（工程热物理专业论文）结合太阳能空气集热器的海水淡化装置研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的快速发展和人口的增长，人类对淡水的需求量迅速增长。由 于环境破坏所造成的水污染、水土流失、土地沙漠化，使得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，是全球目前急需解决的难 题，太阳能海水淡化是解决人类缺水的有效方法之一。 本文提出了将太阳能空气集热器与海水淡化装置相结合，利用热空气增湿除 湿来实现淡化海水的试验装置。它是以热空气作为热源，热空气既把热量传给海 水，同时又将水分子从海水中携带走，热空气变成湿空气，再利用冷凝器，使用 海水来冷却湿空气制备淡水的过程。此方法中淡水冷凝所释放出的潜热直接传递 给海水，使海水的温度升高，有利于海水蒸发，同时又提高了系统的热效率。 本论文主要进行了以下三方面工作： 一、提出了将太阳能空气集热器产生的热空气与海水混合来实现海水淡化的 设计方案。设计了热空气作用于水面、热空气通入水中、喷雾蒸馏、电加热等海 水蒸发的试验方案。通过试验比较，得出热空气通入水中为最佳的海水蒸发方案。 二、研制了将热空气通入水中的蒸馏装置，进行了试验测量，试验表明蒸发 量的增加取决于海水初始加入量的减少、海水温度的升高、热空气流量的增加和 热空气温度的升高。利用模拟装置获得的最大蒸发量为1 7 2 k g h 。进行了电吹风模 拟的太阳能海水淡化装置试验，选择盘管冷凝器和翅片管冷凝器。实验发现翅片 管冷凝器有较好的冷凝效果。装置的热力学效率r i 可达到约4 0 。 三、进行了实际的结合太阳能空气集热器的太阳能海水淡化装置试验。试验 结果表明，由于太阳能空气集热器的热效率不高，导致集热器向蒸馏器输入的能 量不足，从而带来了系统的产水率和热力学效率远小于利用电吹风模拟的实验系 统。进行了太阳能空气集热器与电加热器模拟太阳能热水器相结合的海水淡化装 置试验，结果表明，提高水温能大幅度的提高系统的产水率和热力学效率。 实验结果表明，利用太阳能空气集热器与海水淡化装置相结合的太阳能海水 淡化系统，系统的产水率和热力学效率太低，必需增加太阳能热水器、聚光集热 器等辅助装置来提高水温或空气温度，从而提高系统的运行温度。 关键词：太阳能集热器，海水淡化，增湿，除湿，热空气，热效率 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h eg r o w t ho fp o p u l a t i o n ，t h ed e m a n do f f r e s hw a t e rf o rh u m a ni sg r o w i n gr a p i d l y a tt h es a m et i m e ，t h ed a m a g e so ft h e e n v i r o n m e n ts u c ha sw a t e rp o l l u t i o n , l o s s e so fw a t e ra n ds o i l ，a n dd e s e r t i f i c a t i o no fl a n d m a k em a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n st of a c ew a t e rc r i s i s t os o l v et h es h o r t a g eo ff l e s h w a t e ri sam a j o rc h a l l e n g et h a tm a n k i n df a c e sa tp r e s e n t s o l a rd e s a l i n a t i o ni so n eo ft h e e f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h ef r e s hw a t e rs h o r t a g eo ft h em a n k i n d i nt h i sp a p e r , as o l a rd e s a l i n a t i o nu n i ti sd e s i g n e db a s e do nh 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 nc y c l eb yu s i n gh o ta i rw h i c hc o m e sf r o mas o l a ra i rc o l l e c t o r h o ta i r i st h eh e a ts o u r c e ，w h i c ht r a n s f e r st h ee n e r g yt os e a w a t e r , a tt h es a m et i m ew a t e r m o l e c u l ew i l lb et a k e no u to ft h es e a w