（化学工程专业论文）鼓泡增湿去湿太阳能海水淡化技术的研究.pdf

摘要 海水淡化已成为解决全球淡水资源短缺的重要方法。太阳能海水淡化技术的 研究对于解决传统能源缺乏有重要意义，并且太阳能海水淡化装置有规模灵活， 不受地域限制等优点。 本文将增湿去湿淡化过程应用于海水淡化过程中，设计加工了太阳能海水淡 化装置，对操作工况变化对海水淡化系统的影响进行了实验研究。 在单因素考察阶段使用电加热器为系统提供热量。单因素考察主要是在载气 不循环时对载气流量、盐水温度、液位高度和冷凝水温度对系统传质传热的影响， 并设置载气循环实验与之对比。结论表明：载气流量在一定范围内增大，盐水温 度升高，液位高度增加，增湿器出口的增湿效果增强，产水量增加，系统需求的 热量增加；冷凝水温度越低，去湿效果越好，产水量越大；利用循环载气方法可 以减少系统的热量需求。正交试验得到增湿效果影响次序为盐水温度 载气流量 液位高度。产水量在最高操作条件下为7 8 8 m l h 。 进一步进行了太阳能集热增湿去湿淡化技术实验，考察在不同的载气流量、 盐水初始温度和液位高度条件下，盐水温度和冷凝水温度随太阳辐射的变化，载 气出口增湿效果、系统的产水量和系统热利用率随各因素的变化。结论表明，盐 水温度主要受太阳辐射和载气流量影响，冷凝水温度变化主要受盐水温度、载气 流量的影响，盐水温度越高、载气流量越大，冷凝水温度升高越多。系统的产水 量受太阳辐射、盐水温度、载气流量、冷凝水温度的多重影响。系统的热利用率 主要随太阳辐射、盐水温度和载气流量的影响，相同盐水温度和载气流量条件下， 太阳辐射和热利用率成反比；相似的太阳辐射条件下，载气流量越大，盐水温度 越高，系统的热利用率越大。在正交实验获得的操作条件下，产水量为1 8 5 0 m l ， 平均热利用率为6 5 4 。 关键词：增湿去湿太阳能海水淡化 a b s t r a c t d e s a l i n a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tm e a n st om i t i g a t et h eg r e a tp r e s s u r eo ff r e s h w a t e r , a n dt h es o l a rd e s a l i n a t i o nm a ym e e tt h en e e do ft h ee n e r g y t h es o l a r d e s a l i n a t i o ne q u i p m e n ti sf l e x i b l ea n dh a sn or e g i o n a ll i m i t 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 nd e s a l i n a t i o nc o u p l e dw i t hs o l a rr a d i a t i o ni s a p p l i e di ns e a w a t e rd e s a l i n a t i o ni n t h i sw o r k d e s i g n i n ga n dm a c h i n i n gt h ed e v i c e a n dm a k et h ei n v e s t i g a t i o no f t h ed e s a l i n a t i o ns y s t e mw i t hd i f f e r e n to p e r a t i o n t h ei n f l u e n c e so fg a sf l o w , b r i n et e m p e r a t u r e ，b r i n eh e i g h ta n dc o n d e n s a t e t e m p e r a t u r eo nm a s sa n dh e a tt r a n s f e ra r es t u d i e di ns i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t sw h i c h t h ee n e r g yi sp r o v i d e dt ob ye l e c t r i c a lh e a t e r t h er e s u l t ss h o wt h a th u m i d i f y i n ge f f e c t o ft h eg a so u to ft h eh u m i d i f i e r , p r o d u c t i v i t yo fs y s t e ma n dh e a tn e e d e di ns y s t e m i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fb r i n et e m p e r a t u r e ，b r i n eh e i g h ta n dg a sf l o wt h a ti si na s p e c i f i c a l l yr a n g