基于减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统研究

发布时间：2017-12-10 12:27

  本文关键词：基于减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统研究

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【摘要】：海水淡化技术是当前研究的热点,利用常规能源进行海水淡化不仅消耗大量燃料,加重能源紧缺,而且排放硫氧化合物、氮氧化合物以及温室气体等污染物质。因此,利用可再生清洁能源,如太阳能等实现海水淡化必将成为海水淡化技术发展的重要方向。针对当前一些主流太阳能海水淡化技术(如太阳能多效蒸发、太阳能多级闪蒸、太阳能反渗透等)存在太阳能热利用率不高、系统装置效率低等局限性,本文形成了一种以加温-减压膜蒸馏-冷凝为技术工艺的新型的减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统;首先,通过实验研究了以电加热提供热能的减压膜蒸馏法海水淡化系统,验证了此技术工艺系统的有效性以及得出了影响系统性能的最优操作条件;其次,对系统的主要子系统太阳能加热系统、减压膜蒸馏系统和冷凝系统中的主要组件进行了选型和试制,并采用传热学和流体力学的相关理论,对系统各主要子系统的性能进行了理论分析和数值模拟,并设计和试制了减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统的装置;最后,为了验证该技术工艺路线的可行性和装置的有效性和可靠性,开展了系统装置在实际环境条件下对天然海水的脱盐实验研究。本论文取得的结论如下:第一,为了检验以加温-减压膜蒸馏-冷凝为技术工艺路线的海水淡化系统的有效性,首先,开展了以电加热提供热能的减压膜蒸馏海水淡化系统装置的实验研究,通过实验研究得到了进料液温度、真空度、进料液流量、进料液质量分数是影响系统性能的主要操作条件,且系统的最优操作条件为:当进料液温度为70℃,真空度为0.095 MPa,进料液流量为90 L/h时,以质量分数为35 g/kg的模拟海水作为进料液,可获得最大的渗透通量为10.894 kg/m2/h;其次,在最优操作条件下对天然海水进行脱盐实验,结合原子吸收、离子色谱测定所得淡水的质量,得出——————————————————了系统连续运行12 h,可获得的平均渗透通量为11.171 kg/m2/h,总淡水产量为16 kg,总淡水的电导率为0.00503 m S/cm,截留率约为99.99%,脱盐效果明显。第二,在减压膜蒸馏海水淡化系统的实验研究基础上,设计试制了系统的主要子系统太阳能加热系统、减压膜蒸馏系统和冷凝系统的装置。本部分的主要结论有以下几点:(1)在太阳能加热系统中,分别对太阳能加热系统中的太阳能集热器和太阳灶进行了理论研究和实验分析,确定了太阳能集热器真空管的数量为12只和太阳灶热水箱的规格尺寸,以及影响太阳能集热器和太阳灶温升的主要因素是太阳能辐射强度和管道内液体流量;当液体流量为20 L/h时,太阳能集热器和太阳灶的出水温度最高;在液体流量不变的条件下,太阳能集热器和太阳灶的出水温度随着太阳能辐射强度的增加逐渐升高。同时也对太阳能集热器耦合太阳灶的温升性能进行了分析,结果表明:耦合后的太阳能加热系统,能更好地利用太阳能,系统的出口温度比单个装置的出口温度要高,同时两个装置的耦合使用能适应不同的环境状况。(2)在减压膜蒸馏系统中,运用传热传质和流体力学的理论,对蒸发器中的液体流态、蒸发器内蒸发过程能量的分析以及水蒸汽蒸发过程的汽-液分离机理进行了分析,并利用FLUENT软件的VOF模型和传热模型对整个蒸发器进行了数值仿真模拟。结果表明:进料液温度的增加,加快了水分子在蒸发器内的运动,同时水分子与液体分离时,上升浮力越大,蒸发量就越大;进料液流量的增加,会使液体的扰动性变大,导致液膜的流动状态变为多股沟流,使液体的蒸发量降低;真空度的增加,会使液体的表面张力变小,有利于液膜的铺展,从而增加了蒸发面积,且水蒸汽所受拽力变小,蒸汽在蒸发器内的体积分数就相应增加;蒸发器的长度缩短一半时,蒸汽体积分数降低,热海水还未蒸发完全就已排出,从而导致蒸发量下降;蒸发器倾斜角度的增加可改变料液在蒸发器斜板上的流速,进而导致液膜由膜状向多股沟流转变,又水蒸汽密度比空气轻,当蒸发器倾斜角度变化时,水蒸汽的流动状态也发生变化,同时也造成水蒸汽蒸发速率的改变;而支撑板的高度太高,会造成海水蒸发过程中蒸汽进入膜孔的温度和热量损失,导致水蒸汽体积分数降低,而支撑板的高度太低,水蒸汽在蒸发器内容易达到饱和,造成蒸发量减少,从而使水蒸汽体积分数下降。