【正文】 當飽和水全部轉變?yōu)轱柡退魵鈺r，即達到干飽和水蒸氣狀態(tài)。 同其他類型的蒸發(fā)器相比，橫管降膜蒸發(fā)器具有以下特點： 有較高的傳熱系 數(shù)，由于溶液是沿管壁傳熱效果較好的膜狀流動，液膜很薄且有波動性，有利于液膜與管壁間的傳熱； 傳熱溫差損失小，因為橫管降膜蒸發(fā)器沒有因液位靜壓引起的沸點升高而帶來的溫差損失。濃縮后的苦咸水流到蒸發(fā)器底部作為濃鹽水被排出。水平管多效蒸發(fā)裝置可以 橫向組合，也可以縱向組合做成塔式蒸發(fā)器。本文設計的風能和太陽能聯(lián)合驅動的 苦咸水淡化系統(tǒng) ， 旨在結合西北地區(qū) 能源分布狀況及人力、財力等因素，實現(xiàn)由太陽能產生的低品位熱能到 高品質、低成本、無污染的 淡水飲用水供應的提升。 本課題研究的目標、內容和方法 研究目標 本課題的目標是 研制 出一套風能和太陽能聯(lián)合驅動的苦咸水淡化系統(tǒng)，并初步研究其熱力性能和經濟性能。華北電力大學嘗試著將變槳矩技術與垂直軸風力機相結合，為進一步研制高效率低成本的新型風力機打下基礎。而垂直軸風力機卻有其自身的優(yōu)勢：葉片在 旋轉過程中受力方向恒定，疲勞壽命長；構造緊湊，可靠性較高；不需要偏航系統(tǒng)，齒輪箱等部件可以放在地面或塔架底部，維護方便，制造運營維護成本較低；其風輪的尖速比遠小于水平軸風輪，這樣的低轉速產生的氣動噪音很小，與環(huán)境更和諧 [31]。進一步研究表明，噴淋鹽水對設備的傳熱與傳質系數(shù)以及太陽能集熱器的效率均增加。 1992年 Tiwari風能和太陽能聯(lián)合驅動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 10 在一篇文獻中提出了將太陽能蒸餾系統(tǒng)化分為主動式和被動式兩大類的概念，并為廣大研究者所接受 [ 23]。目前中國 苦咸水 淡化已基本具備了產業(yè)化發(fā)展條件，但與國外先進水平還有很大差距。 我國從 20 世紀 50 年代開始研究電滲析 法； 60 年代中期開始研究反滲透法；70 年代中期開始研制陸用蒸餾淡化裝置 ； 80 年代中后期建成工業(yè)規(guī)模的電廠用多級閃蒸裝置；到了 90 年代我國 苦咸水 淡化的形勢才發(fā)生了巨大的變化，經濟高速發(fā)展加上旱情加重， 苦咸水 淡化市場開始形成?？梢钥闯觯澜缈嘞趟萘吭鲩L很快， 2021 年全球苦咸水淡化容量約為 42106m3/d。第一效的冷凝液返回鍋爐，其余效的冷凝液進入產品水罐，各效產品水罐相連，最后收集得到淡水。 多效蒸餾 (MED) 多效蒸餾法 (MED)是苦咸水淡化技術中較早發(fā)展成功的方法之一，其經歷了由浸沒管蒸發(fā)、豎管降膜蒸發(fā)，到橫管降 膜蒸發(fā)的發(fā)展過程。自然對流增濕 去濕過程中，水蒸汽運動的驅動力為分子間作用力，水蒸汽顆粒的運動方式為布朗運動，其到達冷凝界面的時間較長，即淡化時間風能和太陽能聯(lián)合驅動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 6 較短，產水量較低 [14]。但由于裝置濃縮 苦咸水 的最高操作溫度在 110℃ 左右，對傳熱管和設備本體的腐蝕性較大，必須采用價格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材，因此設備造價高。 閃蒸技術 原理是：原料苦咸水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于閃蒸室內的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進入閃蒸室后立 即成為過熱碩士學位論文 5 水而急速地部分汽化，從而使熱鹽水自身的溫度降低，所產生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。在眾多 的 苦咸水 淡化方法中，水合物法所產淡水水質較差，離子交換法制水成本較高，因此化學方法的應用受到限制，而冷凍法 苦咸水 淡化由于冰晶的洗滌和分離較困難，造成裝置復雜，運行可靠性不高，因而一直難以被大規(guī)模應用 [9]。在能源和水源同時拉響警報的今天，淡水資源的獲取不能以消耗不可再生的能源為代價 [7]。最為重要的是以上措施并沒有從根本上增加淡水資源的總量，我國淡水緊缺的問題 依然十分嚴峻 [4]。目前我國有 300 個城市缺水，其中 110 個城 市嚴重缺水，他們主要分布在西北和沿海地區(qū)，水已經成為這些地區(qū)經濟發(fā)展的瓶頸；同時許多地區(qū)由于嚴重缺水，當?shù)厝嗣癫坏貌婚L期飲用苦咸水，但是長期飲用苦咸水會導致胃腸功能紊亂，免疫力低下，影響飲水者的身體健康。 