本文關(guān)鍵詞：基于減壓膜蒸餾法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)研究

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【摘要】：海水淡化技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),利用常規(guī)能源進(jìn)行海水淡化不僅消耗大量燃料,加重能源緊缺,而且排放硫氧化合物、氮氧化合物以及溫室氣體等污染物質(zhì)。因此,利用可再生清潔能源,如太陽(yáng)能等實(shí)現(xiàn)海水淡化必將成為海水淡化技術(shù)發(fā)展的重要方向。針對(duì)當(dāng)前一些主流太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)(如太陽(yáng)能多效蒸發(fā)、太陽(yáng)能多級(jí)閃蒸、太陽(yáng)能反滲透等)存在太陽(yáng)能熱利用率不高、系統(tǒng)裝置效率低等局限性,本文形成了一種以加溫-減壓膜蒸餾-冷凝為技術(shù)工藝的新型的減壓膜蒸餾法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng);首先,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了以電加熱提供熱能的減壓膜蒸餾法海水淡化系統(tǒng),驗(yàn)證了此技術(shù)工藝系統(tǒng)的有效性以及得出了影響系統(tǒng)性能的最優(yōu)操作條件;其次,對(duì)系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)、減壓膜蒸餾系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)中的主要組件進(jìn)行了選型和試制,并采用傳熱學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論,對(duì)系統(tǒng)各主要子系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,并設(shè)計(jì)和試制了減壓膜蒸餾法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的裝置;最后,為了驗(yàn)證該技術(shù)工藝路線(xiàn)的可行性和裝置的有效性和可靠性,開(kāi)展了系統(tǒng)裝置在實(shí)際環(huán)境條件下對(duì)天然海水的脫鹽實(shí)驗(yàn)研究。本論文取得的結(jié)論如下:第一,為了檢驗(yàn)以加溫-減壓膜蒸餾-冷凝為技術(shù)工藝路線(xiàn)的海水淡化系統(tǒng)的有效性,首先,開(kāi)展了以電加熱提供熱能的減壓膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)裝置的實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了進(jìn)料液溫度、真空度、進(jìn)料液流量、進(jìn)料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響系統(tǒng)性能的主要操作條件,且系統(tǒng)的最優(yōu)操作條件為:當(dāng)進(jìn)料液溫度為70℃,真空度為0.095 MPa,進(jìn)料液流量為90 L/h時(shí),以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35 g/kg的模擬海水作為進(jìn)料液,可獲得最大的滲透通量為10.894 kg/m2/h;其次,在最優(yōu)操作條件下對(duì)天然海水進(jìn)行脫鹽實(shí)驗(yàn),結(jié)合原子吸收、離子色譜測(cè)定所得淡水的質(zhì)量,得出——————————————————了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行12 h,可獲得的平均滲透通量為11.171 kg/m2/h,總淡水產(chǎn)量為16 kg,總淡水的電導(dǎo)率為0.00503 m S/cm,截留率約為99.99%,脫鹽效果明顯。第二,在減壓膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)試制了系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)、減壓膜蒸餾系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)的裝置。本部分的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):(1)在太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中,分別對(duì)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中的太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)灶進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)分析,確定了太陽(yáng)能集熱器真空管的數(shù)量為12只和太陽(yáng)灶熱水箱的規(guī)格尺寸,以及影響太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)灶溫升的主要因素是太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和管道內(nèi)液體流量;當(dāng)液體流量為20 L/h時(shí),太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)灶的出水溫度最高;在液體流量不變的條件下,太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)灶的出水溫度隨著太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的增加逐漸升高。同時(shí)也對(duì)太陽(yáng)能集熱器耦合太陽(yáng)灶的溫升性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:耦合后的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng),能更好地利用太陽(yáng)能,系統(tǒng)的出口溫度比單個(gè)裝置的出口溫度要高,同時(shí)兩個(gè)裝置的耦合使用能適應(yīng)不同的環(huán)境狀況。(2)在減壓膜蒸餾系統(tǒng)中,運(yùn)用傳熱傳質(zhì)和流體力學(xué)的理論,對(duì)蒸發(fā)器中的液體流態(tài)、蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)過(guò)程能量的分析以及水蒸汽蒸發(fā)過(guò)程的汽-液分離機(jī)理進(jìn)行了分析,并利用FLUENT軟件的VOF模型和傳熱模型對(duì)整個(gè)蒸發(fā)器進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。結(jié)果表明:進(jìn)料液溫度的增加,加快了水分子在蒸發(fā)器內(nèi)的運(yùn)動(dòng),同時(shí)水分子與液體分離時(shí),上升浮力越大,蒸發(fā)量就越大;進(jìn)料液流量的增加,會(huì)使液體的擾動(dòng)性變大,導(dǎo)致液膜的流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)槎喙蓽狭?