a t e r t h e nt h eh o ta i rb e c o m e sh u m i d i f i e d ，t h e h u m i da i ri si n t r o d u c e dt ot h ec o n d e n s e rb ya na i rp u m pa n dd e h u m i d i f i e d ，w i t hd i s t i l l e d w a t e rc o l l e c t e di nat a n k t h el a t e n th e a tf r o mc o n d e n s e ri su s e dt op r e h e a tt h es a l i n e w a t e ra n dt h ef e e ds a l i n ew a t e r st e m p e r a t u r ei si n c r e a s i n g ，w h i c hi sh e l p i n gf o r i m p r o v i n gt h ee v a p o r a t i o na n dt h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h i sp a p e ri n c l u d e sf o u rw o r k sa sf o l l o w i n g ： 1 an e w t y p eo fs o l a rd e s a l i n a t i o nu n i ti sd e s i g n e db yd i r e c tm i x i n go fs e a w a t e r w i t hh o ta i rw h i c hc o m e sf r o mas o l a ra i rc o l l e c t o r f o u rm e t h o d si sd e s i g n e dt o e v a p o r a t et h es e a w a t e r ，s u c ha su s i n gh o ta i rc o n t a c tw i t hw a t e r a tt h es u r f a c ea n di n s i d e o ft h ew a t e r , s p r a y i n gd i s t i l l a t i o na n dh e a t i n gt h ew a t e rb ye l e c t r i c i t y t h er e s u l t s h o w i n gt h a tu s i n gh o ta i rc o n t a c tw i t hw a t e ra tt h ei n s i d eo ft h ew a t e ri st h eb e s t m e t h o d 2 at y p eo fd i s t i l l a t i o nu n i ti sd e s i g n e db yu s i n gh o ta i rc o n t a c tw i n lw a t e ra tt h e i n s i d eo ft h ew a t e r b yu s i n ge x p e r i m e n t a lt e s t ，i ts h o w st h a tt h a tt h et e m p e r a t u r ea n d f l o wr a t eo ft h ei n l e ta i r , t h et e m p e r a t u r ea n di n i t i a lm a s so fs e a w a t e ra r et h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ee v a p o r a t i o n t h em a x i m u me v a p o r a t i o ni sa b o u t 1 7 2 k g h as o l a rd e s a l i n a t i o nu n i ti sc o n s t r u c t e db yu s i n gh a i r d r y e rt os i m u l a t es o l a r c o l l e c t o r ，s e l e c t i n gt w ot y p eo fc o n d e n s e rw h i c hi sm a d eo fc o i lp i p ea n df m sp i p e i t s f o u n dt h a tt h ec o n d e n s e rm a d eo ff i n sp i p ei st h eb e s tc h o i c e t h et h e r m a le f f i c i e n c yo f t h es y s t e ma p p r o a c h e s4 0 3 ar e a lp