Brackish water desalination。 then, the economic performance and ecological benefits evaluation is analysed. Firstly, the principle of desalination system drive by wind and solar united is introduced, and physical model and mathematical model of the system is established。 本課題的創(chuàng)新點及意義： 本課題所設計風能和太陽能聯(lián)合驅動的小型苦咸水淡化系統(tǒng)，是一套供單戶人家使用的小型、穩(wěn)定、環(huán)保的，而且完全由可再生能源驅動運行的苦咸水淡化系統(tǒng)，這是在國內外的苦咸水淡化系統(tǒng)中還沒有過的新的設計思想。 設定了日產水量、單位淡水熱耗率、系統(tǒng)性能系數(shù) (COP)、 火用 效率和熱力學完善度等 系統(tǒng) 性能評價指標， 建立了 基于熱力學第一定律和熱力學第二定律 的熱力學模型 ，對系統(tǒng)進行了熱力性能分析，得到了太陽能輻射量對系統(tǒng)淡水產量、單位淡水 熱耗率等指標的影響 ，及系統(tǒng)及各部件的 火用 效率 。本人授權蘭州理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。對本文的研 究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 結合我國 西北地區(qū) 能源分布狀況和 能源 利用現(xiàn)狀 ，本文 提出了將太陽能集熱技術 、風能利用 和 傳統(tǒng) 的苦咸水淡化系統(tǒng)有機結合的風能和太陽能聯(lián)合驅動的苦咸水淡化系統(tǒng)， 并建立了系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學模型；依據系統(tǒng)設計目標，對系統(tǒng)進行了選型設計計算； 基于熱力學第一定律和熱力學第二定律 建立了系統(tǒng)的熱力學模型 ， 并 對系統(tǒng)進行 能 分析 和 火用 分析 ，隨后，對系統(tǒng)的經濟性能和生態(tài)效益 進行評價 。 風能和太陽能聯(lián)合驅動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 II 采用動態(tài)經濟分析方法對整個系統(tǒng)的經濟性做出分析。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。 to take fresh water from the ocean, also bees consensus of the world39。從全球范圍來看，根據聯(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]。并且據國外 專家 測算，當調水距離大于 40 公里時，調水成本將超過苦咸水淡化。 傳統(tǒng)的苦咸 水淡化技術，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方法 [6]。根據脫鹽工程分類，現(xiàn)有的苦 咸水淡化方法分為 熱分離法、膜分離法和化學分離方法三大類，簡稱熱法、膜法和化學法，如圖 。 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，其發(fā)展很快， 由于 反滲透法的設備系統(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。但是，其工程投資高，為反滲透法的 2 倍；動力消耗大，設備的操作彈性小，是設計值的 80~110%，不適應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。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。 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]。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。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。美國的 Yuma 淡化廠建成于 1989 年，日產淡水 273103m3，是世界上最大的苦咸水反滲透淡化廠。