使液體的蒸發(fā)量降低;真空度的增加,會(huì)使液體的表面張力變小,有利于液膜的鋪展,從而增加了蒸發(fā)面積,且水蒸汽所受拽力變小,蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)就相應(yīng)增加;蒸發(fā)器的長(zhǎng)度縮短一半時(shí),蒸汽體積分?jǐn)?shù)降低,熱海水還未蒸發(fā)完全就已排出,從而導(dǎo)致蒸發(fā)量下降;蒸發(fā)器傾斜角度的增加可改變料液在蒸發(fā)器斜板上的流速,進(jìn)而導(dǎo)致液膜由膜狀向多股溝流轉(zhuǎn)變,又水蒸汽密度比空氣輕,當(dāng)蒸發(fā)器傾斜角度變化時(shí),水蒸汽的流動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生變化,同時(shí)也造成水蒸汽蒸發(fā)速率的改變;而支撐板的高度太高,會(huì)造成海水蒸發(fā)過(guò)程中蒸汽進(jìn)入膜孔的溫度和熱量損失,導(dǎo)致水蒸汽體積分?jǐn)?shù)降低,而支撐板的高度太低,水蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)容易達(dá)到飽和,造成蒸發(fā)量減少,從而使水蒸汽體積分?jǐn)?shù)下降。(3)在冷凝系統(tǒng)中,運(yùn)用傳熱學(xué)等理論,建立了螺旋換熱管管壁熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型,確定了螺旋換熱管的長(zhǎng)度和換熱箱的規(guī)格,采用有限元法對(duì)水蒸汽進(jìn)入螺旋換熱管中的傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:當(dāng)螺旋換熱管的長(zhǎng)度為9.42 m,換熱箱規(guī)格為長(zhǎng)200 mm×寬200 mm×高400 mm,螺旋換熱管的材料為不銹鋼時(shí),其傳熱系數(shù)較大;當(dāng)水蒸汽溫度為70℃、管內(nèi)流量為20 L/h時(shí),水蒸汽進(jìn)入螺旋換熱管中,其溫度迅速下降且從管內(nèi)壁到管外壁的蒸汽溫度也逐漸降低,而置于環(huán)境中的換熱箱,由于太陽(yáng)輻射等原因會(huì)吸收熱量,可為換熱箱內(nèi)的海水加熱,從而使海水溫度上升。第三,為了驗(yàn)證系統(tǒng)技術(shù)工藝路線(xiàn)的可行性和裝置的有效性,對(duì)設(shè)計(jì)試制的減壓膜蒸餾法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)裝置開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。本部分的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):(1)在電加熱和蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?以模擬海水作為進(jìn)料液,研究了進(jìn)料液溫度、真空度、進(jìn)料液流量和進(jìn)料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等四種條件對(duì)減壓膜蒸餾蒸發(fā)器性能的影響,從而得出最優(yōu)運(yùn)行條件為:當(dāng)進(jìn)料液流量為20 L/h,真空度為0.095 Mpa,進(jìn)料液溫度為90℃時(shí),以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35 g/kg的模擬海水為進(jìn)料液進(jìn)行脫鹽研究時(shí),可得到最大滲透通量為5.899 kg/m2/h。(2)在太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)和蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35g/kg的模擬海水作為進(jìn)料液,在流量為20 L/h和真空度為0.095 MPa時(shí),考察了以太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)替代電加熱提供熱源溫度對(duì)蒸發(fā)器性能的影響,結(jié)果表明:在三天環(huán)境狀況相似的情況下,單獨(dú)的太陽(yáng)能集熱器加熱的海水最高溫度為64℃,單獨(dú)的太陽(yáng)灶加熱的海水最高溫度為76℃,而太陽(yáng)能集熱器耦合太陽(yáng)灶加熱的海水最高溫度為82℃;此時(shí),單獨(dú)的太陽(yáng)能集熱器聯(lián)合減壓膜蒸餾蒸發(fā)器所得最大滲透通量為1.004 kg/m2/h,單獨(dú)的太陽(yáng)灶聯(lián)合減壓膜蒸餾蒸發(fā)器所得最大滲透通量為1.231 kg/m2/h,太陽(yáng)能集熱器耦合太陽(yáng)灶聯(lián)合減壓膜蒸餾蒸發(fā)器所得最大滲透通量為1.716 kg/m2/h。(3)在太陽(yáng)能集熱器耦合太陽(yáng)灶和蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?以天然海水為進(jìn)料液,在流量為20 L/h和真空度為0.095 MPa時(shí),以太陽(yáng)能集熱器耦合太陽(yáng)灶提供熱能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,選擇二個(gè)典型的夏日天氣8月22日和8月29日的7:00至18:00時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)合原子吸收、離子色譜測(cè)定所得淡水的質(zhì)量,結(jié)果表明:8月22日系統(tǒng)共產(chǎn)生72 kg的淡水,所得淡水的電導(dǎo)率在0.00276 m S/cm和0.06730 m S/cm之間,截留率在99.67%和99.99%之間,平均脫鹽率在90%以上,淡水水質(zhì)指標(biāo)均符合《國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)和《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94-2005);8月29日系統(tǒng)共產(chǎn)生69 kg的淡水,所得淡水的電導(dǎo)率在0.00312 m S/cm和0.07210m S/cm之間,截留率在99.65%和99.99%之間,平均脫鹽率在90%以上,淡水水質(zhì)指標(biāo)均符合《國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)和《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94-2005);海水淡化效果好且可穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述,本論文設(shè)計(jì)試制的減壓膜蒸餾法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)裝置是先進(jìn)有效和可靠的,且可為偏遠(yuǎn)的苦咸水地區(qū)或孤島地區(qū)服務(wù)的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P747.14

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本文編號(hào)：1274466