r o t o t y p es y s t e mt e s tc o m b i n e dw i ms o l a rc o l l e c t o ri sc o n d u c t e d t h e 江苏大学硕士学位论文 r e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h es o l a ra i rc o l l e c t o ri sv e r yl o w ，w h i c h l e a d st oal a c ko fe n e r g yt h a tt h ec o l l e c t o ri n p u tt ot h ed i s t i l l a t i o n ，w h i c hh a sb r o u g h tt h e w a t e rp r o d u c t i o nr a t ea n dt h es y s t e m st h e r m a le f f i c i e n c yi sm u c hl o w e rt h a nt h e s i m u l a t i o nr e s u l tt h a tu s i n gh a i r d r y e r ad e s a l i n a t i o nu n i ti sd e s i g n e dc o m b i n i n gw i t ha s o l a ra i rc o l l e c t o ra n da ne l e c t r i ch e a t e rw h i c hi su s e dt os i m u l a t es o l a rw a t e rc o l l e c t o r ， t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a ti n c r e a s i n gt h ew a t e rt e m p e r a t u r ec a ng r e a t l ye n h a n c et h ew a t e r p r o d u c t i o nr a t ea n d t h et h e r m a le f f i c i e n c y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rp r o d u c t i o nr a t ea n dt h e r m a le f f i c i e n c y o ft h es y s t e mc o m b i n e dw i t hs o l a ra i rc o l l e c t o ra n ds e a w a t e rd e s a l i n a t i o nu n i ti st o o l o w ，i ti sn e c e s s a r yt oa d ds o l a rw a t e rc o l l e c t o r ，c o n c e n t r a t e dc o l l e c t o ra n ds oo nt o r a i s et h et e m p e r a t u r eo ft h ea i ro rt h ew a t e r ，t h e nt oi m p r o v et h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e o ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s o l a rc o l l e c t o r , d e s a l i n a t i o n ，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 ，h o ta i r , t h e r m a le f f i c i e n c y 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，同意学校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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：杏彳 2 d o 碧年 厶月f 弓日 指导教师签名：石丝 d 9 年6 只f b 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。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已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：专耳 日期：z o o0 4 年6 月f 弓日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪，论 随着人口的增长和经济的快速发展，人类对淡水的需求量持续增长。