引言随着我国人口增长和城市生活用水、工农业用水的急剧增加，整体水环境受到影响[1]。海水淡化是解决水危机的有效路径。传统海水淡化技术以煤炭、石油等能源为动力，会消耗大量能源，加剧能源紧缺，还会排放温室气体、氧化硫化合物等污染物质。因此，利用清洁太阳能、可再生的太阳能驱动海水淡化装置，已成为海水淡化技术领域的重要研究方向[2]。解梦秋[3]等介绍了吸收式太阳能海水淡化技术，简述该技术的运行原理，分析其研究现状。Gomri[4]设计一种新的海水淡化系统物理模型，结合平板型太阳能集热器、第二类吸收式热泵、蒸馏法海水淡化系统，利用太阳能，采用热法中的蒸馏法实现海水淡化，理论上实现了淡水小规模化生产，但冷凝器部分依然造成了大量热量浪费。王君[5]等提出一种新型高效太阳能海水淡化装置，采用涡旋式真空泵实现海水负压蒸发，建立了装置性能参数优化的数学模型。李敏[6]等设计小型吸收式太阳能热泵海水淡化系统，利用制冷蒸发器结合真空泵提供高真空状态，海水经加热后通过喷嘴喷入真空罐后闪蒸，蒸汽经蒸发器冷凝，从而实现海水制淡。杨亚彬[7]等基于压缩式制冷循环的水合物海水淡化方法，进行水合物海水淡化试验。鲁敦放[8]设计基于太阳能驱动第二类吸收式热泵的海水淡化系统，利用第二类吸收式热泵提升平板型太阳能集热器热源温度，对海水进行加热蒸发，再用蒸汽冷凝得到淡水。现有太阳能海水淡化系统中主要存在以下问题：蒸汽凝结潜热未能得到有效利用，致使能量损失到环境中，造成能量的浪费；系统中主要以自然对流为主要换热模式，传热效率较低，限制系统性能的提升，产水率低。因此，文中通过改进制冷技术工艺和传热传质技术，提出基于吸收式热泵循环的真空管集热太阳能海水淡化系统，建立系统的数学模型，并对新型系统的特性进行模拟分析，为实际工程的运行提供参考。1制冷循环海水淡化系统物理模型太阳能驱动的制冷循环海水淡化系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.010.F001图1太阳能驱动的制冷循环海水淡化系统流程该系统包括真空管集热太阳能热水系统和吸收式制冷循环海水淡化系统2个子系统。吸收式制冷循环海水淡化系统由发生器、冷凝器、溶液热交换热器、吸收器、蒸发器、节流阀、海水槽、淡水槽以及各类水泵组成。其中，冷凝器置于海水槽中，蒸发器置于淡水槽中。太阳能驱动的制冷循环海水淡化系统的工作原理为：溴化锂稀溶液被驱动热水加热后产生冷剂蒸气，冷剂蒸气进入海水槽内的冷凝器中冷凝放热，释放的冷凝潜热用于加热循环喷淋海水，喷淋海水蒸发产生水蒸气；冷凝器中的冷剂蒸气放热后变成冷凝水，经节流阀节流降压后直接进入淡水槽内的蒸发器中。海水槽产生的水蒸气进入淡水槽，淡水槽中的淡水通过循环泵在槽内进行循环喷淋，吸收来自海水槽中产生的水蒸气而产生淡水后经淡水出口排出，放出的冷凝潜热用于加热蒸发器内的制冷剂，使其蒸发并通过管道进入吸收器中被溴化锂浓溶液吸收，进行下一个循环。太阳能驱动的制冷循环海水淡化系统利用真空管集热太阳能驱动吸收式制冷循环系统，充分回收蒸汽凝结热实现海水淡化，达到节能运行的目的。2系统数学模型文中只介绍吸收式制冷循环海水淡化系统数学模型。2.1发生器热量衡算mq×(Cpqin×tqin-Cpqout×tqout)=mz×[f×(h4-h3)+(h7-h4)] (1)式中：mz、mq——冷剂循环量和驱动热水流量，kg/h；f——溴化锂(LiBr)溶液的循环倍率，f=εs/(εs-εw)；εs、εw——分别为溴化锂稀、浓溶液质量浓度，%；h3、h4——分别为发生器进口稀溶液焓值和出口浓溶液焓值，kJ/kg；h7——高压冷剂蒸气焓值，kJ/kg；tqin、tqout——分别为驱动热水的进口温度和出口温度，℃；Cpqin、Cpqout——分别为驱动热水进口定压比热和出口定压比热，kJ/(kg·℃)。2.2海水槽热量衡算mz×λz+mbin×Cpbin×tbin-mbout×Cpbout×tbout=mv×λv/η (2)式中：mbin、mbout、mv——分别为海水槽进料海水流量、海水槽浓盐水出口流量和海水槽二次蒸汽流量，kg/h；λz、λv——分别为高压水蒸气汽化潜热和二次蒸汽汽化潜热，kJ/kg；tbin、tbout——分别为进料海水温度和浓盐水出口温度，℃；Cpbin、Cpbout——分别为进料海水定压比热和浓盐水出口定压比热，kJ/(kg·℃)；η——热利用率。2.3淡水槽热量衡算mv×hv-md×hd=mz×(h10-h9) (3)式中：hv、hd、h10、h9——分别为海水槽二次蒸汽焓值、淡水槽淡水出口焓值、低压冷剂蒸汽的焓值和低压冷剂湿蒸气的焓值，kJ/kg；md——淡水产量，kg/h。