双层骨架结构太阳能海水淡化系统传热特性研究

发布时间：2020-03-25 14:24

【摘要】：太阳能蒸汽发生系统能够利用太阳能对海水等进行淡化,在海水淡化和污水处理等领域具有较大的应用潜力。目前高效的太阳能蒸汽发生系统主要包括纳米流体光吸收蒸汽发生系统和热局域化太阳能蒸汽发生系统。热局域化太阳能蒸汽发生系统以双层结构为主,由于能够实现低聚光下的高效太阳能光热蒸汽转化,且具有结构简单、成本低、蒸发效率高、易于推广应用等特点受到了广泛关注。从能量角度分析,以双层结构为主的热局域化太阳能蒸汽发生系统在蒸发过程中存在四部分热量损失,即入射光照射到光吸收层上产生的光反射损失、光吸收层上表面向环境的热辐射损失、光吸收层表面与周围空气的热对流损失以及绝热供水层向水体产生的热传导损失。本文以降低传热损失为目标对系统进行材料优选和结构优化。对于光吸收层,为降低其光反射热损失,本文利用高温将木材碳化制得生物质碳颗粒,同时对其粒径分布进行研究,通过米氏散射理论计算,验证了碳颗粒在该种粒径分布下具有良好的光吸收能力,佐证了自制碳颗粒作为顶层光吸收材料的优异性能。为降低表面的光辐射热损失,本文对铜纳米颗粒进行了研究,铜纳米颗粒对光选择吸收性,在紫外-可见光区域具有极高的光吸收能力,而在远红外波段吸收率较低,因此可以有效吸收太阳能并造成较低的热辐射损失。对于绝热供水层,本文探索了一种骨架双层结构,利用空气进行热量隔绝,并通过探究骨架层在水面以上的高度以及空气层在横截面所占面积以求得最优值,在保证足够供水的前提下,尽可能降低对水面的热传导损失。综合降低单一热损失的优化措施,制备了以100 nm铜纳米颗粒为光吸收层材料,以尺寸优化后的骨架结构作为绝热供水层的骨架双层结构,实际蒸发速率可高达2.11 kg·m~(-2)·h~(-1),并通过热力学分析对蒸发过程中蒸发焓的降低作出了解释。通过从能量损失的角度对系统进行优化,本文研究工作致力于从机理角度改善热局域化太阳能蒸汽发生系统,提供一种高效、稳定、廉价及可操作性更强的解决方案。
【图文】：

提出了利用双层结构吸收太阳能产生蒸汽的思路，，如图1-2 所示。该结构的设计核心是将吸收的太阳能控制在结构表面，使其上表面形成高温区域，而水体温度依旧保持不变，通过材料的亲水性能和毛细力将水输送到上表面进行加热蒸发。该双层结构一般包括具有高光吸收率的光吸收层以及绝热性能好、具有众多便于液体流动的孔隙且亲水性能好的绝热供水层。实验结果表明，与纳米流体相比，双层结构具有更高的蒸发效率，其在 10kW·m-2的太阳光光照强度下，蒸发效率可达 85%，而在纳米流体的蒸发系统中，在 1000kW·m-2的太阳光光照强度下，蒸发效率仅为 24 %。通过利用双层结构将能量控制在水体表面为太阳能海水淡化技术提供了更好的研究思路和方向，也推动了双层太阳能海水淡化系统的发展。图 1-2 材料漂浮在水体表面的界面加热与热局域示意图[33]Figure 1-2 Interface heating and thermal local schematic diagram of materials floating on watersurface[33]

3 太阳能蒸汽发生系统中金属纳米材料宽带吸收等离子体膜示意图he schematic of metal nanomaterials broadband absorption plasma filmgeneration system.[18, 37-39]的研究方面，近年来由于石墨烯材料具有优异的光学、电学纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应革命性的材料[40-42]。Ito 等[43]通过化学气相沉积（CVD）含氮和不含氮掺杂的三维多孔石墨烯片，如图 1-4a 所示
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P747;TK124

【参考文献】

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1 田甜;吕敏;田e

本文编号：2600019