而由于 环境破坏所造成的水污染、水土流失和土地沙漠化，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。 中国是一个水资源严重短缺的国家，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 ，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1 1 0 位，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之一。 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，造成了严重的生态问题， 水资源短缺问题日趋严重。据统计，中国6 6 0 座城市中，有4 0 0 多座缺水，1 1 0 多座 严重缺水，此外还有2 0 0 0 多万农村人口饮水困难。全国年缺水总量约为3 0 0 亿至4 0 0 亿立方米，每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 多亿元，水资源短缺已成为制约 中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， 而且还严重地威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 秘 3 蕃 含 嘧始 一 、- ， 翻勰 * ，鑫 爰 1 口 0 囊 “_ mw 一 qm j j j _ m 2 i p p ，r 冷 一拳 士 l | 崖。l - b 。毒 t 专删 ，一* 鼙j r | ； ”q ；筮i一 i ：嗲+ il t 攀 _ ； | i 一。 妒i i | _ l一r 下 甘 4 - r 上| |r _啸i ili| | l ； ；i l r 。毒一 m 一f | l ； ；一 l ii ii ，t ii ，i ；5 豢霎器蒌，萎鏊萎萋鏊萎囊羹萋器摹萎蒌萋嚣蠢 7 年份 图l l 世界海水淡化装置生产容量的增长趋势 江苏大学硕士学位论文 目前全世界已有1 2 0 多个国家使用海水淡化装置，海水淡化装置总量近2 万 台，同产淡化水量超过3 2 5 0 万吨，占全球生活用水供应量的3 。全球海水淡化 日产水量还在以1 0 - - 3 0 的速度攀升，大多数都是采用多级闪蒸法( m s f ) 、多 效蒸馏法( m e d ) 、反渗透法( r o ) 等。自2 0 世纪6 0 年代多级闪蒸( m s f ) 商 业应用以来，现代海水淡化技术发展十分迅速。图1 - 1 给出了世界海水淡化规模的 增长趋势1 1 。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( 2 0 0 8 2 0 1 8 ) 世界海水淡化装置的生产能力将会取得突飞 猛进的增长f 2 1 。 由此可以看出，海水淡化已经成为世界各国解决缺水问题的一种重要途径， 已经得到越来越广泛的应用。目前工业规模的海水淡化技术主要有反渗透法和蒸 馏法两种。反渗透法采用高压泵对半透膜中的海水施加压力，使海水中的淡水渗 透到半透膜的淡水一侧，而剩余的盐分则被半透膜阻挡在海水一侧，从而实现盐 分、水分相分离的目的。在系统运行中，高压泵需要消耗大量的电能，且反渗透 膜需要定期更换，系统的运行成本较高。蒸馏法即通过工业余热来加热海水，将 海水引入压力较低的蒸馏室内，水沸腾蒸发变成水蒸气，再将水蒸气冷凝收集而 得到淡水，剩下的浓海水直接排放或加工制成盐。蒸馏法中蒸馏室内要维持在较 低的压力下，必须消耗真空泵大量的电能。反渗透法和蒸馏法两种海水淡化方法 都需消耗大量的常规能源，引发温室效应、空气污染等一系列的问题。可以说， 目前的海水淡化技术基本上是用能源来换取淡水，考虑到当今世界能源日益紧缺 的情况，显然迫切需要寻找新的海水淡化方法。因此，寻求用太阳能来进行海水 淡化，必将受到人们的青睐。 太阳能海水淡化是解决人类水资源危机的一种最有希望的方法。太阳能海水 淡化是利用太阳能将海水蒸发成水蒸汽，再使水蒸汽冷凝获得淡水，只需消耗少 量的( 或者基本不消耗) 任何常规能源。而且太阳能取之不尽，并具有安全环保 等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合，是一种可持续发展的海水淡化 技术。 我国广大偏远农村、孤岛等地区至今仍非常缺乏淡水，利用太阳能从海水( 或 苦咸水) 中制取淡水，乃是解决淡水缺乏或供应不足的重要途经。所以利用太阳 能进行海水淡化将具有广泛的应用前景。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 传统的海水淡化技术 据统计，地球表面2 3 的面积被水覆盖，其中9 7 为海水和苦咸水，淡水只 占3 。尽管海水和苦咸水储量十分丰富，但它们必须经过淡化才能为人类利用。 目前，全世界有许多国家和地区采用海水或苦咸水淡化技术来制取淡水。亚洲国 家如日本、新加坡、韩国、印尼及中国等也都在积极发展或应用海水淡化作为替 代水源。 