摘 要:提出了太阳能烟囱海水淡化及热风发电综合系统。以天津地区的气候条件为准,估算出此系统每平方米集热棚面积可年产1•0kwh的电量和0•74t的淡水。对建立的小型冷凝实验验证系统中的冷空气风速、冷凝水产量及温度场进行了测量,给出了高浓度不凝气体—水蒸气间壁冷凝换热的水蒸气冷凝速率模型和理论风速计算公式,用来关联不凝气体浓度、温度等对冷凝换热的影响,为将来综合系统的优化提供理论依据。并根据实验数据对冷凝系统进行了初步设计。
关键词:太阳能烟囱;海水淡化;不凝气体冷凝
0 引 言
太阳能烟囱最初由德国斯图加特大学的j.schlaich教授于1978年提出[1],并于1982年在西班牙manzanares建成了世界上第一座太阳能烟囱发电站[2]。随后,许多国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系列研究[3~8]。但限于系统的热力学特性,其太阳能利用效率较低(不能超过1%)[4]。为了解决这个问题,相关学者提出了综合系统的概念,如引入温室植物种植,但由于高温不利于植物的生长、灌溉水资源缺乏等原因,植物的产量不高。针对目前的研究现状,本文提出了太阳能烟囱海水综合利用系统。系统首先利用海水蓄热保证昼夜运转,同时利用集热棚的温室效应和烟囱的拔风作用,强化海水蒸发过程,制备海盐;其次水蒸气在间壁冷凝换热装置中发生冷凝,制得淡水;最后吸收冷凝余热后的冷空气在烟囱的拔风作用下,形成强大上升气流,推动风力涡轮机发电。该综合系统在生产可再生能源电力的同时,缓解了目前淡水资源缺乏的问题,带动了地区经济发展。本文对综合系统进行了性能估算,并针对饱和湿热空气的冷凝换热情况进行了初步的实验研究。
1 综合系统的提出
本文所设计的太阳能烟囱海水综合利用系统简。50%~90%的太阳可见光可透过集热棚加热底部海水,必要时可在海水中加入多孔材料强化蒸发过程,升温后的海水与进入棚内[9]的空气间发生热量和质量传递,促使空气升温饱和。依靠集热棚的温室效应和烟囱的拔风效应,升温后的空气形成压力驱动,向集热棚中心、烟囱基部汇集;必要时可在烟囱底部与冷凝换热管束位于集热棚内的接口处加入调节阀门,借助烟囱拔风形成的强大气流,提高热空气的扩散速率。冷凝换热装置位于集热棚中心,烟囱下方。换热过程中,冷凝管上下管段的温差和烟囱的拔风作用,使得外部干冷空气不断被吸入管内,形成强大气流,充当冷凝介质。吸收冷凝余热后的干冷空气沿烟囱继续上升,将空气内能逐渐转变为动能,推动位于烟囱底部的风力涡轮机发电。冷凝水则经蓄水池收集作为淡水。同时,还可以利用海水的蒸发浓缩制取海盐产品,并在海水中进行盐水生物的养殖。
2 系统性能估算
为了预测综合系统的研究和实用价值,以天津地区的自然气候条件[11]为准,对系统的风力发电量和淡水产量进行了粗略的估算。估算过程中假设系统初始空气温度和海水温度一致,由于昼夜运转,故不考虑海水的蓄热。表1给出了估算所需的系统和气候数据。
2•1 淡水产量估算
系统有效吸收的太阳热能为:
qsun=1253ηcollacollg(1)吸收的太阳热能被用于空气的升温与增湿,据能量守恒定律得出在系统的最优化条件下,系统的最大冷凝水量等于313k饱和湿热空气冷凝为218k饱和湿热空气所失水分。mcond=mair(h1-h0,s)=qcondγ
qcond=mair(h1-h0,s)γ(3)联合上述3式,可求得系统最大淡水产量为0•74t•(m2•a)-1。
2•2 风力发电量估算
结合schlaich教授给出的30mw电站的计算示例和文献[4],给出风力发电功率:
wsys,max=827ρ1achu13ηwt(4)
