新型太阳能海水淡化装置CPC匹配研究

新型太阳能海水淡化装置CPC匹配研究张晓东(西北工业大学动力与能源学院,西安　100012)摘　要:提出一种全新的太阳能海水淡化与组合式空调系统模型,在研究原理样机海水淡化功能中淡水产量与海水喷淋量、海水喷淋温度关系的基础上,对与原理样机匹配的CPC太阳能集热器系统进行了优化设计。

得出了在设计条件下CPC太阳能集热器吸收体的最佳直径,为进一步的深入研究奠定了基础。

关键词:海水淡化　太阳能集热器　CPC1　引言由于陆地淡水资源的紧缺,海水淡化已经越来越为世界各沿海国家所重视。

常用的海水淡化方法如蒸馏法,离子交换法,电渗析法,反渗透膜法等,要消耗大量的电力和燃料。

太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。

目前常见的太阳能海水淡化系统以蒸馏法为主,也存在一定问题,如一般采用自然对流,热效率不高;水蒸气未被充分利用,造成能量损失等。

近年来,由于太阳能集热器技术的发展,集热器与常规海水淡化装置的联合运行是研究的热点。

科威特等国家已经做出了有益的尝试,但目前已有的装置普遍存在效率不高的问题。

本文提出了一种新型高效太阳能—空调—海水淡化复合装置的模型,论述了该系统的运行原理。

将太阳能作为该装置的主要热源,可以节约大量常规能源。

研究了淡水产量与海水喷淋量、海水喷淋温度的关系,进而对与海水淡化装置联合运行的CPC太阳能集热器系统进行了设计,取得了最大淡水产量下CPC太阳能集热器吸收体的最佳直径。

2　系统的组成及原理211　组成太阳能海水淡化与组合式空调系统由三大部件组成:CPC太阳能集热器,空调与海水淡化装置。

其中系统以CPC太阳能集热器作为海水淡化装置的主要热源,见图1。

由于本文主要研究基于该系统产水特性的CPC太阳能集热器设计,其空调-除湿功能在此不再赘述。

212　原理分析首先,被抽入CPC太阳能集热器的冷海水经CPC吸收太阳辐射加热后,流出的已是高温海水。

高温海水与回流热海水在高温混合室(5)混合后进入海水淡化装置,然后通过喷淋盘,均匀地喷淋到两级高效蒸发器(7)上。

由于高效蒸发器特殊的蜂窝结构,其表面积较大,因而热海水的蒸发面积很大。

风机(6)送入的高速气流经过高效蒸发器,将高温海水不断蒸发的水蒸气送入冷凝装置(8)。

水蒸气经蛇形管管壁与冷海水换热,在冷凝作用下,水蒸气液化为水滴。

水滴不断会聚,成股流下,收集可得到淡水。

因为高温水蒸气不能在一级冷凝装置中完全冷凝,我们将海水淡化装置设计成两级立式结构。

在风扇的作用下,未冷凝的水蒸气强制对流,进入下一级的高效蒸发器-冷凝器。

如此循环,充分利用了余热,大大提高了热效率。

喷淋到两级高效蒸发器未蒸发的热海水流出后被收集,然后导出海水淡化室。

为充分利用这部分海水的热量,我们将之导入空调的蒸发器中降温,然后流入海水淡化器的冷凝装置,在蛇形管中流过,与管外高温的水蒸气换热以使水蒸气冷凝,然后进入空调的冷凝器。

这部分的海水虽然低于流出太阳能集热器的海水温度,但由于水蒸气的换热和空调冷凝器的放热,温度还是比较高的。

使之流入混合室,与流出太阳能集热器的热海水混合,充分利用了余热。

整个系统主要以CPC太阳能集热器作为热源,可以极大的节约常规能源。

・53・图1　太阳能海水淡化与组合式空调系统3　系统的CPC 太阳能集热器匹配研究311　原理样机的海水淡化试验海水喷淋量和海水喷淋温度是影响淡水产量的重要因素,也是影响CPC 太阳能集热器阵列面积及吸收体直径的重要参数。

