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1、太阳能蒸馏海水淡化技术回顾摘要：回顾了太阳能蒸馏海水淡化技术的发展历程。针对最古老的盘式蒸馏器产水量较低的 问题，各国学者不断改进设计，提出了许多效率较高的太阳能蒸馏器。本文对各种装置的工 作过程以及产水能力进行了简单的介绍，分析总结了包括太阳辐照、海水温度、海水与凝结 面温差、海水热容量、环境温度和风速等影响产水量的各种因素，得出结论认为应采用反射 镜等措施改变太阳辐照的方向以增强装置换热面布置的灵活性，多次利用蒸汽凝结潜热，减 小海水热容量以提高太阳能蒸馏器的产水能力和热利用效率。关键字：太阳能蒸馏；海水淡化；产水量；影响因素1. 引言随着世界人口的增长以及工农业发展速度的加快，人类对于淡
2、水的需求越来 越大，然而可供人类直接使用的淡水量却很小，并且分布极不均衡，98.8%的淡 水被冻结在地球的南北两极和高寒地带的冰川之中，存在于河流、湖泊和地下水 等可直接利用的淡水已不足地球上淡水总量的 0.36%，而与此相对的海水储量却 占据着地球上总水量的 97%以上（1）。因此，发展海水淡化技术已成为解决淡水 问题的主要选择。目前已经成熟应用的海水淡化技术主要有多级闪蒸法（MSF）, 多效蒸馏法（MED）以及反渗透法（R0）等。这三种技术装机容量大，产水量 高，适用于大型或超大型化海水淡化基地。然而，对于偏远地区，人烟稀少，动 力缺乏，没有能力也没有必要发展大型海水淡化基地。凑巧的是，在
3、这些偏远缺 水地区，往往太阳能资源相当丰富，非常适宜于发展小型化分布式海水淡化技术。 因此，结构简单、成本低廉的太阳能蒸馏器应运而生。太阳能蒸馏海水淡化技术 一直备受关注，广大学者对其进行了大量的研究，致力于提高装置的产水量和热 利用效率，发展各种蒸馏装置的传热传质理论分析模型为优化设计提供理论基 础。2. 蒸馏装置的发展历程自 19 世纪 70 年代，世界上第一台太阳能蒸馏器出现之后，这种形式简单的 海水淡化装置一直备受关注。如图1 （a）所示，装置上部的太阳辐射，大部分 透过玻璃盖板被底面深色涂料吸收转化为热，用于加热储存在盆底的薄海水层， 使其温度升高并部分海水蒸发，水蒸气与空气混合形成
4、饱和湿空气上升，湿空气 中的水蒸汽在玻璃顶盖上凝结成淡水后滑落至玻璃盖低端的淡水收集槽中，完成 海水淡化过程。这种蒸馏器结构简单，制作、运行和维护都比较方便，产水量相对较低。根据Tayeb (2)的实验结果，蒸发面积0.24m2、冷凝面积0.267m2，典 型的天气条件下(图1 (a)所示装置)日产水量313ml，日平均效率21.8%。在 同一篇文章中(2)，他还公布了另外几种蒸发面积相同玻璃顶盖形状不同的蒸馏 器的运行情况，有半球形图1 (b),双层半球形图1 (c)以及弓球形图1 (d)的，其日产水量分别为258ml、286ml、206ml (2)。基于这种最简单的盘式蒸馏 器，各国学者为
5、了提高日产水量以及日平均效率，对装置进行了不断的改进。(a)(b)图1不同顶盖的盘式蒸馏器(2)2.1增加太阳辐照吸收面积或改变辐照方向太阳能蒸馏器的驱动力来自太阳的辐射，增加采光面积可以在相同的时间内 接受更多的辐射，然而也不可避免的增加了装置的容量，文献(3)(如图2)在 不改变装置容量的同时，依靠安装内部反射镜以及外部竖直平面反射镜来增加盆 底受热面单位面积的辐照量，在相同的时间内提供更多的热量。内部反射镜在一 年四季都能提高装置的产水量，尤其在冬季太阳高度角很低时，改进以后的装置 产水量可提高70%-100%；外部竖直反射镜在春秋两季能较高的提高淡水产量， 但其安装角度若能随月份的改变