(3)在冷凝系统中,运用传热学等理论,建立了螺旋换热管管壁热传导的数学模型,确定了螺旋换热管的长度和换热箱的规格,采用有限元法对水蒸汽进入螺旋换热管中的传热过程进行了数值模拟。结果表明:当螺旋换热管的长度为9.42 m,换热箱规格为长200 mm×宽200 mm×高400 mm,螺旋换热管的材料为不锈钢时,其传热系数较大;当水蒸汽温度为70℃、管内流量为20 L/h时,水蒸汽进入螺旋换热管中,其温度迅速下降且从管内壁到管外壁的蒸汽温度也逐渐降低,而置于环境中的换热箱,由于太阳辐射等原因会吸收热量,可为换热箱内的海水加热,从而使海水温度上升。第三,为了验证系统技术工艺路线的可行性和装置的有效性,对设计试制的减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统装置开展了实验研究。本部分的主要结论有以下几点:(1)在电加热和蒸发器的实验模式下,以模拟海水作为进料液,研究了进料液温度、真空度、进料液流量和进料液质量分数等四种条件对减压膜蒸馏蒸发器性能的影响,从而得出最优运行条件为:当进料液流量为20 L/h,真空度为0.095 Mpa,进料液温度为90℃时,以质量分数为35 g/kg的模拟海水为进料液进行脱盐研究时,可得到最大渗透通量为5.899 kg/m2/h。(2)在太阳能加热系统和蒸发器的实验模式下,以质量分数为35g/kg的模拟海水作为进料液,在流量为20 L/h和真空度为0.095 MPa时,考察了以太阳能加热系统替代电加热提供热源温度对蒸发器性能的影响,结果表明:在三天环境状况相似的情况下,单独的太阳能集热器加热的海水最高温度为64℃,单独的太阳灶加热的海水最高温度为76℃,而太阳能集热器耦合太阳灶加热的海水最高温度为82℃;此时,单独的太阳能集热器联合减压膜蒸馏蒸发器所得最大渗透通量为1.004 kg/m2/h,单独的太阳灶联合减压膜蒸馏蒸发器所得最大渗透通量为1.231 kg/m2/h,太阳能集热器耦合太阳灶联合减压膜蒸馏蒸发器所得最大渗透通量为1.716 kg/m2/h。(3)在太阳能集热器耦合太阳灶和蒸发器的实验模式下,以天然海水为进料液,在流量为20 L/h和真空度为0.095 MPa时,以太阳能集热器耦合太阳灶提供热能进行实验研究。为了验证系统的稳定性,选择二个典型的夏日天气8月22日和8月29日的7:00至18:00时进行实验,结合原子吸收、离子色谱测定所得淡水的质量,结果表明:8月22日系统共产生72 kg的淡水,所得淡水的电导率在0.00276 m S/cm和0.06730 m S/cm之间,截留率在99.67%和99.99%之间,平均脱盐率在90%以上,淡水水质指标均符合《国家生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)和《饮用净水水质标准》(CJ94-2005);8月29日系统共产生69 kg的淡水,所得淡水的电导率在0.00312 m S/cm和0.07210m S/cm之间,截留率在99.65%和99.99%之间,平均脱盐率在90%以上,淡水水质指标均符合《国家生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)和《饮用净水水质标准》(CJ94-2005);海水淡化效果好且可稳定运行。综上所述,本论文设计试制的减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统装置是先进有效和可靠的,且可为偏远的苦咸水地区或孤岛地区服务的太阳能海水淡化系统。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P747.14

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本文编号：1274466