陳 馳,陳大偉
(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)
海灣地區(qū)冷凝器取水工程參數(shù)研究
陳 馳,陳大偉
(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)
水資源的日益短缺影響著人類的生存,制約了人類世界的發(fā)展。露水取水作為一種無污染、高效節(jié)能的取水方式,其可行性及優(yōu)越性很早就被人們所發(fā)掘。由于海灣地區(qū)有著相對(duì)較高的溫度和濕度,因此被選為露水取水研究的主要地區(qū)。基于海灣地區(qū)的特定條件,利用工程方程求解軟件EES,首先確定了在氣象條件為濕度RH=90%、風(fēng)速v=8 m/s,冷凝器截面面積A=100 m2時(shí)冷凝器會(huì)產(chǎn)生最大冷凝率;然后在供應(yīng)最少電力條件下確定出了最優(yōu)冷凝器尺寸為直徑D=1 m、 傳熱系數(shù)U=1.6、彎部數(shù)量N=50和表面面積S=1 800 m2。該研究成果對(duì)海灣地區(qū)冷凝器露水取水有一定的參考意義。
露水取水;海灣地區(qū);冷凝率;工程參數(shù);求解軟件EES
水資源是地球的生命之源。近年來,水資源卻面臨著嚴(yán)重短缺的問題。Leitner等[1]研究表明,水資源的短缺影響到88個(gè)發(fā)展中國家,其總?cè)丝谡际澜缛丝诘囊话?,在這些水資源短缺的地方,80%~90%的疾病和30%的死亡是由水質(zhì)環(huán)境差導(dǎo)致的[2]。世界各國政府都開始關(guān)注這一迫在眉睫的危機(jī),并且意識(shí)到未來發(fā)展的和平與繁榮與清潔可用的水密切相關(guān)。
露水取水的起源至少可以追溯到古希臘時(shí)代,當(dāng)時(shí)奧多西亞利的一部分供應(yīng)水就依賴于露水收集設(shè)備[3]。然而,一個(gè)地區(qū)是否適合露水取水受到幾個(gè)條件的影響:首先需要一個(gè)大量吸熱的介質(zhì),例如,深層海水;其次,高濕度的空氣也是主導(dǎo)因素;最后是相對(duì)較高的環(huán)境溫度。由于環(huán)境溫度和空氣濕度相對(duì)較高,海灣地區(qū)成為露水取水的理想地區(qū)。本文采用工程方程求解軟件EES(engineering equation solver)進(jìn)行研究,首先根據(jù)最大淡水產(chǎn)量確定最佳天氣條件,然后根據(jù)最少的電力供應(yīng)推斷出最優(yōu)冷凝器的尺寸。
海灣地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)取自當(dāng)?shù)氐臍庀笳?,氣象?shù)據(jù)的收集區(qū)域?yàn)樯程匕⒗难睾3鞘羞_(dá)曼和阿聯(lián)酋的迪拜。氣象數(shù)據(jù)是2個(gè)地區(qū)2005年至2010年這5 a的平均值,收集到的氣象數(shù)據(jù)見圖1和圖2[4]。
圖1 達(dá)曼氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data of Dammam
圖2 迪拜氣象數(shù)據(jù)Fig.2 Meteorological data of Dubai
氣象數(shù)據(jù)的總結(jié)如表1所示。根據(jù)研究,海灣地區(qū)的最低水溫一般在17 ℃左右。此外,由于冷凝器位于近海,相對(duì)濕度會(huì)高于數(shù)據(jù)記錄。因此,對(duì)于海灣地區(qū),推斷出來氣象條件的范圍如表2所示。由于低溫水可以增加熱交換率和冷凝率,所以在海灣地區(qū)應(yīng)該通過設(shè)置深入海洋的管道來利用17 ℃的低溫海水。
表1 所選城市氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data of selected cities
表2 海灣地區(qū)氣象條件Table 2 Meteorological condition of the gulf region
表3 空氣參數(shù)最優(yōu)條件下各參數(shù)取值Table 3 Parameter values under optimal air condition
表4 各參數(shù)對(duì)冷凝率的影響Table 4 Influence of each parameter on condensation rate
3.1 EES介紹
EES提供的基本功能是一組代數(shù)方程的解決方法。EES也可以解微分方程和復(fù)雜變量的方程,可以使其優(yōu)化,提供線性和非線性回歸,簡化不確定性分析[5]。
3.2 試驗(yàn)過程
冷凝率大小是由空氣進(jìn)口溫度(Tai)、空氣出口溫度(Tao)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(v)和冷凝器截面面積(A)決定的[6]。應(yīng)該指出,冷凝器橫截面面積的區(qū)域垂直于風(fēng)向。在現(xiàn)實(shí)中,隨著風(fēng)向的變化,冷凝器截面面積將從0(平行)到A(垂直)。
