【正文】 管道時因為摩擦阻力而造成的溫度損失[39]。(2)計算過程中，將苦咸水的物性參數(shù)作為溫度與濃度的函數(shù)[40]，淡水和飽和蒸汽的物性參數(shù)作為溫度的函數(shù)[41]?？嘞趟畤娏苋胝舭l(fā)器，在管外形成液膜與管內(nèi)熱水換熱，蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽，然后由風(fēng)機抽出，蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程示意圖如圖31所示，由此建立蒸發(fā)器的質(zhì)量平衡、鹽分平衡和能量平衡方程[42]。建立模型前先做如下假設(shè)：苦咸水蒸發(fā)充分，不需要循環(huán)噴淋；忽略裝置外殼散熱；汽化潛熱r可以看做常數(shù)；蒸發(fā)面積濕潤均勻；蒸發(fā)器的質(zhì)量平衡、鹽分平衡和能量平衡方程如下：Mo,Mo, out,Mb。out, 蒸發(fā)器蒸發(fā)過程示意圖 Sehematie of evaporator () () ()式中，，和，分別代表質(zhì)量流量，苦咸水濃度，比焓和定壓比熱，下標(biāo)o，分別代表太陽能集熱器熱水，苦咸水，水蒸汽，下標(biāo)in，out分別代表進(jìn)出口狀態(tài)。蒸發(fā)器中苦咸水蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽量就等于苦咸水的蒸發(fā)量，由()則： ()水蒸汽的焓值hv與其溫度有關(guān)，單位為kJ/kg，可以表示為則： ()式中，r0為干飽和水蒸汽0℃時的汽化潛熱，單位為kJ/kg，℃時水蒸汽的定壓比熱，單位kJ/(kgK)，tv為水蒸汽的溫度，即為蒸汽的出口溫度。水蒸汽出口溫度及排出的苦咸水的溫度為： () ()式中，為蒸發(fā)器內(nèi)的飽和苦咸水溫度；苦咸水沸點溫度升高(Boiling Point Elevation，BPE)是苦咸水溫度和濃度的函數(shù)；液體靜壓強引起的溫升為，由于在橫管降膜蒸發(fā)中液膜厚度薄而忽略不記[43]。BPE經(jīng)驗公式為： () () ()蒸發(fā)器的傳熱方程： ()式中，A為蒸發(fā)器面積，k為蒸發(fā)器內(nèi)橫管降膜蒸發(fā)過程的總熱傳遞系數(shù)，為對數(shù)平均溫差，按逆流熱交換熱器： ()橫管降膜蒸發(fā)傳熱過程主要由管內(nèi)對流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外降膜蒸發(fā)等傳熱過程組成，總傳熱系數(shù)k的公式如下： ()式中，污垢熱阻的數(shù)值以查手冊或依據(jù)生產(chǎn)積累的數(shù)據(jù)來選定，根據(jù)資料，為傳熱壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，和分別為傳熱管壁的外徑和內(nèi)徑。管外苦咸水降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)為 ()管內(nèi)強制對流換熱傳熱系數(shù)為： ()式中，及是按流體平均溫度和壁面溫度計算的流體的動力粘度，g為重力加速度，為雷諾數(shù)，為普朗特數(shù)，為熱流密度，為管長。蒸汽進(jìn)入冷凝器，與管內(nèi)冷卻苦咸水換熱，在冷凝器表面凝結(jié)下來，形成淡水。，建立冷凝器的質(zhì)量平衡和能量平衡方程[44]。，Ml，Ml，tl..in Sehematie of condenser建立模型前先做如下假設(shè)：蒸發(fā)器和冷凝器之間的管道很短，且保溫良好，因此可以忽略蒸汽在輸送管道內(nèi)的冷凝及壓力和溫度的損失；因風(fēng)機將蒸汽抽送入冷凝器，蒸汽在蒸發(fā)器和管道內(nèi)的滯留時間很短，所以忽略蒸汽在蒸發(fā)器和管道內(nèi)的冷凝；冷凝器近似為順流程熱交換器；冷凝器中預(yù)熱苦咸水濃度沒有變化；冷凝器的質(zhì)量平衡和能量平衡方程如下： () ()式中，表示產(chǎn)生的淡水質(zhì)量流量；上標(biāo)＇表示冷凝器中的參數(shù)，下標(biāo)、表示進(jìn)出口參數(shù)；，忽略蒸汽在管道內(nèi)的冷凝，它就等于蒸發(fā)器出口水蒸汽質(zhì)量流量，；、忽略水蒸汽在管道內(nèi)的溫壓損失，=。