中低溫太陽能集熱海水/苦咸水淡化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】：能源與淡水資源是社會(huì)生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),海水/苦咸水淡化是解決淡水資源缺乏的有效途徑。太陽能海水淡化采用可持續(xù)能源,不造成環(huán)境污染,是解決缺少能源與電力供應(yīng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)淡水問題的可行性方法。太陽能有聚光和非聚光兩種利用,聚光太陽能主要吸收太陽直射輻射,通常太陽能聚光裝置都是反射鏡或菲涅耳透鏡跟蹤,較大的整體式反射鏡面和菲涅耳透鏡制造困難、成本較高,并且跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜,所需能耗高；非聚光太陽能有平板和真空管集熱器,主要應(yīng)用于供熱、采暖及海水淡化等,但未見太陽能熱水與純水聯(lián)產(chǎn)一體化的利用研究。另外,多級(jí)閃蒸、多效蒸餾、反滲透和蒸氣壓縮等傳統(tǒng)的海水淡化都是針對(duì)大型的淡化工程,而偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)由于技術(shù)條件及成本問題,適合運(yùn)行簡(jiǎn)單、成本不高的太陽能增濕減濕的小中型淡化系統(tǒng)。以此為背景,本文提出了兩種新型的中低溫太陽能集熱海水/苦咸水淡化系統(tǒng),構(gòu)建太陽能雙真空熱管熱水純水一體化聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型,雙真空熱管低溫與固定條形鏡面反射聚光中低溫耦合兩級(jí)加熱的多效增濕減濕淡化系統(tǒng)模型。使兩種太陽能集熱系統(tǒng)在各自最佳溫度工況下運(yùn)行,集熱性能得以優(yōu)化及較好改善,以濕空氣為載氣梯次增濕減濕,回?zé)岬靡匝h(huán)利用及耦合分配。對(duì)于沿海、海島、苦咸水區(qū)域等風(fēng)力較大地區(qū)海水/苦咸水淡化民用化及工業(yè)應(yīng)用的推廣,本文研究為其提供設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)支持。本文構(gòu)建了固定條形鏡面反射聚光集熱系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的聚光光學(xué)性能、熱學(xué)性能進(jìn)行了研究,同時(shí)搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。固定條形鏡面反射聚光是對(duì)圓柱面聚光鏡的離散化近似,隨著太陽光線的偏轉(zhuǎn),聚光裝置中各單元反射鏡面的入射角、光照面積時(shí)刻變化。首先建立系統(tǒng)的計(jì)算模型,利用矢量分析方法得到固定條形鏡面聚光系統(tǒng)任一單元反射鏡面的入射角計(jì)算公式、光照面積及幾何聚光比；其次利用軟件編程對(duì)聚光裝置各個(gè)傾斜的條形反射鏡面吸收的太陽直射輻射、反射鏡場(chǎng)的實(shí)時(shí)輻射通量,以及整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)段的累積輻照量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。然后對(duì)南向傾斜緯度角安裝及年調(diào)整一次傾角安裝的兩種聚光方式進(jìn)行分析比較,得出年調(diào)整一次傾角安裝,開口寬度1800mm的聚光系統(tǒng)單位長(zhǎng)度接受的輻照量比固定傾斜緯度角安裝提高了6.53%,全年增量為65.78GJ/m。本文提出了三種不同的吸收器,梯形槽吸收器、玻璃-金屬真空管吸收器、腔體式玻璃-金屬真空管吸收器,分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。建立固定條形鏡面反射聚光的腔體式玻璃-金屬真空管吸收器三維模型,利用蒙特卡洛光線追跡法模擬,得出不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)聚光吸收器面上的光線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、光學(xué)效率、光學(xué)損失及能流分布。當(dāng)反射率0.92、吸收率0.9時(shí),聚光系統(tǒng)在太陽直射光線偏轉(zhuǎn)0～40°內(nèi),光線吸收率為74.08%～98%,光學(xué)效率為56.97%～73.65%。隨著偏轉(zhuǎn)角增大,系統(tǒng)的光學(xué)效率降低,吸收器上能流分布不均勻。另外,通過模擬分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)腔體式玻璃-金屬真空管吸收器的光學(xué)及熱學(xué)性能優(yōu)于梯形槽吸收器和玻璃-金屬真空管吸收器。相似的測(cè)試條件下,腔體式玻璃-金屬真空管吸收器比梯形槽吸收器的熱效率與火用效率(exergy efficiency)都有所增加。集熱溫度從76.7℃升高到99.6℃,腔體式玻璃-金屬真空管吸收器熱效率由46.93%降至39.98%,僅降低5.95%,集熱溫度對(duì)系統(tǒng)熱性能影響較小。建立固定條形鏡面聚光增濕減濕海水/苦咸水淡化系統(tǒng),通過測(cè)試的太陽輻射及氣象環(huán)境數(shù)據(jù),對(duì)固定條形鏡面聚光集熱器、雙真空管集熱器、增濕器、減濕器的熱性能分別進(jìn)行了研究。對(duì)開環(huán)水開環(huán)空氣(Open air open water, OAOW)、空氣加熱系統(tǒng)的兩種配置方式進(jìn)行了模擬及性能比較。得出固定條形鏡面聚光增濕器后的濕空氣加熱比雙真空管增濕器前的濕空氣加熱性能較好,其產(chǎn)水性能系數(shù)(Gained output ratio,GOR)提高2.162。系統(tǒng)11月～次年2月間性能系數(shù)較小,3月份～9月份之間性能系數(shù)較大、變化平穩(wěn)。本文構(gòu)建了雙真空管集熱-固定條形鏡面聚光增濕減濕海水/苦咸水的閉環(huán)空氣開環(huán)水(Close air open water,CAOW)、水加熱的淡化系統(tǒng)模型,分別對(duì)兩種集熱器、增濕器、減濕器的熱性能、產(chǎn)水量及性能系數(shù)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。