海水淡化就是将海水中的盐分和水分分离的过程，最终得到淡水和浓缩盐水。 主要的海水淡化方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冷冻法、水合物法和溶剂 萃取法等f 3 1 。但是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 o ) 。以下对以上三种方进行简单介绍： 1 2 1 反渗透法( r e v e r s e0 s m o s i s ) 反渗透法( r 0 ) 是1 9 5 3 年开始采用的一种膜分离淡化法。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。 图卜2 为反渗透法工艺流程图。 麓篪盔基建簟竞惫魁疆 ；哆l 筮糸 一图1 - 2 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 江苏大学硕士学位论文 3 0 - 5 5 姗l ，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。反渗透膜技术己相当成熟，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 巧年，反渗透膜需要定期更换。 1 2 2 多级闪蒸( m u i t i - s t a g ef l a s h ) 多级闪蒸( m s f ) 的基本原理为：将原料海水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，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础，使 热盐水依次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，同时盐水也逐级增 浓，直到其温度接近( 但高于) 天然海水温度，因而可连续产出淡化水。多级闪蒸 的工艺流程如图卜3 所示。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。 7 1 一加热器；2 一热回收段；3 一排热段；4 一海水；5 一排冷却海水；6 一进料海水； 7 一循环盐水；8 一加热蒸汽；9 一排浓盐水；1 0 一蒸馏水；l1 一抽真空 图1 3多级闪蒸流程示意图 多级闪蒸是海水淡化工业中最成熟，运行安全性最高的一种技术，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。目前日产6 万t 淡水的单机已投入商业运 行，同产9 万t 淡水的装置正在设计中。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 多效蒸馏( m u i t i - e f f e c td i s t i li a t i o n ) 多效蒸发( 姗) 是由单效蒸发所组成的系统，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。多效蒸发的原理如图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后，最后被加热蒸汽加热到一 定的温度后，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1 - 4 多效蒸馏流程不葸图 低温多效蒸馏的热效率比多效闪蒸高，3 0 。c 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；多效蒸发也必须与火力电站联合运行， 以汽轮机低压抽汽作为热源。 1 3 太阳能海水淡化技术 目前传统的海水淡化方法都要消耗大量的能源，考虑到当今世界能源日益紧 缺的情况，因此太阳能海水淡化是解决人类水资源危机的一种最有希望的方法。 太阳能海水淡化( l a rd e s a l i n a t i o n ) 是利用太阳的电磁辐射能使海水汽化成水蒸气， 水蒸气冷凝而得到淡水的过程。太阳能海水淡化只需消耗很少的常规能源，而且 5 江苏大学硕士学位论文 太阳能取之不尽，并具有安全环保等优点。 太阳能是一种电磁辐射，它可以转化为热能和电能，原则上也可以与任何一 种海水淡化方法结合。但太阳能的能流密度较低，通常每平方米不到1 千瓦；并 且其能量随时间和天气呈现不稳定性和不连续性。以上这两个缺点，限制了太阳 能与各种海水淡化方法的结合。太阳能海水淡化可以分为直接法和间接法两类。 1 3 1直接法 直接法是利用太阳能直接加热海水蒸馏获得淡水的方法。图1 5 为传统太阳能 蒸馏器工作原理图。其工作原理为：太阳光透过顶棚照射到有黑色吸热体的盛水 池底时，大部分热量被吸收，使水温升高，水蒸发产生蒸汽，在顶棚内侧冷凝成 水滴，借助重力沿玻璃顶棚流入淡水槽。这种蒸馏器结构简单，即常称的顶棚式， 类似于一个温室。早期所使用的太阳能蒸馏器是典型的直接法应用太阳能的淡化 装置。 