太阳能海水淡化装置的能量系统研究.docx
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太阳能海水淡化装置的能量系统研究
太阳能海水淡化装置的能量系统研究
西北工业大学
硕士学位论文
姓名:
张小粉
申请学位级别:
硕士
专业:
制冷及低温工程
指导教师:
楚武利;张立希
20070301
西北工业大学硕士学位论文
摘要
海水淡化是解决淡水资源短缺的有效途径。
低温蒸馏式海水淡化方法是目前公认的最有发展前景的海水淡化方法之一,其优点是:
对热源要求不高,操作温度低,可使用太阳能或烟气余热等低品位热源,对设备腐蚀性小,不易结垢。
太阳能是一种洁净、安全、无污染的可再生能源。
本文主要对新型低温蒸馏式太阳能海水淡化的能量系统进行了研究,采用高效无机热管作为传热元件,设计了新型太阳能集热板以及单效低温蒸馏式太阳能海水淡化系统的其它主要部件,建立了试验台,对影响其产水量的各因素进行了分析,对装置提出了改进意见。
由于氙灯辐射光谱与太阳的辐射光谱很接近,因此本文采用氙灯模拟太阳辐射。
首先,对西安地区的太阳辐射强度进行了计算,并以计算出的辐射强度为依据,确定了模拟光源的辐射强度值;以集热面上接收到的辐射强度均匀为设计原则,选取了氙灯的功率、个数,设计了布置方式。
设计了新型多孔太阳能集热板。
该集热板放置于蒸馏器内海水面的上方,蒸馏器内的工作压力为负压。
集热板表面涂有黑色的吸收涂层,上面均匀开有数目不同的两种孔,小孔供蒸汽通过,大孔用来安装导热管。
导热管由高效无机热管制作。
它的径向传热能力为44k、wm2,轴向传热能力达到8600kw/In2,可在极短时间内达到等温传热。
导热管的下端浸没在海水中,可将集热板收集到的太阳能迅速传递给海水,使海水在低温下蒸发,产生的蒸汽通过冷凝器凝结为淡水。
导热管的使用强化了集热板与海水之间的换热,使海水的加热面积增大,新型集熟板的使用,使海水淡化装置的占地面积减小。
根据能量平衡关系,计算了蒸馏器内海水的蒸发量,分析了汽、液分离的过程,计算了汽、液分离空间的高度。
根据蒸汽冷凝量的大小,选择了冷凝器的型式,并对其进行了设计计算。
对单效低温蒸馏式太阳能海水淡化装置进行了试验研究,并对影响其产水量的各主要因素进行了讨论。
得出:
在其它条件不变的情况下,太阳辐射量、集热器面积分别与产水量呈线性关系;在辐射强度相同的条件下,蒸馏器的效数越多,产水量越大。
最后,对试验装置提出了改进意见,建议将单效装置该改为三效装置以提高产水率。
本文的研究工作为大型太阳海水淡化装置的设计和性能分析起到了一定的参考作用。
西北工业大学硕士学位论文摘要
关键词:
太阳能,海水淡化,氙灯,集热板,高效无机热管Ⅱ
西北工业大学硕士学位论文
Abstract
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Keywords:
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主要符号表
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大气层外法向的辐射强度,w/m26么
太阳常数,通常取13531;I,/m2
一
日子数
瓯
大气层外水平面上的辐射强度,
W|蔷
矿地理纬度赤纬角太阳时角
日落时角
日照时间,h
标准经度
时差
大气层外水平面上辐射量,J抽2
水平面上的直射辐照量,J/ln2
水平面上的散射辐照量,J抽2水平面上的总辐照量,J艋2太阳天顶角
太阳高度角
大气质量
V
%直射辐射的大气透明度
白
散射辐射的大气透明度
|Il
海拔高度,km4开孔面积,m2
以
开孔区的面积,m2R
集热板直径,m
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日出时角且
集热板直径,mJ
蒸汽空直径,mm‰
当地纬度
co
海水的初始浓度,%c1
蒸发后的浓度,%
%
进入蒸发器内海水流量,kgm
m2
蒸汽的质量流量,kgm
鸭
蒸汽的质量流量,kgm
Qo
进入蒸发器内的能量,l讹
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进入蒸发器内海水焓值,
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西北工业大学硕士学位论文
f
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浓盐水的焓值,kJ以(gb
