本文關鍵詞：基于減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng)研究

  更多相關文章： 太陽能海水淡化 減壓膜蒸餾 太陽灶 蒸發(fā)器 換熱箱

【摘要】：海水淡化技術是當前研究的熱點,利用常規(guī)能源進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。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發(fā)展的重要方向。針對當前一些主流太陽能海水淡化技術(如太陽能多效蒸發(fā)、太陽能多級閃蒸、太陽能反滲透等)存在太陽能熱利用率不高、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-冷凝為技術工藝的新型的減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng);首先,通過實驗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),驗證了此技術工藝系統(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,對系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)太陽能加熱系統(tǒng)、減壓膜蒸餾系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)中的主要組件進行了選型和試制,并采用傳熱學和流體力學的相關理論,對系統(tǒng)各主要子系統(tǒng)的性能進行了理論分析和數(shù)值模擬,并設計和試制了減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng)的裝置;最后,為了驗證該技術工藝路線的可行性和裝置的有效性和可靠性,開展了系統(tǒng)裝置在實際環(huán)境條件下對天然海水的脫鹽實驗研究。本論文取得的結論如下:第一,為了檢驗以加溫-減壓膜蒸餾-冷凝為技術工藝路線的海水淡化系統(tǒng)的有效性,首先,開展了以電加熱提供熱能的減壓膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)裝置的實驗研究,通過實驗研究得到了進料液溫度、真空度、進料液流量、進料液質量分數(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:當進料液溫度為70℃,真空度為0.095 MPa,進料液流量為90 L/h時,以質量分數(shù)為35 g/kg的模擬海水作為進料液,可獲得最大的滲透通量為10.894 kg/m2/h;其次,在最優(yōu)操作條件下對天然海水進行脫鹽實驗,結合原子吸收、離子色譜測定所得淡水的質量,得出——————————————————了系統(tǒng)連續(xù)運行12 h,可獲得的平均滲透通量為11.171 kg/m2/h,總淡水產量為16 kg,總淡水的電導率為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)的實驗研究基礎上,設計試制了系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)太陽能加熱系統(tǒng)、減壓膜蒸餾系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)的裝置。本部分的主要結論有以下幾點:(1)在太陽能加熱系統(tǒng)中,分別對太陽能加熱系統(tǒng)中的太陽能集熱器和太陽灶進行了理論研究和實驗分析,確定了太陽能集熱器真空管的數(shù)量為12只和太陽灶熱水箱的規(guī)格尺寸,以及影響太陽能集熱器和太陽灶溫升的主要因素是太陽能輻射強度和管道內液體流量;當液體流量為20 L/h時,太陽能集熱器和太陽灶的出水溫度最高;在液體流量不變的條件下,太陽能集熱器和太陽灶的出水溫度隨著太陽能輻射強度的增加逐漸升高。同時也對太陽能集熱器耦合太陽灶的溫升性能進行了分析,結果表明:耦合后的太陽能加熱系統(tǒng),能更好地利用太陽能,系統(tǒng)的出口溫度比單個裝置的出口溫度要高,同時兩個裝置的耦合使用能適應不同的環(huán)境狀況。(2)在減壓膜蒸餾系統(tǒng)中,運用傳熱傳質和流體力學的理論,對蒸發(fā)器中的液體流態(tài)、蒸發(fā)器內蒸發(fā)過程能量的分析以及水蒸汽蒸發(fā)過程的汽-液分離機理進行了分析,并利用FLUENT軟件的VOF模型和傳熱模型對整個蒸發(fā)器進行了數(shù)值仿真模擬。結果表明:進料液溫度的增加,加快了水分子在蒸發(fā)器內的運動,同時水分子與液體分離時,上升浮力越大,蒸發(fā)量就越大;進料液流量的增加,會使液體的擾動性變大,導致液膜的流動狀態(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)器內的體積分數(shù)就相應增加;蒸發(fā)器的長度縮短一半時,蒸汽體積分數(shù)降低,熱海水還未蒸發(fā)完全就已排出,從而導致蒸發(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,進而導致液膜由膜狀向多股溝流轉變,又水蒸汽密度比空氣輕,當蒸發(fā)器傾斜角度變化時,水蒸汽的流動狀態(tài)也發(fā)生變化,同時也造成水蒸汽蒸發(fā)速率的改變;而支撐板的高度太高,會造成海水蒸發(fā)過程中蒸汽進入膜孔的溫度和熱量損失,導致水蒸汽體積分數(shù)降低,而支撐板的高度太低,水蒸汽在蒸發(fā)器內容易達到飽和,造成蒸發(fā)量減少,從而使水蒸汽體積分數(shù)下降。(3)在冷凝系統(tǒng)中,運用傳熱學等理論,建立了螺旋換熱管管壁熱傳導的數(shù)學模型,確定了螺旋換熱管的長度和換熱箱的規(guī)格,采用有限元法對水蒸汽進入螺旋換熱管中的傳熱過程進行了數(shù)值模擬。結果表明:當螺旋換熱管的長度為9.42 m,換熱箱規(guī)格為長200 mm×寬200 mm×高400 mm,螺旋換熱管的材料為不銹鋼時,其傳熱系數(shù)較大;當水蒸汽溫度為70℃、管內流量為20 L/h時,水蒸汽進入螺旋換熱管中,其溫度迅速下降且從管內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,由于太陽輻射等原因會吸收熱量,可為換熱箱內的海水加熱,從而使海水溫度上升。第三,為了驗證系統(tǒng)技術工藝路線的可行性和裝置的有效性,對設計試制的減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng)裝置開展了實驗研究。本部分的主要結論有以下幾點:(1)在電加熱和蒸發(fā)器的實驗模式下,以模擬海水作為進料液,研究了進料液溫度、真空度、進料液流量和進料液質量分數(shù)等四種條件對減壓膜蒸餾蒸發(fā)器性能的影響,從而得出最優(yōu)運行條件為:當進料液流量為20 L/h,真空度為0.095 Mpa,進料液溫度為90℃時,以質量分數(shù)為35 g/kg的模擬海水為進料液進行脫鹽研究時,可得到最大滲透通量為5.899 kg/m2/h。(2)在太陽能加熱系統(tǒng)和蒸發(fā)器的實驗模式下,以質量分數(shù)為35g/kg的模擬海水作為進料液,在流量為20 L/h和真空度為0.095 MPa時,考察了以太陽能加熱系統(tǒng)替代電加熱提供熱源溫度對蒸發(fā)器性能的影響,結果表明:在三天環(huán)境狀況相似的情況下,單獨的太陽能集熱器加熱的海水最高溫度為64℃,單獨的太陽灶加熱的海水最高溫度為76℃,而太陽能集熱器耦合太陽灶加熱的海水最高溫度為82℃;此時,單獨的太陽能集熱器聯(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,單獨的太陽灶聯(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,太陽能集熱器耦合太陽灶聯(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)在太陽能集熱器耦合太陽灶和蒸發(fā)器的實驗模式下,以天然海水為進料液,在流量為20 L/h和真空度為0.095 MPa時,以太陽能集熱器耦合太陽灶提供熱能進行實驗研究。為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,選擇二個典型的夏日天氣8月22日和8月29日的7:00至18:00時進行實驗,結合原子吸收、離子色譜測定所得淡水的質量,結果表明:8月22日系統(tǒng)共產生72 kg的淡水,所得淡水的電導率在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,淡水水質指標均符合《國家生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)和《飲用凈水水質標準》(CJ94-2005);8月29日系統(tǒng)共產生69 kg的淡水,所得淡水的電導率在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,淡水水質指標均符合《國家生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)和《飲用凈水水質標準》(CJ94-2005);海水淡化效果好且可穩(wěn)定運行。綜上所述,本論文設計試制的減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng)裝置是先進有效和可靠的,且可為偏遠的苦咸水地區(qū)或孤島地區(qū)服務的太陽能海水淡化系統(tǒng)。
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P747.14