研究不同噴淋溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,得到系統(tǒng)增濕器、減濕器隨溫度、流率的變化特性。結(jié)果得到一級(jí)冷凝器,隨著增濕器水的進(jìn)口溫度升高,冷凝器進(jìn)、出口的濕空氣溫度、濕度相應(yīng)增加；流率增大,冷凝器產(chǎn)水量增加。由于濕空氣是經(jīng)過兩次冷凝后進(jìn)入一級(jí)冷凝器,濕空氣溫度濕度較低,因此,其產(chǎn)水量及性能系數(shù)增加幅度較小。流率從1.5kg/min變化到3kg/min時(shí),對(duì)于二級(jí)冷凝器,二級(jí)增濕噴淋溫度從60℃升高到76℃時(shí),產(chǎn)水量從1.5882kg/h增加到11.964kg/h；三級(jí)冷凝器,三級(jí)增濕器噴淋水溫度從80℃升高到96℃時(shí),產(chǎn)水量從4.11kg/h增加到62.436kg/h,水氣流率比偏小時(shí)增加較小,流率比匹配時(shí)產(chǎn)水量隨著溫度升高增加幅度十分顯著。其次,利用太陽能雙真空超導(dǎo)熱管與固定條形鏡面聚光集熱作為熱源,在不同時(shí)況和環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。環(huán)境溫度26.1～30.7℃,太陽總輻射596～837W/m2、直射輻射517～761 W/m2工況下,雙真空管集熱溫度55.1℃～80.9℃,集熱效率46.71%～57.32%；固定條形鏡面聚光集熱溫度64.3℃～94.3℃,集熱效率為37.78%.4～6.74%,分級(jí)梯次加熱有利于集熱器的熱性能改善,系統(tǒng)得到優(yōu)化。另外,太陽輻射較大的時(shí)段系統(tǒng)產(chǎn)水量也較高,10分鐘二級(jí)冷凝器的產(chǎn)水量為1.13kg、三級(jí)冷凝器產(chǎn)水量2.08kg,性能系數(shù)為2.2383,系統(tǒng)運(yùn)行6小時(shí)總產(chǎn)水量為74.23kg,產(chǎn)水回復(fù)率(Recovery ratio,RR)為10.31%。實(shí)驗(yàn)研究表示,淡水產(chǎn)量隨著熱水溫度升高而增加,然而淡水產(chǎn)量對(duì)應(yīng)水氣流率比增加有個(gè)最大臨界值,增加流率增加水汽混合,提高增濕效率,但過大流率比由于較大的顯熱負(fù)載,導(dǎo)致蒸發(fā)、增濕效率及性能系數(shù)降低。本文另外構(gòu)建了太陽能集熱的熱水純水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化與傳遞模型,使太陽能集熱蒸發(fā)、冷凝與蓄熱耦合一體化。對(duì)太陽能熱水純水聯(lián)產(chǎn)的熱性能及產(chǎn)水性能分析研究,對(duì)回?zé)嵝顭崾今詈舷到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,太陽能集熱的熱量得到良好的分配利用。采用雙真空超導(dǎo)熱管集熱,設(shè)計(jì)蒸發(fā)、冷凝及蓄熱水箱,搭建了φ58mm×1.8m×24根雙真空熱管集熱的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。運(yùn)用Matlab軟件數(shù)值運(yùn)算并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得出定量蓄熱工況下,蓄熱溫度由50℃升到60℃時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)水率與性能系數(shù)增加,60℃后則減??；其次,對(duì)相同蓄熱溫度不同蓄熱方式測(cè)試比較,得到60℃定溫蓄熱比60℃定量蓄熱日產(chǎn)水量高950mL,系統(tǒng)總性能系數(shù)增加0.102,產(chǎn)水率增加0.056。最后對(duì)不蓄熱工況下的系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試,不蓄熱工況比60℃定溫蓄熱系統(tǒng)性能系數(shù)低0.1979,產(chǎn)水率小0.219。實(shí)驗(yàn)研究表明,系統(tǒng)性能系數(shù)隨蓄熱溫度升高先增大,而后減??；相同蓄熱溫度,定溫蓄熱比定量蓄熱性能優(yōu)越；不蓄熱工況下,由于增發(fā)冷凝溫差較小,性能系數(shù)降低。最后依據(jù)《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》CJ 3020-1993及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749-2010,對(duì)系統(tǒng)的所產(chǎn)淡水水質(zhì)進(jìn)行了采樣檢測(cè),對(duì)水質(zhì)的感官性指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、細(xì)菌學(xué)指標(biāo)、毒理指標(biāo)等27項(xiàng)進(jìn)行全面檢測(cè),結(jié)果顯示產(chǎn)水水質(zhì)完全符合飲用標(biāo)準(zhǔn)。 【關(guān)鍵詞】：固定式鏡面聚光器 能流密度 海水淡化 增濕減濕 性能系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P747;TK513.1
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-20
• 符號(hào)說明20-21
• 第1章 緒論21-39
• 1.1 研究背景21-23
• 1.1.1 能源資源緊張21-22
• 1.1.2 淡水資源危機(jī)22-23
• 1.2 海水淡化的研究進(jìn)展23-28
• 1.2.1 反滲透海水淡化24
• 1.2.2 電滲析海水淡化24-25
• 1.2.3 多級(jí)閃蒸海水淡化25-26
• 1.2.4 多效蒸餾海水淡化26
• 1.2.5 蒸氣壓縮海水淡化26-28
• 1.3 太陽能利用與海水淡化技術(shù)的研究現(xiàn)狀28-35
• 1.3.1 槽式聚光太陽能集熱29
• 1.3.2 塔式聚光集熱29-30
• 1.3.3 線性菲涅耳反射聚光30-31
• 1.3.4 拋物蝶式反射聚光31
• 1.3.5 太陽能聚光海水淡化利用31-33
• 1.3.6 太陽能蒸餾海水淡化33-34
• 1.3.7 太陽能增濕減濕海水淡化34-35
• 1.4 本文的研究目的及主要內(nèi)容35-38
• 1.5 本章小結(jié)38-39
• 第2章 固定條形鏡面反射聚光鏡場(chǎng)特性研究39-55
• 2.1 固定條形聚光鏡面光學(xué)設(shè)計(jì)39-41
