【正文】 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。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。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(dāng)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 是水蒸氣定壓發(fā)生過程示意圖。 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。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(jì)性。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。 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]。上一效的濃鹽水進(jìn)入蒸發(fā)器，由于壓差降低而產(chǎn)生少量閃蒸，進(jìn)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。 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 )。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(jìn)行。 橫管降膜蒸發(fā)基本原理如圖 所示，進(jìn)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]。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。同時顯著地降低了空間高度，增加了傳熱的有效溫差。與豎 管降膜蒸發(fā)相比，有明顯優(yōu)勢：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筒體中，因而散熱損失小，能耗低。針對 上述問題 ， 結(jié)合西北地區(qū)風(fēng)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(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) 。 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(dá)到產(chǎn)水 量穩(wěn)定高效及水質(zhì)優(yōu)良的效果。 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 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(yán)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。 （ 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(biāo)為評價標(biāo)準(zhǔn)，分析評價系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)性能。 （ 2）基于風(fēng)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(xué)模型 ，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行 設(shè)計 選型計算。 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(jī)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。所以系統(tǒng)設(shè)計一由風(fēng)力機(jī)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。 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。 碩士學(xué)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(fēng)力機(jī)的特點突出。隨著計算機(jī)的發(fā)展，國外內(nèi)一些風(fēng)力機(jī)研究機(jī)構(gòu)已采用計算流體力學(xué) (CFD)對風(fēng)力機(jī)翼型的氣動性能進(jìn)行了的模擬和計算。為了克服 φ 型達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片不能調(diào)的缺點，國外一些學(xué)者，將垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片做成直葉片，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的翼型如 NACA 系列翼型， 如圖 直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)， 利用機(jī)械或電子裝置控制葉片擺動，以獲得較高的風(fēng)能利用率。文獻(xiàn)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(jìn)行了研究 [ 33]。 80 年代中期，美國政府委托桑迪亞研究所（ Sandia）開始進(jìn)行的有關(guān)垂直軸風(fēng)力機(jī)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(dá) 34m 的達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)試驗?zāi)Ｐ?[32]。垂直軸風(fēng)力機(jī)潛力巨大，吸引了近年來人們越來越多的關(guān)注。但是由于水平軸風(fēng)力機(jī)自身固有的一些特點，使得水平軸風(fēng)力機(jī)的制造成本和運(yùn)營維護(hù)成本較高。 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(jī)帶動水泵工作，用風(fēng)能代替電能的消耗。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較高，使得這些系統(tǒng)通常只對大型的設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)可行性。 左潞，鄭源，周建華等人還研究發(fā)現(xiàn)，如果在系統(tǒng)運(yùn)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]。 圖 強(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)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]。 Veza 等人在池式太陽能蒸餾器的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)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]。 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(chǎn)水量不高 ， 也沒有泵的循環(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)注的是主動式太陽能苦咸水淡化裝置的研究。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(jìn)行主動加熱的太陽能苦咸水淡化裝置，裝置的運(yùn)行完全是在太陽光的作用下被動進(jìn)行 [24]。世界上第一個大型的太陽能苦咸水淡化裝置，是 1874年在智利北部的 Las Salinas 建造的 [22]。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。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。 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)。部分技術(shù)如低溫多效 苦咸水 淡化技術(shù)、 苦咸水 循環(huán) 冷卻技術(shù)已躋身國際先進(jìn)水平。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]。到 2021 年底，我國已建 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)多個日處理 10~20 萬噸的大型 苦咸水 淡化項目相繼啟動。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(jìn)技術(shù)的國家之一。在 20 世紀(jì)最后幾年，阿聯(lián)酋迪拜的 Jebel Ali 電站(G座 )發(fā)電 450MW， MSF與 RO聯(lián)合系統(tǒng)造水 28,8000m3/d，阿布扎比 （ Abu Dhabi）的水電部門建設(shè)裝機(jī)容量 732MW 的發(fā)電機(jī)組、 348,000m3/d 多級閃蒸 苦咸水 淡化廠。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。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(dá)到 103m3/d，整個苦咸水淡化廠日產(chǎn)淡水 l03m3。 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(dá) 2l06m3/d。 圖 給出了世界苦咸水淡化規(guī)模的增長趨勢 [ 20]。21 世紀(jì)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(kuò)大。 國內(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 是實現(xiàn)水資源利用的開源技術(shù)，也是世界各國競相開發(fā)的朝陽風(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 8 產(chǎn)業(yè)。 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。除第一效的加熱蒸汽來自鍋爐等外部熱源外，以后各效的加熱蒸汽均來自前一效產(chǎn)生的二次蒸汽。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。多效蒸餾法工作流程如圖 ，圖中 D蒸發(fā)器， E加熱器， G水泵， K冷凝器，即進(jìn)料苦咸水在冷凝器中預(yù)熱、脫氣之后分成兩股，一股排回大海，另外一股為進(jìn)料液。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(yán)重而被淘汰 [19]。 引入流動的空氣雖然可以加快苦咸水的蒸發(fā)，但勢必會帶走系統(tǒng)的一部分熱量，而且空氣的去濕程度也必然影響系統(tǒng)淡水的產(chǎn)量 ，所以增濕 去濕法目前尚處于實驗研究階段 。 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]。為了克服這一缺點，人們將增濕器和冷凝器完全分離，即增濕過程和去濕過程分離。強(qiáng)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(dá)冷凝界面的時間，延長了淡化時間，產(chǎn)水量變大 [15]。 增濕 去濕淡化法有三種不同的形式，第一、在同一空間內(nèi)自然對 流增濕 去濕；第二在同一空間內(nèi)強(qiáng)制對流增濕 去濕；第三：蒸發(fā)和冷凝完全分離的增濕 去濕。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。 增濕與去濕是指水蒸汽在空氣中含量的增加與減少，即濕空氣含濕量的增減。另外，為了減輕結(jié)垢和腐蝕，對進(jìn)入裝置的 苦咸水 加酸和進(jìn)行脫氣 （ 脫除CO2 和 O2） ，因而也增加了造水成本。 MSF 裝置的優(yōu)點是設(shè)備單機(jī)容量大、使用壽命長 、出水品質(zhì)好、熱效率高。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)。 多級閃蒸是針對多效蒸發(fā)結(jié)垢較嚴(yán)重的缺點而發(fā)展起來的，單機(jī)容量大，最大 的可達(dá)到 7~8 萬 t/d；產(chǎn)品水鹽度一般為 3~10mg/l。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 。 多級閃蒸 (MSF) 圖 多級閃蒸淡化裝置流程示意圖 Flow chart of MSF 多級閃蒸 (MSF)技術(shù)，是 1957 年由英國學(xué)者 發(fā)明的一種苦咸水淡化方法，它在降低能耗及防結(jié)垢問題方面有獨到的優(yōu)越性。 圖 反滲透法工藝流程圖 Flow ch