馬毅煜 武衛(wèi)東 華若秋 汪力

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

水是自然界中生命賴以生存的物質，因此水資源問題一直受到高度關注[1]。2003年世界衛(wèi)生組織估計約有12 億人無法獲得安全飲用水，全球每年有218 萬人死于因水質問題引發(fā)的疾病[2]。工業(yè)及生活污水的直接排放導致我國水體污染問題日益加劇[3]。隨著經(jīng)濟發(fā)展及生活品質提升，人們對飲用水品質的要求也進一步提升，多種凈水工藝得到發(fā)展。

目前采用濾芯過濾技術的小型凈水機市場占比最高，達90%以上[4]，技術核心是使用各種濾芯的過濾裝置，過濾方法主要為吸附法(約占比55%)和膜過濾法(約占比36%)。其他常見的凈水技術還有物化消毒法和水質調節(jié)法等[5]。目前家用凈水器主要以反滲透膜等膜過濾技術為主，使用濾芯過濾自來水得到純凈水。缺點是需要定期清洗和更換濾芯，提高了用戶的使用成本[6]，另一方面是在實際使用中常出現(xiàn)忽略濾芯情況，造成飲用水二次污染。因此開發(fā)不需要更換和清洗濾芯的純凈水制備系統(tǒng)對家用凈水技術具有重要意義。

增濕除濕原理(HDH，humidification dehumidification)是將空氣先加濕再除濕，當空氣流經(jīng)潮濕表面，若表面溫度高于空氣露點溫度，則表面水分蒸發(fā)，空氣被加濕；當表面溫度低于露點溫度，有冷凝水析出，空氣被除濕，從而獲得凈化水[7]。Li Xinhua 等[8－9]的研究表明，利用相變過程制取的凈化水幾乎可以除去水中所有的有機物和鹽類。R.J.Moffat[10－11]對增濕除濕技術進行了系統(tǒng)性的總結，指出HDH 過程是基于空氣與大量水蒸氣的混合，通過加熱干空氣可以提高其最大攜濕能力，研究顯示1 kg 干空氣可攜帶0.5 kg 水蒸氣，同時表明該技術是最適合生產淡水的脫鹽工藝。

M.Farid 等[12]基于HDH 設計了一套海水淡化裝置，利用太陽能加熱海水使之蒸發(fā)并利用加熱后的海水來加熱空氣，該過程中空氣被加熱和加濕(加濕過程)，在鼓風機的驅動下，加濕升溫后的空氣在蒸發(fā)器處以液態(tài)純凈水的形式析出(除濕過程)。該裝置在不使用反滲透膜等濾芯裝置的條件下實現(xiàn)了對海水的凈化，但存在冷凝水產量低、廢水率高的問題。P.Byrne 等[13]基于HDH 設計了一套海水凈化裝置，利用太陽能發(fā)電供給熱泵系統(tǒng)，其中熱端含有膜蒸餾系統(tǒng)，只有具有溫度梯度的水蒸氣可以通過，而常壓下液態(tài)水無法通過。當膜兩側存在一定溫差時，此時熱端的水蒸氣會因蒸汽壓的升高透過膜進入冷端，并在冷端冷凝得到純凈水，但存在產水量低的缺點。A.Mahmoud 等[14]研究表明加強太陽輻射強度、較高的環(huán)境溫度可以促進冷凝水的產量。Xu H.等[15]提出了一種應用于飲用水的太陽能－熱泵式海水凈化裝置，利用太陽能輔助熱泵快速加熱海水使其蒸發(fā)，彌補了太陽能不能快速提高海水溫度的缺點，并進一步提高海水溫度，使得冷凝水產量提高；但存在系統(tǒng)部件過多及開式空氣回路易帶來污染等問題。A.S.Abdullah 等[16]搭建了一套集成虹吸太陽能蒸餾系統(tǒng)，利用太陽能直接加熱海水(進口)，并將光伏系統(tǒng)產生的電量供給水泵使用，實驗研究了不同進口水量對系統(tǒng)產水性能的影響，結果表明隨著進口水量從2.5 kg/min 升至4 kg/min 時，系統(tǒng)產水效率提升15.7%。

