【正文】 發(fā)器為加熱蒸汽凝結(jié)水 )。 圖 橫管降膜蒸發(fā)原理圖 The diagram of Horizontal Tubes Evaporation 橫管降膜蒸發(fā)是讓液體以膜狀形式由一個水平管向下滴落到與其并連的另一個水平管，并依靠管內(nèi)介質(zhì)的加熱而不斷蒸發(fā)的過程 [ 36]。在有效合理的噴淋密度下，橫管降膜蒸發(fā)不僅消除了液體靜壓柱和過熱區(qū)的影響，而且有效降低了蒸發(fā)的驅(qū)動溫度，能夠使多效蒸發(fā)在較小的溫差變化范圍內(nèi)有足夠的效數(shù)，從而保障了低溫多效蒸發(fā)的經(jīng)濟性。圖 是水蒸氣定壓發(fā)生過程示意圖。對水繼續(xù)加熱，水開始汽化，逐漸由飽和水轉(zhuǎn)變成飽和水蒸氣，未汽化的部分仍為飽和水狀態(tài)，汽化過程中飽和水和飽和水蒸氣 t 和 p 均不變，但兩者混合物的容積增長很快，混合物的折合比體 積 v 增加很快，其間為汽液混合的濕飽和蒸氣。過熱度 D= t ts。 圖 (d)(e)為水蒸氣的過熱過程 —干飽和水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱水蒸氣的過程。初始狀態(tài)a 時水的壓力為 p，溫度 t 為三相點溫度 ℃ ，此時水處于未飽和水狀態(tài)；當水受熱時，水的溫度 t 升高，比體積 v 略有增加，直到水的溫度升高到壓力 p所對應(yīng)的飽和溫度 ts 時，全部水變成飽和水。 水蒸汽的發(fā)生過程 工業(yè)上所用的水蒸氣都是在定壓加熱設(shè)備中產(chǎn)生的。橫管降膜蒸發(fā)相比其它形式的蒸發(fā)可以很大程度上提高傳熱系數(shù)和傳熱性能，對于光滑管而言，橫管降膜的傳熱系數(shù)二倍于豎管降膜蒸發(fā)，顯著降低了空間高度。上一效的濃鹽水進入蒸發(fā)器，由于壓差降低而產(chǎn)生少量閃蒸，進入的濃鹽水與本蒸發(fā)器的濃鹽水混合排出蒸風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 16 發(fā)器。隨著與液膜接觸的壁面溫度的持續(xù)升高，傳遞給液膜的熱流密度不斷增 加，膜層的水分子不斷脫離液膜表面變成水蒸汽分子，蒸發(fā)過程便不斷進行。由于管束水平排列高度小，因此組合成塔式總高度最小，占地面積也最小 ； 同時泵的輸送功率也可以顯著減小，比 VTE 塔式蒸發(fā)器節(jié)省動力。與豎 管降膜蒸發(fā)相比，有明顯優(yōu)勢：設(shè)備高度遠比豎管降膜蒸發(fā)低，裝置緊湊，所有各效的管束、噴淋管和汽水分離器都裝在一個筒體中，因而散熱損失小，能耗低。 此外， 本裝置可以完全應(yīng)用于這些地區(qū)的工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，且可以達到產(chǎn)水 量穩(wěn)定高效及水質(zhì)優(yōu)良的效果。 （ 4）以財務(wù)凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率、益本比和投資回收期四項指標為評價標準，分析評價系統(tǒng) 經(jīng)濟性能。 研究內(nèi)容 （ 1）結(jié)合我國西北地區(qū)能源分布狀況和能源利用現(xiàn)狀，提出將太陽能集熱技術(shù) 、 風(fēng)能利用 和傳統(tǒng)苦咸水淡化系統(tǒng)有機結(jié)合的風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng) ， 并建立了系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器和太陽能集熱器的數(shù)學(xué)模型。 通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，對本課題的啟示如下： （ 1）對水蒸氣的冷凝潛熱的重復(fù)利用，可使系統(tǒng)的產(chǎn)水量提高一倍甚至數(shù)倍，所以對系統(tǒng)的水蒸汽的潛熱的回收利用對系統(tǒng)非常重要 ； （ 2） 噴淋鹽水對設(shè)備的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)以及太陽能集熱器的效率均增加。隨著計算機的發(fā)展，國外內(nèi)一些風(fēng)力機研究機構(gòu)已采用計算流體力學(xué) (CFD)對風(fēng)力機翼型的氣動性能進行了的模擬和計算。文獻根據(jù)動量理論和旋渦理論對實度、葉尖速比以及風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系進行了研究 [ 33]。垂直軸風(fēng)力機潛力巨大，吸引了近年來人們越來越多的關(guān)注。 圖 太陽能多效蒸餾系統(tǒng) Solar multieffect distillation system 太陽能多效蒸餾系統(tǒng)電能的消耗一直是限制其發(fā)展的重要因素之一，所以本課題擬采用一種垂直軸風(fēng)力機帶動水泵工作，用風(fēng)能代替電能的消耗。 