（机械电子工程专业论文）利用太阳能的小型海水苦咸水淡化装置研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着世界人口的骤增，现代工业的迅速发展，一方面使淡水的需求量急剧增 大；另一方面，由于工业废弃物的大量排放，使得大量河流、湖泊等原来洁净的 水体受到严重污染，致使原本就不多的淡水资源遭到破坏，从而进一步加剧了人 类淡水供求的矛盾，使世界上许多国家和地区都面临着水资源危机，如何解决人 类的水资源短缺，是全世界目前急需解决的难题。近年来，利用无污染的太阳能 进行海水淡化，走可持续发展的道路，已成为世界各国关注的重点。 在系统了解国内外海水淡化技术的发展状况，掌握海水淡化过程中主要介质 的性质及基本的传热传质理论的基础上，本文提出了一种结合平板型太阳能空气 集热器和热管式真空集热管，利用空气增湿除湿原理的小型海水苦咸水淡化方 法。用热管式真空集热管组加热蒸馏器内的海水或苦咸水，采用微负压引入的方 法将平板型太阳能空气集热器加热后的热空气引入到蒸馏器内的海水中，通过曝 气装置使热空气以微气泡的形式与海水或苦咸水进行换热，实现空气的增湿。然 后对增湿后的空气进行水平圆管外冷凝减湿，获取淡水。 制作了利用太阳能的小型海水苦咸水淡化装置的样机，主要包括蒸馏器及支 架、平板型太阳能空气集热器及支架、热管式真空集热管组、冷凝器、风机及连 接管道等。装置充分利用了负压汽化和正压凝结，人为设置扰动源，破坏边界层， 减小边界层厚度等方法，强化系统传热。并利用电吹风进行了模拟实验，找到了 影响系统蒸发量的主要因素：热空气温度、空气流量、水温和初始水量等。 对实验样机进行了运行测试，平板型空气集热器实际抽气热效率为6 6 ，蒸馏 器开口闷晒热效率为2 7 4 ，封闭运行热效率6 5 ，装置蒸发冷凝比为5 0 。实验 表明：热管式真空集热管对蒸馏器内的海水具有很好加热性能，升温速度较快； 运行测试过程中各个参数对太阳总辐射强度有很好的跟随性；蒸馏器内部持续热 量供给对系统蒸发量的影响重大。 关键词：增湿除湿，太阳能集热器，海水淡化，湿空气 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n dt h es u r g e i nw o r l d p o p u l a t i o n ，o nt h eo n eh a n d ，t h ed e m a n df o rf r e s hw a t e ri n c r e a s e sr a p i d l y , o nt h e o t h e rh a n d ，al a r g en u m b e ro fi n d u s t r i a lw a s t ed i s c h a r g e ，m a k i n gal a r g en u m b e ro f r i v e r sa n dl a k e sh a db e e ns e r i o u s l yp o l l u t e d ，c a u s i n gt h ef e wa n df a rb e t w e e nf l e s h w a t e rr e s o u r c e sh a db e e nd e s t r o y e d ，t h u sf u r t h e re x a c e r b a t et h ec o n t r a d i c t i o n so f h u m a nw a t e rs u p p l ya n dd e m a n d ，s t ) m a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n sf a c i n gw a t e rc r i s i s ， h o wt os o l v et h es h o r t a g eo ff r e s hw a t e ri saw o r l dp r o b l e ma n du r g e n t l yn e e d e dt o s o l v e i nt h er e c e n ty e a r s ，u s i n go fp o l l u t i o n f r e es o l a re n e r g yf o rd e s a l i n a t i o no f s e a w a t e r , t a k et h er o a do fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n th a v eb e c o m et h ef o c u st o t h e c o u n t r i e so ft h ew o r l d b a s e do ns y s t e m a t i cu n d e r s t a n d i n gt h es i t u a t i o no fd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi n d o m e s t i ca n df o r e i g n ，m a s t e r i n gt h ep r o p e r t i