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;技術前沿:太陽能海水淡化系統(tǒng)專用救災現(xiàn)場[J];硅谷;2011年08期

2 王永青;何宏舟;;海水淡化系統(tǒng)的性能優(yōu)化與評價準則[J];化學工程;2012年02期

3 劉波;李娜;;平海電廠海水淡化系統(tǒng)介紹[J];科技風;2013年07期

4 賈海軍,李毅,肖志,李勝強,仲朔平,姜勝耀,張佑杰;與核供熱堆耦合的海水淡化系統(tǒng)及蒸發(fā)工藝研究[J];核動力工程;2003年S2期

5 陳金增,宋振海,張青枝,黃素逸;熱力蒸汽壓縮式海水淡化系統(tǒng)熱力分析[J];海軍工程大學學報;2005年04期

6 楊英俊 ,陳志莉 ,鄭宏飛 ,楊海平;全自然能源海水淡化系統(tǒng)[J];太陽能;2005年02期

7 張福錄;李雪民;;反滲透法海水淡化系統(tǒng)的設計[J];一重技術;2005年05期

8 張曉東;原郭豐;成珂;張鶴飛;;新型太陽能海水淡化系統(tǒng)[J];水處理技術;2006年06期

9 龐勝林;劉金生;;華能浙江分公司海水淡化系統(tǒng)研究[J];電力設備;2006年09期

10 高蓬輝;吳安民;成珂;張鶴飛;;基于神經網絡的海水淡化系統(tǒng)產水模擬及預測[J];石油化工設備;2006年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 王許云;張林;陳歡林;高從X&;;太陽能海水淡化系統(tǒng)開發(fā)進展[A];第一屆海水淡化與水再利用西湖論壇論文集[C];2006年