6、而改变，则在一年四季中对于产水量的提高都有 显著的效果(4)。文献(5)提出采用热管集热器结合一定数量垂直平行板的太阳能蒸馏装置， 并对其进行了理论分析计算，理论日产水量在日照辐射为22.4MJ/m2时高达21.8kg/m2。几年后，Hiroshi Tanaka将理论付诸实验，在文献(6)中公布了实验 结果，作者将采光面完全由平面反射镜来承担，通过平面反射镜改变太阳的辐照 方向，将传统的水平受热面改为竖直受热面，通过巧妙的设计实现多效蒸馏，无 论产水量还是热效率都大大的提高。每一面竖壁都同时充当冷凝面和蒸发面，由 平面反射镜反射的太阳辐照落在第一面竖壁上，竖壁另一侧上的海水膜吸收热量 发生蒸发
7、，产生的蒸汽在第二面竖壁上凝结成淡水，淡水在重力作用下滑落至底 部的淡水收集槽中，而蒸汽在凝结过程释放的潜热却被竖壁另一侧的海水膜吸 收，促使其蒸发，如此依次将能量传递至最后一面竖壁，实现能量的多效利用。 每一面竖壁充当能量利用的一效。在水平面太阳日辐照量13.4MJ/m2，玻璃日辐 照量20.2MJ/m2，每效间隔5mm时，日产水量最高可达13.4kg/m2。Feeding limc wmniriunGh 胖 nw er -First partitionKcilectnr/Disrillar Brine toA W ick 卩伽观图2带外部反射镜的蒸馏器（3）图4带反射镜的多效蒸馏器（6）F
8、M燧 saline waler Eli wicksSplint忙自忆tClnpec um&tiTi丄 pifw -b l酥:血叫Lubi-So hr collatory肝萨1Llsortilicn LilcCofitknatton ef cl hartal (Rekase otlMfiUlKai) 牡口讥rmd 丫&皿山“l!l. hurtlieF hrapa砒kn uf 怙曲汕fl图3结合热管的多效蒸馏器（5）2.2在流动中加热海水正如我们所知，太阳辐射相当稀薄，仅仅靠增加采光面积来提高产水量并不 是最佳选择。在热法海水淡化过程中，我们靠促使海水蒸发来达到盐水分离的目 的，换句话说，我们希望
9、消耗少量热量的同时产生最多的蒸汽，从而能收集最多 的淡水。因此，学者们通过减小海水热容量来促进海水蒸发而不是将吸收的热量 储藏在海水的显热当中。B.Janarthanan （7）等设计了如图5所示的倾斜式带芯海水流动型太阳能蒸 馏器（floating cum titled-wick type solar still），海水在吸液芯的毛细作用下缓慢流经倾斜面，由于吸液芯的存在，海水在倾斜面上保持为较薄的液膜，由于液膜具 有更小的热容量，所以更加容易蒸发，另外由于在玻璃顶盖上也有冷海水流动, 降低了玻璃温度，增强了蒸汽凝结效果，淡水产量有所提高。图5倾斜式带芯海水流动型蒸馏器(7)Farshad
10、Farshchi Tabrizi(8)等设计了如图6所示级联太阳能蒸馏器(cascade solar still)，给水进入蒸馏器后依次沿着阶梯往下流，每一级阶梯水平和竖直壁 上涂有吸收性材料吸收太阳辐照，当海水流经阶梯时吸收热量，温度升高，并部 分蒸发。这种设计增加了日照辐射的吸收面积，在每级阶梯上总是一层相对较薄 的海水，减小了海水的热容量，促进了海水的蒸发。由于海水处于流动状态，也 减少了结垢的可能性。Feed WalerGlass. CoverCondensed water dropletsDistilled基于减小海水热容量，促进海水蒸发的思想，文献（9）提出改进给水方式, 反复利用