綜上所述，目前海水淡化領域中HDH 的應用已較為廣泛，但多為HDH 與太陽能相結合系統(tǒng)，該類系統(tǒng)相對復雜，應用場合也較為局限，特別在家用領域更為少見。Li Kun 等[17－18]提出了一種利用HDH與傳統(tǒng)壓縮式制冷相結合的家用純凈水生產系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結構簡單、水利用率高、受環(huán)境影響小等優(yōu)勢。本文將進一步探究進口水量對上述系統(tǒng)各部件運行工況參數(shù)、制冷量、系統(tǒng)總功耗、制冷COP、單位時間產水量及單位能耗產水量等參數(shù)的影響。

1 新型家用純凈水機工作原理

圖1所示為新型家用純凈水機的工作原理。該裝置主要由制冷系統(tǒng)、噴淋裝置、填料、風機、水循環(huán)管路等組成。工作過程主要分為增濕和除濕兩部分。首先，啟動風機形成循環(huán)風，循環(huán)風經(jīng)過主冷凝器，換熱后形成吸濕能力較強的高溫循環(huán)風，高溫循環(huán)風沿風道進入多孔填料并與噴淋孔滴下的自來水進行熱濕交換，由此完成循環(huán)風的加濕過程。此時循環(huán)風處于高濕高溫狀態(tài)，隨后流經(jīng)低溫蒸發(fā)器表面，在此過程循環(huán)風中的水蒸氣不斷冷凝成液態(tài)水析出，此為循環(huán)風的除濕過程。被除濕的循環(huán)風再進入主冷凝器中加熱，并繼續(xù)完成下一次閉式風路循環(huán)。

在忽略閉式風路循環(huán)系統(tǒng)漏熱的前提下，為保證系統(tǒng)產水的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中風機和冷凝器的散熱量理論上應等于蒸發(fā)器的制冷量，而實際上制冷系統(tǒng)高溫側的散熱量大于蒸發(fā)器處吸收的熱量，所以需要一個輔助冷凝器，來帶走系統(tǒng)中多余的冷凝熱(本文采用將輔助冷凝器串聯(lián)在主冷凝器和壓縮機之間的形式)。輔助冷凝器(輔冷)的具體換熱過程為:在加濕過程中，填料處未被空氣吸收的自來水落入填料下方的集水槽中，并在重力的作用下流入輔助冷凝器中，被加熱后作為生活熱水使用。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測點布置與參數(shù)測量方法

如圖1所示，本實驗的數(shù)據(jù)采集分為3 部分:壓縮式制冷循環(huán)、空氣循環(huán)以及水循環(huán)。壓縮式制冷循環(huán)測點布置包括:蒸發(fā)器、壓縮機、輔助冷凝器制冷劑進出口溫度以及壓縮機功耗；空氣循環(huán)測點布置包括:蒸發(fā)器進出口風溫和濕度、風機功耗和風速；水循環(huán)溫度測點位置包括:裝置進水口和輔助冷凝器進出水口。

圖1 新型家用純凈水機工作原理Fig.1 Principle of a new household water purifier

本文需要研究的水量包括進口水量、純凈水產水量。純凈水是指蒸發(fā)器處空氣冷凝得到的液態(tài)水；高溫熱水是指與輔助冷凝器換熱后排出的水；進口水量等于純凈水產水量加高溫熱水產量，也即單位時間內在噴淋孔處滴入填料的自來水。當系統(tǒng)在各個制冷循環(huán)參數(shù)均達到穩(wěn)定狀態(tài)后1 小時內，用電子秤以稱重法測量純凈水產量及高溫熱水產量。對于實驗中制取得到的純凈水，通過TDS 測試儀進行溶解性固體總量水質檢測，TDS 值越小，說明所制取水的脫鹽率(噴淋水與制得純凈水TDS 值之差除以噴淋水進口的TDS 值)越高，水的純凈度越高。

