熱法太陽能海水淡化技術及系統(tǒng)研究

【摘要】：隨著世界淡水資源的日益枯竭,海水淡化已成為解決淡水資源緊缺最重要手段之一。常規(guī)的海水淡化是高能耗產業(yè),而當前石化資源面臨即將耗盡的威脅。使用常規(guī)能源進行海水淡化不僅加劇能源緊缺,而且排放溫室氣體、氮氧化合物等污染物質,因此,利用可再生清潔能源(如太陽能等)實現(xiàn)海水淡化必將成為海水淡化技術的重要發(fā)展方向,成為解決淡水危機的重要途徑,對確保人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 針對不同的地域條件和保障需求,研制出兩種熱法太陽能海水淡化裝置,即多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置和降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置,進行裝置淡化機理、穩(wěn)態(tài)性能測試、實際運行實驗和性能模擬分析等方面詳細研究,并分析了兩類系統(tǒng)的經濟性。 建立了多級強化冷凝面太陽能海水淡化系統(tǒng)各部件和總系統(tǒng)的傳熱傳質數(shù)學模型,給出裝置內各級傳熱速率方程、裝置最上一級傳熱傳質關系式,以及裝置性能系數(shù)的理論計算公式。 實驗測試了三級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,完成裝置在實際天氣下的實驗測試。瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)實驗表明:裝置運行3h后基本達到穩(wěn)定產水率;運行溫度越高,產水率和穩(wěn)態(tài)性能系數(shù)越大,運行溫度70℃以上時性能系數(shù)達1以上。裝置在實際天氣下的實驗表明:太陽輻射量為19～20MJ/( m2·d)、海水深度為2cm、3cm、4cm時,淡水總產量為7.29kg/d、6.56kg/d、5.12kg/d,裝置性能系數(shù)為1.12、0.98、0.78;裝置各級運行溫度、各級產水率變化趨勢與接受太陽能輻射量變化趨勢相似,但時間有不同程度滯后;海水深度越淺,其產水率、累積產水量和性能系數(shù)也越大。 對多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置運行性能進行模擬分析,理論預測了迭盤級數(shù)、能量匹配系數(shù)、各級盤海水深度、迭盤蒸發(fā)面與冷凝面距離等因素對裝置性能的影響,分析計算了不同海水深度下最佳匹配關系及裝置性能系數(shù)。對比分析三級裝置運行性能的理論預測結果與實測結果表明:實測值與理論預測值變化趨勢大體相似,實測值低于理論預測值;理論預測結果基本合理,具有參考價值。 基于膜蒸發(fā)與膜凝結理論,研發(fā)出太陽能和風能聯(lián)合驅動的降膜蒸發(fā)海水淡化裝置。對裝置的傳熱傳質過程進行分析,從而建立裝置傳熱傳質數(shù)學模型,給出裝置整體及各部件系統(tǒng)質量守恒方程、鹽質量守恒方程、能量平衡方程、傳熱方程及產水量計算等傳熱傳質關系式。 對降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置產水率的主要影響因素進行分析測試,獲得裝置適宜的運行條件:淡化裝置主機運行溫度70~80℃、冷卻水溫度15~25℃為佳;加熱水流量和冷卻水流量為2.5~3.5m3/h合適;主機運行壓力15~20kPa為佳;裝置有較高性能系數(shù),運行溫度70~75℃時,裝置性能系數(shù)約為2.0。進行裝置性能優(yōu)化研究,獲得降膜蒸發(fā)太陽能加熱系統(tǒng)的最佳匹配參數(shù)及總系統(tǒng)運行優(yōu)化參數(shù)。完成降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置實際運行動態(tài)測試,檢驗了太陽能集熱器、海水淡化主機運行情況及自動控制系統(tǒng),并測試裝置在兩年中典型月份基本運行情況。實測結果表明,裝置產水率較高,在太陽輻射20MJ/(d·m2)條件下,系統(tǒng)平均每平方米集熱面積產水達10～15L,淡化出水水質指標符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)。 采用折算現(xiàn)值的方法進行兩類太陽能海水淡化系統(tǒng)經濟性分析,建立了兩類系統(tǒng)經濟性分析數(shù)學模型,計算其投資回報和產水成本。降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置產水成本11.45元/噸,多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置產水成本10.9元/噸,兩類熱法太陽能海水淡化裝置均具有良好的經濟價值。 【關鍵詞】：太陽能海水淡化 多級蒸餾 膜蒸發(fā)與膜凝結 性能優(yōu)化
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：P747
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 緒論11-31
• 1.1 海水淡化的必要性11-15
• 1.1.1 世界淡水資源緊缺11-12
• 1.1.2 中國面臨淡水危機12-13
• 1.1.3 海水淡化是解決淡水危機的重要途徑13-15
• 1.2 太陽能海水淡化研究的現(xiàn)實意義15-19
• 1.2.1 國內外能源緊缺15-17
• 1.2.2 常規(guī)海水淡化能耗分析及對環(huán)境的影響17-18
• 1.2.3 利用可再生能源實現(xiàn)海水淡化的必要性18-19
• 1.3 國內外太陽能海水淡化發(fā)展概述19-29
• 1.3.1 國外太陽能海水淡化發(fā)展歷史及現(xiàn)狀19-21
• 1.3.2 中國太陽能海水淡化發(fā)展概況21-22
• 1.3.3 太陽能海水淡化技術分類22-27
• 1.3.4 太陽能海水淡化技術發(fā)展前景27-29
• 1.4 論文工作的提出與研究內容29-31
• 1.4.1 論文工作的提出29-30
• 1.4.2 研究內容30-31
• 2 多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置性能研究31-49