e t h ee f f e c to fc o n d e n s a t i o ni m p r o v e sw i t hd e c r e a s eo fc o n d e n s a t e t e m p e r a t u r e h e a tn e e d e dw i l lb ed e c r e a s eu n d e rt h ec o n d i t i o no fc y c l eo fc a r d e rg a s t h eh u m i d i f y i n ge f f e c to r d e ri sa t t a i n e du s i n go n h o g o n a lt e s t ：b r i n et e m p e r a t u r e g a s f l o w b r i n eh e i g h t f r e s h w a t e r p r o d u c t i v i t yu n d e rt h eo p t i m a le x p e r i m e n m l c o n d i t i o ni s7 8 8 m l 1 1 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 nd e s a l i n a t i o n c o u p l e dw i t hs o l a rr a d i a t i o n t e c h n o l o g yi n v e s t i g a t e s t h ev a r i a t i o no fb r i n ea n dc o n d e n s a t e t e m p e r a t u r e a c c o m p a n i e db yc h a n g eo fs o l a rr a d i a t i o na td i f f e r e n tg a sf l o w , b r i n et e m p e r a t u r ea n d h e i g h t t h ev a r i a t i o no fh u m i d i f y i n ge f f e c to fg a s ，p r o d u c t i v i t ya n dh e a tu t i l i z a t i o n r a t i oo f t h es y s t e ma c c o m p a n i e db yd i f f e r e n tf a c t o r si sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k 。 t h er e s u l t ss h o wt h a tb r i n et e m p e r a t u r ei sm a i n l ya f f e c t e db ys o l a rt e m p e r a t u r ea n d g a sf l o w t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sm o r eo b v i o u s l yi nc o n d i t i o no fm o r ei n t e n s e r a d i a t i o na n dl o w e rg a ss p e e d t h ec o n d e n s a t et e m p e r a t u r ei sm a i n l ya f f e c t e db yb r i n e t e m p e r a t u r ea n dg a sf l o w t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sm o r eo b v i o u s l yi nc o n d i t i o no f h i g h e rb r i n et e m p e r a t u r ea n dh i g h e rg a ss p e e d t h ep r o d u c t i v i t yo fs y s t e mi sm a i n l y a f f e c t e db ys o l a rr a d i a t i o n ，b r i n et e m p e r a t u r e ，g a sf l o w , a n dc o n d e n s a t et e m p e r a t u r e t h eh e a tu t i l i z a t i o nr a t i oo fs y s t e mi s m a i n l ya f f e c t e db ys o l a rr a d i a t i o n ，b r i n e t e m p e r a t u r e ，g a sf l o w u n d e rt h es a m ec i r c u m s t a n c e s ，s o l a rr a d i a t i o