（化学工程专业论文）太阳能烟囱海水综合系统中间壁冷凝换热机理的研究.pdf

中文摘要 针对太阳能烟囱系统的特点，结合目前太阳能海水淡化系统的技术发展趋 势，本论文首先提出了太阳能烟囱海水综合利用系统，并对系统的技术和经济可 行性进行了理论分析。最后结合实验数据对综合系统的淡水产量进行了核算，并 对冷凝器进行了初步设计。 论文主要对综合系统的间壁冷凝换热机理进行了探讨和研究。建立了竖直间 壁冷凝换热小型实验系统，针对不同的温度、风速条件进行了光滑管和翅片管强 化传热实验，考察了温度的轴向和径向分布，烟囱高度、集热范围、不凝性气体 浓度等对冷凝能力的影响关系，以及翅片管对传热的强化效果。建立了两种光滑 管传热冷凝理论模型，即衰变因子模型和扩散速率模型，考虑了不凝气体浓度、 气液界面切应力和物性参数变化、液膜波动等对冷凝换热的影响。 系统性能分析结果表明，每平方米集热棚面积的淡水产量为7 5 0 0 5 k g ( m 2 幻、 原盐量8 3 5 k g ( m 2 a ) ，2 0 0 m 烟囱高度下风电量为1 1 l k w h ( m 2 a ) ，水电量为 o 2 9 k w h ( m 2 a ) 。分析证明，饱和湿热空气中大量不凝性气体的存在对系统的淡 水获取和余热利用量起控制作用。实验得出了系统稳定运行时的温度场分布和风 速的理论预测公式，指出了光滑管冷凝传热效果最优的条件是高集热温度、达到 风速临界值、有效冷凝效率位于波峰，并且不凝性气体对数浓度差与冷凝淡水产 量呈正比关系，肯定了斜螺纹式翅片管的强化换热性能，但是却不利于淡水的收 集。理论分析给出了光滑管和斜螺纹式翅片管的饱和空气冷凝换热机理。建立的 理论模型属于非迭代简单模型，可以根据实验测量数据直接计算得出，都较好的 表达了实验系统的冷凝淡水收集情况和饱和空气的冷凝换热情况。分析表明在本 实验系统中，可以忽略冷凝液膜产生的阻力影响。本论文的研究将为系统的间壁 冷凝换热提供具体的实验和理论基础，为获得最大程度的冷凝淡水找出最佳的途 径。 关键词：太阳能烟囱海水淡化间壁冷凝不凝性气体 a b s t r a c t a i m i n ga te l i m i n a t i n gt h es h o r t a g e so fs o l a rc h i m n e y , s o l a rd e s a l i n a t i o na n d a n v i r o n m e o t a lr e q u i r e m e n tb e i n gc o n s i d e r e d , c o m b i n e ds y s t e m su t i l i z i n gs e a w a t c rb y s o l a rc h i m n e yt e c h n o l o g yw e r ep u tf o r w a r df i r s t l y t h e nt h e o r e t i c a la n a l y s e sw e r e d o n et oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t i e so ft e c h n o l o g ya n de c o n o m y f i n a l l y , c o n d e n s e ro f c o m b i n e ds y s t e m sw a sd e s i g n e d , a n dt h et h e o r e t i c a lw a t e fo u t p u tw a sp r o v e dt r u l y t h em e c h a n i s mo fi n d i r e c th e a te x c h a n g i n ga n dc o n d e n s a t i o nw a sm a i n l y s t u d i e do n a ni n d i r e c te x p e r i m e n t a lc o n d e n s e rs y s t e mw a ss e tu pf o rv e r t i c a ls m o o t h t u b ea n df i nt u b ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f t e m p e r a t u r e sa n dv e l o c i t i e s ，t oo b t a i nd a t a 0 1 1t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , t h er e l a t i o n s h i po ft e m p e r a t u r ew i t ha i rv e l o c i t y , t h e h e i g h to fs o l a rc h i m n e y , t h eh e a tc o l l e c t i n g , a n dt h ee f f e c t so fn o n c o n d e n s a b l eg a s e s ， t h ec o n d e n s a t i o na b i l i t yo ff o r c e df i nt u b e t h e nt w ot h e o r ym e d a l so fs m o o t ht u b e , t