图1 - 5 传统的太刚能蒸馏器原理图【4 】 瑞典工程师c w i l s o n 4 于1 7 8 2 年在智利建造了第一个太阳能蒸馏器，用于海 水淡化，这是迄今为止淡化应用最广的太阳能海水装置。装置总的集热面积为 4 7 0 0 m 2 ，晴天时每天可以生产淡水2 3 吨。这一装置成功运行了近4 0 年5 1 。此装 置在最佳的太阳辐射和海水深度条件下，蒸馏器的效率可达到4 0 5 0 6 ，7 1 。上世 纪七、八十年代，我国在南海岐州岛、西沙以及浙江嵊泗岛等地也建成了同产数 吨淡水的太阳能蒸馏器f 8 1 。 传统的太阳能蒸馏方法制取淡水，设备简单，运行维护简单，运行费用低。 但存在装置占地面积大，运行温度低，单位面积产水量低，且热性能受地区及气 6 江苏大学硕士学位论文 候条件影响等缺点。目前较简单的装置，平均日产淡水量仅为3 4 k g ( m 2 d ) 左右。 在海水中添加浓度为1 7 2 5 p p m 的黑色萘胺，蒸馏水产量可以提高约3 0 。 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，而通过盖板散失到大气中去了。其二是蒸 馏器中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。 太阳光 图1 - 6 吸液芯式太阳能蒸馏器剖视图【9 】 为了克服传统的顶棚式( 池式) 海水淡化装置中海水的热容量大、受热升温 缓慢的缺点，s l d h a ( 1 9 8 0 ) 等人研制了吸液芯式太阳能蒸馏器9 1 ，如图1 6 所示。 为了提高热利用效率，又逐渐由单级结构发展到多级结构。其工作原理为：装置 中的海水集中盛入一个水槽中，选择一些对水有强亲和作用或毛细作用的多纤维 材料，如黄麻布、棉纱布等，一端浸在海水里，另一端置于一个倾斜平面的顶部， 而一部分纤维还从倾斜面顶部一直延伸至底部，形成一个平整的纤维薄层。水在 纤维的毛细管作用下，被汲至斜面的高端，然后在重力的作用下，顺着斜面的纤 维流向低端，形成一个均匀的海水薄层。由于薄层中海水的热容量非常小，在太 阳光的照射下很快蒸发，从而提早了装置的出水时间，也使通过装置其他部件的 热损失减少。为了增加对太阳光的吸收，这些多纤维材料可以染成黑色。装置的 ， 整个操作要点集中在于使整个汲水芯保持湿润，在斜面上形成水膜。这个装置的 单位面积产水量比传统盘式蒸馏器提高了1 6 。5 0 。效率提高了6 5 。1 8 9 。 7 江苏大学硕士学位论文 蓁 j u = ， 图1 7 外加凝结器的太阳能蒸馏器【l o 】 传统的池式太阳能蒸馏器中，利用装置上方的透明盖板作凝结器有两个缺点： ( 1 ) 水蒸气凝结时放出潜热，使盖板温度升高，从而提高了盖板附近的水蒸气分 压，使蒸发面与冷凝面之间的水蒸气分压力差减少。因为水在空气中蒸发，与空 气中水蒸气分压力差有关。如果空气中水蒸气分压力低于水表面附近的水蒸气饱 和压力，那么蒸发过程就能够发生，越低则蒸发过程越剧烈。( 2 ) 蒸汽在盖板上 凝结后产生水膜与水珠，在一定程度上降低了阳光的透过率，使装置内盐水接收 到的太阳辐射能总量降低，不利于装置性能的提高。h a s s a n ( 1 9 9 2 ) 等人提出在传统 的池式太阳能蒸馏器中外加凝结器的装置进行了研究 1 0 】，如图1 7 所示。 理论与实际研究表明，当外冷凝器的冷凝面积足够大( 与玻璃盖板采光面积 相近) 时，增加外凝结器，相较无冷凝器的情况，( a ) 可以增加产水量3 0 ，( b ) 可以增加产水量5 0 。因此在实际工程中，增加外凝结器是有意义的。 1 3 2 间接法 间接法是指先把太阳能转换成为热能或电能，再提供给海水淡化装置的方法。 目前国内外利用太阳能海水淡化的方式主要包括减压蒸馏方法和增湿除湿方法， 增湿除湿方法将在1 4 节中详细介绍。减压蒸馏方法即太阳能集热器与蒸馏器和冷 凝器分离，由太阳能集热器提供热量，加热蒸馏器内的海水，海水在蒸馏器内减 压蒸发，最后在冷凝器内冷凝，获得淡水。主要装置包括太阳能集热器、减压蒸 馏器、冷凝器、真空泵等。此方法运行的压强必须保持在较低的压强下，例如1 4 - 2 0 k p a ，要维持在这个压强，要求严格密封，且消耗真空泵较多的电能，另外整个 装置结构比较复杂，操作运行较困难。国内的太阳能海水淡化研究主要采用这种 方式，例如陈子乾、郑宏飞等人研究了多效内回热式太阳能海水淡化装置 1 l l ，如 图1 8 所示，研究表明每平方米太阳能集热器每天的产水量可达1 0 埏，是传统的 8 江苏大学硕士学位论文 太阳能海水淡化方法的3 4 倍，但同时也消耗了可观的电能。 