ni si nc o n t r a s t w i t hh e a tu t i l i z a t i o nr a t i o h e a tu t i l i z a t i o nr a t i oi sh i g h e rw h e ng a sf l o wa n db r i n e t e m p e r a t u r ei sh i g h e r a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o na t t a i n e db y u s i n go r t h o g o n a lt e s tu n d e rs o l a rr a d i m i o n ，t h em a x i m u mp r o d u c t i v i t yo fs y s t e mi s 18 5 0 m l t h ea v e r a g eh e a tu t i l i z a t i o nr a t i oi s6 5 4 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 re n e r g y , s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砀砷 签字日期： 矿f 年；月弓 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 奄和啼 l j 导师签名： 签字日期：p 1 年 7 月弓日 签字日期 国矸 ) 月弓 日 第一章综述 1 1 中国的水资源现状 第一章综述 水是自然界中不可缺少的控制性因素之一”j ，是基础性的自然资源，战略性 的经济资源，是社会经济发展的命脉【2 】，对人类的生存和发展具有极其重要的意 义。但是随着世界人口的不断增长，水资源主体遭到污染程度的加剧、工业用水 量的逐渐加大，水资源缺乏问题越来越严重。世界上约三分之一的人口面临缺水 问题，其中有约1 2 亿人口生活在地质干旱地区，有约1 6 亿人口则是因为缺乏从 河流或地下水取水的装置。从总量上看，中国是一个水资源大国，但同时中国又 是一个干旱缺水严重的国家【3 j ，虽然水资源总量在2 7 5 0 0 2 8 0 0 0 亿r n 3 之间，仅次 于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均拥有量不足2 4 0 0 m 3 ，仅为世 界人均水资源拥有量的1 4 ，美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人 均水资源最匮乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下 水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿m 左右，人均可 利用水资源量为9 0 0 m 3 ，并且其分布极不均衡，约有8 0 以上分布在长江流域及 以南地区，它与人e l 、耕地资源的分布不相匹配1 4 。在我国的北方和东部沿海地 区分布着大量的苦咸水，尤其是西北内陆干旱地区由于降雨稀少，蒸发强烈，水 资源天然匮乏1 5 】，作为主要水源的地下水，盐含量、氟含量普遍偏高而无法直接 饮用。据预测，到本世纪中叶，中国人口数量将达到1 6 亿人，届时我国人均淡 水资源将比现在降低l 4 ，淡水资源短缺的形势将更加严划6 | 。 目前世界上常用的淡水取用方式除了河流取水外，主要有地下取水【7 j ，远程 调水和海水( 或苦咸水) 淡化三种。开采地下水具有工程量小、成本低的优点， 但是开采地下水受资源条件限制，许多地区由于过度开采地下水，已经形成“地 下漏斗”，造成房屋倾斜，甚至导致了海水倒灌等环境危害。远程调水可以在短 期内取得成效，但是从长远的角度来看治标不治本，从根本上无法解决淡水危机 的危害。因此海水淡化获取淡水成为解决淡水危机的最具前途的主要途径。 第一章综述 1 2 海水淡化技术 1 2 1 传统的海水淡化方法 目前已经商业化应用的淡化技术主要分为蒸馏法和薄膜法两大类。蒸馏法就 是利用热能使海水蒸发，再将水蒸汽冷凝得到淡水的方法，即从海水中取出淡水。 薄膜法则是利用分离膜对水和盐的选择透过性，将盐分截留或移走，得到淡水的 方法，即去除海水中的盐分1 8 】。实际操作中，蒸馏法又细分为多级闪蒸、多效蒸 馏和蒸汽压缩法，薄膜法则主要是反渗透和电渗析方法。 多效蒸馏【9 】就是将第一效蒸发器蒸发出来的二次蒸汽作为第二效蒸发器的加 热蒸汽，并在第二效蒸发器中放热冷凝为蒸馏水排出，如此依次进行。多效蒸馏 按进料方式可分为逆流、平流、并流和逆流预热并流进料等，通常大型脱盐装置 中多用逆流预热并流进料方式；按多效蒸发的最高沸腾温度( t b t ) ，可分为低 温多效蒸发( 不超过7 0 ) 和高温多效蒸发( 高于9 0 ) 0 0 】。与单效蒸馏相比， 多效蒸馏可以重复利用热能，提高造水比，但是设备结垢严重。 多级闪蒸是针对多效蒸馏结垢严重的缺点而发展起来的【n 】。