首先,保持冷凝器大小固定,改變?nèi)我庖粋€(gè)參數(shù)(Tai,Tao,RH,v,A),基于表2調(diào)查不同的氣象條件下冷凝率的變化趨勢(shì),其余4個(gè)變量應(yīng)該設(shè)置為定值,如表3所示。試驗(yàn)分為4組,結(jié)果如表4所示。應(yīng)該注意的是,由EES得到的結(jié)果表明進(jìn)出口空氣溫差不應(yīng)太大,一般來說<3 ℃。因此,第4組空氣出口溫度設(shè)置為9~38 ℃。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
第1組的結(jié)果表明,冷凝器的冷凝率隨著截面面積增加而線性增加。因此,為了提高冷凝率,冷凝器的截面面積應(yīng)盡可能大,即100 m2。除此之外,在現(xiàn)實(shí)中,冷凝器應(yīng)該面對(duì)盛行風(fēng)的方向,確保以最大的區(qū)域捕捉風(fēng)。
第2組的結(jié)果顯示,冷凝率隨著相對(duì)濕度的變大線性增長。理論上講,相對(duì)濕度越高,越多的水分將被去除。因此,為了達(dá)到較高的冷凝率,冷凝器設(shè)置應(yīng)盡可能靠近大海。除此之外,在現(xiàn)實(shí)中,由于比較高的相對(duì)濕度,在雨天和夏日冷凝器將產(chǎn)生更多的飲用水。
第3組的結(jié)果表明,冷凝率隨著風(fēng)速的增加而增加。高風(fēng)速帶來豐富的水分凝結(jié)過程,海邊有相對(duì)快速的風(fēng)速是它的優(yōu)越性所在?,F(xiàn)實(shí)中,與風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)相似的是,當(dāng)設(shè)置冷凝器之間的分離距離時(shí)應(yīng)該確保避免影響生產(chǎn)風(fēng)速的變化。
第4組的結(jié)果表明,冷凝率隨著空氣進(jìn)口溫度的增加而增加。也就是說,夏季比冬季產(chǎn)生的水量要多。總而言之,最優(yōu)的參數(shù)取值可以推斷為RH=90%,v=8 m/s,A=100 m2。由于這些變量的增加,都會(huì)使冷凝率增加。
通過設(shè)置這些變量的邊界條件,根據(jù)EES的計(jì)算結(jié)果得出了最大冷凝率是當(dāng)RH=90%,A=100 m2,v=8 m/s時(shí)。應(yīng)該注意的是,雖然解決了最大的水產(chǎn)量所需的最優(yōu)條件,但1 a內(nèi)只有幾天能夠滿足這一條件,其它則是以實(shí)現(xiàn)在海灣地區(qū)無論有多大冷凝器都能保證最大水生產(chǎn)為目的。
表5 確定最優(yōu)冷凝管尺寸各參數(shù)設(shè)置范圍取值Table 5 Range of each parameter for determining the optimum condensation size
表6 各參數(shù)對(duì)總抽運(yùn)功率的影響Table 6 Influence of each parameter on total pumping power
4.1 試驗(yàn)過程
管道中壓力損失由3部分組成:直截面摩擦引起的壓力損失、彎部壓力損失和提供水流的壓力。在探索水凝結(jié)的最佳條件之后,冷凝過程所需總抽運(yùn)功率應(yīng)該最小化。冷凝過程中頂部壓力及壓力損失需要由總抽運(yùn)功率提供。與此同時(shí),由于冷凝器是位于水位平面,頂部壓力可以忽略。
功率需求量是由管直徑(D)、管道彎部的數(shù)量(N)、冷凝器的總表面積(S)和冷凝器的傳熱系數(shù)(U)決定的[7],這4個(gè)變量相互獨(dú)立。為了找到最小的功率要求的4個(gè)變量范圍,應(yīng)該首先確定總抽運(yùn)功率的變化趨勢(shì);另外,其余3個(gè)變量應(yīng)該設(shè)置為一個(gè)基本值來保證其單因素對(duì)功率的影響。一般來說,冷凝器用于國家的淡水生產(chǎn),所以冷凝器的大小應(yīng)該足夠大。更重要的是,要設(shè)置一系列的冷凝管來保證生產(chǎn)充足的水。根據(jù)有關(guān)的其他科學(xué)家以前做的試驗(yàn),確定最優(yōu)冷凝管尺寸時(shí)各參數(shù)取值范圍見表5[8-9]。試驗(yàn)分為4組,結(jié)果如表6所示。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
第1組結(jié)果表明總抽運(yùn)功率隨著管直徑的增加減少。應(yīng)該注意的是,當(dāng)管直徑為0.8~1.0 m時(shí),抽運(yùn)功率的減少非常小。然而,為了最大程度上減少抽運(yùn)功率,管直徑應(yīng)盡可能大。另一方面,如果直徑太大,管中水流速度將會(huì)非常小,被水吸收的熱量不能及時(shí)去除。考慮到這一事實(shí),直徑應(yīng)限制在一定的范圍內(nèi)。在本組試驗(yàn)中直徑限制為1 m可以滿足從空氣去除足夠的熱量。
第2組結(jié)果表明總抽運(yùn)功率隨著管道彎部數(shù)量的增加線性增加。大量的彎部將導(dǎo)致大量壓降,為了降低抽運(yùn)功率,管道彎部應(yīng)該保持小的數(shù)量。
第3組結(jié)果顯示總抽運(yùn)功率隨著冷凝器總表面積的增加而增加。理論上說,大表面積將導(dǎo)致水流大量摩擦壓力損失,所以冷凝器的表面積需要滿足抽運(yùn)功率最小化的要求。
