島礁與內(nèi)陸干旱地區(qū)淡水資源短缺,且居民住所分散無法集中供水�；谔柲茯�(qū)動的吸附式空氣取水有效地提供了分布式供水的解決方案。該技術(shù)在夜間用吸濕劑捕獲空氣中的水蒸氣,繼而在太陽能驅(qū)動下解吸再生吸濕劑,從吸濕劑中釋放出水蒸氣并通過冷凝收集液態(tài)水。相比于工作在露點為15℃以上濕潤地區(qū)的電驅(qū)動冷凝式取水技術(shù),太陽能驅(qū)動的吸附式取水技術(shù)通過吸附解吸循環(huán)提高循環(huán)空氣的露點,在露點低于5℃的干旱地區(qū)實現(xiàn)高效率捕獲淡水,且無需額外電耗。然而現(xiàn)有的吸附式取水機組因循環(huán)設(shè)計粗糙、吸附劑低效、吸附床傳熱傳質(zhì)能力差,機組結(jié)構(gòu)不合理等原因,無法在較少能耗及較短循環(huán)時間內(nèi)實現(xiàn)大量取水。針對這些問題,本文提出一種新型半開吸附式空氣取水循環(huán),在夜間開式吸附、在白天閉式解吸,各個工作組件分別獨立,實現(xiàn)在60℃解吸溫度(熱空氣溫度在70℃)高效取水。基于該循環(huán),本文開發(fā)了一種高效的固化活性碳纖維合氯化鋰(ASLI)復(fù)合吸附劑,并基于這種吸附劑,設(shè)計了具有出色傳熱傳質(zhì)能力的吸附床。為了驗證材料及系統(tǒng)的高效性,設(shè)計了一套10kg取水量的系統(tǒng),完成了電加熱工況及太陽能空氣集熱器的潮濕工況實驗;針對吸附空氣取水的規(guī)模化以及普適性規(guī)律研究的需求,作者構(gòu)建了一套新型的熱空氣驅(qū)動的分離式吸附空氣取水系統(tǒng),該系統(tǒng)集儲能于一體,典型上海夏季氣候條件下日產(chǎn)水量可以達到50kg。構(gòu)建了空氣取水濕空氣狀態(tài)的變化準(zhǔn)則,并通過干燥工況以及潮濕工況的實驗進行了驗證�；谌虿煌牡赜虻膶嶋H工況,衡量了這套取水系統(tǒng)在世界典型地區(qū)氣候下的取水潛能,為裝置的規(guī)模化實用推廣提供理論依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)針對間歇吸附式空氣取水系統(tǒng),構(gòu)建了一套高效的半開式空氣取水循環(huán),構(gòu)建了吸附空氣取水系統(tǒng)普適的熱力學(xué)描述理論框架H-RH-T圖,分析了濕空氣狀態(tài)變化的內(nèi)在原理。通過對循環(huán)圖取水面積分析可得,在循環(huán)空氣質(zhì)量流量不變的前提下,在吸附工況下提升吸附床入口空氣的絕對含濕量,或者是在解吸情況下降低吸附床入口的絕對含濕量或者是提升解吸溫度,都增加取水量。將吸附床、冷凝器、加熱器、以及動力輔助設(shè)備獨立開來,使得各個部件相互耦合并高效工作。(2)開發(fā)了以活性炭為基質(zhì)的復(fù)合吸附劑,對比常見的粗孔硅膠、膨脹硫化石墨基質(zhì),研究復(fù)合LiCl和CaCl_2兩種吸濕性鹽后的性能。從微觀性能、平衡吸附性能及脫附性能等方面分析上述復(fù)合吸附劑,發(fā)現(xiàn)浸漬鹽溶液后,復(fù)合吸附劑的BET比表面積,孔容孔徑都有一定程度的下降,而吸附性能卻得到了增強。ASLI有著最佳的吸附和脫附性能,可在15-25℃環(huán)境中完成吸附,在65℃-70℃溫度下完成解吸。ASLI鹽濃度在30%時既能保證吸附量又能在目標(biāo)吸附時長內(nèi)避免溢液問題。基于Polanyi理論進行了ASLI材料平衡吸附方程的擬合,為機組的拓展研究建立理論基礎(chǔ)。(3)基于新開發(fā)的ASLI高效復(fù)合吸附劑,研制出具有高傳熱傳質(zhì)能力的蜂窩狀吸附床結(jié)構(gòu)。單層床體結(jié)構(gòu)為0.4×0.4×0.2 m~3,用CFX模擬空氣流動過程,以驗證其流道的低流阻,在流速為2m/s下,單層流動阻力模擬值為8.8 Pa,用壓差變送器實測值為1 mm水柱,即9.8 Pa。優(yōu)化流道單元尺寸以后,制備出相應(yīng)的吸附床整體,搭建10kg小型機組,在高濕度工況下及不同電加熱器驅(qū)動的溫度下,對其吸附和脫附性能進行研究,驗證了吸附劑在整套系統(tǒng)中運行的可行性。將系統(tǒng)連接到實際的太陽能空氣集熱器中進行實況實驗,以測試在太陽能驅(qū)動下機組的取水性能。實驗結(jié)果說明,解吸溫度一定,吸附工況入口相對濕度越高,取水量越多;吸附工況一定,再生溫度越高,取水量越多。(4)針對吸附空氣取水規(guī)�；瘧�(yīng)用的實際需求,研制了一臺日產(chǎn)水50kg的集儲能于一體的智能化空氣取水機組。在干燥的沙漠工況以及濕潤的海島工況下進行實驗并得到了機組的固有效率,并結(jié)合材料與機組的固有性能對世界范圍內(nèi)典型工況進行模擬,得到其取水潛能,結(jié)合世界各典型地區(qū)的太陽能輻射強度,計算出所需太陽能空氣集熱器面積,為機組在各地的實用推廣提供理論指導(dǎo)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TV213.9;TB332;O647.33
【部分圖文】：