是将原料海水加 热到一定温度后引入闪蒸室，由于闪蒸室中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，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。由于多级闪蒸操作稳定，可以利用低 品味热能、防垢性能好，易于大型化，因此在国内国际上应用较多。 蒸汽压缩蒸馏【i2 j 是将蒸发器内产生的蒸汽经过压缩，提高其热力学参数后再 返回做蒸发器的加热蒸汽。 电渗析法i l3 j 是将阴离子交换膜与阳离子交换膜相间排列，隔成多个区间，海 水充满其中，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别通过阴离子膜和阳离子膜。 因此，某区间中的海水淡化的同时，也使相邻区间的海水被浓缩，使淡水与浓盐 水得以离。电渗析法的核心是离子交换膜，良好的离子交换膜应具有优良的选择 透过性、优良的电化学性能、足够的机械强度和化学稳定性等。 反渗透【1 4 j 是对半透膜一侧的海水加压( 约2 5 个大气压) 使海水中的淡水通 过膜而收集的方法。反渗透法具有能耗低，建设周期短有点，但是反渗透膜对处 理水质的要求较高。 1 2 2 新型的海水淡化方法 除了传统的海水淡化方法外，其他的海水淡化技术如冷冻法、膜蒸馏法【1 5 】、 电容法等【1 6 1 、溶剂萃取法等也在不断的研究当中，虽然这些新方法尚有较多的问 2 第一章综述 题和缺陷，但他们仍然是海水淡化技术中不可或缺的新生力量。 海水结冰时，由于盐分不同时析出，因此只有纯态的水可以结晶，冷冻法就 是根据这一原理发展起来的。将海水预冷却至零度左右，将其喷入高真空冷冻室。 蒸发室中一部分海水吸热蒸发，剩下的海水则放热结晶，形成冰和浓海水即卤水 的混合物。混合物经过分离洗涤后得到较为纯净的结晶，这部分结晶经过融化就 可以得到淡水。冷冻法有操作温度低，不易结垢等优点，但是洗涤冰晶会消耗一 部分淡水。 溶剂萃取法依据的原理是：水在有些有机溶剂中低温下溶解度高，高温下溶 解度低。因此可以将海水与溶剂充分混合后分离，有机物和水的混合溶液被分离 后加热升温，淡水从有机物溶剂中获得分离而达到淡化海水的目的。虽然该法能 耗较低，但是有机溶剂在产水中也有一定的溶解度，产水水质受到影响，因此理 想有机溶剂的获得是该法应用的关键。 膜蒸馏是基于膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的分离过程【1 7 】，根据冷侧挥发组 分蒸汽冷凝方法的不同可分为：直接接触膜蒸馏、空气隙膜蒸馏、吹扫气膜蒸馏 和真空膜蒸馏。膜蒸馏分离膜一般有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。膜蒸馏不 需要复杂的蒸馏系统，能耗较低，分离膜对设备的要求也比反渗透要低，因此被 认为是目前最节能高效的分离技术，也是最具潜力的分离技术。 由于能耗是制约海水淡化进一步推广应用的瓶颈，降低淡化海水的能耗变成 一个重要课题 1 8 1 。近年来，海水淡化技术间的集成开始研究并应用与实际生产， 例如，s w c c r d c 公司研究将纳滤技术与反渗透技术相结合，提高了进水水质 并能降低反渗透过程的能耗：将纳滤技术与多级闪蒸技术相结合，大幅提高了多 级闪蒸的操作温度并降低结垢危害。s w c c 的研究发现【l9 1 ，将纳滤技术、反渗透 技术与多级闪蒸技术相集成，可以使多级闪蒸的最高操作温度( t b t ) 由1 2 0 提高至1 6 0 甚至更高。将膜法淡化海水技术与热电厂耦合，可以达到操作简便 易行、减少额外能耗、降低操作成本和提高热量利用率的目的【2 0 1 。 1 2 3 海水淡化技术的应用现状 我国的海水淡化技术研究起步较早，1 9 6 7 年1 9 6 9 年全国组织海水淡化会战 的同时也进行了电渗析、反渗透和蒸馏等多种海水淡化技术方法的研究【2 。1 9 8 1 年在西沙建成2 0 0 m 3 d 的电渗析海水淡化装置，1 9 9 7 年2 0 0 3 年期间又先后建成 了5 0 0 m 3 d 、1 0 0 0 m 3 d 反渗透海水淡化装置；山东荣成2 0 0 3 年日产1 0 0 0 0 m 3 d 级 反渗透海水淡化示范工程一期5 0 0 0 m 3 d 机组建成投产；2 0 0 2 年日产l8 0 0 0 t d 反 渗透装置在沧州建成【2 2 j ；青岛黄岛电厂在2 0 0 4 年建成3 0 0 0 m 3 d 低温多效海水淡 化装置；2 0 0 5 年天津建成日产1 0 万立方公尺的海水淡化厂，并且位于天津大港 第一章综述 的亚洲最大的海水淡化厂将在0 9 年7 月全部建成，日处理能力可达1 5 0 0 0 0 v d 。 能量回收、变频控制等技术的应用，大幅降低了反渗透海水淡化工程能耗。 1 9 9 7 年以来，我国先后采用了透平式能量回收装置和压力交换回收装置等，此 时我国具有自主知识产权的能量回收技术和装置已进入开发阶段。我国还自行研 究和开发了连续微滤和超滤技术用于海水的预处理中；研究和开发了海水淡化复 合膜组器；海水淡化用的膜压力容器已基本实现国产化；已具备了较强的海水淡 化工程设计成套能力。 