海水的初始温度,℃
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气泡内的压力,Pa
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主要符号表
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管内海水流速,m/s
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冷凝管长度,mQ
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汽化潜热,kJ/kg
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℃)
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厚度,m
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冷凝管的导热系数,W/(m’℃)
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冷凝管外径,m
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西北工业大学业
学位论文知识产权声明书
本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:
研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。
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同时本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。
保密论文待解密后适用本声明。
学位论义作者签名:
l础
堋年3月岁口日指剥嗽:
塑盟嘶炒7年;月扣日。
西北工业大学
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秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。
本人学位论文与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。
学位论文作者签名:
盗坐监炒(年3月歹c)日
西北工业大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1海水淡化的背景及意义
淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一,是地球上不可替代的宝贵资源。
地球上水的总量约为13.6×1dW,其中97%是咸水(包括海水和苦咸水),在余下的3%的淡水中,又有77%是人类难以利用的两极冰盖、冰川、冰雪。
人类实际可利用的淡水只占全球水总量的O.7%,而且大部分属于不可再生的枯竭性地下水。
工业废弃物的大量排放,使大量的河流、湖泊等原来洁净的水源受到严重的污染,再加上过渡开采和环境的日益恶化,淡水的供求矛盾更加尖锐。
根据联合国统计,全球淡水消耗量20世纪初以来增加了约6~7倍,比人口增长速度高2倍,发展中国家每年有2500万人死于不洁饮水,占发展中国家死亡人数的三分之一。
估计到2025年,全世界将有近1/3的人口(23亿人)缺水,涉及的国家和地区达40多个,中国是其中之一【l】。
中国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之一,淡水资源总量名列世界第六,但人均占有量仅为世界平均值的似,位居世界第109位,而且水资源在地区分布上很不均衡,有lO个省、市、自治区的水资源已经低于起码的生存线,那里的人均水资源拥有量不足500立方米。
缺水给城市工业带来的损失在1200亿元以上,且成增长趋势。
其中青岛、天津、烟台、大连等沿海城市的水资源短缺最为突出。
20lO年后,我国将进入严重缺水期,有专家估计,2030年前中国的缺水量将达到600亿立方米。
淡水的短缺对社会和经济发展己产生了严重的制约。
因此,要保持我国经济的可持续发展,淡水资源的解决迫在眉睫【2】。
解决淡水紧缺问题有很多途径,核心原则是“开源节流”,可用方法包括:
在地表水资源较丰富的地区,建蓄水工程;在地表水资源贫乏地区,实施跨流域调水;海水和苦咸水淡化;废水利用、治理水污染、节约用水等。