Ml表示冷卻水，即供水苦咸水的流量，然后經(jīng)過預(yù)熱的冷卻水，另一部分冷卻水送回供水水窖，則。表示供水苦咸水進(jìn)入冷凝器的溫度，表示苦咸水流出冷凝器的出口溫度，其就等于蒸發(fā)器進(jìn)口苦咸水的溫度，； 冷凝器傳熱方程為： ()式中，為冷凝器的面積，為冷凝器內(nèi)冷凝過程的總熱傳遞系數(shù)， LMTD表示對數(shù)平均溫差[45]，按順流熱交換器： ()橫管降膜冷凝傳熱過程主要由管內(nèi)對流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外降膜冷凝等傳熱過程組成，總傳熱系數(shù)kl的公式如下： ()式中，污垢熱阻的數(shù)值以查手冊或依據(jù)生產(chǎn)積累的數(shù)據(jù)來選定，根據(jù)資料，k/W，為傳熱壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，和分別為傳熱管壁的外徑和內(nèi)徑。管外苦咸水降膜冷凝液膜為層流，其傳熱系數(shù)為 ()管內(nèi)對流換熱傳熱系數(shù)為： ()式中，及是按流體平均溫度和壁面溫度計算的流體的動力粘度，g為重力加速度，為雷諾數(shù)，為普朗特數(shù)，為熱流密度，為管長。太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)變成熱能的設(shè)備，本系統(tǒng)選用真空管太陽能集熱器作為熱源對苦咸水進(jìn)行加熱。集熱器能量平衡方程為： ()式中，、分別為集熱器出口、進(jìn)口的熱水溫度，因為集熱器與蒸發(fā)器之間的管路很短，可忽略管路的熱損失，也即、分別等于蒸發(fā)器熱水的進(jìn)出口溫度，；I為瞬時輻射量；Ac為集熱器面積；為集熱器效率，它與聚光器鏡面反射率ρ，吸收器透明罩管的透過率τ和吸收體吸收率α有關(guān)，可由西北工業(yè)大學(xué)建立的真空管實驗臺的得到經(jīng)驗公式表示[46]： ()式中，Ta為環(huán)境溫度。由式()和()可以求出集熱器出口的熱水溫度。本章首先介紹了橫管降膜蒸發(fā)技術(shù)的原理，然后以橫管降膜蒸發(fā)技術(shù)原理為基礎(chǔ)，結(jié)合我國西北地區(qū)能源分布狀況和能源利用現(xiàn)狀，提出了將太陽能集熱技術(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)裝置的設(shè)計方案，也即系統(tǒng)物理模型，最后建立了系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器和太陽能集熱器的數(shù)學(xué)模型，為下一步系統(tǒng)裝置的設(shè)計選型和性能分析奠定了基礎(chǔ)。第3章 風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的小型苦咸水淡化系統(tǒng)裝置設(shè)計本文設(shè)計的一套小型的風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng)，是針對能源資源相對缺乏的偏遠(yuǎn)地區(qū)以及海島地區(qū)家庭的日常飲用水問題設(shè)計，對于一個4至5人的家庭，每天的飲用水消耗量為12L左右（國際運動醫(yī)學(xué)專家發(fā)布的飲水量標(biāo)準(zhǔn)顯示：每1磅體重飲水1/2盎司，，按此推算，70公斤體重的人，每天應(yīng)飲大約2500克的水，體重超過者酌增）。所以本文的設(shè)計目標(biāo)為日產(chǎn)水能力為12L/d苦咸水淡化裝置，裝置每天工作6個小時（上午9:00~下午3:00），即每個小時的淡水產(chǎn)量=2kg/h。