【正文】 當(dāng)飽和水全部轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡退魵鈺r(shí)，即達(dá)到干飽和水蒸氣狀態(tài)。 同其他類(lèi)型的蒸發(fā)器相比，橫管降膜蒸發(fā)器具有以下特點(diǎn)： 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(dòng)，液膜很薄且有波動(dòng)性，有利于液膜與管壁間的傳熱； 傳熱溫差損失小，因?yàn)闄M管降膜蒸發(fā)器沒(méi)有因液位靜壓引起的沸點(diǎn)升高而帶來(lái)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(shè)計(jì)的風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的 苦咸水淡化系統(tǒng) ， 旨在結(jié)合西北地區(qū) 能源分布狀況及人力、財(cái)力等因素，實(shí)現(xiàn)由太陽(yáng)能產(chǎn)生的低品位熱能到 高品質(zhì)、低成本、無(wú)污染的 淡水飲用水供應(yīng)的提升。 本課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容和方法 研究目標(biāo) 本課題的目標(biāo)是 研制 出一套風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的苦咸水淡化系統(tǒng)，并初步研究其熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能。華北電力大學(xué)嘗試著將變槳矩技術(shù)與垂直軸風(fēng)力機(jī)相結(jié)合，為進(jìn)一步研制高效率低成本的新型風(fēng)力機(jī)打下基礎(chǔ)。而垂直軸風(fēng)力機(jī)卻有其自身的優(yōu)勢(shì)：葉片在 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受力方向恒定，疲勞壽命長(zhǎng)；構(gòu)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(hù)方便，制造運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較低；其風(fēng)輪的尖速比遠(yuǎn)小于水平軸風(fēng)輪，這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音很小，與環(huán)境更和諧 [31]。進(jìn)一步研究表明，噴淋鹽水對(duì)設(shè)備的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)以及太陽(yáng)能集熱器的效率均增加。 1992年 Tiwari風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 10 在一篇文獻(xiàn)中提出了將太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)化分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類(lèi)的概念，并為廣大研究者所接受 [ 23]。目前中國(guó) 苦咸水 淡化已基本具備了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展條件，但與國(guó)外先進(jìn)水平還有很大差距。 我國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始研究電滲析 法； 60 年代中期開(kāi)始研究反滲透法；70 年代中期開(kāi)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(jí)閃蒸裝置；到了 90 年代我國(guó) 苦咸水 淡化的形勢(shì)才發(fā)生了巨大的變化，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展加上旱情加重， 苦咸水 淡化市場(chǎng)開(kāi)始形成?？梢钥闯?，世界苦咸水淡化容量增長(zhǎng)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(jìn)入產(chǎn)品水罐，各效產(chǎn)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(shù)中較早發(fā)展成功的方法之一，其經(jīng)歷了由浸沒(méi)管蒸發(fā)、豎管降膜蒸發(fā)，到橫管降 膜蒸發(fā)的發(fā)展過(guò)程。自然對(duì)流增濕 去濕過(guò)程中，水蒸汽運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力為分子間作用力，水蒸汽顆粒的運(yùn)動(dòng)方式為布朗運(yùn)動(dòng)，其到達(dá)冷凝界面的時(shí)間較長(zhǎng)，即淡化時(shí)間風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 6 較短，產(chǎn)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(duì)傳熱管和設(shè)備本體的腐蝕性較大，必須采用價(jià)格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材，因此設(shè)備造價(jià)高。 閃蒸技術(shù) 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(nèi)的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進(jìn)入閃蒸室后立 即成為過(guò)熱碩士學(xué)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(chǎn)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(chǎn)淡水水質(zhì)較差，離子交換法制水成本較高，因此化學(xué)方法的應(yīng)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(fù)雜，運(yùn)行可靠性不高，因而一直難以被大規(guī)模應(yīng)用 [9]。在能源和水源同時(shí)拉響警報(bào)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(jià) [7]。最為重要的是以上措施并沒(méi)有從根本上增加淡水資源的總量，我國(guó)淡水緊缺的問(wèn)題 依然十分嚴(yán)峻 [4]。目前我國(guó)有 300 個(gè)城市缺水，其中 110 個(gè)城 市嚴(yán)重缺水，他們主要分布在西北和沿海地區(qū)，水已經(jīng)成為這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸；同時(shí)許多地區(qū)由于嚴(yán)重缺水，當(dāng)?shù)厝嗣癫坏貌婚L(zhǎng)期飲用苦咸水，但是長(zhǎng)期飲用苦咸水會(huì)導(dǎo)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(diǎn)及意義： 本課題所設(shè)計(jì)風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的小型苦咸水淡化系統(tǒng)，是一套供單戶(hù)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(qū)動(dòng)運(yùn)行的苦咸水淡化系統(tǒng)，這是在國(guó)內(nèi)外的苦咸水淡化系統(tǒng)中還沒(méi)有過(guò)的新的設(shè)計(jì)思想。 設(shè)定了日產(chǎn)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(xué)完善度等 系統(tǒng) 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)， 建立了 基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 的熱力學(xué)模型 ，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能分析，得到了太陽(yáng)能輻射量對(duì)系統(tǒng)淡水產(chǎn)量、單位淡水 熱耗率等指標(biāo)的影響 ，及系統(tǒng)及各部件的 火用 效率 。本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。對(duì)本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 結(jié)合我國(guó) 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(yáng)能集熱技術(shù) 、風(fēng)能利用 和 傳統(tǒng) 的苦咸水淡化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)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(xué)模型；依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)計(jì)算； 基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 建立了系統(tǒng)的熱力學(xué)模型 ， 并 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 能 分析 和 火用 分析 ，隨后，對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和生態(tài)效益 進(jìn)行評(píng)價(jià) 。 