e so fm a i nm e d i u m i ns e a w a t e r d e s a l i n a t i o n a n dt h eb a s i ch e a ta n dm a s st r a n s f e rt h e o r y ，衄sp a p e rp r o p o s e da m e t h o do fs e a w a t e ro rb r a c k i s hw a t e rd e s a l i n a t i o n i tc o m b i n e df l a ta i rc o l l e c t o ra n d v a c u u mc o l l e c t o rt u b e sw i t hh e a tp i p e s ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo fa i rh u m i d i f i c a t i o na n d d e h u m i d i f i c a t i o n v a c u u mc o l l e c t o rt u b e sw i t hh e a tp i p e sh e a t i n gs a l tw a t e r i nd i s t i l l e r , u s i n gm i c r o s u c t i o nm e t h o di n t r o d u c e dh o ta i rf r o mf l a ta i rc o l l e c t o ri n t os e a w a t e r i n s i d et h ed i s t i l l e r , i n t e r c h a n g e rt h eh e a tw i t hs a l tw a t e rt h r o u g ht h em i c r o h o l e so na a e r a t i o nd e v i c et oa c h i e v et h ea i rh u m i d i t y t h e no b t a i nf r e s hw a t e ro u t s i d eh o r i z o n t a l t u b e sa f t e rd e h u m i d i f i c a t i o na n dc o n d e n s a t i o no ft h eh u m i da i r f a b r i c a t e dt h ep r o t o t y p eo fs m a l ls e a w a t e ro rb r a c k i s hw a t e rd e s a l i n a t i o nd e v i c e u s i n gs o l a re n e r g y , i n c l u d i n gd i s t i l l e ra n dt h en o g ，f l a ts o l a ra i rc o l l e c t o ra n dt h e k i c k s t a n d ，v a c u u mc o l l e c t o rt u b e ss e tw i t hh e a tp i p e s ，c o n d e n s e r , f a na n dc o n n e c t i n g p i p e s t h i sd e v i c e t a k e sa d v a n t a g eo ft h e e v a p o r a t i o n i nv a c u u ma n dt h e c o n d e n s a t i o n si np r e s s u r e ，a r t i f i c i a ld i s t u r b a n c es o u r c e ，d e s t r o yt h eb o u n d a r yl a y e r , r e d u c i n gt h eb o u n d a r yl a y e rt h i c k n e s sa n ds oo n ，t os t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e ri nt h e s y s t e m a n du s e dh a i rd r y e rt os i m u l a t ee x p e r i m e n t s ，a n df o u n dt h em a i n f a c t o r st h a t i m p a c tt h es y s t e me v a p o r a t i o n ：h o ta i rt e m p e r a t u r e ，a i rf l o w , t e m p e r a t u r ea n d i n i t i a l a m o u n to fw a t e l r u n n i n go p e r a t i o nt e s th a v eb e e nd o n ea b o u t