【導(dǎo)讀】取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任。何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。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。本人完全意識到本聲明的。法律后果由本人承擔。論文被查閱和借閱。同時授權(quán)中國科學技術(shù)信息研究所將本學位論文

　　

【正文】 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]。該過程通過外力使鹽水表面的空氣強制循環(huán)，這有利于提高鹽水的汽化效率；同時，該裝置采用分離的冷凝器也強化了冷凝效果。 圖 強迫空氣循環(huán)的增濕 /除濕太陽能 苦咸水 淡化裝置示意圖 Schematic diagram of Forced air circulation in the humidification / dehumidification solar desalination plant 錢強，朱躍釗，廖傳華等人分析了幾種太陽能苦咸水淡化裝置工作原 理、結(jié)構(gòu)和傳熱，指出要提高裝置的性能參數(shù)和產(chǎn)水率，除應(yīng)從加強傳熱、減少裝置中苦咸水熱容量等方面來考慮外，最主要的是提高太陽能蒸餾器提供熱源的溫度 [27]。進一步研究表明，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。 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]。 現(xiàn)在人們研究較多的是太陽能多效蒸餾系統(tǒng)，如圖 所示，它是將傳統(tǒng)的多效蒸餾中的鍋爐等熱源由一太陽能集熱裝置代替，它繼承了傳統(tǒng)多效蒸餾地將水蒸氣的凝結(jié)潛熱和熱鹽水的顯熱再循環(huán)加以利用的優(yōu)點，而且由太陽能代替了不可再生能源的消耗，裝置更加節(jié)能、環(huán)保 [29]。但是，它的結(jié)構(gòu)通常都很復(fù)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(shè)備具有經(jīng)濟可行性。在西北地區(qū)特別是靠近偏遠地區(qū)，人口分部相對稀疏，交通、電力十分不便，大型的苦咸水淡化設(shè)備并不適用。 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。國內(nèi)外關(guān)于風力機的研究多為水平軸風力機，其風能利用系數(shù)較高，是目前世界上的主流風力機，技術(shù)已發(fā)展的比較成熟 [30]。但是由于水平軸風力機自身固有的一些特點，使得水平軸風力機的制造成本和運營維護成本較高。而垂直軸風力機卻有其自身的優(yōu)勢：葉片在 旋轉(zhuǎn)過程中受力方向恒定，疲勞壽命長；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(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動噪音很小，與環(huán)境更和諧 [31]。垂直軸風力機潛力巨大，吸引了近年來人們越來越多的關(guān)注。 風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 12 圖 直葉片垂直軸風力機 Straight blade vertical axis wind turbine 中國最早利用風能的形式就是垂直軸風車，但垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)明直到 20 世紀 20 年代才開始出 現(xiàn)（ Savonius 式風輪 —1924 年， Darrieus 式風輪——1931 年）。 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(guān)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?zāi)Ｐ?[32]。 Mazharul Islam 等人研究了垂直軸風力機攻角的變化情況，并討論了動量模型、旋渦模型在風力機氣動性能計算時的優(yōu)缺點。文獻根據(jù)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(guān)系進行了研究 [ 33]。目前，研究最多，應(yīng)用最廣泛 的用于垂直軸風力機的計算模型主要有動量模型、旋渦模型和激射模型，但是，在垂直軸風力機實際設(shè)計過程中，最常用的仍然是動量理論與葉素理論。為了克服 φ 型達里厄垂直軸風力機葉片不能調(diào)的缺點，國外一些學者，將垂直軸風力機的葉片做成直葉片，并且采用標準的翼型如 NACA 系列翼型， 如圖 直葉片垂直軸風力機， 利用機械或電子裝置控制葉片擺動，以獲得較高的風能利用率。華北電力大學嘗試著將變槳矩技術(shù)與垂直軸風力機相結(jié)合，為進一步研制高效率低成本的新型風力機打下基礎(chǔ)。隨著計算機的發(fā)展，國外內(nèi)一些風力機研究機構(gòu)已采用計算流體力學 (CFD)對風力機翼型的氣動性能進行了的模擬和計算。 從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看到關(guān)于太陽能苦咸水淡化系統(tǒng)及風力機研究成果已經(jīng)相當多，但還有很多不足和需要進一步拓展的領(lǐng)域： （ 1）現(xiàn)有的太陽能苦咸水淡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常都很復(fù)雜，運行成本及固定資本的投入相對較高，而且多為大型設(shè)備的系統(tǒng)； （ 2）現(xiàn)有的太陽能蒸餾系統(tǒng)由于系統(tǒng)的循環(huán)是靠電力帶動水泵來實現(xiàn)，這不但消耗了能源，而且也導(dǎo)致這種形式的淡化水的成本優(yōu)勢的削弱； （ 3） 垂直軸風力機 特點突出，但對其研究還不多 。 碩士學位論文 13 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)及對本課題的啟示 國內(nèi)外關(guān)于 苦咸水淡化的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，主動式太陽能蒸餾裝置產(chǎn)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(shè)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。故本課題 將設(shè)計一套完全由 風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的小型的苦咸水淡化系統(tǒng) ，并對其性能進行分析 。 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。所以系統(tǒng) 設(shè)計將苦咸水以噴淋的形式，噴淋到換熱盤管上，以加強換熱； （ 3）通過外力使鹽水表面的空氣強制循環(huán)，這有利于提高鹽水的汽化效率；分離的冷凝器也強化了冷凝效果。所以系統(tǒng)設(shè)計一由風力機帶動的抽氣裝置，以加快蒸汽箱內(nèi)的空氣流動，提高汽化效率；同時設(shè)計將蒸汽冷凝裝置分離設(shè)置。 本課題研究的目標、內(nèi)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(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng)，并初步研究其熱力性能和經(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) 、 風能利用 和傳統(tǒng)苦咸水淡化系統(tǒng)有機結(jié)合的風能和太陽能聯(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)學模型。 