经过4 0 多年的研发和示范，我国的海水淡化技术已日趋成熟，我国已成为 世界上少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一，我国的海水淡化应用规模逐 步扩大，如图1 1 所示。 f ， 岂 、 壤 蕾缸 罨 铆 j j ， f ， f f f j |i jr ， 一i ir ， ii 一一 - 一ir ， 投产年 图1 1 中国海水淡化装置生产容量增长趋势 2 3 1 f i g 1 - lp r o d u c t i o nc a p a c i t yo fd e s a l i n a t i o np l a n tw i t hy e a r si nc h i n a 2 0 0 5 年7 月，国家发改委、国家海洋局和财政部联合发布了海水利用专项 规划，大力促进我国海水淡化产业的发展，并给出我国海水淡化发展目标，如 表1 所示。由表可见，我国的海水淡化的高速发展期即将到来。 表1 1 中国海水淡化发展目标 t a b l e 1 1d e v e l o p m e n tg o a lo f d e s a l i n a t i o ni nc h i n a 4 第一章综述 随着技术的发展和社会的需求，国外的海水淡化工程也不断的向大型化、规 模化方向发展。海水淡化规模的不断增加逐渐降低了淡化海水的成本，并且国外 应用海水淡化的国家在不断增加建设规模、降低生产成本的同时也在不断集成 化、深层次化上对海水淡化技术进行开发。从全球范围来看，反渗透、多效蒸馏 和多级闪蒸淡化技术在淡化技术中占据的比重越来越大，淡水日产量增幅逐年加 大。2 0 0 6 年世界范围内海水淡化技术中，这三种技术所占的比重达到9 1 ，2 0 0 6 年全球海水淡化装机容量已达4 4 0 0 0 0 0 0 k m 3 d 1 2 4 】。 目前大规模使用的海水淡化方法中，能量的主要来源是热能和电能，而这部 分能量主要来自不可再生的化石燃料，因此，世界海水淡化装置容量的不断增加 在缓解淡水资源紧张的同时，也给能源和环境带来了新的压力，因此，开发替代 型能源在海水淡化中的应用迫在眉睫。从世界能源利用的趋势来看，海水淡化工 业中传统化石燃料的替代型能源主要包括核能、太阳能、地热能等【2 5 1 。其中太阳 能最具有开发潜力，由于在太阳表面不断的发生核聚变反应，并以辐射的形式向 宇宙空间发射出巨大的能量，虽仅有1 ( 2 x 1 0 9 ) 辐射能量可到达地球大气高层， 一年中地球接受到的太阳能也高达l 5 x 1 0 b k w h ，相当于1 9 x 1 0 t 标准煤，约为 目前全世界一次性能源消费总量的1 5 6 x 1 0 4 倍【2 6 i 。因此与常规能源相比，太阳能 取之不尽、用之不竭，是世界上最洁净、最安全、储备量最丰富的能源。开发和 利用太阳能作为海水淡化的替代能源将具有重要意义。 1 3 太阳能海水淡化技术 人类利用太阳能淡化海水，已经有很长的历史。它的优点是不消耗外能、运 行费用低、设备简单等1 27 | 。人类最早的有文献记载的太阳能淡化海水工作，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。l a v o i s i e r 于l8 6 2 年使用安装在支架上的大型玻璃透镜，将太阳 光聚集在一个长颈瓶中，进行太阳能蒸馏。m o u c h o t 在1 8 6 9 年描述了用镀银的玻 璃反射镜聚光，用于太阳能蒸馏的全过程。世界上第一个大型太阳能海水淡化装 置，是1 8 7 4 年建造于智利北部的l a ss a l i n a s1 2 8 。前人所做的工作为太阳能海水 淡化的发展做出了积极的贡献，经过他们的不懈努力，太阳能海水淡化技术已经 取得了长足的进展，成为一种高效朝阳的海水淡化方法。 太阳能海水淡化方法分为直接法和间接法，直接法是将集热部分和淡化部分 相结合，即应用集热器将太阳能直接转变成热能加热海水，蒸馏制得淡水的方法： 间接法是将集热部分和淡化部分分开，即将太阳能收集并转化为电能或热能，并 以此作为海水淡化装置的能源制取淡水的方法。直接法也就是传统的太阳能蒸馏 第一章综述 淡化方法由于占地面积较大且效率低，只在早期的海水淡化中应用较多，目前开 发的太阳能淡化系统主要以间接法为主。 1 3 1 太阳能集热技术 收集太阳辐射，使其转换为热能并被直接利用或用来取得机械能或者电能的 过程，称为太阳能集热过程。太阳能热利用系统中的核心部件就是太阳能集热器， 一种特殊的热交换器，它的任务就是收集太阳能并将其转化成热能，它使集热器 中的介质与透过玻璃盖板的太阳光进行热交换。太阳能集热器一般分为两大类： 平板型集热器和带聚光镜的集热器。 1 3 1 1 平板型太阳能集热器 当前应用最广泛的一种太阳能热利用装置就是平板型集热器，其典型的结构 如图1 2 所示。 图1 2 平板型集热器构造示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l a tp l a tc o l l e c t o r s 阳光透过透明盖板照射到表面有特殊涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳辐射 后温度提高并将热量传递给集热器内的介质使其升温，介质温度升高后可作为有 用热量输出。 