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1、新型太阳能海水淡化装置CPC匹配研究1 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,
2、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
3、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
4、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
5、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。 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
6、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。 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
7、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℃。 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(WelfordandWinston,1978)是一种依
8、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(PTC)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
