太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统研究与热力学分析

发布时间：2020-06-30 13:46

【摘要】：水是人类的生命之源,若缺乏水资源,生命也将受到威胁。地球上97.5%的水资源为海水或苦卤水,但不能被人类直接使用,能被利用的淡水资源仅占全球水资源的0.26%,近几十年来,全球淡水资源日益减少,而人类对于淡水的需求却越来越大。若能利用海水淡化技术将这些水资源转变为淡水资源,这无疑解决了全球淡水匮乏的危机。海水淡化技术主要分为热法和膜法,后来发展出一种新型的海水淡化技术—加湿除湿海水淡化,此方法建立在膜蒸馏的基础上,它结合了热法和膜法两者的优点(用热能来驱动系统,用膜来过滤海水),加湿除湿海水淡化技术有望取代传统的海水淡化方法。与其他海水淡化技术相比,例如多级闪蒸等,该技术可以利用低品位能源如太阳能、空气能等进行驱动,且操作温度和压力较低(通常在常压下运行,操作温度为60-80℃),是一种新型节能且环保的海水淡化技术。本文主要利用太阳能与热泵互补驱动膜式加湿除湿海水淡化技术进行实验研究。本系统的主要优点和创新点有以下几点:(1)系统的运行温度一般低于80℃,系统主要利用清洁能源太阳能和部分空气能为海水淡化系统提供能量,因此减少了对石油、煤炭等化石燃料的消耗,减少了对土壤大气环境的污染;(2)采用了中空纤维膜组件作为加湿器,取代了传统的直接接触式的加湿塔,相比于传统的加湿塔,膜式加湿器实现了空气与溶液的间接式传热传质,避免了传统加湿塔存在的液滴夹带问题,因此利用膜式加湿器生产的淡水品质较高。本论文主要工作由以下几个方面组成:(1)根据海水淡化膜的要求,选择疏水性的中空纤维膜为膜组件基础材料,使用本课题组自主研发的改性PVDF中空纤维膜并制作了膜组件加湿器。中空纤维膜管束采用正三角形的排列方式,用3.5%的NaCl的溶液模拟海水,海水走管程,空气走壳程,两者以错流的方式进行传热传质,制作的加湿器的膜面积为1 m~2,填充密度为25%。(2)设计并搭建了一套太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统(MHDH),整个系统主要包括太阳能集热器模块、热泵模块和海水淡化模块三个部分。其中太阳能集热器模块主要供能时间为8:00~19:00,热泵模块工作时间为19:00~21:00,整个海水淡化系统工作时间为8:00~23:00。在系统实验中,研究了进口空气流量、进口海水流量和不同膜组件的填充密度等参数对系统性能的影响的研究,由实验数据可知,在进口风量为30 m~3/h、海水流量为200 L/h的工况下,系统总高纯度淡水产量为24.15 kg/d,其电导率低于12μS/cm,系统单位体积产水电耗为14.57 kWh,系统的COP和电功率COP_E分别为0.565和47.77。太阳能集热器在中午11点的集热效率达到了0.53,空气源热泵的制热COP最大为2.48。(3)在19:00~23:00点这段时间内,通过对有无热泵驱动的海水淡化系统进行了实验分析,结果发现,利用水箱余热进行驱动海水淡化系统时,淡水最终产量为19.01 kg,系统COP和COP_E分别为0.514和37.60,系统单位体积产水电耗为18.47 kWh/m~3。而通过引入热泵后,系统的总淡水产量为24.15 kg,系统COP和COP_E分别为0.565和47.77,系统单位体积产水电耗为14.57 kWh/m~3。说明系统引入辅助能源热泵后,系统的性能大大提高。(4)利用第一定律和第二定律对太阳能与热泵互补驱动的MHDH海水淡化系统进行分析,实验数据表明:太阳能占总输入能量80.55%,电能占14.21%,水箱占5.24%。在能量输出方面系统只有55.34%的能量被有效利用来生产淡水,其余的能量在系统运行过程消散了。中午13点时太阳能集热器的?利用效率为32.71%左右,大部分的能量被储热水箱收集起来,只有一部分从水箱输出到海水淡化模块中进行生产淡水。对整个系统进行分析发现膜组件的?损占海水淡化模块?损的65.12%,说明膜组件加湿器损失了大部分的能量,因此需要对膜组件加湿器进行优化。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893;P747
【图文】：

系统原理图,太阳能蒸馏器,玻璃层

第一章绪论，但因造价费用较高，难以抵御台风等因素进展缓慢。置结构简单，早期的太阳能蒸馏器由涂有吸热物质并装闭的玻璃层组成。图 1-1 为早期的太阳能蒸馏器，该装阳辐射能量来加热海水，海水被加热并蒸发产生水蒸气透明的玻璃层，热蒸汽扩散到上部玻璃层冷凝成淡水，法装置虽然结构与操作简单、无污染且所获得淡水纯度损失较大和太阳能利用率低等问题[11,12]。

系统原理图,多级闪蒸,海水

华南理工大学专业硕士学位论文高于原料海水)和低温(温度高于进料原料海水)的浓海水。由于在 MSF 过程中，盐温度是按级数有序降低的，因此提高淡水生产力主要是通过在最后阶段供应几个蒸顶部的盐水来实现的。此方法将加热和蒸发过程区分开来，所以 MSF 在一定程度减少结垢和腐蚀作用，同时具有适合于大型化海水淡化装置、操作弹性高等优点方法也有不足之处，多级闪蒸法需要与大型火电站提供能源进行驱动，初期的建设高，难以小型化使用，对外界依赖度高，设备高耗能且操作温度高，因而设备腐蚀，所产水易受污染。

【参考文献】