t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，a c t u a l e x h a u s tt h e r m a le f f i c i e n c yo ff i a ta i rc o l l e c t o ri s6 6 ，t h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e n 江苏大学硕士学位论文 o p e n i n gd i s t i l l e ri ns t a g n a t i o nt os u ni s2 7 4 ，t h e r m a le f f i c i e n c yo fc l o s e dt or u ni s 6 5 ，e v a p o r a t i o nc o n d e n s a t i o nr a t i oo ft h ed e v i c ei s5 0 e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ： v a c u u mc o l l e c t o rt u b e ss e tw i t hh e a tp i p e sh a sag o o dh e a t i n gp e r f o r m a n c eo nt h e w a t e ri nd i s t i l l e ra n dt h et e m p e r a t u r er u nf a s t e r ，e a c hp a r a m e t e rw a so nav e r yg o o d f o l l o w i n gp e r f o r m a n c et ot h et o t a ls o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yd u r i n gt h et e s t ，c o m i n u o u s i n n e rh e a ts u p p l yi nd i s t i l l e rh a das i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ee v a p o r a t i o no ft h e s y s t e m k e yw o r d s ：h u m i d i f i c a t i o n d e h u m i d i f i c a t i o n ，s o l a rc o l l e c t o r ，s e a w a t e r d e s a l i n a t i o n ，h u m i da i r i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密酊 学位论文作者签名：触 2 口年f 月中日 指删雠：岫谚他 咖年月9 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：。扫年月矿e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的意义 第一章绪论 淡水是地球上宝贵而有限的自然资源之一。水对人体健康至关重要，一旦失 去体内水分1 0 9 6 ，生理功能即严重混乱；失去水分2 0 ，人体很快就会死亡。而对 社会经济而言水亦不可或缺，农作物无水会死亡，工业生产无水会面临瘫痪。因 此，水是一切文明之源，是人类社会生存和发展的根基。 当能源紧缺严重制约世界经济发展，并引起社会普遍关注之时，水源危机的 黄灯也在世界各地频频闪烁。能源和水源都是地球有限资源的主要组成部分，是 左右2 1 世纪人类经济发展，甚至政治局势、战争与和平的重要因素。水源对于某 些地区和国家意味着生活方式的被迫改变，对于某些地区和国家代表着生存与死 亡。随着世界人口的骤增，现代工业的迅速发展，一方面使淡水的需求量急剧增 大；另一方面，由于工业废弃物的大量排放，使得大量河流、湖泊等原来洁净的 水体受到严重污染，致使原本就不多的淡水资源遭到破坏，从而进一步加剧了人 类淡水供求的矛盾，使世界上许多国家和地区都面临着水资源危机，如何解决人 类的水资源短缺，是全世界目前急需解决的难题。 在世界范围从1 9 9 0 年到1 9 9 5 年，水的消耗量增长了6 倍，比人口增长速度 还快2 倍，约有8 0 个国家和地区严重缺水，占地球陆地面积的6 0 ，有1 5 亿人口 缺少饮用水，2 0 亿人得不到安全的用水。其中2 9 个国家的4 5 亿多人口完全生活 在缺水状态中。由于饮用水不符合卫生要求而导致的疾病有5 0 多种，平均每天发 生与水相关的疾病6 5 万例，夺去2 5 万人的生命。到2 0 0 0 年，全世界人均占水 量减少了2 4 。估计到2 0 2 5 年，全世界将有近1 3 的人口缺水。每年取水量按4 5 的速度递增，到2 1 0 0 年地球上所有河水将被耗尽，到2 2 3 0 年，人类将耗尽地 质圈内所有储备的淡水资源3 哪5 。 水源紧缺对于我国更是具有特殊意义。