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热法太阳能海水淡化技术及系统研究

陈志莉  
【摘要】:随着世界淡水资源的日益枯竭,海水淡化已成为解决淡水资源紧缺最重要手段之一。常规的海水淡化是高能耗产业,而当前石化资源面临即将耗尽的威胁。使用常规能源进行海水淡化不仅加剧能源紧缺,而且排放温室气体、氮氧化合物等污染物质,因此,利用可再生清洁能源(如太阳能等)实现海水淡化必将成为海水淡化技术的重要发展方向,成为解决淡水危机的重要途径,对确保人类社会可持续发展具有重要意义。 针对不同的地域条件和保障需求,研制出两种热法太阳能海水淡化装置,即多级强化冷凝面太阳能海水淡化装置和降膜蒸发太阳能海水淡化装置,进行装置淡化机理、稳态性能测试、实际运行实验和性能模拟分析等方面详细研究,并分析了两类系统的经济性。 建立了多级强化冷凝面太阳能海水淡化系统各部件和总系统的传热传质数学模型,给出装置内各级传热速率方程、装置最上一级传热传质关系式,以及装置性能系数的理论计算公式。 实验测试了三级强化冷凝面太阳能海水淡化装置的瞬态和稳态性能,完成装置在实际天气下的实验测试。瞬态和稳态实验表明:装置运行3h后基本达到稳定产水率;运行温度越高,产水率和稳态性能系数越大,运行温度70℃以上时性能系数达1以上。装置在实际天气下的实验表明:太阳辐射量为19~20MJ/( m2·d)、海水深度为2cm、3cm、4cm时,淡水总产量为7.29kg/d、6.56kg/d、5.12kg/d,装置性能系数为1.12、0.98、0.78;装置各级运行温度、各级产水率变化趋势与接受太阳能辐射量变化趋势相似,但时间有不同程度滞后;海水深度越浅,其产水率、累积产水量和性能系数也越大。 对多级强化冷凝面太阳能海水淡化装置运行性能进行模拟分析,理论预测了迭盘级数、能量匹配系数、各级盘海水深度、迭盘蒸发面与冷凝面距离等因素对装置性能的影响,分析计算了不同海水深度下最佳匹配关系及装置性能系数。对比分析三级装置运行性能的理论预测结果与实测结果表明:实测值与理论预测值变化趋势大体相似,实测值低于理论预测值;理论预测结果基本合理,具有参考价值。 基于膜蒸发与膜凝结理论,研发出太阳能和风能联合驱动的降膜蒸发海水淡化装置。对装置的传热传质过程进行分析,从而建立装置传热传质数学模型,给出装置整体及各部件系统质量守恒方程、盐质量守恒方程、能量平衡方程、传热方程及产水量计算等传热传质关系式。 对降膜蒸发太阳能海水淡化装置产水率的主要影响因素进行分析测试,获得装置适宜的运行条件:淡化装置主机运行温度70~80℃、冷却水温度15~25℃为佳;加热水流量和冷却水流量为2.5~3.5m3/h合适;主机运行压力15~20kPa为佳;装置有较高性能系数,运行温度70~75℃时,装置性能系数约为2.0。进行装置性能优化研究,获得降膜蒸发太阳能加热系统的最佳匹配参数及总系统运行优化参数。完成降膜蒸发太阳能海水淡化装置实际运行动态测试,检验了太阳能集热器、海水淡化主机运行情况及自动控制系统,并测试装置在两年中典型月份基本运行情况。实测结果表明,装置产水率较高,在太阳辐射20MJ/(d·m2)条件下,系统平均每平方米集热面积产水达10~15L,淡化出水水质指标符合国家生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)。 采用折算现值的方法进行两类太阳能海水淡化系统经济性分析,建立了两类系统经济性分析数学模型,计算其投资回报和产水成本。降膜蒸发太阳能海水淡化装置产水成本11.45元/吨,多级强化冷凝面太阳能海水淡化装置产水成本10.9元/吨,两类热法太阳能海水淡化装置均具有良好的经济价值。


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