广泛认可，尤以新加坡国立大学海水淡化研究团队成果突出[13-15]，研究表明，采用固体吸附剂替代传统冷凝系统使吸附温度降低至4～5℃，即显著降低了冷凝端压力，显著增加了级数设置，使造水比达到原来的1.5～2倍。

笔者课题组[16]基于对低品位热源的有效利用，为提高盐溶液蒸发强度，提出并实验研究了一种新型喷雾式热管传热真空盐水分离系统，热管以高热通量快速传递液体闪蒸后二次沸腾所需的热量，提高液滴蒸发强度，增加单位体积容量的水分分离速率。实验结果表明，热管的应用使单位容积的水分离速率提高了1倍。

本文将尝试在原有添加热管传热的基础上，将固体吸附剂设置在水分离系统末端，即以热管传递蒸发所需热量，固体吸附剂快速转移蒸发的水分，来维持系统较低的水蒸气压力，整个系统中形成雾化闪蒸、吸热再蒸发、吸附、脱附及冷凝的水分剧烈相变转移分离过程。并尝试对质量分数为3%的氯化钠溶液进行水分离实验，研究增加吸附床后系统内的热质耦合传递规律，将为更有效地在盐水分离领域利用低品位热源提供一种新的途径。

1 实验系统及原理

实验系统如图1所示，由蒸发室、吸附-脱附室、冷凝室、热水回路、冷水回路以及蒸汽通道组成。蒸发室主要由上下盲板与中间内径135 mm、高度450 mm的钢化玻璃筒组成，下盲板均匀布置有18根采用性能稳定的烧结紫铜-水热管[17]，热管主要性能参数见表1；吸附室以及脱附室均由上下盲板与中间内径220 mm、高度550 mm的钢化玻璃筒组成，其下盲板上均布置了由5组U形不锈钢翅片管组成的吸附床，翅片管翅片间用不锈钢网包裹粒径为0.5～1.5 mm的A型细孔硅胶，每个吸附床的硅胶填充量为8 kg，吸附剂中的温度测点示意图如图2所示，在布置于距U形管底部100、200、300及400 mm处的8个测点处，分别将热电偶插入吸附剂填料内部，以测量该位置吸附剂温度；冷凝室结构与吸附及脱附室相同，其上盲板下表面与冷凝盘管相焊接；冷、热水回路中，设置8个电磁阀以切系统冷、热水通路。系统中各测点温度采用精度±0.5℃的T型热电偶测量，蒸发室及冷凝室分别设置绝对压力量程为0～20 kPa，精度为0.1%的压力传感器。由于吸附-脱附室与冷凝室（蒸发室）具有较大流通面积，因此压力传感器测量值为整个吸附（脱附）腔体的压力。

表1 热管性能 Table 1 Performance of heat pipe

实验过程中，含盐量3%的氯化钠稀溶液经高压泵送至离心式喷嘴，雾化喷入真空蒸发室中。雾化细微液滴经闪蒸、热管表面吸热沸腾，分离出的水蒸气被吸附床A内的吸附剂快速吸附转移，剩余溶液被浓缩并泵出腔体。待吸附接近饱和，切换吸附床A气路使其与冷凝室连通，并切换水路使床内水管由流通冷却水变为流通热水。此时，吸附床A内的吸附剂受热脱附再生，得以循环使用。当吸附床A脱附时，吸附床B进行吸附，双床交替进行吸附-脱附，使实验得以连续进行。

实验主要测试热源温度h(℃)、冷却水温度c(℃)，及真空压力对固体吸附剂吸附及脱附过程性能的影响，涉及蒸发室、冷凝室的压力及温度变化规律。实验工况见表2。系统冷凝量为冷凝室初、末液位读数差；系统分离率为系统喷雾量与系统冷凝量之比。

表2 实验工况 Table 2 Experimental operating conditions

2 结果及分析

在表2所示的各工况条件下分别进行实验，实验数据均采集于对应工况稳定时的一个吸附-脱附循环过程，每个循环的吸附及脱附时间均为1800 s。

2.1 吸附过程闪蒸室压力变化特性

各实验工况条件下，蒸发室中热管的温度分局情况相似，即，热管蒸发段温度基本与热源温度相同，冷凝段温度比热源温度低20℃左右且相差不大；而在测点5、6之间与不锈钢盲板相接处，热管温度骤然降低，这是因为不锈钢盲板的接触使得一部分散失造成的。蒸发室压力变化如图3所示。从图中可以看出，随着蒸发-吸附过程进行，蒸发室压力在初始阶段显著下降，随后缓慢回升。这是由于初始阶段吸附剂刚投入使用，吸附能力强，吸附剂吸附水蒸气速率远大于蒸发室水蒸气产生速率，导致蒸发室压力显著下降，进而明显降低了其对应的饱和温度，在相同加热温度下，必然使热管冷端表面的液滴过热度增加，蒸发强度快速提高，水蒸气产生速率跃升。而后，随着吸附量的增加，吸附剂吸附能力下降，水蒸气产生速率反超吸附速率。因此，到达最低点后，蒸发室压力开始缓慢上升，直至吸附剂在平衡压力下吸附接近饱和时，切换到另一台吸附床。