利用现代技术大规模开辟新的水源,则首推海水淡化。
进入20世纪90年代水源危机日益突出,大多数国家都直接、间接地卷入了海水淡化技术的发展潮流。
无论暂时的成本如何高,各国都在努力发展或做发展准备。
这些年来参加世界海水淡化会议和淡化协会的国家和地区越来越多就是明显的例证。
我国研究开发现代化含义上的海水淡化技术,始于1958年。
从电渗析着手,约十年以后开始注意到反渗透技术,大约1975年开始研究大中型蒸馏装置,大l
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三些查兰堡主堂垡丝苎苎二兰丝丝约1986年引进建设日产3000m3的电厂用多级闪蒸海水淡化装置,大约1997年建成舟山日产500矗海水反渗透淡化装置。
在此之后我国日产千吨级的海水反渗透淡化装置和日产18000m3的苦咸水反渗透淡化装置才相继建成。
而海水反渗透膜的生产线也在这期间成功投产。
这表明我国的反渗透技术进入了逐步成熟的时代。
发展海水淡化技术,对于解决沿海地区、内陆干旱地区或边远地区、海岛、渔村以及常年在海上作业人员的饮水问题,将具有十分重要的意义。
发展海水(苦咸水)淡化技术,向大海要淡水也已经成为当今世界各国的共识,也是各国广大科学家关注的热门课题。
海水淡化的关键技术是要研制出能耗低、产水率高、能利用多种能源(太阳能、工业余热等),结构简单、维护方便,并且在价格上更有竞争力的高效海水淡化装置。
1.1.2海水淡化方法的分类
海水淡化主要有以下方法【3】;蒸馏法、电渗析法、膜法以及冷冻法等。
蒸馏法的本质是将海水加热使它变为水蒸汽,再使水蒸汽冷凝。
获得淡水的过程。
设备型式有多种,可分为三大类:
和压汽蒸馏(vc)。
电渗析(ED)以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性而脱除水中离子的淡化过程。
电去离子(EDI)将电渗析与离子交换结合,在电渗析器的淡水室中填充离子交换剂,在直流电场的作用下,,实现电渗析、离子交换除盐和离子交换连续再生过程。
EDI主要用于高纯水生产。
竖管多效蒸发(vTE)、闪蒸(FLAs聊
膜法用于海水淡化,从原理上分主要有两种:
(1)反渗透法(Ro)
这是一种将海水加压,迫使海水通过半渗透性膜的淡化过程。
这种膜的作用只允许纯水通过而排斥盐离子。
’反渗透过程要求将环境温度下的海水增压,然后使其暴露在半渗透性聚合膜上。
使用的膜有卷式膜组件和中空纤维膜组件。
反渗透法的特点是过程中没有相变,能量耗费少,对有机杂质与不带电荷的杂质,同样能达到分离效果。
但受高压操作和半透膜性能的限制,使单个淡化器产量不太大、原水浓度不能过高。
反渗透技术主要应用在欧洲、中东地区。
(2)膜蒸馏法(MD)
这种方法是蒸汽通过疏水微孔膜的蒸发过程。
多以温度差为推动力,也有些是以浓度差位推动力。
膜蒸馏过程没有雾沫夹带液相反混合的问题,组件的结构紧凑,易于大型化,操作温度低,无需加热到沸点,可方便地利用低温低品位热2
塑!
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三兰兰查兰塑圭兰竺笙苎
源,其发展前景广阔。
苎二皇堕堡
冷冻法是利用降温原理,从含盐水中析出冰晶,而后融化获得淡水。
该法不需要高温,也不会带来腐蚀,从理论上讲优于蒸馏法。
为了提高效率,通过热交换器进行热的重新利用,装置容量一般小于lOOOm3。
冷冻法运行安全可靠,无污染、水质好。
海水淡化所需的能量主要分为:
热能和电能两大类。
热能包括工业余热、高温烟气、太阳能等。
1.2太阳能海水淡化技术
1.2.1太阳海水淡化的发展
太阳能取之不尽、用之不竭,是世界上最洁净、最安全、储备量最丰富的能源。
据估算,一年之中投射到地球的太阳能,其能量相当于137亿吨标准煤所产生的热量,大约为目前全球一年内利用各种能源所产生能量的两万倍【4】。
人类利用太阳能淡化海水,已经有很长的历史了。
最早的文献记载的太阳能淡化海水工作,是15世纪由阿拉伯炼丹术士实现的。
这名炼丹术士使用抛光的大马士革镜进行太阳能蒸馏【朋。
1862年,Lavoisier使用安装在支架上的大型玻璃透镜,将太阳光聚焦在一个长颈瓶中,进行太阳蒸馏。
1869年,Mouchot描述了用镀银的玻璃反射镜聚光,用于太阳能蒸馏的全过程。
世界上第一个大型太阳能海水淡化装置,是1874年在智利北部的L嬲salirm建造的。
它由许多宽1.1铀l、长61m的盘形蒸馏器组合而成,总面积4700m2。