其中，透明盖板使太阳辐射通过并抑制集热板向环境散热，产生温室效应使 介质带走更多的热量，提高太阳能集热器的热效率。但是由于热量可以通过热辐 射和对流从吸热板传向盖板，继而散失于周围环境，为了防止热量流失，当吸热 板的温度与周围环境温度相差较大时会采用两层或多层透明盖板。为了获得较高 的热利用率，吸热板上透明盖板要求全光透过率高而导热系数小。平板型太阳能 集热器吸热板上一般都有暗黑色涂层，以增强对太阳辐射的吸收。良好的涂层可 以对不同入射角度的太阳辐射都有较高的吸收率。但是由于平板型集热器的吸热 面积和散热面积一样，热量散失较多，因此平板型集热器只能提供较低温度的热 6 第一章综述 能。为了尽快的将吸热板吸收的太阳能传递给介质，吸热板及包括工作流体的管 子或通道都要求用较高导热系数的金属制成，一般使用铜、铝合金、钢材、镀锌 板和不锈钢。 隔热箱是由保温层制成，其目的是使吸热板与周围环境隔离，减少吸热板向 周围环境的散热量。为了提高吸热板的热效率，要求保温层的保温性能好，即材 料的导热系数小，这样就可以用比较薄的保温层达到较好的保温效果。一般吸热 板下面的保温层为3 - 5 c m 厚，四周为2 - 3 c m 厚。保温层材质一般为岩棉、聚氨 酯、聚苯乙烯等。 1 3 1 2 真空管型太阳能集热器 由于平板式太阳能集热器的热散失较多，热利用率较低，为了减少吸热板的 热损失，提高热利用率，人们很早就有采用真空管集热器收集太阳能的设计思想。 保温堵盏 u 形管吸热板 令玻璃真空管 图1 3 全玻璃真空集热管 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eg l a s ss o l a rc o l l e c t o rt u b e 全玻璃真空太阳能集热管是由内外两层玻璃管组成，夹层之间抽成真空。内 管的外表面涂有高吸收率和低发射率的选择性吸收膜，以提高热量利用率。它采 用单端开口，将内外管口环形融封，另一端为密闭半球形圆头，使用弹簧卡支撑 内外管。 全玻璃真空集热管的选材，真空性能和选择性吸收膜对其热利用率有重要影 7 第一章综述 响。所用的玻璃具有透光性能好、热稳定性能好、热膨胀系数低等特性，内外管 之间的真空度高可以防止自然对流的发生，以提高集热管的热效率。 管内介质一般为水，在运行过程中如果其中一根管发生损坏，整个系统的工 作就将停止，因此人们又在真空管集热器的基础上采用热管直接插入管内或者将 u 型管吸热板直接插入管内的方法来进行改进，这样可以保证在有真空管坏损的 情况下整个系统的正常运行。图1 3 为带有u 型管吸热板的真空集热管。 1 3 1 3 聚焦型太阳能集热器 聚焦型集热器实质上可以看作是一个带有光源，集光器和接收器的光学系 统。集热器以反射或者折射的方式将太阳辐射集中到接收器上形成焦面，集热器 内的介质将聚集在焦面上的太阳能转换成热能带走。由于在焦面上可以获得较大 的能流密度，因此焦面上可以达到较高的温度。 聚焦型集热器的类型很多，下图为几种不同集热器示意图。 妙：u咄 ll k - ，- - ，、 矿、 埘选 l g j h ， 图1 4 几种聚焦型集热器示意图 f i g i - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e v e r a lf o c u s i n gs o l a rc o l l e c t o r s ( a ) 锥形集光器。圆柱形接收器；( b ) 复合抛物面集热器：( c ) 球形固定集光器，接收器 跟踪；( d ) 条形固定集光器，接收器跟踪；( e ) 反射式集热器；( f ) 折射式集热器；( g ) 抛 物面集热器；( h ) 塔式集热器： 分析图1 - 4 中的集热器可知，聚焦型集热器接收太阳光的光学依据主要是折 8 第一章综述 射和反射，由于光学特点的限制，聚焦型集热器要求有较高的光学精度，为了接 收直射太阳辐射需要有精度较高的跟踪定位系统，因此，单位面积的聚焦型集热 板造价较高。 太阳能集热板收集太阳辐射除了用来提供热量，还可以用来发电，其发电方 式为：光一热一电转换。光熟一电转换方式就是将太阳能集热板收集的热能转 换为介质蒸汽，再驱动气轮机发电。该发电方式的缺点就是效率低而成本高，因 此实际应用中大多太阳能电池直接将太阳能转换为电能。 1 3 1 4 与集热器相结合的太阳能海水淡化方法 由于太阳能集热器的日益普及，集热器供热温度的提高【2 9 1 ，太阳能几乎可以 与所有传统的海水淡化系统相结合，而且，随着太阳能发电技术的日益成熟，用 太阳能电力进行反渗透法或冷冻法获取淡水，也越来越受到人们的重视。 在太阳能热利用方面，已经取得阶段性成果的主要技术有：太阳能多级闪蒸 系统( 图1 5 ) 、太阳能多级沸腾蒸馏系统和太阳能压缩蒸馏系统( 图1 - 6 ) 等。 例如，科威特已建成了利用2 2 0 m 2 的槽形抛物面型太阳能集热器和一个7 0 0 0 l 的 贮热罐为多达1 2 级的闪蒸系统供热的太阳能海水淡化装置，每天可产近1 0 t 淡水 p u ，3 1j 。