2 龐勝林;劉金生;;海水淡化系統(tǒng)研究[A];提高全民科學素質、建設創(chuàng)新型國家——2006中國科協(xié)年會論文集（下冊）[C];2006年

3 王剛;周志瑩;顧為東;;利用非并網風電進行海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)勢分析[A];新形勢下長三角能源面臨的新挑戰(zhàn)和新對策——第八屆長三角能源論壇論文集[C];2011年

4 劉曉華;趙廣斌;沈勝強;曹國建;陳文博;;太陽能海水淡化系統(tǒng)性能對比研究[A];高等學校工程熱物理第十九屆全國學術會議論文集[C];2013年

5 馮巍;;海水淡化系統(tǒng)與制氯系統(tǒng)聯(lián)動運行及邏輯優(yōu)化與設備節(jié)約探討[A];2013年中國電機工程學會年會論文集[C];2013年

6 肖麗;吳善宏;周佰魏;何先營;;海水淡化系統(tǒng)殺菌方式的優(yōu)化應用[A];第四屆火電行業(yè)化學(環(huán)保)專業(yè)技術交流會論文集[C];2013年

7 王金華;胡黨輝;嚴俊杰;邵樹峰;劉繼平;;改進型多級閃蒸海水淡化系統(tǒng)的經濟性研究[A];中國動力工程學會第三屆青年學術年會論文集[C];2005年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 首席記者 邱麗娜;我省海水淡化系統(tǒng)項目成功投運[N];黑龍江經濟報;2010年

2 本報記者 孫安然 朱_g;“全能”型海水淡化系統(tǒng)正式亮相[N];中國海洋報;2013年

3 王友柏　記者 張瑋煒;紅沿河核電海水 淡化系統(tǒng)投入使用[N];大連日報;2010年

4 記者 王榮琦;國內首個核電站海水淡化系統(tǒng)啟用[N];遼寧日報;2010年

5 劉婧婷　記者 張桂英 張斯文;我省海水淡化系統(tǒng)印尼投運[N];黑龍江日報;2010年

6 記者 馮曉彤　通訊員 張存保;世界首例三工況低溫多效海水淡化系統(tǒng)成功應用[N];首都建設報;2011年

7 本報記者 吳德強;太陽和風可淡化海水[N];北京科技報;2004年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 韓冰;用于MEE海水淡化系統(tǒng)的蒸汽熱力壓縮機及混合可再生能源系統(tǒng)的研究[D];北京工業(yè)大學;2015年

2 王芳;基于減壓膜蒸餾法太陽能海水淡化系統(tǒng)研究[D];東華大學;2016年

3 鄧潤亞;海水淡化系統(tǒng)能量綜合利用與經濟性研究[D];中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）;2009年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 鄒維東;多級海水淡化系統(tǒng)裝置推廣研究[D];哈爾濱工程大學;2012年

2 劉珩;四效蒸餾太陽能海水淡化系統(tǒng)設計與實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

3 張新春;一種新型太陽能自然真空海水淡化系統(tǒng)性能研究[D];大連理工大學;2015年

4 朱鳴鳴;太陽能增濕除濕海水淡化系統(tǒng)性能研究[D];大連理工大學;2015年

5 馬原;一種海水淡化系統(tǒng)的自動控制程序設計[D];吉林大學;2016年

6 周婷;基于反滲透方法的新能源海水淡化系統(tǒng)研究[D];上海海洋大學;2016年

7 郭麗江;熱電聯(lián)產海水淡化系統(tǒng)節(jié)能降耗分析[D];華北電力大學（北京）;2005年

8 閆冬俠;海水淡化系統(tǒng)中超濾膜性能的研究[D];浙江工業(yè)大學;2006年

9 王曉;超聲波輔助蒸發(fā)太陽能海水淡化系統(tǒng)研究[D];青島理工大學;2010年

10 劉鵬;單效蒸發(fā)機械壓汽海水淡化系統(tǒng)熱力性能研究[D];集美大學;2012年

，

本文編號：1274466