我国淡水资源总量约为2 8 0 0 0 亿立方 米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均 水资源占有量只有2 2 0 0 立方米，仅为世界人均水资源的1 4 ，在世界上排第11 0 位，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之一。而且具有降水量在季节和地域上严重 不均的特点。近2 0 年来，随着人口的增长、经济的快速发展、城市化进程的加快 江苏大学硕士学位论文 以及自然环境的变化，导致江河断流、地下水超采、地面下沉、水体污染造成 了严重的牛态问题，水资踩短缺问题几趋严重。据有关专家估计和有关资料报道， 到术世纪， 一叶，我国供水能力的缺口占总供水量的3 3 ，成为影响国家发展目标的 主要障碍之。据统计，全国6 6 0 座城市中，有4 0 0 多座缺水，11 0 多座严重缺水， 此外还有2 0 0 0 多万农村人l 饮水圈难。全国年缺水总量约为3 0 0 亿至4 0 0 亿立方 米，侮年凶缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 多亿元。据预测，我国2 0 年后将出现 用水高峰2 0 3 0 年人口总量将达1 6 亿，城市化水平将达到4 0 9 6 届时用水总晕将 达7 0 0 0 8 0 0 0 亿立方米，淡水资源短缺问题将更加严重。水资源短缺已成为制 约我国社会经济发展的主要因素，日趋严重的水污染进一步加剧了水资源短缺的 矛盾，而且还严莺地威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 对于人类社会而言，所谓水源危机，实质是指淡水危机。地球并不缺水，有 人甚至将“地”球称谓改为水球，因为从太空单去，占据地球表面7 0 9 6 以上的海洋 映射成美丽蔚蓝的色彩。但是，地球的水绝人多数聚集在海洋之中，溶解携带着 各种矿物。其中人类能够直接应用的淡水不足3 ，而这些生命之水中。河流、湖 泊仪占00 4 ，以冰川、冰山形式存在的占25 1 随着河流湖泊污染严重和气温 升高，导致冰j i i 融入海洋，淡水资源同益减少。 海水、冰j i 冰山水与河流湖泊水所占比例如图11 所示： 所占比例 n l 一 - h ，i l 琳m 木 t 日斑瑚泊木 * 屡地t 术 囤卜1 海水冰山球川水、河流湖泊水和深层的下水比例图 面对严峻形势，多种措施、建议均相应而出，核心原则是“开源节流”，可 用方法包括：在地表水资源较丰富的地区，建蓄水工程；在地表水资源贫乏地区， 宴施跨流域调水：海水和苫俺览水淡化；废水利用、治理水污染、节约用水等。但 江苏大学硕士学位论文 对于高山、沙漠、丘陵占据大片土地、水量严重不足的中国，只能是向占据地球 水量9 7 以上的海洋索取淡水。利用现代技术大规模地开辟新水源的具有全局意 义的主要途径，无疑当属海水淡化。海水淡化是2 1 世纪解决水源紧缺的根本措 施。 1 2 海水淡化的一般问题 海水淡化是当今世界竞相研究的高新技术，目前世界上许多国家，如美国、 法国、以色列、德国、日本及韩国等国家已相继加入海水淡化技术发展的潮流， 并已形成海水淡化产业。图1 - 2 给出了世界海水淡化规模的增长趋势。可以看出， 世界海水淡化容量增长很快，且幅度越来越大。另外有专家预测，今后十年世界 海水淡化装置的生产能力将会取得突飞猛进的增长。海水淡化技术已经形成一个 具有广阔发展前景的新型产业，对社会发展、人民生活水平的提高、国防力量的 增强起到了积极的推动作用一。孙。 宅 毫 麓 一 龆 苗 俄 ；l ： ：i i ； 一。 ：； 声 i ： 扣十一 。 l ；i 必j 。x7 0 0 o 上” r ： ； ：? 。 o 一 南- l ， 。；i 。 2 j i * w。 。 | j ； ：王! 。 。 ! ； 。；。“4 一 # 0 扣 冀 ：； l r 毒。一d 。毒。；。，二量 一如缸 一一b ： ： 一 5 ； _ _ 一 一 摹彗摹ii摹薹 牟份 图卜2 世界海水淡化装置生产容量的增长趋势 1 2 1 海水性质及海水淡化的一般方法 ( 1 ) 海水的组成及性质。3 海水是一种具有复杂组成的液体，已知所含化学元素多达8 0 余种，主要以离 子形式存在。在海水浓缩、结晶过程中，这些离子多以盐的形式析出。其中有1 1 种成分的含量超过1 0 6 ( 见表卜1 ) ，称为海水的“主要组分，它们占海水总含盐 量的9 9 5 8 。 海水中的悬浮物、溶解气体及p h 值等，是海水淡化过程中与操作直接有关的 3 江苏大学硕士学位论文 影响因素，对海水预处理的方法及生产过程中的结垢、腐蚀等有很大影响。 表l - 1 海水中的主要化学组分 海水的理化性质也是海水淡化装置的设计、计算和操作过程中必须考虑的参 量。海水的一般化学性质见表卜2 ，物理性质见表卜3 。 表1 - 2 海水的一般化学性质 p h 值 氯度盐度 总盐量 7 5 8 4 一- - 1 9 3 8 - - 3 4 8 5 - - 3 5 0 7 注：氯度指沉淀0 3 2 8 5 2 3 3 k g 标准海水中全部卤素所需纯银的克数，单位为； 盐度指在1 千克海水中，将所有碳酸盐及有机物完全氧化，将所有卤化物 转化为氯化物后，其所含氧化物和氯化物的总克数，单位为； 总盐量是海水中各溶解盐类浓度的总和，单位为。 表卜3 海水的一般物理性质( 2 5 ，1 个大气压下的标准海水) 密度比热汽化潜热冰点沸点蒸汽压渗透压列翟釉 懈。