左潞，鄭源，周建華等人還研究發(fā)現(xiàn)，如果在系統(tǒng)運行過程中，水蒸氣的冷凝潛熱能被重復(fù)利用，蒸發(fā)過程所需的熱能將被顯著降低，而碩士學(xué)位論文 11 大部分主動式太陽能蒸餾系統(tǒng)，都能主動回收蒸汽在凝結(jié)過程中釋放的潛熱，因而這類系統(tǒng)能夠得到比傳統(tǒng)太陽能蒸餾系統(tǒng)高一倍甚至數(shù)倍的產(chǎn)水量，這是目前主動式太陽能蒸餾裝置被 廣泛重視的根本原因 [28]。 Veza 等人在池式太陽能蒸餾器的基礎(chǔ)上，采用強迫空氣對流的操作方式，將蒸發(fā)器與冷凝器分離出來，建立了如圖 所示的增濕 /除濕太陽能 苦咸水 淡化裝置 [26]。所謂的被動式太陽能苦咸水淡化裝置，是指裝置中不存在任何利用電能驅(qū)動的泵等元件，也不存在利用附加太陽能集熱器等部件進行主動加熱的太陽能苦咸水淡化裝置，裝置的運行完全是在太陽光的作用下被動進行 [24]。因此利用太陽能的代替蒸餾中的化石能源和電能的消耗的太陽能苦咸水淡化技術(shù)，引起了世界的關(guān)注。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)有的苦咸水淡化方法應(yīng)用較廣泛的是蒸餾法和反滲透法 (RO)。很多沿海的大型電力、石化、化工企業(yè)，開始大量利用 苦咸水 ，年利用 苦咸水 作為工業(yè)冷卻水量約 106m3，其中電力行業(yè)利用 苦咸水 作冷卻水量占 90％ [ 21]。我國是繼美、法、日、以色列等之后研究和開發(fā) 苦咸水 淡化先進技術(shù)的國家之一。美國的 Yuma 淡化廠建成于 1989 年，日產(chǎn)淡水 273103m3，是世界上最大的苦咸水反滲透淡化廠。 1960 年在阿聯(lián)酋建成的第一座苦咸水淡化廠，其產(chǎn)量僅為 50m3/d，現(xiàn)在其規(guī)模己達 2l06m3/d。21 世紀以來，世界 苦咸水 淡化市場一直以每年 10%~13%以上的速度在擴大。 圖 多效蒸餾淡化裝置流程圖 Flow chart of MED 因為每一效的蒸汽的熱量都被帶回 下一效回收利用，熱能得以重復(fù)利用，所以多效蒸餾與單效蒸餾相比，造水比 (the Gained Output Ratio， GOR)幾乎按效數(shù)成倍增加，但設(shè)備費用亦隨效數(shù)的增加而逐漸升高，故不能一味的增加效數(shù)，且設(shè)備體積一般較大。然后將第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并在下一蒸發(fā)器中凝為蒸餾水。目前，具有商業(yè)碩士學(xué)位論文 7 價值的脫鹽技術(shù)有豎管多效蒸發(fā) Vertical Tube(VTMED) 和橫管多效蒸發(fā) Horizontal Tube(HTMED)，其它方法由于結(jié)垢嚴重而被淘汰 [19]。 圖 增濕 去濕淡化裝置流程示意圖 Flow chart of HD 如圖 所示，就是一個典型的蒸發(fā)器、冷凝器分離的增濕 去濕 苦咸水 淡化系統(tǒng)，它由蒸發(fā)器、冷凝器和集熱器三個主要部分組成，且這三部分相互完全分離，系統(tǒng)工作流程主要包括閉式的空氣循環(huán)和開式的 苦咸水 循環(huán)兩個循環(huán)[17]。強制對流增濕 去濕過程，氣體的對流循環(huán)不僅加速了液面水蒸汽的蒸發(fā)，還縮短了水蒸汽分子到達冷凝界面的時間，延長了淡化時間，產(chǎn)水量變大 [15]。通常，氣體增濕是通過空氣與液體的直接接觸，或者將空氣與水蒸汽的直接混合而實現(xiàn)的。另外，為了減輕結(jié)垢和腐蝕，對進入裝置的 苦咸水 加酸和進行脫氣 （ 脫除CO2 和 O2） ，因而也增加了造水成本。但是，其工程投資高，為反滲透法的 2 倍；動力消耗大，設(shè)備的操作彈性小，是設(shè)計值的 80~110%，不適應(yīng)于造水量要求可變的場合；其傳熱管腐蝕穿孔時將污染水質(zhì)。多級閃蒸就是以此原理為基礎(chǔ)，使熱鹽水依次流經(jīng)若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發(fā)降溫，同時鹽水也逐級增濃，直到其溫度接近 （ 但高于 ） 天然苦咸水溫度，因而可連續(xù)產(chǎn)出淡化水 ，圖 為多級閃蒸淡化裝置流程示意圖 。 圖 反滲透法工藝流程圖 Flow chart of RO 反滲透 苦咸水 淡化法是二十世紀六十年代后期發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其發(fā)展很快， 由于 反滲透法的設(shè)備系統(tǒng)模組化，安裝容易 ，所以 工程造價和運行成本 有一定的 降低。目前 研究較多的是 蒸餾法中的多效蒸餾 (MED)、多級閃蒸(MSF)、 增濕 去濕 (HD)和膜法的反滲透法 (RO)，而 投入商業(yè)運行的主要 是 多效蒸餾 (MED)、多級閃蒸 (MSF)和 膜法的 反滲透 法 (RO)，表 歸納了這三種 苦咸水 淡化方法的特性 [10]。根據(jù)脫鹽工程分類，現(xiàn)有的苦 咸水淡化方法分為 熱分離法、膜分離法和化學(xué)分離方法三大類，簡稱熱法、膜法和化學(xué)法，如圖 。因此，本課題擬研制出一套 完全由可再生能源 — 風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng)，并研究其熱力性能和 經(jīng)濟性能。 傳統(tǒng)的苦咸 水淡化技術(shù)，如蒸餾法、膜法，都需要消耗大量化石能源與電力，是典型的以可再生能源換取水源的技術(shù)方法 [6]。