最后,第4組結(jié)果顯示,當(dāng)U<1.2 kW/(m2·℃)時(shí)總抽運(yùn)功率隨U增加而下降很快。傳熱系數(shù)取決于介質(zhì)的熱性能,其流動(dòng)的水動(dòng)力特征、水動(dòng)力和熱邊界條件,如流速度、液層厚度、質(zhì)量流率和清潔的表面。因此,當(dāng)求解最小抽運(yùn)功率時(shí),傳熱系數(shù)的值在1.2~2.0之間??傊?滿足最低抽運(yùn)功率要求的參數(shù)取值可以認(rèn)為是D=1 m,U=1.5 kW/(m2·℃),N=50和S=500 m2。
通過設(shè)置之前解決的最佳氣象條件和這些變量的邊界條件,EES解出了最低抽運(yùn)功率的要求,即D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50和S=1 800 m2。該最優(yōu)冷凝器尺寸適用于一般情況,在以后研究中,各參數(shù)取值D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50和S=1 800 m2將被設(shè)定為基本值。
以阿聯(lián)酋地區(qū)為例來考慮淡水供應(yīng)量。阿聯(lián)酋環(huán)境部門報(bào)告顯示,2014年阿聯(lián)酋水資源總需求量達(dá)44萬m3,其中40%需要淡水供應(yīng)。假設(shè)這些水資源來源于便攜式水供應(yīng),則阿聯(lián)酋每年需要約17萬m3純凈水產(chǎn)量。假設(shè)有50 000個(gè)冷凝器同時(shí)工作,當(dāng)冷凝率為0.57 kg/s時(shí)能滿足約50%的淡水供應(yīng)。
由于是在海灣地區(qū),相對(duì)濕度RH=50%,風(fēng)速v=5 m/s的氣象條件占大多數(shù)。正如之前所討論的,我們所設(shè)計(jì)的冷凝器最優(yōu)參數(shù)取值為為D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50,S=1 800 m2,A=100 m2。我們將討論在這些工程參數(shù)及氣象條件下,冷凝率為0.57 kg/s時(shí)所需的最低空氣溫度。
如表1所示,迪拜的空氣溫度范圍是15~39 ℃,通常情況下超過20 ℃。因此,在計(jì)算中進(jìn)口溫度首先被設(shè)置為20~38 ℃,而出口溫度則相對(duì)低一點(diǎn),設(shè)置為19~37 ℃。計(jì)算結(jié)果如表7所示。
表7 不同進(jìn)出口溫度條件下冷凝率計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculated results of condensation rate under different air temperatures at inlet and outlet
從計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)進(jìn)出口溫度過低時(shí),冷凝器的冷凝率是小于基本值的。當(dāng)進(jìn)口溫度達(dá)到24 ℃,出口溫度達(dá)到23 ℃時(shí),能夠滿足基于迪拜特定條件下所要求的冷凝率,即0.57 kg/s。
(1) 露水取水作為一種無污染、高效節(jié)能的取水方式,已經(jīng)被證實(shí)在海灣地區(qū)供應(yīng)淡水是可行的。本文通過工程方程求解器EES首先解決了生產(chǎn)最大水產(chǎn)量的氣象條件是RH=90%,A=100 m2,v=8 m/s;然后基于最優(yōu)氣象條件,在電力供應(yīng)最小的情況下確定了最優(yōu)冷凝管尺寸D=1 m,U=1.6 kW/(m2·℃),N=50;最后確定了滿足當(dāng)?shù)氐枨罅克柽_(dá)到的冷凝率為0.57 kg/s;以及最低溫度條件Tai=24 ℃,Tao=23 ℃。
(2) 冷凝率隨著冷凝器截面面積、相對(duì)濕度,風(fēng)速和溫度的增加而增加。也就是說氣象條件在優(yōu)于RH=50%,v=5 m/s,進(jìn)口溫度為24 ℃時(shí),冷凝率會(huì)>0.57 kg/s。正如之前所討論的,在阿聯(lián)酋地區(qū),大多數(shù)時(shí)的氣象條件都優(yōu)于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。所以我們可以認(rèn)為冷凝率為0.57 kg/s時(shí)可以滿足阿聯(lián)酋地區(qū)每年50%的淡水供應(yīng)。
(3) 我國是人均水資源最為匱乏的國家之一,因此,對(duì)于淡水資源的開發(fā)顯得尤為重要。冷凝器淡水取水技術(shù)目前在國外很多海灣地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,而在我國暫時(shí)還沒有對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)的可行性研究。本文的研究成果對(duì)我國相似氣候條件地區(qū)的淡水開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。
[1] LEINER B. Grundlagen Statistischer Methoden[M]. Germany: Oldenbourg Wissenschafts Verlag, 1995.