m - 3 ) 脚k g1 ) ( m 。k g d ) c p cp a p a 肝f s ) n0 rv 1 0 2 3 43 9 0 2 4 3 6 31 9 11 0 0 5 60 9 8 1 2p 0 0 0 8 4 t “亲i 、 注：表中阮为同温纯水的蒸汽压；r 为海水温度( k ) 。 ( 2 ) 海水淡化一般方法概述 为了扩大淡水的供应，除了采用常规的措施之外，一条有效的途径就是就近 进行海水或苦咸水的淡化。从海水中取出淡水或去除海水中的盐分都可达到海水 淡化的目的，实际的海水淡化过程也基本上可分为这两大类。目前可实际应用的 海水淡化方法中，以前一类为主，仅电渗析法与离子交换法属于后一类。至今海 水与苦咸水淡化方法已经出现了数十种，主要包括： ( a ) 从海水中分离出淡水：蒸馏( 蒸发) 法、冷冻法( 结晶法) 、水合物法 ( 结晶法) 、溶剂萃取法、反渗透法( 膜法) 。 4 江苏大学硕士学位论文 ( b ) 从海水中分离出盐：电渗析法( 膜法) 、离子交换法等。 蒸馏法是将海水加热汽化， 程、设备不同，又可分为竖管蒸馏、 主要形式。 再使蒸汽冷凝而得淡水，根据所用能源及流 蒸汽压缩蒸馏、多级闪蒸、太阳能蒸馏四种 冷冻法是利用海水结冰时，只有纯水呈冰晶析出，盐则不同时析出，取 冰融化即得淡水这一原理进行海水淡化的方法。冷冻法有利用天然冰法和人工冷 冻法两种，但两者都尚处于研究中。冷冻法的优点是结晶潜热较小，过程本身所 需能量较小；操作温度低，结垢及腐蚀很轻。缺点是冰晶悬浮体输送、分离困难， 操作技术要求高；冰晶洗涤困难，且需要消耗部分产品淡水。 水合物法一是利用某些气体化合物，如丙烷等，与水不互溶，但在低温下 能与水形成多分子的水合晶体( 如c 3 h 8 1 7 h 2 0 ) 的这一特性进行海水淡化的方法。一 其优点类似于冷冻法。缺点是结晶颗粒小，分离和洗涤较困难，淡化水质也较差， 且洗涤过程也要消耗一定淡水。 溶剂萃取法一是利用某些有机溶剂，如三己胺等，在低温下能溶解一定量 的水，而当温度升高时，又能将溶解的水分离出来这一特性进行海水淡化的方法。 其优点是操作温度接近室温，能耗低，设备腐蚀轻。缺点是溶剂在水中有一定的 溶解度，影响淡水水质，仅对于低含盐量的咸水选择性较好。此法的关键是寻找 理想的萃取剂。 反渗透法其原理是当海水与淡水以半透膜隔开时，淡水便会自动向海水 一侧渗透，若在海水一侧施加大于海水渗透压( 约2 5 个大气压) 的外压，则海水中 的纯水将反渗透至淡水中。它是以压力差为推动力的淡化过程。反渗透法的特点 是过程中没有相的变化，所以能量耗费较少，而对有机杂质与不带电荷的杂质， 同样能达到分离效果。但受高压操作和半透膜性能的限制，单个淡化器产量不能 太大，原水浓度不宜过高。这是目前发展最快、使用最多的淡化技术。 电渗析法是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除水 中离子的淡化过程。阴离子交换膜与阳离子交换膜相间排列，隔成多个区间，海 水充满于间隔中，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别透过阴膜和阳膜，从 而使某区间中的海水淡化的同时，使相邻区间的海水被浓缩，淡水与浓盐水得以 分离。电渗析法的特点是从海水中除去盐离子，能量转化方式合理，用于含盐量 0 5 以下的咸水淡化，较其他所有淡化方法都经济。但不能除去不带电荷的杂质， 5 江苏大学硕士学位论文 且经济效益随含盐量的增加而显著降低。目前已出现用于海水淡化的高温电渗析 法，耗能较低。电渗析法的关键是离子交换膜。良好的离子交换膜应具有优良的 选择透过性( 即阴膜只允许阴离子透过，阳膜只允许阳离子透过) ，优良的电化学 性能，足够的机械强度及化学稳定性等。高温电渗析法中的膜，还应具有耐高温 的特性。 离子交换法一是利用离子交换树脂的活性基团，与盐水中的阴、阳离子进 行交换而取得淡水的方法。盐水中的离子浓度越高，树脂的再生费用也越大，因 此对海水及浓度较高的咸水，一般不用此法，而在低盐分的水处理和高纯度水的 制备上，则应用得很广泛。 1 2 2 工业上常用的海水淡化方法介绍m 1 目前商业应用的海水淡化方法主要是蒸馏法( 包括多级闪蒸m s f 、多效蒸馏 m e d ) 和反渗透法( r 0 ) 。以下对以上三种方进行简单介绍： ( 1 ) 多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s h ) 加热篆汽 至抽气装置 冷 图卜3 多级闪蒸流程示意图 多级闪蒸( m s f ) 在目前全球淡化水总产量中，仍属第一，技术最为成熟， 运行安全性高、弹性大，适用于大型和超大型淡化装置，其主要在海湾国家使用。 m s f 总是与火力发电厂联合运行，以汽轮机低压抽汽作为热源。多级闪蒸的造水 比，是获得的淡水的质量与所耗加热蒸汽的质量之比。多级闪蒸( m s f ) 在过去 的2 0 多年时间里，造水比一直保持在8 左右。 多级闪蒸的工艺流程如图1 - 3 所示。