在晴天条件下,它每天生产23000L淡水【4.9U(m2.d)】。
这个系统一直运行了近40年。
20世纪初,智利建立了太阳能蒸馏水厂,埃及成功地进行了灌溉用的太阳能水泵。
1928年首先报道了Pastellr用球面反射镜聚光进行太阳蒸馏实验;他用一个球面反射镜将太阳光聚焦于一个铜制的海水沸腾器中。
所产生的蒸汽从沸腾器中引入一个传统的水冷式凝结器,并在那里得到蒸馏水【6,7一。
太阳能海水淡化大多采用蒸馏法,蒸馏淡化技术主要是指采集太阳热量,使海水或介质被加热。
目前太阳能蒸馏装置主要有被动式系统和主动式系统两大类。
被动式太阳能海水淡化装置,是指那些在装置中不存在任何利用电能驱动的动力元件,如水泵和风机等,也不存在利用附加的太阳能集热器等部件进行主动加热的太阳能海水淡化装置,装置的运行完全是在太阳光的作用下被动完成的。
主动式太阳能蒸馏系统有多种,总而言之,是在被动式太阳能蒸馏系统中增加一些其它附属设备,使其运行温度得以大幅度提高,其内部传质过程得以改善,并
塑苎三些查兰堡主竺垡丝苎.苎二苎堕丝
且大部分设备都能主动回收蒸汽在冷凝过程中释放的潜热,使其能得到比传统太阳能蒸馏器高出一倍甚至数倍的产水量,因而目前受到广泛重视17一。
上世纪80年代初,广州能源研究所开展了太阳能海水淡化技术的研究,完成了空气饱和式太阳能蒸馏器的试验研究,并于1982年左右在我国嵊泗岛建造一个具有数百平方米的太阳能采光砥积的大规模海水淡化装置,成为我国第一个实用的太阳能蒸馏系统。
接着,中国科学技术大学也进行了一系列的太阳能蒸馏器研究,并在理论上进行了探讨。
上世纪90年代后,天津大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也加入到了太阳能海水淡化技术研究的行列,提出了一系列新颖的太阳能海水淡化装置实验机型,并对这些机型进行了理论和实验研究。
比较有代表意义的有西北工业大学提出的。
新型、高效太阳能海水淡化装置”;天津大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器”:
中国科学技术大学提出的“降膜蒸发气流吸附太阳能蒸馏器”等等,使太阳能海水淡化技术有了较大进步【2】。
进入本世纪之后,太阳能海水淡化技术进一步成熟。
其中西安交通大学、北京理工大学等提出了“横管降膜蒸发多效回热的太阳能海水淡化系统”,试制出了多个原理样机,并对样机进行实验测试和理论研究。
清华大学等单位在借鉴国外先进经验的基础上,对多级闪蒸技术在太阳能海水淡化领域的应用进行了探索,试制出了样机,并在我国的秦皇岛市建立了主要由太阳能驱动的实际运行系统,取得有益的经验田。
随着太阳能采集、储存、利用技术的不断发展,我国在近期对利用太阳能进行海水淡化技术获得突破性成果,使海水淡化成本大幅度下降。
其中,北京华瑞科技有限公司以北京大学最新科研成果及科技人才为依托,以太阳能有效利用为着眼点,通过新型、高温集热管系统,研究开发了太阳能高温集热海水淡化技术,可实现连续、长期、稳定地将太阳能直接转化为温度达的150~200℃的高温液态介质,利用储集起来的能量提供给海水淡化装置。
靠这种技术,每产出1t淡水,比用普通能源作动力节约800kW.h电。
江西九江天力太阳能科技有限公司,经过多年研究,终于解决了用太阳能淡化海水热能转换效率低这一关键问题,开发出“高效光、热感应交换器”并已取得国家专利。
.该装置使用独特介质大幅提高太阳能的能效,使海水淡化的能耗降到最低,减少了海水淡化生产的投资和成本嘲。
按建一个10万舻的海水淡化工厂预算,利用该项技术总投资为7000万元,每天可生产淡水9.6万m3。
以20年的使用期计算,生产每立方米淡水的成本仅为0.119元,大大低于一个中型自来水厂的生产成本。
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三些查堂堡主堂竺丝苎笙二童笪丝
总之,太阳能海水淡化有以下优点(1)可独立运行,不受蒸汽、电力等条件限置,无污染、低能耗、运行安全、稳定可靠,不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源,对能源紧缺,环保要求高的地区更有突出的应用价值。
(2)生产规模可有机组合,适应性好,投资相对较少,生产淡水成本低,具备淡水供应市场的竞争力。
因此,太阳能海水淡化是一种节能、无污染的现代技术,有广阔的发展前景。
1.2.2太阳能蒸馏的缺点及改进
传统太阳能蒸馏器单位面积产水量过低,其原因主要有
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