对比工况1、3、5的实验数据可发现，在冷却水温度为10℃时，热源温度越高，对应时刻的蒸发室压力越高，到达最低点后上涨幅度更为显著。这说明在吸附系统参数固定时，闪蒸室平衡水蒸气压力主要由热源温度决定。比较工况1、2可知，在热源温度为50℃时，即使冷却水温度由10℃变化到20℃，两种工况下闪蒸室内的压力在整个实验过程中变化规律和大小均基本一致；而在热源温度为90℃时，即工况5、6，相同的冷却水温度变化下，工况5在各个时刻的平衡压力均明显低于工况6，幅度最高1000 Pa，该现象说明在热源温度较低时，降低冷却水温度对蒸发强度的影响作用有限。需要指出的是，由于蒸发-吸附过程结束时系统气路切换，此时压力较高的蒸发室与脱附完毕压力较低的吸附床连通，两个腔体的压力瞬间达到平衡，故新的蒸发-吸附过程开始时，其初始压力低于刚完成的蒸发-吸附过程结束时的闪蒸室压力。

如图4所示，为NaCl溶液在传统喷雾低压蒸发过程中真空蒸发室的平均压力曲线，为本实验系统蒸发-吸附过程中蒸发室压力变化曲线。对比本课题组前期实验研究结果发现，盐水分离系统中由于吸附床的引入，蒸发室压力在吸附过程前半段的测量值较未使用时有明显降低，降低幅度约为0.4～1 kPa，即固体吸附作用降低了蒸发室压力，为更低品位的热源在盐水分离方面的利用提供了新途径。

2.2 吸附过程的吸附剂温度变化

各实验工况条件下，吸附过程中吸附剂平均温度变化如图5所示。从图中工况1～6可以看出，吸附过程中吸附剂平均温度在开始阶段快速上升，到达峰值后持续下降直至吸附过程结束。产生这种现象的原因在于，开始阶段吸附剂由于刚脱附完成，内部含水量最低，且经过冷却水快速预降温，此时吸附剂吸附能力最强，吸附速率最大，释放的吸附热也最多，这些热量不能及时被冷却水带走，导致吸附剂平均温度明显上升；而随着吸附总量的增加，吸附剂的吸附能力逐渐降低，吸附速率随之减小，吸附热释放量也同步减少，冷却水带走的热量也逐步超过吸附热，所以吸附剂平均温度呈现持续下降过程。

观察工况1、2条件下的温度曲线，则未出现明显上升的趋势，主要是因为这两种工况热源温度只有50℃，液滴蒸发强度较弱，水蒸气产生的速率慢，所以吸附过程中释放的吸附热基本被冷却水带走，吸附剂平均温度波动不明显，当冷却水温度更低，即冷却能力更强时，吸附床内温度越趋于稳定，比如工况1。

上述现象说明，为了充分发挥吸附剂在吸附水蒸气过程中的强吸附作用，快速转移吸附热是影响其性能的关键因素，即需要保持吸附剂在吸附过程中较低的温度。

2.3 脱附过程冷凝室压力变化

图6为各实验工况条件下吸附完成后，脱附过程冷凝室压力变化趋势。数据显示，脱附过程冷凝室压力在不同工况下均呈现开始阶段迅速下降，而后趋于平缓，最后基本稳定的相似规律。其原因在于，脱附开始阶段吸附床水蒸气压力较高，遇到温度较低的冷凝盘管迅速被冷凝，故压力下降十分显著。随着吸附剂被加热温度上升，内部吸附的水蒸气受热脱附，产生大量水蒸气，所以冷凝室压力下呈现下降趋势逐渐平缓，当脱附完成时，冷凝室压力不再改变。

对比各组实验数据可以看出，热源温度越高，冷凝室初始压力越高，但当冷却水温度相同时，冷凝室终压力却基本相同。这是因为水蒸气的饱和温度和饱和压力存在一一对应的关系，而冷却水温度又决定了冷凝室内水蒸气的饱和温度，所以冷却水温度决定了冷凝室终压力。另外，当热源温度相同时，冷凝室压力变化趋势相同；而热源温度越高，冷凝室压力在脱附开始阶段下降得越迅速，但发展到稳定所需时间却越长。这是由于热源温度相同时，吸附剂的吸附量基本相同，故其脱附过程的特征也就基本相似；而吸附时热源温度较高时，吸附室内平衡水蒸气压力越高，即所含的水蒸气越多，这些水蒸气在吸附床刚切换到脱附模式时迅速被冷凝，导致开始阶段冷凝室压力下降很迅速；另外，高热源温度使吸附完成时的水蒸气平衡压力增加，吸附剂平衡吸附量增加，故延长了脱附时间。