该装置可在太阳辐射不理想的情况以及夜间连续工作，单位采光面积产水 量甚至超过传统太阳能蒸馏器的1 0 倍。在墨西哥、日本和阿布扎比等地区，也 建有类似的装置，每天生产着数千吨的淡水，在太阳能发电利用方面，在科威特 已建成了用点聚抛物面太阳能发电供热的反渗透海水淡化工厂，每天生产量在 2 0 t 左右，在墨西哥也建成了用太阳能电池供电的反渗透海水淡化工厂，每天的 产量约为1 5 t 。在沙特阿拉伯，一个采光面积约4 3 5 0 0 m 2 ，用点聚焦集热发电为 间接冷冻法海水淡化工厂供电的综合系统已经建成，每天产量达到2 1 0 t 。可见， 用太阳能发电来制备淡水，前景也是很广阔的。对于太阳能热利用系统，多级沸 腾蒸馏在拥有相同性能系数的条件下，它所需的级数更少，能耗更低，所需的外 界功量也更少。太阳能蒸汽压缩系统也具有广阔的前景，特别是在电能相对便宜 的地区。t i w a r i ( 1 9 9 1 ) 等人1 3 2 j 研究指出，在各种多级沸腾蒸馏系统中，多级堆 积管式蒸馏系统最适合以太阳能作为热源，这种装置有许多优点，其中之最重要 的一点是它能在任何输入蒸汽量情况下都稳定运行，并能根据蒸汽量自动调整工 作状态，而且它所需的供热温度在7 0 l o o 之间，很容易用槽形抛物面或者真 空管型太阳能集热器达到。 9 第一章综述 至抽气装置 图1 5 太阳能多级闪蒸( m s f ) 系统 f i g 1 5s o l a rm u l t i s t a g ef l a s hd e s a l i n a t i o ns y s t e m 图1 - 6 太阳能压缩蒸馏系统 f i g 1 - 6s o l a rd i s t i l l a t i o ns y s t e mu s i n gm e c h a n i c a lc o m p r e s s i o n 算空系 图1 7 太阳能多效蒸发海水淡化系统 f i g 1 - 7s o l a rm ed e s a l i n a t i o np r o c e s s i i 东 菠承 不利于小型化，设备投资费用较高，存在有一定的腐蚀结垢问题也是以上介 绍的综合系统中亟待解决的问题。 1 0 第一章综述 1 3 2 太阳能蒸馏 太阳能蒸馏是一种直接利用太阳能加热海水蒸馏制得淡水的方法，它分为浅 盘型( 顶棚型、水平型) 、倾斜型和多效型三种【3 3 】。 浅盘型由盛水的浅盘和透明罩组成。水盘内的黑色物质接收透过透明罩的太 阳光使盘内的海水升温产生蒸汽。蒸汽通过对流到达透明罩并被外界的空气冷 却，凝结成水滴后流到淡水收集槽中，盘内浓缩的海水排出。这种方法产量较低。 倾斜型是对浅盘型蒸馏器进行改进，将水盘由水平改为倾斜，使海水沿着斜面流 动以提高聚光效率和促进蒸发，采用此方法可以将产水量提高3 0 6 0 ，但是海 水流量需要调节，水层浅容易析出水垢。为了克服这个困难，在倾斜水盘上铺设 毛巾使水层更浅且能在一定程度上防止结垢，但是仍然有很多问题有待解决。为 为了充分利用浅盘式和倾斜式水蒸汽的冷凝潜热，研究者研制了多效型蒸馏器， 其工作原理是：集热板被太阳光加热，集热板反面毛巾中的海水吸热蒸发，蒸汽 遇到下面的冷的隔板凝结放热，这部分热量又可以加热隔板反面毛巾上的海水使 之蒸发。采用这种方法，产水量大幅提高，但是此法的关键是吸水毛巾的材料、 胶黏剂和集热板的防腐问题。 1 3 2 1 增湿去湿原理 增湿去湿( 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 ) 淡化方法由传统的太阳能蒸馏 淡化发展而来。普通顶棚式太阳能蒸馏器的热效率通常在4 5 以下，这是因为蒸 馏器内的蒸发过程与冷凝过程在同一空间内进行，温度难以单独控制，而且通过 玻璃盖板冷凝潜热几乎全部通过玻璃盖板散失到环境d p 3 4 , 3 5 。针对传统太阳能蒸 馏器的这些不足提出增湿去湿技术，它是在蒸馏过程中引入流动的空气作为水 蒸汽的载体，并将蒸发室与冷凝室分离，使其温度可以独立控制：载气在蒸发室 中被盐水增湿，携带一定量的水蒸汽进入冷凝室去湿、冷凝得到淡水，通过预热 进料盐水使冷凝潜热得到同收。 增湿与去湿是指水蒸汽在空气中含量的增加与减少，当空气中的水蒸气含量 增加时，称为增湿，反之称为去湿。通常，气体增湿是通过空气与液体的直接接 触，或者将空气与水蒸汽的直接混合而实现的。在空气与液体直接接触过程中， 空气中水蒸汽的分压趋于零，两者之间存在水蒸汽的分压差a p ，在这种推动力 下，液体表面的组分吸收来自空气或液体的热量后，以气态形式进入空气中，这 样空气体就被湿化了。 气体中的湿含量或绝对湿度，通常以单位质量干气中水蒸汽的质量来表示。 对于理想气体，湿度可表示为： 第一章综述 h ：丝丝 m dp p 。 式中，凰绝对湿度，埏水蒸汽k g 干气 尥，m , r 水蒸汽和干气的摩尔质量，g m o l p ，肌：湿气体的总压和水蒸汽的分压，k p a 口= 且 ( 1 - 2 ) pj 湿气体的相对湿度伊为湿气体中的水蒸汽分压p v 与同温度下水蒸汽的饱和 压力p s 之比。由于p v 随温度升高而增加，故当p s 一定时，相对湿度缈随温度 升高而增大，将式( 1 - 2 ) 代入式( 1 - 1 ) ，得 i t l m 。