为对与该海水淡化装置匹配的CPC 太阳能集热器系统进行优化设计,必须研究原理样机海水淡化功能中淡水产量与海水喷淋量、海水喷淋温度的关系。

在西北工业大学空调制冷与太阳能应用研究所建立的原理样机试验台上进行了相关试验。

试验是在进口空气流量和温度以及相对湿度一定的情况下进行的,结果见图2和图3。

进口空气温度16℃　相对湿度016空气流量320kg/h 海水喷淋温度50℃图2　海水喷淋量对淡水产量的影响从图2可以看出,在其他试验条件不变的情况下,海水喷淋量的增加会使淡水产量逐渐增大,但淡水产量的增幅比较缓慢。

这是因为在其他条件不变的情况下,随着海水喷淋量的增加,湿空气渐趋饱和,故淡水产量增加比较缓慢。

从太阳能利用和对CPC 吸热体直径影响的角度考虑,在保证设计淡水产量的前提下,应减小海水的喷淋速度,保持在210kg/h 左右。

从图3可以看出,在其他试验条件不变的条件下,淡水产量随海水喷淋温度的升高逐渐增大,变化比较明显。

但是高于75℃以后,装置的淡水产量增幅趋于平稳。

这是因为海水喷淋温度继续升高,但在海水淡化系统的冷凝装置中是由空调蒸发器提供冷源来冷凝的,而空调蒸发器的制冷能力是有限的。

故淡水产量不能随海水喷淋温度升高而增加很多。

海水喷淋温度取80℃。

进口空气温度16℃　相对湿度016空气流量320kg/h 海水流量210kg/h图3　海水喷淋温度对淡水产量的影响312　CPC 系统的匹配设计在前面试验中,得到了以下最优值:海水流量在210kg/h,海水淡化装置入口海水温度在80℃。

在此基础上,对与海水淡化装置匹配的CPC 太阳能集热器系统进行最优设计。

CPC (W elf ord and W inst on,1978)是一种依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器。

与在线聚焦槽形抛物面集热器(PT C )相比,CPC 接收角较大,在运行时不需要太阳跟踪装置,结构简单、费用低。

复合抛物面型集热器(CPC )有如下主要优点:可以利用几乎所有可以接收到的太阳辐射,有较高的光效率;按照设计的吸收器中的水不会被太阳能加热得过热;结构简单,初期投资小,运行维护费用低。

CPC 的聚光比:C =D 1D 2=1sinθ(1)CPC 抛物线方程:y =14楋x 2=12D 2(1+sinθ)x 2(2)CPC 的截断高度:h =12(D 1+D 2)cot θ(3)CPC 型太阳能集热器的原理图见图4。

PR 段是圆柱管的渐开线,RQ 段是两段抛物线,它们将进入CPC 的光线反射到圆柱形吸收器上。

・63・图4　接收半角为θ的二维CPC 示意单个CPC 太阳能集热器的能量方程为:Q u =A F R [(ατ)・I t -U L (T i -T a )](4)单个CPC 太阳能集热器显然无法满足海水淡化系统的要求,为此,必须对CPC 进行串、并联组合优化,并对组合后的集热器热损失系数进行修正。

若CPC 太阳能集热器系统并联m 块、每块串连n 个CPC 太阳能集热器,CPC 太阳能集热器阵列的最优能量方程为:Q u m n =m ・C p [(ατ)′・I t -U L ′・(T i -T a )]{1-[1-m F R U L ′/(m ・C p )]n}/U L ′(5)其中:(ατ)′=(ατ)/[1+U d ・A o /(m ・C p )]。

修正后的集热器热损失系数为:U ′L =U L [1-U d ・A ′/(m ・C p )+2U d ・(A ′+A o )/(A ・F R ・U L )]/[1+U d ・A ′/(m ・C p )](6)CPC 太阳能集热器系统出口海水温度为:T o =T i +Q u m n /(m ・C p )　(7)根据公式(7),即可得出在一定太阳辐射量下,该CPC 太阳能集热器系统的出口水温。