第一章 緒論的工業(yè)生產(chǎn)過程中已有廣泛應(yīng)用。圖 1-1 將現(xiàn)有的空氣取水技術(shù)做了詳細(xì)的分類。第一類是使用表面冷卻技術(shù)將水蒸氣從濕空氣中冷凝，根據(jù)冷凝方式的不同，又可分為主動式和被動式冷凝；第二類采用膜分離法，通過電解或者加壓的方式提取淡水[11]；第三類吸附/吸收技術(shù)提取水蒸氣，加熱解吸后獲得淡水。下文將詳細(xì)介紹各種空氣取水的典型系統(tǒng)。

如圖1-2 所示，在壓縮機的工作下液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器，將引入的空氣冷卻至露點，析出冷凝水，繼而用冷卻后的空氣帶走冷凝器的熱量，將獲得的水過濾并儲存[16]。目前世界上近 90%的空氣取水產(chǎn)品，采用的都是壓縮式制冷，從家用飲水、軍隊急救至地區(qū)供水灌溉都有覆蓋。法國公司 Eolewater 公司研制了可移動式軍用空氣取水器，外尺寸為

圖 1-3 采用水蒸氣選擇膜的空氣取水器系統(tǒng)圖ic representation of the membrane unit and the permeate si harvesting unit, working with water vapor selective memb隔污染物或病原體，獲得潔凈的冷凝水直接飲法水蒸氣膜為例，其材料一般為 Pebax [51]或 > 4000)[52]。在空氣取水領(lǐng)域應(yīng)用膜分離技術(shù)，氣溫濕度變化而引起的進氣水蒸氣分壓變化對多數(shù)水蒸氣分離膜應(yīng)用仍處于研究和開發(fā)階段取水器的原理是采用吸濕性吸附/吸收劑將空氣料內(nèi)，經(jīng)過一定時間以后，再將吸附/吸收劑
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 何余生,李忠,奚紅霞,郭建光,夏啟斌;氣固吸附等溫線的研究進展[J];離子交換與吸附;2004年04期

2 王如竹,汪前彬;吸附制冷工作對的吸附機理及其吸附率方程的改進[J];太陽能學(xué)報;1999年03期

本文編號：2881436