c p p s 一 一膨dp 一缈p s ( 1 3 ) 当气体中的可凝蒸汽达到饱和时，伊= 1 ，饱和湿度为总压和温度的函数，同 温度下随总压的增加而减小，同压力下随温度的升高而增大。 1 3 2 2 增湿去湿淡化技术 增湿去湿淡化过程大概经历了三个阶段，第一：在同一空间内自然对流【3 6 】增 湿去湿阶段；第二在同一空间内强制对流【3 刀增湿去湿阶段；第三：蒸发和冷凝 完全分离【3 8 1 的增湿去湿阶段。自然对流增湿去湿过程中，水蒸汽运动的驱动力 为分子间作用力，水蒸汽颗粒的运动方式为布朗运动，其到达冷凝界面的时间较 长，即淡化时间较短，产水量较低。强制对流增湿去湿过程，气体的对流循环 不仅加速了液面水蒸汽的蒸发，还缩短了水蒸汽分子到达冷凝界面的时间，延长 了淡化时间，产水量变大。但是在同一空间内进行增湿去湿过程中，冷凝器与 蒸馏器温差小，冷凝器的总传热系数小，为了充分回收冷凝潜热就需要增大冷凝 面积，并且在为了避免操作压力过高，同一空间内强制对流的流速不能太高，因 此增湿去湿淡化过程进行不充分。为了克服这一缺点，人们将增湿器和冷凝器 完全分离，即增湿过程和去湿过程分离。此举便于自主控制增湿器和冷凝器的温 度，充分回收冷凝潜热。 1 2 第一章综述 图1 8 典型的空气增湿过程【3 9 】 f i g 1 - 8t y p i c a la i rh u m i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n i n gp r o c e s s 图1 8 所示的是一个典型的空气增湿过程示意图。带有一定温度的水分从增 湿室上方的小孔喷洒进入设备中，与从设备右侧鼓入的空气充分接触，进行热量 和质量的传递。增湿后的气体由气流带出第一级增湿器通过隔板间的小孔进入下 一级增湿器中，在下一级增湿器中与喷淋的水充分接触增湿后进入第三极，以此 类推，气体通过各级增湿器后温湿度均发生变化，由气流带出增湿器。 氐k ( 1 + 鸭) t 3 妒3 g ：c ：4 ) 一 b a r ： ( 1 + a j l ) 一w - 百i l ) t l 上l 卜l 图i - 9 典型的空气除湿过程图 f i g 1 9t y p i c a la i rd e h u m i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n i n gp r o c e s s 图1 - 9 所示的就是一个典型的湿空气去湿过程示意图，带有大量水蒸汽的湿 空气从右侧进入冷凝室，带有一定温度的水蒸气在蛇形冷凝管上放热冷凝为淡 水，淡水收集在冷凝管下方的接料槽中。湿空气在冷凝室内通过放热后温湿度均 发生改变，气体去湿后由气流携带排出冷凝室。 增湿去湿与传统的热法和膜法淡化技术均有所不同，具有以下一些特点： ( 1 ) 装置规模灵活，投资小，便于分散使用。( 2 ) 操作压力多为常压，操作温 第一章综述 度一般在7 0 9 5 ，很容易使用一些低品位的热能作为热源，也便于应用性能适 宜且较廉价的高分子材料制作淡化设备。( 3 ) 汽化过程在气液界面进行，设备 的结垢倾向小；汽化过程温和，不易形成强烈的气液夹带f 4 0 1 。 1 4 课题的提出及工作思路 增湿去湿是一种新颖的海水淡化技术，在短期内还难以与常规的淡化方法相 比，且一直的研究大多关注于太阳能和地热的直接利用，对风能、海洋能等其他 一些可再生能源的应用研究还较少，但其避开了现有海水淡化工艺中原料水预处 理难度大、设备造价高、设备大型化等核心难题，并且增湿去湿淡化过程具有 设备投资和操作成本适中、结构简单、规模灵活、维护简单、可利用低位热能( 如 太阳能，地热能、工厂废热等) 等优点【4 1 1 ，因此，它在淡水需求相对分散的地区， 如沿海岛屿、内陆苦咸水地区、偏远的旅游景点、电能缺乏而太阳能充裕的地区 等地方具有广阔的应用前景。 集合增湿去湿淡化技术的优点，本文主要将其与太阳能淡化技术相结合，应 用于海水或苦咸水的淡化过程。改进前人设计的增湿去湿淡化设备【4 2 1 ，将平板 太阳能集热器与之耦合，实现在太阳能补热的条件下对增湿去湿技术和系统的 产水进行考察。 实验分别进行电补热淡化和太阳能淡化实验。电补热淡化为条件摸索部分， 在电补热提供稳定温度条件下通过实验研究载气流量，盐水温度，液位高度，盐 水盐度和冷凝水温度对增湿去湿传质和传热关系的影响并通过正交试验分析获 得在该设备条件下的最佳操作条件，设置循环载气实验对系统的传质传热进行考 察。阳能淡化为太阳能补热条件下实验，考察太阳能辐射对盐水温度、冷凝水温 度、产水量的影响，分析设备的热利用率。 1 4 第二章实验部分 2 1 实验设备及流程 2 1 1 仪器及药品 第二章实验部分 表2 1 实验用仪器与设备详细信息 t a b l e 2 - 1i n f o r m a t i o na b o u tt h ee q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s 1 5 第二章实验部分 本实验采用模拟海水来进行研究，实验中模拟海水用量定为2 8 l ，使用当地 提供的离子交换纯净水来配置，下表为模拟海水中各主要离子组成。 表2 3