• 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析41-46
• 2.2.1 固定條形鏡面聚光入射角41-43
• 2.2.2 太陽光線與系統(tǒng)法向平面偏轉(zhuǎn)角43-46
• 2.3 系統(tǒng)聚光性能分析46-52
• 2.3.1 單元鏡面間距的變化46-47
• 2.3.2 傾斜角對(duì)光照面積及聚光比影響47-50
• 2.3.3 傾斜角對(duì)系統(tǒng)直射輻射量影響50-52
• 2.4 本章小結(jié)52-55
• 第3章 固定條形鏡面聚光性能分析與實(shí)驗(yàn)研究55-69
• 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置55-58
• 3.1.1 集熱裝置與測(cè)試分析55-57
• 3.1.2 吸收器裝置與分析57-58
• 3.2 吸收器光學(xué)性能分析58-62
• 3.2.1 鏡面反射光學(xué)性能58-60
• 3.2.2 鏡面太陽輻射能流分析60-62
• 3.3 吸收器熱性能分析62-67
• 3.3.1 梯形槽吸收器熱性能測(cè)試與分析62-63
• 3.3.2 腔體式玻璃-金屬真空管吸收器性能測(cè)試63-64
• 3.3.3 不同進(jìn)口溫度吸收器效率分析64-65
• 3.3.4 真空管及固定條形鏡面兩級(jí)加熱系統(tǒng)65-67
• 3.4 本章小結(jié)67-69
• 第4章 固定條形鏡面聚光增濕-減濕淡化熱性能分析69-89
• 4.1 工質(zhì)熱物理特性分析69-73
• 4.1.1 濕空氣物理特性69-71
• 4.1.2 海水熱物理特性71-73
• 4.2 閉環(huán)空氣開環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)熱性能分析73-82
• 4.2.1 系統(tǒng)質(zhì)量平衡方程73-74
• 4.2.2 換熱器效能74
• 4.2.3 減濕器74-75
• 4.2.4 增濕器75-76
• 4.2.5 系統(tǒng)的產(chǎn)水性能76
• 4.2.6 系統(tǒng)性能分析76-82
• 4.3 開環(huán)空氣開環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)熱性能分析82-88
• 4.3.1 開環(huán)空氣開環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)熱性能82-84
• 4.3.2 系統(tǒng)性能分析84-88
• 4.4 本章小結(jié)88-89
• 第5章 中低溫耦合加熱回?zé)崾皆鰸駵p濕淡化實(shí)驗(yàn)研究89-113
• 5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理89-91
• 5.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)89-90
• 5.1.2 系統(tǒng)原理90-91
• 5.2 回?zé)崾蕉嗉?jí)增濕減濕淡化裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與安裝91-97
• 5.2.1 增濕器設(shè)計(jì)與安裝91-93
• 5.2.2 減濕器設(shè)計(jì)與安裝93-95
• 5.2.3 集熱器匹配選型95-97
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)量方法97-101
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)方案97-99
• 5.3.2 測(cè)量方法99-101
• 5.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能分析101-110
• 5.4.1 增濕器海水不同進(jìn)口溫度對(duì)增濕、冷凝效果的影響101-105
• 5.4.2 雙真空管及固定條形鏡面兩級(jí)加熱淡化系統(tǒng)105-109
• 5.4.3 產(chǎn)水水質(zhì)檢測(cè)109-110
• 5.5 本章小結(jié)110-113
• 第6章 太陽能熱水純水聯(lián)供系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)研究113-125
• 6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析113-116
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置113-114
• 6.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法114
• 6.1.3 系統(tǒng)組件分析114-115
• 6.1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試115-116
• 6.2 能量轉(zhuǎn)化模型116-118
• 6.2.1 集熱蒸發(fā)水箱能量分析116-117
• 6.2.2 冷凝水箱能量分析117-118
• 6.2.3 系統(tǒng)的性能系數(shù)118
• 6.3 性能結(jié)果分析118-123
• 6.3.1 蓄熱溫度對(duì)熱性能影響118-120
• 6.3.2 相同溫度下蓄熱性能測(cè)試與分析120-121
• 6.3.3 不蓄熱工況熱性能測(cè)試與分析121-122
• 6.3.4 產(chǎn)水水質(zhì)檢測(cè)122-123
• 6.4 本章小結(jié)123-125
• 第7章 全文總結(jié)和展望125-131
• 7.1 全文總結(jié)125-128
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)128
• 7.3 建議和展望128-131
• 參考文獻(xiàn)131-143
• 致謝143-145
• 攻讀博士學(xué)位期間主要成果145-147
• ENGLISH PAPERS147-178
• Paper Ⅰ:Design and performance experiment of fixed mirror solar concentrator147-163
• Paper Ⅱ:Design and performance experiment of solar hot water and pure water co-production system163-178
• 附件178