日 厨 i j 1 一装置外壳；2 一淡水储存罐；3 一真空泵；4 一进海水控制阀；5 一冷却水循环泵6 一液位计； 7 一抽但水泵；8 一抽浓盐水泵；9 一加热水循环泵；l o 一盐水连通管；1 1 ，1 2 一循环泵；1 3 一 淡水收集盘；1 4 一蒸发器；1 5 一第1 级蒸发冷凝器；1 6 一第2 级蒸发冷凝器；1 7 一冷凝器； 1 8 一进海水盘管；1 9 淡水连通管；2 0 一盐水连通管；2 1 一气液分离器 图1 - 8 多效内回热式太阳能海水淡化装置【11 】 1 4 增湿除湿海水淡化技术 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， 这几种方法的产水成本与工厂规模密切相关，比较可靠的规模是日产淡水1 0 0 5 0 0 0 0 0i l 屯 1 2 1 ，它们是适合集中供水的沿海地区缺水问题的有效解决办法，但对于 小规模利用低位热能( 太阳能、地热以及工业废热等) 却不方便，利用成本高， 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。在这种情况下，增湿除湿( 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 ) 海水淡化过程逐渐受到人们的关注。 1 4 1增湿除湿海水淡化基本原理 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， 并将蒸发器与冷凝器分离，使它们的温度可以独立控制；载气在蒸发器中被盐水 9 江苏大学硕士学位论文 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。 一般认为，增湿除湿海水淡化过程具有规模灵活，设备投资和操作成本低， 结构简单，可利用低位热能等优点。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。增湿除湿海水淡化方法被认为是 太阳能海水淡化中最具有前景的方法 1 3 ，1 4 】。 1 4 2 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。以下就将 几种典型的增湿除湿海水淡化过程加以介绍和评述。 ( a ) 强制空气循环的太阳能海水淡化装置 增湿除湿海水淡化过程是从太阳能蒸馏海水淡化发展而来。在某些增湿除湿 海水淡化过程中，还保留有太阳能蒸馏器的明显特点。v e z a 等f 1 5 1 在池式太阳能蒸 馏器的基础上，采用强制空气对流的操作方式，将蒸发器与冷凝器分离出来，建 立了如图1 - 9 所示的增湿除湿太阳能海水淡化装置。 该装置利用太阳能的直接照射使盐水蒸发，达到将空气增湿的目的，这具有 典型的池式太阳能蒸馏器的特点。而与普通太阳能蒸馏器完全不同的是，该过程 通过外力使盐水表面的空气强制循环，这有利于提高盐水的汽化效率；同时，该 装置采用分离的冷凝器也强化了冷凝效果。 h 址溅a 鼢 b ：( p r o d t n - ? ，。，。，f。， 。 一 鼢镦槲壤翰。毵翩魏l 融致悸耪盼e 纠玩嘏w a t e r 图1 - 9 强制对流的太刚能蒸馏海水淡化过程 1 5 】 ( b ) 强迫水循环的太阳能海水淡化装置 在池式太阳能蒸馏器中，汽化过程只能在盐水中有限的盐水表面进行，这实 1 0 江苏大学硕士学位论文 际上限制了盐水的汽化效率。因此，在大多数增湿除湿海水淡化过程中，蒸发器 ， 内通过强化海水的流动方式来增加气液接触面积，从而提高增湿效果。 太 淡水 浓盐水 图1 1 0 一种回收蒸发潜热的太阳能蒸馏装置示意图 1 6 赵军等人 1 6 在理论分析与计算的基础上，建立了一个与3 平方米真空管太 阳能集热器相匹配的小型太阳能实验台，其原理就是基于密闭通路中自然对流空 气的反复增湿与除湿过程。在蒸发器中，由于水的蒸发，空气被增湿；在冷凝器 中由于水蒸汽凝结，湿空气被除湿。空气自然循环的推动力是蒸发器与冷凝器之 间的温差。如图1 - 1 0 所示，实验装置在太阳日射总辐射量7 0 0 0 w h m 2 、冷凝器冷 却海水温度2 5 条件下，每平方米集热器面积每天约能产淡水9 k g ，比常规太阳 能蒸馏器的每平方米集热面积日产淡水3 , - - 一5 k g 提高了很多。 ( c ) 强迫空气和水循环的太阳能海水淡化装置 通过以上介绍可以看出，一个典型的增湿除湿海水淡化系统通常由蒸发器、 冷凝器和集热器三部分组成。而使这三部分相互完全分离是许多学者经常采用的 结构形式。 f a r i d 和a l h a j a j 1 7 设计和建造了基于闭式空气循环和开式海水循环的多效 增湿除湿海水淡化装置。此装置由蒸馏器、平板式热水器和盘管冷凝器组成，还 配有风机、水泵、给水箱和预热水箱，如图1 1 1 所示。其原理是利用一个平板式 太阳能集热器来加热海水，用风机带动空气完成一个闭式循环，热海水与常温空 气混合得到湿空气，湿空气在一个表面积很大的冷凝器内冷凝，淡水凝结的大部 江苏大学硕士学位论文 分潜热用来预热海水。已达到日产淡水量1 2 l m 2 ，比任何盘式蒸馏器要高得多。 h h 随馨嘲群l l 一预熟穰；2 一缝塞耩$ 3 一冷凝嚣，t 一集魏曩i 器蒸馏豢；8 一滚耋计l7 一风执 图1 1 l 多效增湿除湿海水淡化装置 17 】 a l - h a l l a j 等a 1 8 建立了分离式结构的增湿除湿海水淡化装置。其装置的主 体是两个方形导管( 截面1 0 m 0 1 8 m ，高2 o r e ) ，两导管的上部通过一风机连通， 下部则分别放置有盐水槽和淡水槽，且装置中采用闭式空气循环和开式海水循环， 如图1 1 2 所示。 