2.2 系統(tǒng)性能評價指標

本文涉及的性能參數(shù)主要包括:制冷量Q0、輔助冷凝器換熱量Q1、系統(tǒng)總功耗Pt、制冷性能系數(shù)COP、單位時間產水量Vw以及單位能耗產水量Ve。

制冷量:

式中:Q0為制冷量，W；v為循環(huán)風風速，m/s；A0為風道面積，m2；ρf為循環(huán)風密度，kg/m3；Δh為循環(huán)風進出口焓差，kJ/kg。

系統(tǒng)總功耗:

式中:Pt為系統(tǒng)總功耗，W；Pc為壓縮機功耗，W；Pf為風機功耗，W；If為風機直流電流，A；Uf為風機直流電壓，V。

制冷性能系數(shù):

單位時間產水量:

式中:Vw為單位時間產水量，L/h；m為系統(tǒng)穩(wěn)定1 小時后測得一段時間內產生純凈水的質量，g；t為穩(wěn)定運行的時間，h；ρw為純凈水的密度，g/cm3[18]。

單位能耗產水量:

式中:Ve為單位能耗產水量，L/(kW·h)；Vw為單位時間產水量，L/h；Pt為系統(tǒng)總功耗，W[18]。

輔助冷凝器換熱量:

式中:Q1為輔冷換熱量，W；K1為輔冷傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A1為輔冷傳熱面積，m2；Δtm1為輔助冷凝器對數(shù)平均溫差，℃。

蒸發(fā)器潛熱交換量(與單位時間產水量成正比):

式中:Q2為蒸發(fā)器處潛熱交換量，W；Cp為循環(huán)風比熱，kJ/(kg·℃)；Δt為進出口風溫之差，℃。

2.3 不確定度分析

因實驗用測量儀表具有一定誤差，使得各關鍵參數(shù)存在測量不確定度，為確保實驗準確度，對各參數(shù)進行不確定度分析。表1所示為測量儀表及參數(shù)，系統(tǒng)中溫度、壓力、風速以及功耗等參數(shù)由儀器儀表直接測量。根據(jù)文獻[18]計算可得各測量參數(shù)的標準不確定度；總功耗、制冷量、COP、單位時間產水量、單位能耗產水量的相對不確定度，結果分別為±1.12%、±0.84%、±0.85%、±1.33%、±1.74%。

表1 測量儀表及參數(shù)Tab.1 Measuring instrument and parameters

2.4 實驗方法

進口水量對系統(tǒng)的性能有著重要影響，進口水量過少會導致填料處噴淋水和循環(huán)空氣的增濕不夠充分，即蒸發(fā)器進口空氣相對濕度偏低，進而影響產水量；進口水量過多會造成自來水利用效率低，造成高溫熱水無法及時排出。因此本文研究了進口水量變化對系統(tǒng)運行工況參數(shù)、壓縮機功耗、制冷量、COP、系統(tǒng)總功耗、單位時間產水量、單位能耗產水量的影響。

本文采用控制變量法進行實驗，進口水量為唯一變量，即只改變進口水量，保持循環(huán)風量、環(huán)境溫度和進水溫度不變。循環(huán)風量的大小是通過控制風機頻率而實現(xiàn)，實驗中進水溫度通過恒溫水槽進行控制，進口水量的調節(jié)是通過高精度計量泵的開度和頻率旋鈕實現(xiàn)。

表2所示為具體實驗工況，其中進口水量和進水溫度分別是指進入系統(tǒng)噴淋裝置入口處單位時間內噴入自來水的體積流量和溫度，根據(jù)前期研究結果，取進水溫度和循環(huán)風量分別為25 ℃和100 m3/h[17－18]。根據(jù)實際應用情況，進口水量大小按2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 L/h 這5 個工況依次進行。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