原料海水先经加热到一定温度后引入闪 蒸室，由于闪蒸室内的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下， 故热盐水进入闪蒸室后立即成为过热水而急速地部分汽化，从而使热盐水自身的 温度降低，然后依次再进入压力更低的一级再骤然蒸发，产生的蒸汽在海水预热 6 江苏大学硕士学位论文 管外冷凝而得到淡水，经逐级预热的海水则进入主加热器中由来自热源的蒸汽加 热。 ( 2 ) 多效蒸馏( m u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o n ) 多效蒸馏( m e d ) 是由单效蒸馏所组成的系统，即将前一个蒸发器蒸发出来 的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽并在下一蒸发器中凝结为蒸馏水。如此 依次进行，每一个蒸发器及其过程称为一效，这样就形成了双效、三效和多效， 各效的压力和温度逐渐降低。至于原料水则可以有多种方式进入系统：逆流、平 流( 分别进入各效) 、并流( 从第一效进入) 和逆流预热并流进料等。在大型脱盐装 置中多用后一种进料方式，其他进料方式多在化工蒸发中采用。 多效蒸馏的工艺流程如图1 - 4 所示，从冷凝器分流出来的原料海水经过预处 理后，由泵依次送入预热器预热，最后被加热蒸汽加热到一定的温度，经喷淋产 生的二次蒸汽引入下一效加热，再经海水预热器冷凝后得到淡水。剩下的盐水则 因两效间的压差作用而流入下一效蒸发器中。 真空泵 图卜4 多效蒸馏流程示意图 多效蒸馏也主要与火电站联运，以汽轮机低压抽汽作为热源。但规模一般在 日产1 0 0 0 0 m 3 以下。包括两种类型：一类是各效分列式，操作温度一般较高，顶温 1 0 0 - - - ，1 2 0 ；另一类是低温多效蒸馏，顶温6 5 7 5 ，热效率比多效闪蒸高，3 0 的温差可使造水比达到1 0 左右；弹性较大，操作负荷在4 0 - - - 1 1 0 之间；操作 温度低，完全避免或减缓了设备的腐蚀和结垢。前处理较简单，化学药剂消耗较 少；系统的操作安全可靠，即使发生热管泄漏，也仅仅降低产量而不会影响水质。 但是其设备结构复杂、设备体积较大、设备投资费用高、不利于小型化； ( 3 ) 反渗透法( r e v e r s eo s m o s i s ) 7 江苏大学硕士学位论文 反渗透法( r o ) 是1 9 5 3 年开始采用的一种膜分离淡化法。无论海水、苦咸 水、亦无论大型、中型或小型都适用，是海水淡化技术中近二十年来发展最快的。 反渗透法的基本原理是：用一张只能够透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐 水隔开，淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧，这种现象称为渗透。反渗透法是 利用半透膜中分子晶格空隙对水及盐类溶解度的差异而将其分离，在半透膜两侧 分别为淡水和盐类溶液，依据热力学定律，物质会向低化学势能方向移动，因盐 水的化学势能较淡水低，故淡水会进入盐水溶液产生渗透流。当渗透到盐水一侧 的液面达到某一高度时，渗透的自然趋势被这一压力所抵消，从而达到膜两侧化 学势能平衡，这一平衡压力即为该体系的渗透压。如在盐水一侧施加一个大于渗 透压的压力，盐水中的水会透过半透膜到淡水处。这种与自然渗透相反的水迁移 过程称为反渗透。图1 - 5 为反渗透法工艺流程图。 澎度处理蕈元后处瑾 图卜5 反渗透法工艺流程图 反渗透作为一种压力驱动的膜分离过程，分离过程没有发生相变，能耗较低。 反渗透的能耗主要消耗在提供反渗透过程所需的压力上，每吨淡水耗电量约为 3 o 5 5 k w h ，造水成本较低；还具有工程投资低，装置紧凑，占地较少，维修方 便等优点。反渗透膜技术已相当成熟，脱盐率可达9 9 5 。但是反渗透法海水的预 处理要求严格，在海水温度较低的情况下需要进行加热处理。反渗透膜组件的使 用寿命为3 - - - 5 年，反渗透膜需要定期更换。 1 3 太阳能海水淡化技术及发展 利用太阳能进行海水或苦咸水的淡化，其能量利用方式有两种：一是利用太 阳能产生的热能来驱动的海水相变过程( 即为蒸馏过程) ；二是利用太阳能发电来 驱动的电渗析过程。目前，世界上的太阳能海水淡化技术主要利用太阳光产生热 能进行海水蒸馏，以取得淡水。利用太阳能对海水进行淡化，太阳能主要为海水 的蒸发提供了动力，通过热效应不断提高水的内能，水分子的平均动能增大，水 8 江苏大学硕士学位论文 由液态变为自由度更大的气态，遇到冷的界面时，通过热传递放出一部分能量又 重新变为液态。在这一过程中，水分子经过了由液态变为气态又变回液态这一循 环过程，并得到了纯化。在海水中存在的无机盐离子，如钠离子、镁离子、氯离 子等，由于在常温常压下无法伴随水蒸汽转移而被留在海水中。最简单的太阳能 蒸馏器如图1 - 6 所示。 图1 - 6 太阳能蒸馏器 1 3 1太阳能海水淡化的分类及发展 人类利用太阳能淡化海水，已经有很长的历史了。最早的有文献记载的太能 淡化海水的工作，是1 5 世纪由一名阿拉伯炼丹术士实现的。这名炼丹术士使用抛 光的大马士革镜进行太阳能蒸馏越3 。1 8 6 2 年，l a v o i s i e r 使用安装在支架上的大型 玻璃透镜，将太阳光聚焦在个长颈瓶中，进行太阳能蒸馏。1 8 6 9 年，m o u c h o t 描述了用镀银的玻璃反射镜聚光，用于太阳能蒸馏的全过程。 