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一种回收蒸发潜热太阳能蒸馏装置的研究
赵军 方承超 齐锡龄 张迎军 罗九如
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摘要：对一种回收蒸发潜热的太阳能蒸馏装置进行了研究。结果表明，太阳辐照度、冷凝器冷却海水流量和蒸发器入口海水温度是影响系统性能的主要因素，当冷凝器冷却海水流量为45 ｌ／ｈ，蒸发器入口海水温度为75℃时，系统具有较大的淡水产量和合适的系统GOR值。
关键词：太阳能蒸馏，回收蒸发潜热，自然对流
用常规太阳能蒸馏方法制取淡水，设备简单，运行费用低，但存在质重、热容量高和占地面积大等缺点，同时水蒸汽的蒸发潜热没有利用，致使装置单位面积产水量低，系统热效率不高。本文报道的太阳能蒸馏装置，力图在小型化、高效性 等方面进行一些理论与实验探索。
1 理论分析
如图1所示，太阳能蒸馏装置淡化海水的原理，实质上是基于密闭通路中自然对流空气的反复增湿与减湿过程。在蒸发器中，由于水的蒸发，空气流被增湿；在冷凝器中，由于水蒸汽凝结，空气流被减湿，空气流自然循环的推动力是蒸发器与冷凝器之间的温度差。
在蒸发器中同时进行着热量、质量的传递过程，其设计关键是确定蒸发器中淋水装置的结构型式以及蒸发器的尺寸。淋水装置高度ｚ的微分方程为

dz＝[Lｃ１／ψｋxvFs（ｈi－ｈ）]dt１

式中，ｔ１为海水温度，L为海水的质量流量，c１为海水的比热容，ｈ、ｈi为湿空气及界面饱和空气层的焓，ｋxv为容积传质系数，ψ为考虑水蒸发而引入的修正系数，Ｆs为蒸发器的横截面面积。
冷凝器中也同时进行着传热、传质过程。考虑到该换热器不同于一般换热器的特点，本文根据布拉斯方程［１］，采用逐段计算法进行理论计算，详细内容可参阅文献［２］。
2 装置评价与结果分析
用什么指标评价装置的优劣，有哪些因素影响这些指标，是必须研究解决的一个问题。本文采用两个评价指标：一个是淡水产量，即每平方米集热器面积每天的淡水产量；另一个是系统ＧＯＲ值，在本文中它可表述为蒸馏装置的蒸发传热量与太阳能集热系统提供的有用能量之比，作为一个综合性评价指标，其数值高低可体现回收蒸发潜热的多少。
从优化装置、节约能量的角度考虑，要求系统既要有较大的淡水产量，又要具有合适的系统GOR值。
在理论分析与计算基础上，建立了一个与3平方米真空管太阳集热器相匹配的小型太阳能蒸馏装置实验台，图2—4所示为部分实验结果。实验中冷凝器入口海水温度同为25℃。

（图片）

图3 冷凝器冷却海水流量Ｍsw不同时淡水产量随蒸发器入口
海水温度的变化——计算值，□实验值
（１—Ｍsw＝50ｌ/ｈ，2——Msw＝47ｌ/ｈ，
３—Ｍsw＝45l/ｈ，4—Msw＝41ｌ/ｈ）
图4 冷凝器冷却海水流量Ｍsw不同时系统GOR值随蒸发器入口温度的变化——计算值，□实验值
(1—Ｍsw＝50ｌ／ｈ，2-Msw＝47ｌ／ｈ，
3—Msw＝45ｌ／ｈ，4—Ｍsw＝41ｌ／ｈ）

从图2可见，太阳辐照度对淡水产量的影响非常大，两者在一天中的变化趋势基本一致。实验这一天的日总辐射量为7000Ｗｈ／ｍ２，一天中系统平均每平方米集热器面积产淡水约9ｋｇ，比常规太阳能蒸馏装置的每平方米集热面积日产淡水3—5ｋｇ，提高很多。
从图3可见，在蒸发器入口海水温度相同条件下，冷凝器的冷却海水流量越大，装置的淡水产量也越大。在冷凝器同一海水流量下，蒸发器入口海水温度越高，淡水产量也越高，且随海水流量增加，影响越明显。
由图4可见，在蒸发器入口海水温度相同条件下，冷凝器的冷却海水流量越大，系统的GOR值则越小。冷却海水流量较小时系统GOR值随蒸发器入口海水温度的提高而降低，当冷却海水流量较大时，系统GOR值随蒸发器入口海水温度的提高而加大。
从图中还可以看出，当冷凝器冷却海水流量为45ｌ／ｈ，蒸发器入口海水温度为75℃时，系统具有较大的淡水产量和较高的ＧＯＲ值，理论与实验结果一致。
3 结 论
实验装置在太阳日总辐射量7000Ｗｈ／ｍ２、冷凝器冷却海水温度25℃条件下，每平方米集热器面积每天约能产淡水9ｋｇ。
太阳辐照度、冷凝器冷却海水流量和蒸发器入口海水温度是影响系统性能的主要因素，共同决定淡水产量和系统的ＧＯＲ值。
当冷凝器冷却海水流量为45 ｌ／ｈ，蒸发器入口海水温度为75℃时，系统具有较大的淡水产量和合适的ＧＯＲ值。
参 考 文 献
1［日］尾花英朗著，徐中权译．热交换器设计手册．北京：石油工业出版社，1991
2 赵军，方承超等．利用空气自然对流的太阳能海水淡化装置．天津大学学报，1996(增刊)，29：104-108
3 O Heachl,R Sizmann.Solar Sea Water Desalination with a High Efficiency Multi-Effect Solar Still.Proceedings of the International Solar Energy Society, Hamburg Germany, 1987,2814-2818 12/6/2004

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