系统的优化条件为:平均太阳辐射820W /m 2,CPC 太阳能集热器阵列入口海水温度15℃,由前面的试验结果,海水淡化装置的海水的喷淋速度应保持在210kg/h,海水淡化装置入口海水温度80℃。

由于本文只讨论CPC 太阳能集热器与海水淡化系统的联合运行,暂不考虑空调系统,故认为流出海水淡化系统的热海水不回流至高温混合室,即认为CPC 太阳能集热器阵列出口海水温度等于海水淡化装置的入口海水温度。

此时,根据:E =m ・C p Δt(8)可得系统需要的总热量为15925W 。

根据系统设计要求,可以建立以下约束条件:CPC 太阳能集热器系统收集的有用能大于等于系统需要的总热量,即Q ′u ≥15925W该CPC 太阳能集热器系统的出口水温大于80℃,即T o >80℃根据式(4)(5)(6),结合上面的约束条件所得的最优结果见下表:串联数并联数阵列面积/m 2阵列出口水温/℃F R U LCPC 真空管32420144831401970191 每个CPC 太阳能集热器面积为0116m 2。

CPC 吸收体采用常见的长度为116m 的真空管,CPC 入射光线进口口径为011m 。

设计要求接收半角θ等于32度,由式(1)可得,CPC 的聚光比等于1189,吸收体直径等于53mm 。

4　结论本文提出了一种太阳能海水淡化与组合式空调系统的模型,以太阳能作为海水淡化装置的主要热源,具有节能、环保、经济等诸多优点。

在建立的原理样机上进行了淡水产量与海水喷淋量、海水喷淋温度关系的试验。

试验表明,在试验条件下为取得较高的淡水产量,海水的喷淋速度应保持在210kg/h,海水淡化装置入口海水温度应保持在80℃。

在试验基础上,经过计算,取得了试验条件下CPC 太阳能集热器吸收体的最佳直径。

该原理样机中CPC 太阳能集热器与海水淡化装置联合运行后,为取得较高淡水产量,CPC 太阳能集热器吸热体直径应为53mm ,阵列面积为20144m 2,出口水温为8314℃。

CPC 太阳能集热器与空调-海水淡化装置联合运行的优化问题需要做进一步的试验研究。

参考文献1　张鹤飞1太阳能热利用原理与计算机模拟1西安:西北工业大学出版社,19902　安叙伦,解利昕121世纪的朝阳产业-海水淡化1给水排水,2001,27卷3　郑宏飞,太阳能海水淡化技术1自然杂志,2000,01期4　杨小凤,刘启香1CPC 太阳能中温热水系统集热器的匹配优化研究1太阳能学报,1990,第11卷,第四期5　W 1T 1W elf ord,R 1W inst on 1The Op tics of Noni m aging Concentrat ors 1Acade m ic Press,1978:84～956　B 1J 1Hung,J 1P 1Chyng 1Perfor mance characteristics of・73・integral type s olar-assisted heat pu mp1Solar Energy,2001, No16:403～4147　S1Malat o Rodriguez etc1Engineering of Solar Phot ocatalytic Collect ors1S olar Energy,2004,No15:513～524符号表:θ:接收半角;D1:入射光线进口口径,m;f:抛物线的焦距;D2:吸收体口径,m;Q u:CPC太阳能集热器有用能量,W;A:集热器面积,m2;F R:热迁移因子,无因次;C p:水的定压比热,J/kg・℃;U d:管道热损失系数,W/m2・℃;A o:集热器出口管道散热面积,m2;T i:集热器入口水温,℃;T a:环境温度,℃;T o:集热器出口水温,℃;m&:系统海水流量,kg/s;I t:到达集热器上的太阳辐射量,W/m2;U L:集热器的总热损失系数,W/m2・℃;A′:集热器单块面积,m2;U′L:修正后的集热器热损失系数,W/m2・℃;(ατ):集热器有效透过率与吸收率的乘积,无因次;・信息・日本开发出用于污水厂污泥快速堆肥技术 日本科学技术振兴机构最近开发出用污水处理厂的污泥进行短时间堆肥的技术,使得堆肥需要的发酵时间由以前的一个月缩短至一周左右。