11、蒸汽潜热，并通过建立理论模型进行计算，结果显示有较高的产水量。2.3实现热回收从上述装置我们可以发现一个共同的特点，所有海水只流经蒸馏器一次，这 样带来的后果是那部分未被蒸发的咸水流出装置时同时把热量也带走了，造成了 大量的浪费。因此，许多学者引进循环回路以提高热量利用率。另外当引入循环 驱动力时，可以与许多集热器耦合在一起大大增加采光面积，进一步的改善了装 置的工作效率。Bhagwan Prasad和GN.Tiwari（lO）将槽式聚光集热器与双层盘式蒸馏器相结 合，使海水在进入蒸馏器之前有一个预热过程，同时底层蒸馏器凝结时释放的潜 热被上一层的海水吸收，回收了凝结潜热，产水量最高可达每小时
12、约1.9kg/m2。 Ali.A.Badran （11）等将盘式蒸馏器与平板集热器结合起来（图8）组成循环回路, 淡水产量大为提高，给水箱中冷海水经恒热箱流入平板集热器中，在平板集热器 中被加热，然后进入蒸馏器中，较高温度的海水在蒸馏器中部分蒸发，蒸汽上升 至玻璃顶盖上凝结，当蒸馏器内液位较高时，热海水又排出与恒热箱中流出的冷 海水混合进入平板集热器，如此不断循环。与常规蒸馏器相比，淡水产量提高了 52%,但是热效率却下降了。同类型引入循环回路进行热回收的还有（12）、（13）， 都较大的提高了产水能力。文献（14）虽然没有引进循环，却回收了蒸汽潜热。图7与槽式集热器结合的主动式蒸馏器（10）
13、1.?.i.1.5.:.7.:.10.11.11：Id.7h.i7 :- -._ Gi-.iiiU i十：: wiT：th10We.：- ，5 pc dLLi.ibt/ pl-iLe | iondcnEing ( jwcr Ihcvr irwlli三 cclleiLii:;:u=hEncosure frameVvrL； ：i Lijk:-11iV/ .IlT.+ l i I v.i r.Wa:- rczircnlttiiih： p:二pHo?/ tx-b 爺 Cre2ircultin=卞 its Sclzjr.jdhJiii.j 中工二_：.-ill _n iiii valvr. i ：nk.
14、t yc，tt -lov; rr .t -.r (ir ，寸 vztcr) Tlie?0 2O；pk Cthik decs)图9倾斜式热回收主动式蒸馏器（12）LGlass Cou&r剧阿CoverAngle of 4SAngle af 45EinWitr厂input drainageBlhWAtrInsulationInsulationLinerHeat FtessrvairLinerHeat Ftessrvair厂input drainage8 cm8 cmOutput drainagoOutput drainago cmficm图12以沙子为储热介质的蒸馏器（17）2.4增加储热措施利用
15、太阳能进行海水淡化，最大的局限性在于装置只有在有太阳时才能工 作，因此，许多学者希望能将太阳充足时没有完全消耗的能量储存起来，等太阳 辐照减弱或完全消失时再将储存的能量释放，保证蒸馏器能日夜连续产水。K.Voropoulos（15）等设计了图10所示的蒸馏装置，与传统的盘式蒸馏器相 比，增加了吸收辐照面积以及储热水箱，使得蒸馏器能在太阳辐照量较小或完全 没有时也能工作。在相同的辐照量下，与没有储热水箱的蒸馏器相比，淡水产量 平均增加了近100%，在辐射量20.5MJ/m2时，引入储热水箱可使最高淡水产量 每小时达4.4kg。A.A.El-Sebaii（16）等在蒸馏器底部加入熔点较低的相变材料进行储热来实 现蒸馏器连续工作。在晴朗的夏季加入相变材料时，产水量可达到9.005kg/m2, 同样的条件没有相变材料时产水量为4.998kg/m2。同类型的还有（17）,在蒸馏 器的底部加入沙子作为储热介质，日产水量约为3kg/m2。3. 淡水产量的影响因素对于一套太阳能蒸馏海水淡化装置，在