h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n tm o d e la n dd i f f u s i o nm o d e l ，w e r em a d ec o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo f n o n c o n d a n s a b l eg a s e sc o n c e n t r a t i o n , i n t e r f a c es h e a r i n gf o r c e s d i v e r s i t i e s o f p a r a m e t e r sa n dt h er e y n o l d sn u m b e ro f c o n d e n s a t ef i l m p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nr e s u l t si n m c a t ct h a tt h ec o m b i n e ds y s t e mc a np r o d u c e 7 5 0 0 5 t o n ( m 2 a ) w a t e r , 8 3 5 t o n ( m 2 a ) s a l t , 1 1l k w h ( m 2 。a ) w i n dp o w e ra n d o ，2 9 1 l ，b ( m 2 a ) w a t e rp o w e ra tt h ec h i m n e yh e i g h to f2 0 0 m t h ea i rf l o wi nt h e s a t u r a t e dh o ta i rc o n t r o l st h eh e a te x c h a n g i n gp r o c e s sa n dt h ew a t e rc o l l e c t i n g v e l o c i t y f o rs m o o t ht u b e t h eo p t i m u mc o n d e n s a t i o no c c l l r s 缸t h ec r i t i c a lw i n d v e l o c i t y , t h e h i g h e rc o l l e c t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ew a v ec r e s to ft h ee 氐c d v e c o n d e n s a t i o ne 衔c i e n c y , a n da l s ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s 1 h c o r o t i c a lw i n dv e l o c i t y f o r m u l aw a sg i v e n g o o dq u a l i t yo ft h ef i nt u b eo nh e a te x c h a n g i n gw a sc o n f i r m e d ， b u tn o tf o rc o n d e n s a t ew a t e rc o l l e c t i n g t w on o n i t e r a t i v et h e o r e t i c a lm o d e l sc a nb e c a l c u l a t e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t ad i r e c t l yw h i c hs u i t a b l ew e l lf o rt h ew a t e r c o l l e c t i o na n dt h eh e a te x c h a n g i n go fs a t u r a t e dh o ta i r , a n dt h el i q u i df i l mr e s i s t a n c e c 雅b en e g l e c t e d i ti sb e l i e v e dt h a te x p e r i m e n t a lo rt h e o r e t i c a lr e s u l t si nt h i sp a p e r w i l lp r o v i d eb a s i cd a t ao ra c ta sr e f e r e n c ef o rf u t u x el a r g es c a l ec o m b i n e ds y s t e m t h e a p p l i c a t i o no ft h i ss t y l ec o m b i n e ds y s t e mw i l lb l a z eaw a yi nr e a l i z i n ge c o n o m i c a l u f i l i z a t i o no f s o l a re n e r g y k e yw o r d s ：s o l a rc h i m n e y , s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n , i n d i r e c tc o n d e n s a