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滄化18000噸/日反滲透高濃度苦咸水淡化工程    楊濤

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反滲透苦咸水淡化技術(shù)在西部地區(qū)的應(yīng)用    安興才;王文正;雷進(jìn)武;

苦咸水淡化技術(shù)研究進(jìn)展    呂建國(guó);

苦咸水淡化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀    劉亮亮;周莉;張興文;

我國(guó)西北地區(qū)苦咸水淡化利用現(xiàn)狀分析和發(fā)展建議    張學(xué)發(fā);楊昆;馬駿;

苦咸水淡化成本分?jǐn)倶?biāo)準(zhǔn)初擬    記者 劉佳麗

我國(guó)最大的苦咸水淡化工程竣工    記者 馬彪

苦咸水淡化還需國(guó)家給力    本報(bào)記者 李軍

苦咸水淡化,不妨搬來“他山石”    云端

新疆破解苦咸水淡化世界性難題    記者 董少華　實(shí)習(xí)生 王玉召

中國(guó)：水資源的短缺及對(duì)策    本報(bào)記者 朱羽

苦咸水淡化開創(chuàng)出人飲解困新路    記者 郎志欽 祝麗敏 通訊員 張朝陽

玉柴環(huán)保異軍突起    李偉

黃驊市水務(wù)局苦咸水淡化解民憂    趙吉通 劉書琴 李義兵

玉柴環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展朝氣蓬勃    

中低溫太陽能集熱海水/苦咸水淡化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究    周希正

風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究    卓然

風(fēng)力壓縮空氣式苦咸水淡化試驗(yàn)研究    王曉芍

利用太陽能的小型海水/苦咸水淡化裝置研究    張建柱