[2] RAJVANSHI A K.Large Scale Dew Collection as A Source of Fresh Water Supply[J]. Desalination, 1981, 36(3):299-306.
[3]NIKOLAYEV V S,BEYSENS D,GIODA A,etal.Water Recovery from Dew[J].Journal of Hydrology,1996,182(1/4):19-35.
[4] 王廷祥.大氣冷凝水化學(xué)特性研究[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2010.
[5]WAHLGREN R V. Atmospheric Water Vapor Processor Designs for Potable Water Production: A Review[J]. Water Research, 2001,35(1):1-22.
[6] 鄭偉業(yè).蒸發(fā)式冷卻器傳熱傳質(zhì)的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].上海:華東理工大學(xué),2012.
[7] 朱冬生,沈家龍.蒸發(fā)式冷凝器性能研究及強(qiáng)化[J].制冷學(xué)報(bào),2006,27(3):45-49.
[8] SWIFT S A, BOWER A S. Formation and Circulation of Dense Water in the Persian/Arabian Gulf[J].Journal of Geophysical Research Oceans, 2003, 108(S1):1-21.
[9] 鄭 靜,閻昌琪.核動(dòng)力裝置冷凝器體積的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù),2011,45(1):60-65.
(編輯:王 慰)
Engineering Parameters of Dew Water Collectionby Condenser in Gulf Region
CHEN Chi,CHEN Da-wei
(School of River & Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)
Growing shortage of water resources threatens the survival and development of mankind. Dew water collection, as an approach of water collection with high efficiency and energy saving performance yet no pollution, hasbeen used for a long time due to its feasibility and superiority. Gulf region is a main study area for dew water collection because of its high temperature and humidity. According to features of the gulf region and in association with EES(engineering equation solver) software, the maximum condensation rate is determined under meteorological conditions of relative humidity(RH) 90%, wind speed (v) 8 m/s, and condenser’s sectional area (A) 100 m2. The optimum values of parameters of condenser under minimum power supply are also obtained as follows: condenser diameter (D) 1 m, heat transfer coefficient (U) 1.6, elbow number (N) 50, and superficial area (S) 1 800 m2. The research results could offer reference for dew water collection by condenser in Gulf region.
dew water collection; gulf region; condensation rate;engineering parameters;engineering equation solver
2015-12-15;
2016-02-14
陳 馳(1992-),男,江蘇南通人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗こ蹋?電話)13983935401(電子信箱)184392482@qq.com。
10.11988/ckyyb.20151063
2017,34(5):18-21,26
TV211.15
A
1001-5485(2017)05-0018-04