t i o n ， n o n - c o n d e n s a b l eg a s 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，也不包含为获得苤鲞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：工俊纽 签字日期： 2 0 0 6口月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁鲞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：王彼红 签字日期：肿dj 月j 7 日 名：q 7 签字日期：三锣石年 7 日 刖吾 我国化石能源面临短缺、需求增势高、结构不合理、环境压力大等困境；同 时我国又是一个淡水资源严重短缺的国家，日趋严重的水污染进一步加剧了我国 淡水资源短缺的矛盾。 太阳能海水淡化和太阳能发电系统已逐步成为解决上述问题的技术方案。在 淡水资源日益匮乏的今天，利用太阳能进行海水或苦咸水的淡化，已愈来愈受到 重视。太阳能淡化海水的优势在于，不消耗常规能源，不产生二次污染，运行费 用最省，所得淡水纯度高等。此技术中能量的利用方式无外乎两种：其一是利用 太阳能产生热能以驱动海水相交过程( 蒸馏) ；其二是利用太阳能发电以驱动渗 析过程。虽然两种利用方式在技术上没有很大的困难，但在经济上仍不能和传统 的海水淡化技术相比拟。 太阳能热电系统分为聚焦和非聚焦两种。聚焦形式的太阳能热发电系统技术 已经成熟，但是其设备昂贵且易损坏，投资及维护费用相当高。非聚焦形式的太 阳能烟囱发电系统借助空气流动推动风力涡轮机发电，晴天和阴天都能充分的利 用太阳能，其发电系统成本较低，但是系统的太阳能发电效率较低。 国内外学者提出了众多的办法，解决热电应用过程中的低效率问题，如进行 温室植物种植和建立a s d 系统。但是前者的植物种类选择困难、产量不高，后 者的经济性差。如果将烟囱发电系统和a s d 系统相结合，并在合适的位置设置 冷凝装置，则可以在生产淡水的同时提高太阳能的系统转化效率。 针对太阳能烟囱发电系统的特点和不足，考虑目前太阳能海水淡化系统的技 术发展趋势，本论文提出一种综合的设计方案。该综合过程充分地利用太阳能烟 囱各分支技术的特点，有机地将太阳能蒸发冷凝淡化海水过程、海水浓缩过程、 风力或水力发电技术以及盐水生物养殖技术结合在一起。具有将强的市场经济竞 争力。 本论文首先基于这种思想提出了综合设计方案，对综合系统的技术和经济可 行性进行了估算。最后结合实验数据对综合系统的淡水产量进行了核算，并对冷 凝器进行了初步设计。论文的主要工作是研究综合系统的间壁冷凝换热机理。建 立了竖直间壁冷凝换热小型实验系统，针对不同条件进行了光滑管和翅片管强化 传热实验。考察了温度、烟囱高度和集热范围、不凝性气体浓度等对冷凝能力的 影响，以及翅片管的强化传热效果。建立了两种光滑管传热冷凝理论模型，考虑 了不凝气体浓度、气液界面切应力和物性参数变化、液膜波动等对冷凝换热的影 响。 系统性能分析结果表明，每平方米集热棚面积的淡水产量为7 5 0 0 5 k g ，( m j a ) 、 原盐量8 3 5 k g ( m 2 a ) ，2 0 0 m 烟囱高度下风电量为1 1 l k w h ( m 2 a ) ，水电量为 0 2 9 k w h c m 2 a ) 。实验得出了系统稳定运行时的温度场分布和风速的理论预测公 式，指出光滑管冷凝传热效果最优的条件是高、达到风速临界值、有效冷凝效率 位于波峰，并且不凝性气体对数浓度差与冷凝淡水产量呈正比关系，肯定了斜螺 纹式翅片管的强化换热性能，但是却不利于淡水的收集。得出了光滑管和斜螺纹 式翅片管的饱和空气冷凝换热机理。建立的非迭代简单理论模型，可以根据实验 测量数据直接计算得出，都较好的表达了实验系统的冷凝淡水收集情况和饱和空 气的冷凝换热情况。分析表明在本实验系统中，可以忽略冷凝液膜产生的阻力影 响。 本论文的研究将为系统的间壁冷凝换热提供具体的实验和理论基础，为最大 程度获得冷凝淡水找出最佳的途径。但为实现此目的，还需要更多、更细致的实 验和理论研究工作。 第一章文献综述 第一章文献综述 目前，电力和淡水资源短缺是我国乃至全世界都面临的两个问题。化石能源 的日益枯竭和环境问题的日益严重，促使人们加紧了寻找新的清洁可再生能源的 步伐。在众多能源中，太阳能以其独特的优势，无污染和再生性能愈来愈受到人 们的关注。利用太阳能进行海水或苦咸水的淡化和建立太阳能发电系统分别从两 个方面在一定程度上解决了上述问题。目前存在的太阳能海水淡化系统和太阳能 发电系统，作为单目标产品系统，技术成熟度具备，但经济上仍不能和传统的海 水淡化技术或化石燃料发电相比。 太阳能烟囱发电系统是一种太阳能热发电技术，在所有太阳能发电系统中， 它具有的优势在于其单位电力价格是最低的，每千瓦时的成本在0 2 5 e 以下。但 是单纯用于电力生产，限于系统的热力学特性，太阳能的转化效率也是所有太阳 能发电系统中最低的，一般小于1 。建立综合系统，充分利用现有的成熟技术， 可以提高太阳能的综合转化效率，即综合利用效率，同时还可以从另一个角度变 相降低每个产品的成本。本文在提出太阳能烟囱海水综合利用系统的基础上，对 综合系统中的间壁冷凝换热技术进行了研究。由于综合系统涉及太阳能烟囱技 术、海水蒸发过程研究、太阳能海水淡化技术和饱和空气冷凝过程，所以本综述 部分将分别阐述上述各方面的研究现状。 1 1 太阳能烟囱技术 能源是人类社会文明赖以存在和发展的物质基础。