風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 II 采用動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)分析方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(lái)看，根據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，自 20 世紀(jì)初以來(lái)全球淡水消耗量增加了約 67 倍，比人口增長(zhǎng)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(jù)國(guó)外 專(zhuān)家 測(cè)算，當(dāng)調(diào)水距離大于 40 公里時(shí)，調(diào)水成本將超過(guò)苦咸水淡化。 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]。根據(jù)脫鹽工程分類(lèi)，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(lèi)，簡(jiǎn)稱(chēng)熱法、膜法和化學(xué)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(jì)六十年代后期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)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(jià)和運(yùn)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(dòng)力消耗大，設(shè)備的操作彈性小，是設(shè)計(jì)值的 80~110%，不適應(yīng)于造水量要求可變的場(chǎng)合；其傳熱管腐蝕穿孔時(shí)將污染水質(zhì)。通常，氣體增濕是通過(guò)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(shí)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(gè)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(gè)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(kāi)式的 苦咸水 循環(huán)兩個(gè)循環(huán)[17]。然后將第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)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(jì)以來(lái)，世界 苦咸水 淡化市場(chǎng)一直以每年 10%~13%以上的速度在擴(kuò)大。美國(guó)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。很多沿海的大型電力、石化、化工企業(yè)，開(kāi)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(yáng)能的代替蒸餾中的化石能源和電能的消耗的太陽(yáng)能苦咸水淡化技術(shù)，引起了世界的關(guān)注。 Veza 等人在池式太陽(yáng)能蒸餾器的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)迫空氣對(duì)流的操作方式，將蒸發(fā)器與冷凝器分離出來(lái)，建立了如圖 所示的增濕 /除濕太陽(yáng)能 苦咸水 淡化裝置 [26]。 圖 太陽(yáng)能多效蒸餾系統(tǒng) Solar multieffect distillation system 太陽(yáng)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(jī)帶動(dòng)水泵工作，用風(fēng)能代替電能的消耗。文獻(xiàn)根據(jù)動(dòng)量理論和旋渦理論對(duì)實(shí)度、葉尖速比以及風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究 [ 33]。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，對(duì)本課題的啟示如下： （ 1）對(duì)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(duì)系統(tǒng)的水蒸汽的潛熱的回收利用對(duì)系統(tǒng)非常重要 ； （ 2） 噴淋鹽水對(duì)設(shè)備的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)以及太陽(yáng)能集熱器的效率均增加。 （ 4）以財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率、益本比和投資回收期四項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)性能。與豎 管降膜蒸發(fā)相比，有明顯優(yōu)勢(shì)：設(shè)備高度遠(yuǎn)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(gè)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(guò)程便不斷進(jìn)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(duì)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(shí)水的壓力為 p，溫度 t 為三相點(diǎn)溫度 ℃ ，此時(shí)水處于未飽和水狀態(tài)；當(dāng)水受熱時(shí)，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(duì)應(yīng)的飽和溫度 ts 時(shí)，全部水變成飽和水。過(guò)熱度 D= t ts。圖 是水蒸氣定壓發(fā)生過(guò)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(gè)水平管向下滴落到與其并連的另一個(gè)水平管，并依靠管內(nèi)介質(zhì)的加熱而不斷蒸發(fā)的過(guò)程 [ 36]。 橫管降膜蒸發(fā)基本原理如圖 所示，進(jìn)料 苦咸水 通過(guò)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(dòng) [ 35]。針對(duì) 上述問(wèn)題 ， 結(jié)合西北地區(qū)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富的能源分部特點(diǎn)， 本文 提出了 將太陽(yáng)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(jī)結(jié)合的風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的苦咸水淡化 系統(tǒng) ，并采用橫管降膜蒸發(fā)的淡化 技術(shù) 。 （ 2）基于風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的苦咸水淡化系統(tǒng)的物理模型 和數(shù)學(xué)模型 ，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 設(shè)計(jì) 選型計(jì)算。 碩士學(xué)位論文 13 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)及對(duì)本課題的啟示 國(guó)內(nèi)外關(guān)于 苦咸水淡化的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾裝置產(chǎn)水量高，優(yōu)點(diǎn)突出被廣泛重視；但淡化水系統(tǒng)大多為大型設(shè)備，對(duì)于小型的苦咸水淡水系統(tǒng)的研究 很少 ；垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)突出。 80 年代中期，美國(guó)政府委托桑迪亞研究所（ Sandia）開(kāi)始進(jìn)行的有關(guān)垂直軸風(fēng)力機(jī)的降低造價(jià)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(dá) 34m 的達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?[32]。但是，它的結(jié)構(gòu)通常都很復(fù)雜，運(yùn)行成本及固定資本的投入相對(duì)較高，使得這些系統(tǒng)通常只對(duì)大型的設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)可行性。 由于被動(dòng)式太陽(yáng)能苦咸水淡化裝置沒(méi)有太陽(yáng)能集熱器部件，工作溫度低 ，產(chǎn)水量不高 ， 也沒(méi)有泵的循環(huán)部件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效果并不十分聯(lián)想，所以人們更關(guān)注的是主動(dòng)式太陽(yáng)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(shù) ， 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(guó)已建 苦咸水 淡化工程的產(chǎn)水能力已達(dá)到 105t/d，天津、青島、河北等沿海地區(qū)多個(gè)日處理 10~20 萬(wàn)噸的大型 苦咸水 淡化項(xiàng)目相繼啟動(dòng)。當(dāng)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(jí)閃蒸（ MSF）苦咸水淡化裝置在阿聯(lián)酋，共有六臺(tái)裝置組成，每臺(tái)的造水容量達(dá)到 103m3/d，整個(gè)苦咸水淡化廠日產(chǎn)淡水 l03m3。 國(guó)內(nèi)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