双层海水淡化系统的传热传质机理数值研究

发布时间：2020-09-02 14:52

　　近几十年来,随着需求的稳步增长,以及工业发展所造成的水资源破坏,淡水资源的稀缺对人类社会的可持续发展构成了威胁。太阳能蒸发技术作为一种有效的太阳能利用技术,其不仅在海水淡化领域有所应用,也在污水处理、医疗灭菌甚至发电方面均有潜在应用前景。近年来,一种双层结构的海水淡化系统由于其高效利用太阳能而引起了广泛的关注。目前大量研究都集中在改良和优化双层结构系统的材料、结构以及整体装置。而本文采用数值模拟的方法分别从宏观和微观角度分析双层海水淡化系统的传热传质机理,以期为双层海水淡化系统的改进、优化以及拓展提供一定参考。对于宏观系统,我们基于有限元方法建立并优化了由实验验证的宏观传热传质计算模型,然后分析了各类影响因素对双层结构系统蒸发效率与蒸汽温度的影响,发现:要想得到高温水蒸汽就必须牺牲蒸发效率,削弱水蒸汽的输运,恶化其边界散热条件;而要想获得较高的蒸发效率,改善水蒸汽的输运条件将更行之有效,此时产生的水蒸汽为低温水蒸汽。此外,我们还发现存在最佳的孔隙率(约为50%)使得双层海水淡化系统的蒸发效率最高;相对于多孔材料的热导率,双层结构的有效热导率对系统蒸发效率的影响更大;选择性吸收体的使用将有助于提高双层结构系统蒸发效率与蒸汽温度。在微观角度中,对于第一层材料,我们基于有限元方法建立由Mie散射理论验证的纳米颗粒光热转化数值计算模型,然后从单纳米颗粒组成的零维系统出发层层递进的分析研究了太阳光全光谱下纳米颗粒的拥挤效应,进而发现在纳米粒子的二维平面规则分布中,六角格子分布是利于太阳能光热转换的最佳分布,并且在该分布中315nm的粒子间距为利于太阳能光热转换的最佳间距。更有意义的是在太阳光全光谱下任何空间分布的多粒子系统的能量吸收问题都可以视为三种基本极化模式的叠加,因此我们可以使用电磁场分解模型来处理任意多粒子体系在太阳光全光谱下的能量吸收问题。对于第二层材料,我们依然基于有限元方法,并使用Poisson-Nernst-Planck方程建立热驱动离子输运数值计算模型,然后研究分析纳米通道内与多孔材料内热驱动离子的输运问题,从而发现离子浓度(8(8_(4)4))为1 mol·m~(-3),通道半宽度?为1 nm的纳米通道系统是较理想的热电系统,并且该系统存在最优的温差(约为85 K)与最优的通道长度(约为85 h)使其热致功率最大。而多孔材料内热驱动离子输运造成的热电流(约为27.2 mA)、热电势(约为63.7 mV)以及热致功率(约为433.2μW)足以驱动商用电气元件,因此直接利用多孔材料内热驱动离子的输运性能进行双层海水淡化系统蒸汽-电联产是可行的。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P747;TK124
【部分图文】：

系统图,海水淡化系统

的能源技术受到人们的重视[6-9]。该技术装条件的限制，对于一些偏远地区和缺乏基为一种有效的太阳能利用技术，其不仅在菌甚至发电方面均有潜在应用前景[10-15]。较大致使其转化效率较低（30%~50%），在[16]。近年来，陈刚课题组提出了一种双层射下实现 63%的光蒸汽转化效率[17]。这种注，其系统图如下图 1-1 所示。在该系统现光热转化，而第二层材料一般利用多孔First layer(Light absorption)layerVapor

双层结构,碳泡沫,石墨颗粒,局域化

工程硕士专业学位论文综述（Literature Review）观系统研究现状及分析年，麻省理工学院陈刚课题组[17]首先提出了利用双层结构进行光热蒸计的双层结构系统由负载石墨颗粒的碳泡沫组成。利用上层石墨颗粒与下层碳泡沫优秀的亲水性和隔热性，以达到在低聚光条件下增强太的。该研究表明，在太阳辐射强度为 10 个太阳时，其系统光热蒸汽转，同时该课题组也提出了理想材料模型，即第一层材料拥有较高的光学材料具有较好亲水性与较小的热导率。

原理图,自组装,纳米孔,模板

材料被广泛应用于双层海水淡化系统的第一层来吸收太阳能，进金纳米颗粒通过自组装的方法与多孔模板有机结合，制备了一个该光吸收体在 200nm 到 10000nm 波段实现了高达 99%的吸收效最宽频、最高效的光吸收黑体材料，其原理图如下图 1-3 所示。但t law，我们可以知道温度为 300 K 到 360 K 的物体大约在 9500 n峰值辐射，并且较高的光吸收效率意味着较高的发射效率。换句效的光吸收性能，但并不能证明其有高效的光热转化性能。之后本以及改进吸收体红外部分的吸收性能，采取了铝的结构，其在范围平均吸收效率为 96%，被认为是太阳能海水淡化的绝佳体系给出完美解释，这一点将在之后的部分给予说明。除了自组装金型金属纳米吸收体。Song 等[20]人将金纳米颗粒沉积在无尘纸上 77.8%的蒸发装置。He 等[21]人改变沉积在电浆膜上金纳米颗粒的效率的影响，最终在 10KW·m-2太阳辐射强度下，将 3.6mg 的金m 的电浆膜上得到了一个蒸发效率为 85%的蒸发装置。

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