太阳能蒸馏由于产水量低，初期成本高，因而在很长一段时间里冷落。第一 次世界大战之后，太阳能蒸馏引起了人们的极大兴趣。当时不少新式装置被研制 出来，比如顶棚式、倾斜幕芯式、倾斜盘式以及充气式太阳能蒸馏器等等，为当 时的海上救护以及人民的生活用水解决了很大问题。 我国对太阳能海水淡化技术的研究也有较好的基础，早在上世纪8 0 年代初， 广州能源研究所即开展了太阳能海水淡化技术的研究，接着中国科学技术大学也 进行了一系列的太阳能蒸馏器的研究，并在理论上进行了探讨，进入上世纪9 0 年 代后，天津大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也加入到了太阳能海水淡 化技术研究的行列，提出了一系列新颖的试验机型，并进行了理论和实验研究。 比较有代表性的有西北工业大学提出的“新型高效太阳能海水淡化装置 、天津 大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器、中国科学技术大学提出的“降膜蒸发 9 江苏大学硕士学位论文 气流吸附太阳能蒸馏器等。进入本世纪后，太阳能海水淡化技术进一步成熟。 西安交通大学、北京理工大学等提出了“横管降膜蒸发多效回热的太阳能海水淡 化系统，试制出了多个原理样机，并对样机进行了实验测试和理论研究。清华 大学等单位在借鉴国外先进经验基础上，对多级闪蒸技术在太阳能海水淡化领域 的应用进行了探索，试制出了样机，并在我国的秦皇岛市建立了主要由太阳能驱 动的实际运行系统，取得了有益的经验。 对于利用太阳能产生热能驱动海水相变过程的海水淡化系统，就其能量利用 方式而言，一般可分为直接法和间接法两大类。顾名思义，直接法系统直接利用 太阳能在集热器中进行蒸馏，可分为浅盘型( 顶棚型、水平型) 、倾斜型和多效 型三种。而间接法系统的太阳能集热器与海水蒸馏部分是分离的。多年来，已有 不少学者对直接法和间接法的混合系统进行了深入研究。比如，s o l i m a n ( 1 9 7 6 ) 最早提出了在盘式太阳能蒸馏器中附加加热器的思想，以提高盘式太阳能蒸馏器 单位面积的产量13 1 。r a i 和t i w 撕( 1 9 8 2 ) 实验研究了用平板型太阳能集热器与盘式 太阳能蒸馏器相结合的装置，从而进一步推动了这项工作的发展。4 。鉴于太阳能 系统与现代工业装置结合越来越广泛，在各种混合装置甚至成为太阳能蒸馏系统 发展主流的情况下，t i w a r i ( 1 9 9 2 ) 在另一篇文献中提出了将太阳能蒸馏系统分为 主动式和被动式两大类的观念，并为广大研究者所接受“”。因此目前太阳能蒸馏 装置中主要有主动式系统和被动式系统两大类。 所谓的被动式( 传统式) 太阳能海水淡化系统，是指那些在装置中不存在任 何利用电能驱动的动力元件，如水泵和风机等，也不存在利用附加的太阳能集热 器等部件进行手动加热的太阳能海水淡化装置。装置的运行完全是在太阳光的作 用下被动完成的。这类装置由于设计简单、取材方便，而且运行费用极低，因而 广泛为人们所采用。但这类装置也有严重的缺点，即单位采光面积的产水量较低， 因而需较大的建设面积。在被动式装置中，盘式太阳能蒸馏器最为典型，也被应 用最普遍。近年来，由于科技的发展，被动式系统也产生了多种形式。 在主动式太阳能蒸馏系统中，因配备有附属设备，使得它的运行温度得以大 幅度提高，或使其内部的传热传质过程得以改善。加之，在大部分主动式太阳能 蒸馏系统中，都能主动回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，因而这类太阳能蒸馏 系统能得到比传统太阳能蒸馏器高一倍甚至数倍的产水量。这是目前主动式太阳 能蒸馏装置被广泛重视的根本原因。 1 0 江苏大学硕士学位论文 近年来，对太阳能蒸馏的研究已经有了长足的发展，各种新颖的太阳能蒸馏 系统层出不穷，其中许多在经济上已能与传统的海水淡化装置相媲美。预计在不 远的将来，太阳能蒸馏系统将为人类提供更多、更好、更经济的优质淡水。 1 3 2 太阳能海水淡化的优点与问题 对海水或苦咸水进行淡化的方法很多，但都要消耗大量的石油、煤炭等化石 燃料或电力。热法海水淡化的关键就是如何降低能耗，走出以能源换水源加 重能源负荷和环境污染( 水质污染) 加速水源匾乏的怪圈，太阳能为可再生能 源，洁净无污染，较容易实现热能能级的合理匹配。近年来，利用无污染的太阳 能进行海水淡化，走可持续发展的道路，已成为世界各国关注的重点。随着太阳 能技术的不断完善和用户的增多，太阳能海水淡化的成本也在逐渐降低。 对于沙漠、海岛、边远地区、海岛、渔村等淡水资源不足却普遍缺乏电力的 交通不便的地区，利用太阳能从海水或苦咸水中制取淡水，是解决淡水缺乏或供 应不足的重要途径，并具有明显的优势，因而具有十分重要意义。目前，中东地 区、地中海地区、澳大利亚、美国、墨西哥等不少国家，已开展规模化太阳能海 水淡化系统的开发与应用城j0 太阳能海水淡化技术的主要优点是：充分利用太阳能，不再使用煤、石油、 天然气等有限的常规不可再生能源，不产生二次污染，减少了污染排放，节约了 能源，运行费用最省，为建设节能环保型社会贡献力量。可根据需要灵活调节装 置的产水量。可采用回收潜热、低温蒸发等多种提高热效率的方法。结构简单、 工作可靠，能用于缺水缺电的边远地区。