其中,u1———烟囱入口处的风速,代表烟囱的拔风能力(见文献[4])。烟囱面积ach(假设系统没有阻力损失)为:ach=qhρ1u1cpairδt(5)假设系统冷凝换热过程中无热损。结合(2)式可得系统的最大冷凝换热量为:qh,max=mcoldair(i1,s-i0,s)-mcoldair(h1-h0,s)iwater=0•94qsun(6)
综上所述,给出风力发电功率与系统结构尺寸、冷空气物理性质的关系式:wsys,max=827ηwtρ0ghchqhcpairρ1t0(7)当系统处于最大的冷凝放热量,可忽略研究温度范围内物性参数变化时,近似认为系统的发电量仅取决于烟囱的高度;在hch=200m条件下,依据
(7)式可得系统的发电量为1•0kwh•(m2•a)-1。另外,根据(5)式可知,温差推动力与冷风速成正比,与烟囱尺寸成反比。
2•3 综合系统优势
与单目标系统相比,海水具有比土壤更好的蓄热作用,可将太阳照射充足时吸收的多余热量的阴雨天和夜间不断释放出来,使系统能连续性运作。综合系统可同时生产电能、淡水、海盐等多种产品,还可以利用集热棚的温室环境进行盐水生物的养殖,这些在很大程度上都提高了太阳能的综合利用效率,解决了单目标系统效率较低的问题,增强了市场竞争性。另外,系统还可以收集雨水,并利用雨水和外界自然风对集热棚进行冲洗清洁,以保持棚的集热性能。除了用于海水淡化外,此系统还可拓展用于非挥发性废水和污水的处理等。
3 系统性能的实验验证
3•1 实验装置
决定系统经济可行的主要因素是如何从饱和湿热空气中获取最大量的冷凝水分。建立了小型间壁冷凝系统实验装置,来考察饱和湿热空气冷凝过程,实验装置简图如图2所示。试验系统稳定运行过程中,水箱中的恒温热水不断蒸发进入箱内气体主体,同时加热空气。空气增湿升温后上升与内通冷空气的内管(镀锌铁,d=0•05m,l=3m)外壁接触,水蒸气冷凝析出液态水。冷凝放热后的空气由于密度增大而下降,继续同循环热水之间进行传热传质的交换,如此周而复始不断的进行加热—蒸发—冷凝的过程。测温铜电阻分别固定在混合气体主体、内管外壁、冷空气主体的不同段处测量系统的温度场分布情况,纵向测温点间距为0•5m。
实验过程中,通过控制不同的水浴温度来改变系统的温度条件;采用烟尘示踪法测量自然风条件下的风速;通过采用不同型号功率的风机来改变冷空气风速模拟烟囱的拔风效应,并用风速仪测量风速。
3•2 间壁冷凝换热理论分析
含有不凝气体的蒸汽[10]冷凝过程中,水蒸气分子以扩散方式通过不凝气体层时,只有显热传递而不发生冷凝。不凝气膜层的传热传质阻力与不凝气体的浓度成正比。在高浓度的不凝气体条件下,气膜阻力在冷凝换热阻力中占主导地位,故可以忽略液膜的阻力影响,其冷凝原理如图3所示。
本系统的冷凝属于饱和湿热空气的间壁冷凝换热,其冷却介质是干冷空气。根据空气—水蒸气的气体扩散理论,结合fick定律和peterson-schrock-kageyama模型[9],给出了系统水蒸气分子的冷凝速率理论模型公式:vcond=dδg[ln(xgi)-ln(xgb)] (8)其中,d———水蒸气分子在空气中的质扩散系数,可根据fuller关联式以及给定温度下的扩散系数求得;δg———有效气膜厚度,其值为δg=dsh,在本系统中,可认为混合气体在管隙中作层流流动,取sh=