冷凝器、蒸發(fā)器、太陽能集熱器和風(fēng)力機是系統(tǒng)的主要換熱部件和輸入動力部件，本章將以日產(chǎn)淡水12L為設(shè)計目標(biāo)，對苦咸水淡化裝置的冷凝器、蒸發(fā)器、太陽能集熱器和風(fēng)力機進(jìn)行設(shè)計選型。裝置設(shè)計其它數(shù)據(jù)確定如下：(1)苦咸水的初始濃度為3%，=3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(2)%，循環(huán)噴淋苦咸水量Mb為24kg/d。就一般的苦咸水淡化而言，造水量雖然很大，但苦咸水濃度前后的變化卻不是很大，所以工程中實際操作的濃縮比GR（即GR= Xout / Xin），另外為防止結(jié)垢，濃度一般不超過7%，=6%。則日產(chǎn)12L淡水，每天噴淋苦咸水量為24kg。(3)進(jìn)入冷凝器供水苦咸水的初始溫度設(shè)定與環(huán)境溫度一致20℃，即。(4)由風(fēng)機保持蒸發(fā)器內(nèi)壓力在一個較低的數(shù)值，這里設(shè)置為P=，對應(yīng)的飽和溫度ts=75℃,即蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為75℃；冷凝器是苦咸水水淡化系統(tǒng)的主要熱交換設(shè)備之一，一方面水蒸汽在冷凝器中放出熱量后冷凝為淡水，另一方面使供水苦咸水得到了預(yù)熱。本苦咸水淡化裝置選用臥式殼管式冷凝器，采用供水苦咸水作為冷卻水。 Sehematie of condenser：℃，冷卻水流量由水泵控制，設(shè)定冷卻水流量Ml為400kg/d，即。冷凝器的制冷量由水蒸汽凝結(jié)放出的汽化潛熱和生成的淡水放出的顯熱兩部分組成。蒸發(fā)器和冷凝器之間的管道很短，且保溫良好，因此可以忽略蒸汽在輸送管道內(nèi)的冷凝及壓力和溫度的損失[47]，所以冷凝器中的水蒸汽的溫度仍為75℃，12kg的水蒸汽在冷凝器中凝結(jié)的汽化潛熱Qlq為： （）式中，r表示汽化潛熱。假設(shè)凝結(jié)成的淡水能降溫至25℃，則12L淡水從75℃降到25℃那部分顯熱Qlx為： （）則冷凝器的制冷量為： （）冷凝器的功率為： （）式中，t為工作時間6小時。選取取冷凝器功率為Wl=1500W，得到12L淡水所需時間為： （）符合6小時淡化苦咸水量為12L的要求，假設(shè)成立。故取冷凝器的功率為1500W。冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有冷凝器換熱管的材料、直徑和冷凝器的換熱面積。冷凝器換熱管材料：301號不銹鋼管，內(nèi)徑Di=14mm, 外徑Do=18mm，冷凝器的換熱面積Al可由冷凝器的換熱方程確定： （）式中，kl為冷凝器的總傳熱系數(shù)，LMTD對數(shù)換熱平均溫差。橫管降膜冷凝傳熱過程主要由管內(nèi)冷卻水對流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外水蒸汽凝結(jié)換熱等傳熱過程組成[48]，所以總傳熱系數(shù)kl的公式如下： （）式中，污垢熱阻的數(shù)值以查手冊或依據(jù)生產(chǎn)積累的數(shù)據(jù)來選定，根據(jù)資料，為傳熱壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，為管內(nèi)對流換熱傳熱系數(shù)，為管外苦咸水降膜冷凝傳熱系數(shù)。：管內(nèi)對流換熱傳熱系數(shù)為： （）淡水帶走的熱量與水蒸汽的汽化潛熱相比很小，可忽略不記，冷凝器冷卻水帶走的熱量就等于水蒸汽的汽化潛熱，則： （）=37℃。定性溫度：，特征長度為Di=。由定性溫度查苦咸水的特性：普朗特數(shù)；；。對于易結(jié)垢液體，~2m/s。雷諾數(shù)104，所以冷卻水流動處于旺盛湍流流區(qū)。對于管內(nèi)湍流強制對流，使用最廣的關(guān)聯(lián)式為迪圖斯貝爾特(DittusBoelter)公式： （）其中加熱流體n=，冷卻流體n=。得=，則管內(nèi)強制對流換熱傳熱系數(shù)為： ：不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)。 ：管外苦咸水水降膜冷凝，其傳熱系數(shù)按經(jīng)驗數(shù)值取[49]。所以，冷凝器的總換熱系數(shù)。由冷凝器的制冷量等于冷卻水帶走的熱量： （）=63℃,則冷凝器對數(shù)換熱平均溫差。則冷凝器的換熱面積Al： （）選取換熱管的3根，則冷凝器換熱面積為Al=。冷凝器殼程容積Vl取30L，以便每天生產(chǎn)淡水的收集。，如下 冷凝器設(shè)計參數(shù) Design parameters of condenser冷凝器功率（Wl）冷凝器換熱面積Al（m2）換熱管段數(shù)n每段換熱管長度l（m）換熱管材質(zhì)換熱管內(nèi)徑Di（mm）換熱管外徑Do（mm）冷凝器殼程容積Vl（L）15003301不銹鋼管141830冷凝器結(jié)構(gòu)及尺寸見附錄C。太陽集熱器是系統(tǒng)的吸熱部件，其熱性能的好壞和成本的高低直接影響系統(tǒng)的總體經(jīng)濟性能。但是由于太陽能作為一種低品位熱能，存在間斷性和不穩(wěn)定性的特點，故研究高效的太陽能集熱器必須在盡可能多的收集太陽能輻射的前提下最大限度的抑制向周圍環(huán)境的熱量耗散。目前國內(nèi)市場上用的太陽能集熱器的類型主要有：平板式、熱管式、U型管式、真空管式等四種，四種類型各有優(yōu)缺點，沒有一種是完美的、占有絕對優(yōu)勢的。選擇太陽能集熱器類型主要應(yīng)根據(jù)安裝地點所在氣候特征以及所需熱水溫度、用途來選定。1）平板集熱器平板集熱器是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的太陽能集熱產(chǎn)品。其吸熱元件為金屬吸熱板，吸熱板中間為介質(zhì)流道。一塊集熱器由幾片吸熱板和上、下集管焊接組成，金屬外框和北部有保溫材料，上面為高透過率的鋼化玻璃。下集管連接水箱下部，上集管連接水箱上部。平板集熱器靠冷、熱介質(zhì)（例如水）的比重不同所產(chǎn)生的重力差，通過上、下集管與水箱的連接形成自然循環(huán)，最終達(dá)到將水箱內(nèi)的水加熱的目的。特點如下：采光面積大；平板型太陽能集熱器是金屬管板式結(jié)構(gòu)，熱效率高，產(chǎn)熱水量大，可承壓，耐空曬，水在銅管內(nèi)加熱，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，免維護(hù)，15年壽命；無抗凍能力，適合于廣東、福建、云南、廣西、海南等冬天不結(jié)冰地區(qū)適用。平板集熱器的性價比是所有集熱器中最好的。2）熱管式真空太陽能集熱器熱管式真空太陽能集熱器管內(nèi)不走水，加熱系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)獨立分隔，整個系統(tǒng)全部為金屬連接，極其可靠，沒有任何隱患。熱管式真空管太陽能集熱器即使在最寒冷的地區(qū)也不會出現(xiàn)炸管和循環(huán)系統(tǒng)管路凍結(jié)的問題，加上其它能源的配合，完全可以全天候的滿足客戶的需求。國內(nèi)外大量的工程實例證明，熱管式真空管太陽能集熱器最適合應(yīng)用于有大量水、高溫?zé)崴蚱渌橘|(zhì)需求的工程用戶。特點如下：真空熱管太陽能集熱器有很強的抗凍能力，適合在冬天氣溫為0～40℃的地區(qū)適用，如東北三省、內(nèi)蒙古、新疆、西藏地區(qū)的用戶；可承壓，耐空曬，不易爆管；熱容量小，啟動快，可用于產(chǎn)高溫?zé)崴?、開水。但是造價太高，并且其熱效率也最低。3）U型管式集熱器U型管式集熱器的核心元件是U型集熱管。U型集熱管是在普通的玻璃真空集熱管內(nèi)插一根U型銅管，U型管的兩端分別與聯(lián)集箱中的兩根母管相連，U型管與圓筒形鋁翼緊閉相接，母管中的水經(jīng)U型管流入另一根母管，水由鋁翼接受玻璃管的熱能加熱。母管一根接冷水，另一根將太陽能熱水匯集于貯水箱中。在高寒地區(qū)也可用防凍液，然后再經(jīng)熱交換器加熱水。特點如下：產(chǎn)水溫度高，可產(chǎn)生溫度70～90℃的熱水，適合用于工業(yè)用途的熱水；可承壓；價格比較劃算，價格比熱管低。4）全玻璃真空管太陽集熱器早在20世紀(jì)初就有了采用真空管集熱