一体化中高温太阳能多效回热式海水淡化系统的基础研究

The solar collector and the evaporating/condensing equipment are separated in the traditional solar collector assisted seawater desalination equipment and it only works as a heat source. Meanwhile, the solar collector assisted seawater desalination equipment has to apply the vacuum pump to keep the system working at low pressure conditions due to that the solar heat source is at a temperature below 100 ℃. This results in the costliness, a large volume and a low cost performance for the whole system. In the present study, a high temperature solar collector is developed. The operating temperature of the seawater in the system is largely higher than the saturated temperature at the atmospheric pressure (100 ℃), so a highly effective multi-section heat recovery of seawater desalination at high and atmospheric pressures can be carried out. This is similar with that at low pressures, but needs no vacuum pump and only needs some pressure-controlling valves. On the other hand, the present study proposes a novel design that combines the solar collector and the evaporating/condensing system together and hence reducing the cost and the occupied space. In the glass tubes of an evacuated tubular solar collector, the seawater evaporating and vapor condensing heat exchanging tubes are installed together. All heating and cooling processes will be carried out in the glass tubes.

本课题将太阳能中高温集热技术用于太阳能海水淡化，设计出一种一体化高温多级回热式的真空玻璃管太阳能海水淡化装置。集热器、冷凝器和回热器都安装在玻璃集热管内组成一体化结构。整个系统由5级带简化型CPC集热板的全玻璃真空集热管集热/冷凝一体化换热器和一级海水冷却蒸发池组成。集热器内海水温度超过100度，在中压和常压下利用系统各级工作温度的不同而进行多效蒸发和冷凝换热，逐级加热海水和冷却水蒸汽从而提高太阳能的利用率。本装置舍弃维持系统低压运行的真空泵，系统在正压下运行；将太阳能集热器和海水蒸发/冷凝装置合为一体，增强了对热量的利用效率；整个装置无运动部件，被动式运行，是一种全新的设计理想。同时，针对该装置的流动和换热特点，对玻璃集热管和套管式冷凝/回热管内的气液两相流的流动与蒸发/冷凝换热进行系统实验测定和整理，获得流型图，压力降以及换热特性规律，获得套管流路中的两相流压力降以及换热特性预示公式。

本研究提出一种新颖的小型集约化的中温集热多级回热式真空玻璃管太阳能海水淡化装置，将常规太阳能真空管集热器和蒸发/冷凝装置合为一体；装置在正压和常压下运行，省去真空泵，只需要一些压力控制阀；利用系统各级工作温度的不同逐级降温回热来加强蒸汽的气化潜热的回收利用，提高回热效率，从而达到简化结构、提高制水率和能量利用率的目的。本研究完成了小型原理型装置和实用型装置2个阶段的系统设计优化、安装加工，和3年的运行试验，发现试验系统各项性能指标都达到设计要求，为进一步的研究开发提供了设计参考和基本实验数据。 项目按计划研制和实验运行了海水淡化器样机和实用性装置样机，实际设计开放了3代装置,第一代是原理机,确认了机理和技术路线的可靠性.第二代是实用型装置,进行了2年连续实验运行,确认了装置的实用性和先进性.第三代是降低成本的商用化样机,目前正在进行运行实验.研究对各种类型的装置都进行了试验运行和数值模拟两方面工作,能够为实际设计提供计算工具.对各类用于太阳能中高温集热的集热器和换热器进行了单元研究，提出了一些创新思路，并进行了实际制作和实验，为实际应用打开技术通道。本项目的第2代海水淡化系统性能优良：单位水平集热面积的制水量最高可达到1.5kg/(h•m2) 左右，系统制水性能系数最大达到3.4左右，集热功率的试验值最高可达2300W左右，单元集热效率的试验值最高可达0.38左右，综合功率的试验值最高可达7880W左右，综合效率的试验值最高可达1.5左右，且能保持较长的时间。在所有太阳能小型海水淡化装置中保持领先水平。尤其是运行不需要电力消耗，实际运行效益应该远大于现有装置。本项目也得到企业界关注,我们和江苏桑夏太阳能产业股份公司达成合作,共同继续开发本项目,降低成本,增强寿命,提高运行可靠性,简化操作维护,达到商品化用途,争取能够投放市场,产生经济效益.