因此，由于热源温度不同，吸附剂在脱附初始阶段压力有明显差异，但这对脱附时间及脱附平衡压力影响有限，该过程主要由冷凝器内的冷却水温度决定，即相同的脱附加热温度下，冷却水温度越低，脱附效果越好。

2.4 脱附过程的吸附剂温度及脱附量

各实验工况下，脱附过程吸附剂温度及脱附水量变化分别如图7、图8所示。从图7可以看出，脱附开始阶段吸附剂温度略有下降，随后保持一段时间基本稳定，最后阶段持续显著上升。这是因为脱附过程初始阶段，吸附剂处于饱和状态，含水量大，脱附速率高，所需脱附热多，而此时热水不能及时补充足够的热量，导致吸附剂温度有所降低；随着大量水分的析出，脱附速率降低，随之所需脱附热也减少，热水提供的热量则由开始时不足转为基本平衡，继而过剩，表现为脱附的后阶段吸附剂温度逐渐上升。与之对应，图8中的脱附量总体呈现脱附开始时快速增加，而后趋于平稳增长的过程。

工况1、2条件下，由于吸附时热源温度只有50℃，水蒸气平衡吸附压力偏低，吸附剂吸附量少，故脱附时所需热量也低，吸附剂温度下降不明显，并在400 s后就显著升温；工况3、4条件下，热源温度增加到70℃，吸附剂吸附后水蒸气含量较工况1、2增多，故脱附时吸附剂温度下降较为明显；而工况5、6条件下，热源温度继续增加到90℃，吸附剂脱附时温度在开始阶段下降更为显著，并且保持1000 s左右基本稳定，说明其保持高速率脱附的时间明显增加，脱附的总水量也明显增加。由系统质量平衡可知，脱附量即为吸附时的吸附量。

以上现象说明，吸附剂的使用虽然可以明显降低闪蒸室的蒸发压力，使更低品位的能源利用成为可能，然而低热源温度也同时降低了吸附剂的吸附量，即要达到同样的水分离速率，需要显著增加吸附剂总量。

2.5 分离率的影响因素

分离率，即通过闪蒸、热管表面吸热沸腾，蒸发的水分占总溶液的质量分数。各工况下系统的水分离率变化如图9所示。很显然，相同的冷却水温度下，热源温度越高，溶液中水分离率越高。这是因为热源温度越高，溶液接触热管冷端时水分的过热度越大，沸腾蒸发越剧烈，蒸发室内的平衡水蒸气压力越高，趋于吸附饱和的速率也越快（图4），此外，冷却水温度为10℃时比20℃时分离率高5%左右，因为更低温的冷却水将使闪蒸室维持更低的蒸发压力，同时使吸附剂的吸附量也稍有提升。

因此，闪蒸室的热源温度是影响分离率的核心因素，而冷却水温度越低也越有助于提高溶液中的水分离率。

3 结 论

提出了一种由低品位热源驱动，以热管传递高热通量的热量，使雾化后的盐液滴剧烈蒸发，并由固体吸附剂快速转移水分的盐水分离新方法。依据该方法搭建实验装置并对其进行了测试，所得主要结论如下。

（1）盐水分离系统中由于吸附床的引入，蒸发室压力在吸附过程前半段的测量值较未使用时有明显降低，降低幅度约为0.4～1 kPa，即降低了蒸发室压力，为更低品位的热源在盐水分离方面的利用提供了新途径。

（2）吸附剂的使用虽然可以明显降低闪蒸室的蒸发压力，使更低品位的能源利用成为可能，然而低热源温度也同时降低了吸附剂的吸附量，即要达到同样的水分离速率，需要显著增加吸附剂总量。

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Effects of solid adsorption on vacuum flash water separation process with heat pipe

GAO Wenzhong, XU Changda, LI Changsong, WANG Dong, SU Tianlong

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The superheat is the key factor for liquid drop to keep evaporating and it determines the water separation rate of the solute/water separator. A solute/water separation device combined with high efficient heat pipe and solid adsorption technology is developed in this paper. Water separation experiment of NaCl solution with concentration of 3% is conducted and the results show that the heat pipe can rapidly transfer heat to the drop just flashed for the second boiling with high heat flux and increase the water separation rate per unit volume. During the front half part of the adsorption process, the evaporator pressure value has a significant decrease by 0.4—1 kPa than that without adsorbent bed. Namely, the boiling point of drop is reduced and superheat is increased. This provides a new method for utilizing lower grade heat source in the solute/water separation.

heat pipe; solid adsorption; vacuum; flashing; water separation

supported by the National Natural Science Foundation of China (51106094) and the Natural Science Foundation of Shanghai (16ZR1414700).

date: 2015-12-16.

GAO Wenzhong, wzgao@shmtu.edu.cn

TK 124

A

0438—1157（2016）09—3755—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20151909

国家自然科学基金项目（51106094）；上海市自然科学基金项目（16ZR1414700）。

2015-12-16收到初稿，2016-05-11收到修改稿。

联系人及第一作者：高文忠（1978—），男，博士后，副教授。