。 （ 2）基于風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng)的物理模型 和數(shù)學模型 ，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標，對系統(tǒng)進行 設(shè)計 選型計算。 （ 3）在風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的苦咸水淡化系統(tǒng)物理模型和數(shù)學模型的基礎(chǔ)上， 建立 基于熱力學第一定律和熱力學第二定律 的系統(tǒng) 熱力學模型， 并 對系統(tǒng)進行能分析和 火用 分析，評價系統(tǒng)的熱力學性能。 （ 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。 （ 5）對系統(tǒng)進行二氧化碳減排等生態(tài)環(huán)境效益的分析。 風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 14 研究 意義 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，長期飲用嚴重危害人民的身體健康；向海洋等苦咸水資源索取淡水，也逐漸成為世界沿海國家的共識。本文設(shè)計的風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的 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、財力等因素，實現(xiàn)由太陽能產(chǎn)生的低品位熱能到 高品質(zhì)、低成本、無污染的 淡水飲用水供應(yīng)的提升。 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。 碩士學位論文 15 第 2 章 風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動的小型苦咸水淡化系統(tǒng) 主動式太陽能多效蒸餾裝置 由于 產(chǎn)水量高 等 優(yōu)點被 國內(nèi)外學者 廣泛重視，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行成本及固定資本的投入相對較高， 導(dǎo)致 在西北地區(qū) 并不事宜， 特別是靠近偏遠地區(qū)，人口分部相對稀疏，交通、電力十分不便的情況下，而 且裝置中泵組件對電能的消耗也一直是限制其應(yīng)用的主要因素之一。針對 上述問題 ， 結(jié)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(shù)、風能利用和傳統(tǒng)苦咸水淡化系統(tǒng)有機結(jié)合的風能和太陽能聯(lián)合驅(qū)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(shù) 。 淡化技術(shù)原理 橫管降膜蒸發(fā) 橫管降膜蒸發(fā) 技術(shù) 是 在 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的，又稱水平管降膜蒸發(fā) ，主要應(yīng)用于 橫管多效蒸發(fā)系統(tǒng) Horizontal Tube(HTMED)[34]。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。對于光滑管而言，水平管的傳熱系數(shù)三倍于閃蒸，兩倍于豎管蒸發(fā)裝置。同時顯著地降低了空間高度，增加了傳熱的有效溫差。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。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。幾乎所有的大型多效蒸發(fā) 苦咸水 淡化設(shè)備采用水平連接方式，因為這種方式穩(wěn)定可靠、便于操作和維修。 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]。管內(nèi)用蒸汽進行加熱，通過管壁與液膜進行熱交換，使液膜升溫。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。 苦咸水 淡化橫管降膜蒸發(fā)器的傳熱溫差一般在 24℃ ，蒸發(fā)過程屬于表面蒸發(fā)，一般沒有明顯的沸騰。 加熱蒸汽 (或者前一效產(chǎn)生的二次蒸汽 )在管內(nèi)冷凝，管內(nèi)的凝結(jié)水排放到本蒸發(fā)器或下一效蒸發(fā)器的蒸汽室，少量凝結(jié)水會再次閃蒸成為蒸汽，其余凝結(jié)水成為苦咸水淡化裝置生產(chǎn)的淡水 (第一效蒸發(fā)器為加熱蒸汽凝結(jié)水 )。濃縮后的苦咸水流到蒸發(fā)器底部作為濃鹽水被排出。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。二次 蒸汽經(jīng)除沫器分離攜帶的液滴后排出蒸發(fā)器，淡水閃蒸汽、鹽水閃蒸汽與蒸發(fā)器的二次蒸汽混合進入下一效作為加熱蒸汽，最后一效蒸發(fā)器的二次蒸汽進入冷凝器。 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]?；谠摷夹g(shù)的橫管降膜蒸發(fā)器由多排橫管組成，在上一層管外壁上蒸發(fā)的余液落至下一層管上繼續(xù)蒸發(fā)，隨著蒸發(fā) 的持續(xù)進行，液膜厚度不斷減小。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。同時，由于可以實現(xiàn)在較小溫差下進行傳熱，表面過熱度下降，管表面的結(jié)垢情況也得以改善。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。 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。 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。一般經(jīng)過三個階段：預(yù)熱階段；汽化階段；過熱階段 [37]。圖 是水蒸氣定壓發(fā)生過程示意圖。 碩士學位論文 17 圖 水蒸氣定壓發(fā)生過程示意圖 Schematic diagram of water vapor occurs at constant pressure 圖 (a)(b)為水的預(yù)熱過程 —由未飽和水轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡退倪^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。 圖 (b)(d)為水的汽化過程 —由飽和水轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱水蒸氣的過程。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。當飽和水全部轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡退魵鈺r，即達到干飽和水蒸氣狀態(tài)。 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。干飽和水蒸氣繼續(xù)加熱，水蒸氣的溫度 t 升高到高于飽和溫度 ts，此時的水蒸氣稱為過熱水蒸氣，過熱水蒸氣的比體積 v 比飽和水蒸氣大。過熱度 D= t ts。 圖 為對應(yīng)的水蒸氣定壓發(fā)生過程的 pv