2.4吸收器热量衡算ms×(Cpsin×tsin-Cpsout×tsout)=mz×[f×(h6-h1)+(h10-h6)] (4)式中：mz——冷却海水流量，kg/h；tsin、tsout——分别为冷却海水进口温度和冷却海水出口温度，℃；Cpsin、Cpsout——分别为冷却海水进口定压比热和冷却海水出口定压比热，kJ/(kg·℃)；h6、h1——分别为吸收器进口浓溶液的焓值和吸收器出口稀溶液的焓值，kJ/kg。3系统热力性能分析3.1集热器面积对系统性能的影响当驱动热水流量为2 000 kg/h，驱动热水供回水温差为10 ℃时，分析集热器面积从30~70 m2变化对系统性能的影响。集热器面积与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.010.F002图2集热器面积与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系随着集热器面积的增加，辅助热源耗热量逐渐减少，太阳能供热量增加，太阳能供能比例增大。集热器面积为70 m2时，太阳能供能比例高达62.1%，但是系统淡水产量却发生微降。主要原因是系统总耗热量不变，集热器面积增大会增加太阳能集热量，储热水箱水温升高，辅助热源耗热量减小，太阳能供能比例增大。储热水箱水温升高会使发生器产生的饱和冷剂蒸汽温度升高，但会导致冷凝潜热略微减小，淡水产量会发生微降。3.2驱动热水流量对系统性能的影响当集热器面积为50 m2，驱动热水供回水温差为10 ℃时，分析驱动热水流量从1 000~2 500 kg/h变化对系统性能的影响。驱动热水流量与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系如图3所示。随着驱动热水流量的增大，淡水产量显著增加，辅助热源热量增加，太阳能供能比例下降。主要原因是增大驱动热水流量，系统供给吸收式制冷循环海水淡化子系统的总能量增加，发生器产生的冷剂蒸气循环量也随之增大，淡水产量增加；增大驱动热水流量，消耗的能量更多，在集热器面积不变的情况下，太阳能有效集热量不变，则需要消耗更多的辅助热源，所以太阳能供热比例下降。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.010.F003图3驱动热水流量与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系3.3驱动热水供回水温差对系统性能的影响当集热器面积为60 m2，驱动热水流量为2 000 kg/h时，分析驱动热水供回水温差从8~14 ℃变化对系统性能的影响。驱动热水供回水温差与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.010.F004图4驱动热水供回水温差与辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系由图4可知，随着驱动热水供回水温差的增大，淡水产量显著增加，辅助热源热量增加，太阳能供能比例下降。主要原因是增大驱动热水供回水温差，系统供给吸收式制冷循环海水淡化子系统的总能量增加，发生器产生的冷剂蒸气循环量也随之增大，故淡水产量增加；增大驱动热水供回水温差，供给发生器的驱动热源增大，在集热器面积不变的情况下，太阳能有效集热量不变，则消耗辅助热源更多，所以太阳能供热比例下降。3.4所在城市对系统性能的影响选择大连、北京和深圳这3个城市，对系统进行性能比较分析。不同城市的辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系如图5所示。当集热器面积为60 m2，驱动热水流量为2 000 kg/h，驱动热水供回水温差为10 ℃时，在其他参数条件相同的情况下，深圳地区太阳能供能比例最高，达54.6%，北京次之，大连最低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.010.F005图5不同城市的辅助热源耗热量、太阳能供热量、淡水产量的关系4结语提高驱动热水流量和增大驱动热水供回水温差，均有利于提高淡水产量，但所需辅助热源热量增加，太阳能供能比例下降；增大集热器面积有利于降低辅助热源热量，增大太阳能供能比例，但淡水产量却微降；在相同的条件下，深圳地区太阳能供能比例最高，北京次之，大连最低。