3 實驗結果分析

3.1 進口水量對系統(tǒng)運行工況參數(shù)的影響

圖2所示為不同進口水量對蒸發(fā)器制冷劑側和風側溫度的影響。當進口水量從2.5 L/h 增至4.5 L/h 時，蒸發(fā)器處制冷劑進出口溫度從20.2 ℃、29.5℃分別降至7.1 ℃、16.0 ℃；循環(huán)風進出口溫度從40.5 ℃、25.6 ℃分別降至37.0 ℃、20.8 ℃。隨著進口水量的增加，噴淋水與循環(huán)風的熱濕交換效果加強，填料處噴淋水蒸發(fā)量增大，導致蒸發(fā)器處進口風溫降低；同時填料處未被循環(huán)風吸收的水增加，即進入輔助冷凝器的水流量增加，輔助冷凝器換熱效果加強，使得冷凝壓力和冷凝溫度降低，在節(jié)流效果一定的條件下，蒸發(fā)壓力下降，因此蒸發(fā)器制冷劑進出口溫度下降，同時導致蒸發(fā)器出口風溫降低。此外，蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度的下降導致壓縮機的進口制冷劑的比體積增大，而壓縮機的排氣量一定，則制冷劑的質量流量隨之降低。其中由于蒸發(fā)器制冷劑的出口過熱度較大導致制冷劑進出口溫差較大。

圖2 進口水量對蒸發(fā)器制冷劑側和風側溫度的影響Fig.2 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and air temperature at evaporator

圖3所示為進口水量對壓縮機吸排氣溫度及壓力的影響。當進口水量的上升時，蒸發(fā)器出口制冷劑溫度和壓力降低，壓縮機吸氣溫度和壓力降低，進而導致壓縮機排氣壓力和溫度都下降，壓縮機排氣壓力的下降幅度大于吸氣壓力，故壓比逐漸減小，有利于壓縮機功耗的減少。

圖3 進口水量對壓縮機吸排氣溫度和壓力的影響Fig.3 Influence of inlet water flow rate on suction/discharge temperature and pressure of compressor

圖4所示為不同進口水量下輔助冷凝器制冷劑側和水側的溫度變化情況。當進口水量增大，輔助冷凝器制冷劑進出口溫度從91.7 ℃、75.0 ℃分別降至76.3 ℃、55.3 ℃，進出口水溫從42.9 ℃、78.5 ℃分別降至31.8 ℃、62.9 ℃。隨著進口水量增大，填料處噴淋水蒸發(fā)量和未被循環(huán)風吸收的水流量均增大，導致未被吸收的自來水(即輔助冷凝器進口)水溫下降，輔助冷凝器出口水溫也隨之降低，同時輔助冷凝器制冷劑的進出口溫度相應降低。經(jīng)計算可得，輔助冷凝器處對數(shù)平均溫差Δtm1隨進口水量的增大而減小，但此時流速(流量)增大使得換熱系數(shù)K1呈上升趨勢。當水量小于3.5 L/h，K1的上升幅度大于Δtm1的下降幅度；當水量大于3.5 L/h，K1的上升幅度小于Δtm1的下降幅度。由此可知，輔助冷凝器的換熱量Q1隨進口水量的增加呈先增大后減小的趨勢，且在3.5 L/h 時換熱量達到最大。在本文實驗工況范圍內，輔助冷凝器出口水溫在62.9～78.5 ℃之間，可作為高溫生活熱水使用。

圖4 進水口量對輔助冷凝器制冷劑側和水側溫度的影響Fig.4 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and water temperature at auxiliary condenser

3.2 進口水量對壓縮機功耗、制冷量及COP的影響

圖5所示為不同進口水量對系統(tǒng)制冷量、壓縮機功耗和COP 的影響。隨著進口水量的增加，制冷量和COP 均存在一個峰值，分別為699 W 和2.44，而壓縮機功耗則是逐漸減小，從313 W 降至258 W。

圖5 不同進口水量對壓縮機功耗、制冷量及COP 的影響Fig.5 Influence of inlet water flow rate on refrigerating capacity，compressor power consumption and COP