4•364,则得δg值为1•1mm。根据理想气体状态方程可关联得出气液界面不凝气体摩尔含量xgi;在界面上的水蒸气所对应的分压力为液面温度所对应的饱和蒸汽压,且系统的总压力保持常压不变。混合气体主体的不凝气体摩尔含量xgb根据饱和绝对含湿量关联得出(设ti=tw,td=12(tb+ti))。据此可进一步求出mcond:mcond=10ρvaporvcond(9)风速也是系统理论分析中的一个重要参数。适当的改变风速可以在一定程度上提高系统的冷凝换热量;并且在系统其它条件不变的情况下,风速增大可以获得更高的发电量。根据哈根—泊稷叶公式和内管中冷空气与外界环境之间压差可计算得出冷空气风速。δp=12ρau2a+32uhuad2=12ρ∞ghta-t∞t∞(10)
3•3 实验结果与讨论
3•3•1 风速与温度场
风速与温度场都是影响水蒸气冷凝换热的重要因素,而两者之间也存在互相制约的关系。图4给出了各传热温差推动力与实验风速的关系曲线。由图4知系统的总径向传热推动力tb-ta与风速成正比关系,说明在烟囱高度一定的条件下,总径向温差的增大有利于加强烟囱的拔风能力;但是tb-ta增大的同时,局部径向温差推动力tb-tw却减小了,这将不利于水蒸气分子向气—液界面的传质,而不凝气膜层是传热传质的主要阻力,这就需要对烟囱高度与集热棚集热面积进行优化组合,以获得温度场和风速场的最佳搭配。7期王一平等:太阳能烟囱发电和海水淡化综合系统的初步研究将实验风速、理论风速与干冷空气轴向温差对比作图5,发现两者能较好的吻合,都与温差呈正比关系。在今后的研究中将在对系统进行优化的同时对理论公式进行进一步的细化,以便更准确的预测大型综合系统的风速。
3•3•2 水蒸气冷凝速率
据冷凝速率理论(8)、(9)式,求出mcond。使mcond与tb-ti及ln(xgi/xgb)分别作图6、图7,并与实验测量值进行对比。分析图6、图7知,对数浓度差与温差对冷凝水的作用关系基本一致,这一点可以从传热传质相似性理论得到验证。以图6为例进行分析,对数浓差与理论mcond为正增长趋势,这与水蒸气在不凝气中扩散的气体扩散理论相对应;但是实验ms与理论值偏离较大,说明水蒸气扩散速率与冷凝速率并不相等,还需要考虑其它因素的影响,如液膜等。这就需要在后续文章中将对实验系统的结构做进一步优化,对理论公式做出修正,如引入不凝气气膜层厚度变化、液膜层阻力等的影响,以求理论模型对系统冷凝水的情况做准确描述,为大型综合系统的设计优化提供理论依据。
3•3•3 冷凝系统的初步设计
参考系统性能估算部分,大型综合系统运转过程中,若假设集热棚的内外年平均温差为30k,则烟囱入口面积为16•2m2,单位时间需要冷凝下来的水量为3•49kg•s-1。以第三组实验测得的冷凝能力0•037g•(k•m2•s)-1为基础,对综合系统所需冷凝系统进行设计:采用直径为0•5m,高为4m的冷凝管,并加入强化传热附属结构,如翅片或纵向圆肋等,可以强化系统冷凝换热能力,优化后系统所需冷凝换热面积为315m2,冷凝管束所占面积仅为10m2。设计安装时,冷凝管束按照一定的顺序和间隔排列后,可以很好的满足烟囱直径的要求。
4 结 论
本文提出了太阳能烟囱海水淡化及热风发电综合利用系统,以改善单目标发电系统的能源利用率低的问题。预计系统每平方米集热棚面积可年产1•0kwh和0•74t的淡水,大大缩短了投资回收期,缓解了环境恶化的压力,还可进行盐类、盐水生物和雨水等附加产品的生产,具有更大的开发利用优势。对不凝气体—水蒸气的间壁冷凝换热机理进行了理论和实验研究。在理论分析中,根据气体扩散理论和不凝气体的浓度提出了水蒸气的冷凝速率模型,并给出了风速计算公式。结合实验数据分析了系统的实验条件,如风速、温度场、不凝气体浓度等对获得系统既定目标的影响。最后给出了冷凝系统的初步结构参数,从而在一定程度上验证了本综合系统的技术可行性符号
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