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]。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，引起了世界的關注。 Veza 等人在池式太陽能蒸餾器的基礎上，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]。 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力機帶動水泵工作，用風能代替電能的消耗。文獻根據動量理論和旋渦理論對實度、葉尖速比以及風能利用系數(shù)的關系進行了研究 [ 33]。 通過對國內外研究現(xiàn)狀的總結，對本課題的啟示如下： （ 1）對水蒸氣的冷凝潛熱的重復利用，可使系統(tǒng)的產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） 噴淋鹽水對設備的傳熱與傳質系數(shù)以及太陽能集熱器的效率均增加。 （ 4）以財務凈現(xiàn)值、內部收益率、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) 經濟性能。與豎 管降膜蒸發(fā)相比，有明顯優(yōu)勢：設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。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。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。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所對應的飽和溫度 ts 時，全部水變成飽和水。過熱度 D= t ts。圖 是水蒸氣定壓發(fā)生過程示意圖。 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，并依靠管內介質的加熱而不斷蒸發(fā)的過程 [ 36]。 橫管降膜蒸發(fā)基本原理如圖 所示，進料 苦咸水 通過布液器均勻噴淋在橫管束的外壁面，在重力 作用下，形成液膜沿管外圓周向下流動 [ 35]。針對 上述問題 ， 結合西北地區(qū)風能和太陽能資源豐富的能源分部特點， 本文 提出了 將太陽能集熱技術、風能利用和傳統(tǒng)苦咸水淡化系統(tǒng)有機結合的風能和太陽能聯(lián)合驅動的苦咸水淡化 系統(tǒng) ，并采用橫管降膜蒸發(fā)的淡化 技術 。 （ 2）基于風能和太陽能聯(lián)合驅動的苦咸水淡化系統(tǒng)的物理模型 和數(shù)學模型 ，依據系統(tǒng)的設計目標，對系統(tǒng)進行 設計 選型計算。 碩士學位論文 13 國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀總結及對本課題的啟示 國內外關于 苦咸水淡化的研究已經取得了豐碩的成果，主動式太陽能蒸餾裝置產水量高，優(yōu)點突出被廣泛重視；但淡化水系統(tǒng)大多為大型設備，對于小型的苦咸水淡水系統(tǒng)的研究 很少 ；垂直軸風力機的特點突出。 80 年代中期，美國政府委托桑迪亞研究所（ Sandia）開始進行的有關垂直軸風力機的降低造價以及提高可靠性方面的研究； Sandia 研究人員在1988 年建成了高達 34m 的達里厄型風力機試驗模型 [32]。但是，它的結構通常都很復雜，運行成本及固定資本的投入相對較高，使得這些系統(tǒng)通常只對大型的設備具有經濟可行性。 由于被動式太陽能苦咸水淡化裝置沒有太陽能集熱器部件，工作溫度低 ，產水量不高 ， 也沒有泵的循環(huán)部件系統(tǒng)運轉效果并不十分聯(lián)想，所以人們更關注的是主動式太陽能苦咸水淡化裝置的研究。所以現(xiàn)有淡化容量的 70%仍然是使用蒸餾法，蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化技術 ， 是水淡化最主要的方法，其原理即：將苦咸水加熱蒸發(fā) ， 再使水蒸汽冷 凝得到淡水。到 2021 年底，我國已建 苦咸水 淡化工程的產水能力已達到 105t/d，天津、青島、河北等沿海地區(qū)多個日處理 10~20 萬噸的大型 苦咸水 淡化項目相繼啟動。當今各種苦咸水淡化方法都向大型化發(fā)展，世界上最大的多級閃蒸（ MSF）苦咸水淡化裝置在阿聯(lián)酋，共有六臺裝置組成，每臺的造水容量達到 103m3/d，整個苦咸水淡化廠日產淡水 l03m3。 國內外 發(fā)展 及研究 現(xiàn)狀 苦咸水 淡化 發(fā)展 現(xiàn)狀 苦咸水淡化