j 钕舅翻r 捌黼_ 一 e 图l - 1 2 分离结构的增湿除湿海水淡化过程 1 8 】 其蒸馏器具有典型的冷却塔结构型式，内置有许多4 5 度倾斜的木质填充物， 1 2 江苏大学硕士学位论文 比表面积为1 4 m 2 m 3 ；冷凝器则由一块镀锌钢板但o m 1 o r e ) 与一根焊接于其上的 螺旋铜管( 直径l l m m ，长1 8 m ) 构成，在室外正常运作时，与一个平板式太阳能集 热器( 1 0m 2 o m ) 联用。该装置在天气良好的条件下( 1 0 月份) 的淡水产率在 3 0 - 5 0 之间，为同样日照条件下太阳能蒸馏器的2 - - - 2 5 倍。进一步研究表明，喷 淋盐水流量对设备的传热与传质系数以及太阳能集热器的效率均增加，但整个过 程操作温度会下降，其综合结果是淡水产量随喷淋盐水流量的增加先增大后减小， 从而出现一个最佳操作流量。 ( d ) 海水喷入太阳能空气集热器的多级增湿除湿海水淡化装置 上述实验装置都是利用太阳能集热器来加热海水，然后将加热的海水与常温 空气混合，使空气变得潮湿，再将潮湿的空气冷却，从而就能从盐水中得到所需 的淡水。以上方法都是依靠水来吸收太阳的辐射能的，利用太阳能加热空气来进 行海水淡化是目前海水淡化的新发展。 c h a f i k 1 9 ，2 0 】研制了把海水直接喷射到平板式空气集热器内的海水淡化装置， 如图1 1 3 所示。利用太阳能将空气加热到5 0 8 0 ，被加热的空气通过注入海水可 以变得潮湿，然后将潮湿的空气冷却，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d , 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 。 r e c y d i n gf a n 图l 一1 3 多级增湿除湿海水淡化系统【1 9 ，2 0 】 1 3 江苏大学硕士学位论文 1 5 论文的主要研究目的 工业使用的大规模海水淡化技术( 如多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透) 已经成为 缓解世界缺水难题的重要手段。然而大规模的海水淡化必然要消耗巨量的传统能 源和建造规模庞大的工厂，从长远发展的角度考虑，必须进一步研究和_ 歼发新的 淡化技术，寻找新的节材、节能途径。太阳能海水淡化就是最好的替代方法。 目前国内外利用太阳能海水淡化的方式主要包括减压蒸馏方法和增湿除湿方 法。减压蒸馏法运行的压强必须保持在较低的压强下，要维持在低压下，要求严 格密封，且消耗真空泵较多的电能，另外存在整个装置结构比较复杂，操作运行 较困难，海水腐蚀和换热效率低等问题。增湿除湿海水淡化方法是目前研究的热 点，具有规模灵活、设备投资和操作成本适中、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。该技术被认为是太 阳能海水淡化中最具前景的方法。 在系统地了解分析国内外海水淡化技术的发展概况及最新进展的基础上，结 合目i j 海水淡化技术发展的要求，本文将围绕以下几个方面开展研究： 1 提出将太阳能空气集热器产生的热空气与海水混合来实现海水淡化的设计 方案。利用电吹风模拟太阳能，提出将热空气直接作用在海水的表面、热空气通 入水中、热空气与海水互相喷射与电加热海水等方法，找出最有利于海水蒸发的 实验方案。 2 通过试验测试找出最佳的蒸发器结构以及热空气与海水相互作用的理想混 合方式，找出获得最大蒸发效率的影响因素，如空气温度、空气流量、水温、初 始水量等。 3 设计将蒸馏器内蒸馏出的水蒸气冷凝，从而获得淡水的冷凝器。要求冷凝 器具有冷凝效率高、结构简单、占地面积小，造价低等优点。 4 以上实验所利用的热空气都是由电吹风提供，在f j 期利用电吹风来模拟太 阳能空气集热器的海水淡化实验基础上，将实际的太阳能空气集热器与上述增湿 除湿海水淡化装置联合起来，测试实际太阳海水淡化装置的性能，并与电吹风来 模拟太阳能空气集热器的海水淡化实验相比较，找出两者的偏差，为下一步太阳 能海水淡化装置的改进作指导。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第二章增湿除湿太阳能海水淡化装置设计及原理 如前所述，利用增湿除湿来实现太阳能海水淡化具有广阔的发展前景【2 1 ，2 2 。 在目前的增湿除湿过程中，大都利用太阳能集热器获得热水，热水将空气加热和 增湿，然后利用冷凝器将湿空气冷凝而获得淡水，冷凝过程中大部分的冷凝潜热 被用来预热海水。前人的研究都是首先利用太阳能来加热海水，然后再使海水与 冷空气混合，因此存在多种流动循环：太阳能热水器中的热水循环、待淡化的海 水循环以及增湿除湿的空气循环。系统存在结构复杂、换热效率低等问题。 在前人研究的基础上，作者提出了一种结合太阳能空气集热器的增湿除湿海 水淡化方法，即利用太阳能空气集热器产生的热空气直接喷入水中，热空气与海 水混合增湿后变成湿空气，湿空气经冷凝器冷凝，并经淡水槽收集而获得淡水。 紧接着介绍了湿空气的性质和湿空气的热力过程，推导了增湿除湿海水淡