我國幅員遼闊，海水和地下苦咸水資源豐富，在其他淡水來源受到越來越多的條件限制的情況下，開發(fā)利用海水 、地下咸水 等 苦咸水資源，進行苦咸水淡化就成為開源節(jié)流、解決我國淡水緊缺的一條有效的重要戰(zhàn)略途徑。并且據(jù)國外 專家 測算，當調(diào)水距離大于 40 公里時，調(diào)水成本將超過苦咸水淡化。因此，為保證我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，以及人民群眾的健康，解決淡水資源 匱乏 問題已迫在眉睫。從全球范圍來看，根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，自 20 世紀初以來全球淡水消耗量增加了約 67 倍，比人口增長速度高 2 倍，全球目前有 14 億人缺乏安全清潔的飲用水，即平均每 5 人中便有 1 人缺水 [2]。 Thermal performance。 to take fresh water from the ocean, also bees consensus of the world39。 Then, take the design calculation for each parts of a small de salination equipment system based on system model, finally, thermal performance analysis and economic performance analysis are made for this system. The research content and results of this topic are as follows: 1. Based on the principle of horizontal pipe falling film evaporation, the desalination system which drive by wind and solar united is put forward in this paper, and anic bine with solar technology, wind energy and traditional desalination system, and mathematical model of evaporator, condenser and of the solar collectors are established. 2. According to the design goal of system, the design calculation of selection is made for system, which based on the first law of 風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 IV thermodynamics and the second law. 3. Based on the mathematical model, the evaluation i ndex are set up, which include the water yield produced daily, unit heat consumption rate of freshwater, system performance factor (COP), exergy efficiency and thermodynamic properties, the thermal performance of the system is analyzed based on the first law of thermodynamics and the second law of thermodynamics, the influence of the solar radiation to freshwater production and heat consumption rate was obtained. The research shows that: This system can have a continuous freshwater output from January to December with the condition of solar radiation in Lanzhou area, and daily freshwater production has same change trend with the radiation。s northwest, the desalination system w hich drive by wind and solar united is put forward in this paper, and anic bine with solar technology, wind energy and traditional desalination system, the physical model and mathematical model also established。 海水和地下苦咸水在 我國分部廣泛；在我國的部分地區(qū)，人們的飲用水現(xiàn)狀是喝淺井的苦咸水或是喝深井的高氟水，長期飲用嚴重危