可用于解决海岛居民和驻军官兵应急生 活用水、海上船舶的淡水供应、西北和华北地区苦咸水净化等问题。为沿海城市 和地区淡水不足提供了有效的解决措施。 通过综合的研究分析，传统的太阳能蒸馏器单位面积产水量过低，其原因是 主要存在以下三个缺点：其一是蒸汽的凝结潜热未被重新利用，而是通过盖板散 失到大气中去了。其二是蒸馏器中换热模式为自然对流换热模式，大大限制了蒸 馏器性能的提高，有必要采用强化传热传质技术，从根本上改变其内部的传热传 质机制。其三是蒸馏器液池中待蒸发的海水的液位和热容量太大，限制了运行温 度的提高，海水的蒸发速度正比于水温，从而减弱了蒸发的驱动力。 克服传统太阳能蒸馏器的上述三个缺陷，必将大大改善蒸馏器的热性能。如 1 1 江苏大学硕士学位论文 能将上述三个解决方案结合在一起，无疑是太阳能蒸馏器的又一场革命。这种蒸 馏器不仅多次利用了蒸汽的凝结潜热，而且由于强化了其内部的传热传质过程， 相对提高了其运行温度，因而必然具有较高的产水率。这正是我们所期望的。 1 4 论文的主要研究内容 在系统了解国内外海水淡化技术的发展状况，掌握海水淡化过程中主要介质 的性质及基本的传热传质理论的基础上，本文针对以下内容进行了研究： ( 1 ) 提出了一种结合平板型太阳能空气集热器和热管式真空集热管，利用空 气增湿除湿原理的小型海水苦咸水淡化方法。用热管式真空集热管加热蒸馏器内 海水或苦咸水，采用微负压引入方法将太阳能空气集热器加热后的热空气引入蒸 馏器内的海水中，并以微气泡的形式与海水或苦咸水换热，实现空气的增湿。然 后对增湿后的空气进行水平管外冷凝减湿，获取淡水。 ( 2 ) 制作了利用太阳能的小型海水苦咸水淡化装置的样机，主要包括蒸馏 器及支架、平板型太阳能空气集热器及支架、热管式真空集热管组、冷凝器、风 机及连接管道等。用电吹风进行了模拟实验，找到了影响蒸发量的主要因素：热 空气温度、空气流量、水温和初始水量等。 ( 3 ) 对实验样机进行了运行测试。通过闷晒实验，测试了热管式真空集热管 对蒸馏器内的海水具有很好加热性能，升温速度较快，蒸馏器保温效果良好。通 过相关的理论计算及与模拟实验的对比，证明了蒸馏器内部持续热量供给对系统 蒸发量的重要作用。运行测试过程中各个参数对太阳总辐射强度有很好的跟随性。 江苏大学硕士学位论文 第二章小型海水苦咸水淡化装置的原理与设计 目前大规模工业应用的海水淡化方法主要是m s f 、m e d 以及r o 。经验表明， 这几种方法只有规模在日产淡水1 0 0 - 5 0 0 0 0 立方米时，才具有经济可行性，它们 对于集中供水的沿海地区，是解决缺水问题的一种有效办法，但对于利用低位热 能( 太阳能、地热以及工业废热等) 的小规模淡水生产却不适用，成本较高，效 率低。与此同时，对于一些沿海岛屿和偏远苦咸水地区来说，它们的淡水需求相 对分散，常常既缺水又缺电。因此迫切需要能够利用低位热能的中小型海水苦咸 水淡化技术和装置。 2 1增湿除湿海水淡化技术 近年来，随着太阳能技术的不断完善，太阳能海水淡化的成本会逐渐降低。太 阳能集热器技术的高速发展，更使集热器与常规海水淡化装置的联合运行成为了 当前研究的热点。增湿除湿式( h u m i d i f i c a t i o n d e h u m i d i f i c a t i o n ) 海水淡化方法是 从太阳能蒸馏海水淡化发展而来，具有规模灵活、结构简单、设备投资和操作成 本低、可利用低位热能( 如太阳能、地热能、工厂废热等) 、技术水平要求低、装 置利于小型化等优点。可望在淡水需求相对分散的沿海岛屿、内陆苦咸水地区、 偏远的旅游景点等地方获得应用。在这种情况下，增湿除湿海水淡化过程逐渐受 到人们的关注。该技术被认为是太阳能海水淡化中最具前景的方法n 7 几坞3 。 增湿除湿海水淡化的基本原理为：过程中引入流动的空气作为水蒸气的载体， 并将蒸馏器与冷凝器分离，使它们的温度可以独立控制；空气在蒸馏器中被海水 或苦咸水增湿，携带一定量的水蒸气后进入冷凝器中，经过冷凝除湿得到淡水， 冷凝潜热通过预热海水来进行回收。 2 1 1典型的增湿除湿海水淡化过程 根据上述基本原理，增湿除湿海水淡化过程在发展过程中出现了各种不同的 操作型式。而不同研究者采用设备的结构型式和运行方式也不尽相同，根据循环 方式不同，通常主要分为：强制空气循环的太阳能海水淡化装置、强迫水循环的 太阳能海水淡化装置、强迫空气和水循环的太阳能海水淡化装置三种。 下面就两种与本文装置相关的增湿除湿海水淡化过程加以介绍和评述。 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) c h a f i k ”“研制了把海水直接喷射到平板型空气集热器内的海水淡化装 置，如图2 1 所示。利用太阳能将空气加热到5 0 , - 一8 0 c ，被加热的空气通过喷入 海水变得潮湿，然后将潮湿的空气进行冷却，就可以获得淡水。装置采用1 5 个平 行的聚碳酸酯板，每块板有9 8 0 毫米宽、3 米长，通过每块聚碳酸酯板的干空气流 速大约为7 5 立方米小时，气流通过每个通道的速度大约为4 米秒。在平均太阳 辐射强度为5 0 0 瓦平方米下，日产淡水4 0 0l _ d 。 图2 - 1 多级增湿除湿海水淡化系统1 2 0 图2 - 2 结合太阳能空气集热器的海水淡化装置拼1 ( 2 ) 江苏大学的李平。等人设计