• 2.1 裝置結構及工作原理31-32
• 2.1.1 裝置結構31
• 2.1.2 裝置工作原理31-32
• 2.2 多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置傳熱傳質數(shù)學模型32-37
• 2.2.1 真空管集熱器的集熱效率32
• 2.2.2 裝置的能質傳輸分析32-33
• 2.2.3 傳熱速率方程33-35
• 2.2.4 裝置最上一級太陽能蒸餾的性能分析35-37
• 2.2.5 裝置的性能系數(shù)37
• 2.3 多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置穩(wěn)態(tài)性能測試37-41
• 2.3.1 實驗裝置37-38
• 2.3.2 裝置的瞬態(tài)性能38-39
• 2.3.3 產水速率與穩(wěn)態(tài)運行溫度的關系39-40
• 2.3.4 裝置的穩(wěn)態(tài)性能系數(shù)40
• 2.3.5 產水速率與輸入功率的關系40-41
• 2.4 在室外實際天氣條件下的實驗測試41-48
• 2.4.1 實驗裝置41-42
• 2.4.2 太陽能集熱系統(tǒng)接受太陽能輻射量情況42
• 2.4.3 淡化裝置運行溫度情況42-43
• 2.4.4 海水深度4cm 時淡化裝置產水量情況43-45
• 2.4.5 海水深度3cm 時淡化裝置產水量情況45-47
• 2.4.6 裝置的性能系數(shù)47-48
• 2.5 本章小結48-49
• 3 多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置性能模擬研究49-74
• 3.1 多級強化冷凝面太陽能海水淡化裝置性能模擬49-70
• 3.1.1 模擬條件假設49-50
• 3.1.2 四級裝置模擬計算結果分析50-59
• 3.1.3 三級裝置模擬計算結果分析59-66
• 3.1.4 二級裝置模擬計算結果分析66-68
• 3.1.5 頂級無陽光輸入的四級裝置模擬結果分析68-70
• 3.2 理論預測與實驗結果對比分析70-72
• 3.2.1 裝置各級盤水溫及玻璃蓋板溫度對比71
• 3.2.2 裝置各級盤產水率對比71
• 3.2.3 裝置累積產水量對比71
• 3.2.4 裝置性能系數(shù)對比71-72
• 3.3 本章小結72-74
• 4 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置研制及傳熱傳質數(shù)學模型研究74-101
• 4.1 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置組成及運行原理74-85
• 4.1.1 裝置組成74-85
• 4.1.2 裝置運行原理85
• 4.2 膜蒸發(fā)與膜凝結的基本理論85-96
• 4.2.1 水平管（橫管）降膜蒸發(fā)86-87
• 4.2.2 豎管內降膜蒸發(fā)87
• 4.2.3 豎壁降膜蒸發(fā)87-88
• 4.2.4 豎管（豎壁）降膜凝結88-89
• 4.2.5 水平管內降膜凝結89-91
• 4.2.6 水平管外降膜凝結91
• 4.2.7 膜態(tài)沸騰91-92
• 4.2.8 跨流管群的流動92-95
• 4.2.9 總傳熱系數(shù)95-96
• 4.3 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置傳熱傳質數(shù)學模型96-100
• 4.3.1 數(shù)學模型建立的基本條件96
• 4.3.2 淡化裝置傳熱傳質關系分析96-100
• 4.4 本章小結100-101
• 5 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置中試研究101-119
• 5.1 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置產水率主要影響因素分析101-106
• 5.1.1 裝置運行溫度對產水率的影響101-102
• 5.1.2 加熱水溫度對裝置性能系數(shù)的影響102-103
• 5.1.3 冷卻水溫度對產水率的影響103
• 5.1.4 供熱水流量和冷卻水流量對產水率的影響103-105
• 5.1.5 裝置主機運行壓力對產水率的影響105
• 5.1.6 加熱水溫度對裝置主機內各部件鹽水溫度的影響105-106
• 5.1.7 影響裝置產水率的其他因素106
• 5.2 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置性能優(yōu)化研究106-111
• 5.2.1 年產水總量與集熱器面積的關系107
• 5.2.2 系統(tǒng)產水成本與集熱器面積的關系107-108
• 5.2.3 年產水量與儲熱水箱容量的關系108-109
• 5.2.4 降膜蒸發(fā)太陽能加熱系統(tǒng)的最佳匹配參數(shù)109
• 5.2.5 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化總系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化109-111
• 5.3 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置實際運行試驗111-118
• 5.3.1 太陽能集熱系統(tǒng)運行情況111-113
• 5.3.2 海水淡化裝置主機運行試驗測試113-114
• 5.3.3 裝置在兩年中基本運行情況114-117
• 5.3.4 產水水質檢測與分析117-118
• 5.4 本章小結118-119
• 6 太陽能海水淡化系統(tǒng)經濟性分析119-127
• 6.1 經濟性分析的方法119-121
• 6.2 降膜蒸發(fā)太陽能海水淡化裝置的經濟性分析121-124
• 6.3 多級強化冷凝面太陽能海水淡化系統(tǒng)的經濟性分析124-125
• 6.4 本章小結125-127
• 7 結論與建議127-129
• 7.1 結論127-128
• 7.2 建議128-129
• 致謝129-130
• 參考文獻130-137
• 附錄137-139

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