經(jīng)計算可得蒸發(fā)器的對數(shù)平均溫差Δtm3先增大后減小，由公式Q3＝K3A3Δtm3(Q3為制冷量，W；K3為蒸發(fā)器換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A3為蒸發(fā)器換熱面積，m2；Δtm3為蒸發(fā)器處對數(shù)平均溫差，℃)可知:A3與K3不變，則制冷量Q3隨著進口水量的上升呈先增大后減小的趨勢，且在3.5 L/h 的水量時達到峰值。由圖3 與圖2 的分析可知壓縮機的流量和壓比均在減小，所以壓縮機功耗隨著進口水量的升高而降低。基于上述分析，在進口水量為2.5 ～3.5 L/h 時，制冷量與壓縮機功耗分別隨著進口水量的增加而增大和減小，而在進口水量為3.5 ～ 4.5 L/h 時，兩者均呈下降趨勢且前者降幅大于后者，所以系統(tǒng)COP 值先增大后減小。

3.3 進口水量對單位時間產水量及單位能耗產水量的影響

圖6所示為不同進口水量下單位時間產水量、單位能耗產水量以及總功耗的變化情況。當進口水量增加時，制冷量呈現(xiàn)先增后減的變化，由公式(7)可得蒸發(fā)器處潛熱交換量先增后減，從而導致系統(tǒng)單位時間產水量先增后減。當進口水量為3.5 L/h 時，系統(tǒng)獲得最佳單位時間產水量0.682 L/h。當進口水量由2.5 L/h 升至3.5 L/h 時，單位時間產水量呈現(xiàn)上升趨勢，因此單位能耗產水量呈較大上升趨勢；當進口水量由3.5 L/h 進一步上升時，由于單位時間產水量下降且其下降幅度(4.25%，3.37%)小于系統(tǒng)總功耗的下降幅度(5.40%，3.67%)，所以單位能耗產水量仍保持上升趨勢，但是上升趨勢變緩(最大為2.058 L/(kW·h))。

同時由圖6 可知，在本文實驗工況下，單位時間產水量最低為0.612 L/h，日產水量可達12 L 以上，可以滿足普通家庭的日常使用。對于實驗中制取的純凈水，為了檢測潔凈度，利用TDS 測量儀進行了測量，結果顯示TDS 值小于3，表明經(jīng)過增濕除濕原理凈化后的水潔凈度較高，脫鹽率達到98%，符合國家飲用水衛(wèi)生標準的相關要求[19]。

圖6 不同進口水量對單位時間產水量及單位能耗產水量的影響Fig.6 Influence of inlet water flow rate on water production per unit time and water production per unit energy consumption

4 結論

本文基于蒸氣壓縮制冷和空氣增濕除濕原理，針對所提出的新型家用純凈水生產系統(tǒng)，通過實驗研究了進口水量對制冷系統(tǒng)及產水性能的影響，得出如下結論:

1)進口水量對該新型家用純凈水機制冷系統(tǒng)運行工況及其產水性能會產生較大影響。當進口水量在2.5～ 4.5 L/h 范圍內，系統(tǒng)總功耗呈下降趨勢，制冷量、COP、系統(tǒng)單位時間產水量均隨進口水量的增加先增大后減小。當進口水量在3.5 L/h 時，單位時間產水量達最大為0.682 L/h，此時系統(tǒng)COP 也達到最大為2.44；單位能耗產水量隨著進口水量的上升呈上升趨勢，在進口水量大于3.5 L/h 后上升幅度變緩。

2)綜合產水量、COP 及單位能耗產水量，在本文實驗工況下，存在一個最佳進口水量為3.5 L/h，其單位能耗產水量為2.058 L/(kW·h)。同時，在本文實驗工況范圍內，產生的生活熱水溫度(輔冷出口水溫)在62.9～78.5 ℃之間，滿足GB 5055—2010?民用建筑節(jié)水設計標準?[20]中規(guī)定的生活熱水溫度不低于45 ℃要求。

3)在本文不同進口水量下，純凈水的產水量不低于0.612 L/h，日產水量不低于12 L。純凈水TDS值小于3 mg/L，脫鹽率達98%，滿足GB/T 30306—2013?家用和類似用途飲用水處理內芯?[21]中規(guī)定的脫鹽率要求(規(guī)定要求大于等于90%)，可替代膜過濾式凈水器，應用前景廣闊。