据报道【l “，开采成本较 低的化石燃料储量将在2 1 世纪的后期耗尽，2 0 3 0 年以后，化石燃料资源将成为能 源供应的一个问题。我国能源的现状与前景更不容乐观【5 1 。因此，世界各国逐渐 加快了寻找清洁的新能源的步伐。其中，太阳能1 6 - 9 j 是最有发展潜力的清洁可再 生能源。 当今，太阳能的利用途径有多种，而太阳能发电 1 0 - 1 3 】_ 直是人们研究的重点。 太阳能热电系统包括聚焦形式和非聚焦形式。聚焦形式的利用包括槽式热发电系 统，盘式热发电系统和太阳塔；非聚焦形式的利用有太阳能烟囱热风发电技术等。 聚焦型集热器仅能利用太阳直射辐射生产蒸汽来驱动热机发电，而对于非聚焦型 的太阳能烟囱集热器能同时利用太阳直射辐射和散射辐射，可同时用于晴天和阴 天，能更有效的利用太阳能，这一点对多云天气国家至关重要【7 】。正因为如此， 第一章文献综述 使太阳能烟囱技术2 0 多年来倍受关注，它将是实现大规模开发和利用太阳能的 一种新的途径。 1 1 1 太阳能烟囱发电技术 圈1 - 1 太阳能烟囱发电的工作原理图 f i g 1 - 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f s o l a r c h i m n e y 太阳能烟囱发电系统【1 4 】由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组三个 基本部分所构成( 见图1 1 ) 。集热棚用玻璃或塑料等透光隔热材料建成，四周和 地面间留有一定间隙，以让周围空气在浮力驱动下进入系统；而烟囱位于集热棚 中心离地面一定距离处，周边与棚体密封相连，底部装有风力涡轮机。当太阳光 照射集热棚时，大约8 0 的太阳可见光( 短波辐射) 能透过集热棚，被棚内地 面吸收使集热棚内空气温度升高，密度下降，形成浮力驱动，并借助烟囱的拔风 作用在烟囱入口处形成强大的气流，沿烟囱上升。同时，集热棚周围的冷空气进 入系统，从而形成空气循环流动。在这股强大的气流推动下，安装在烟囱底部入 口中央的单台涡轮发电机或是环形排列的多台小型涡轮发电机就会产生电能 【件1 6 1 。在空气循环流动过程中，产生了三个能量转换过程：太阳热能( 棚外) 一 空气内能( 棚内) 一空气动能( 棚内+ 烟囱内) 一电能( 涡轮发电机) 。从技术角度 来讲，太阳能热风发电站与水利电站颇为相似，都是将流体流动动能转变成叶轮 机械旋转机械能进行发电。 、 1 1 2 太阳能烟囱发电技术的发展和现状 世界上第一座太阳能烟囱发电站【1 1 8 1 是1 9 8 2 年由德国政府和西班牙一家电 力企业联合资助，在西班牙曼札纳市建造的。这座实验性电站f l ”的烟囱高 第一章文献综述 2 0 0 m ，烟囱直径为1 0 3 m ，集热棚的半径为1 2 6 m ，棚边缘处与地面的间隙约2 m ， 其中心距离地面8 m 。烟囱的底部装着涡轮机发电机组，由于设计得很好，涡轮 发电机可以昼夜不停地发电。白天涡轮机转速为1 5 0 0 r r a i n ，产生1 0 0 k w 的电量。 晚上集热棚下的地面把白天吸收的热释放出来，推动涡轮机以1 0 0 0 r m i n 的速度 运行，发电量为4 0 k w 。此外，美国、德国和南非等一些国家也对太阳能烟囱发 电及相关技术开展了一系列细致的研究瞄- 3 l 】。1 9 8 3 年美国科学家k r i s s 在康涅狄 格州首府西啥特福德市建了一座烟囱高度为1 0 m ，集热棚直径6 m ，输出功率1 0 w 的庭院式太阳能发电装置0 2 1 。1 9 9 7 年在美国佛罗里达大学花园中建了三种不同 型式的太阳能烟囱模型，进行了大量的理论和实验研究 3 2 - 3 5 】。土耳其科学家 k m l u a k 在土耳其的伊兹密尔市建造了一个微型电站，这个电站的烟囱高2 m ， 直径为7 e m ，集热棚区域面积为9 m 2 ，发电功率为o 1 4 w 。烟囱中的涡轮机转子 功率为0 4 5 w ，发电机的效率为3 1 。烟囱底部的温差和压差分别为4 0 c 和 2 0 0 p a 3 6 。 相较而言，国内由于技术资金等因素的限制，这方面的研究还很薄弱。华中 科技大学的杨家宽教授等人2 0 0 2 年1 2 月建造了国内第一座小型太阳能烟囱发电 实验装置幽圆i 。集热棚直径为1 0 m ，烟囱高为8 m ，直径为0 3 m ，集热棚的边缘 和中间离地高度分别为0 1 m 和0 8 m 。该系统的额定发电功率为5 0 w 。经1 年多 的运转测试实验表明，在晴天时烟囱中的上升气流能够推动发电机构正常运转。 宁夏回族自治区的三个省的客观条件满足这些要求，被选择用于构建太阳能烟囱 实验发电场。建立的太阳能烟囱直径为1 0 m ，高为2 0 0 m ，集热板直径为5 0 0 m ， 预计全年平均每月发电量为1 1 0 1 9 0 k w l 3 ”。 在对太阳能烟囱进行实验研究同时，各国科学家还对系统进行了相应的模拟 研究【3 9 ”j ，以确定系统的优化参数。 1 1 3 太阳能烟囱发电系统的优缺点 太阳能烟囱发电技术除利用清洁能源，没有温室气体排放，不产生污染，具 有良好的环境效益和社会效益外，主要有以下优点： ( 1 ) 棚体可吸收太阳直射辐射和散射辐射。由于温室效用，集热棚还可很 好的阻隔地面发出的长波辐射，并且集热棚内部具有良好的储热性能。 ( 2 ) 太阳能烟囱电站的建设成本不高，一次性投资与建设同容量水电站相 当，但不存在侵占耕地、破坏资源及库区移民等问题，且操作费用较低，规模越 大成本越低，特别适合于我国广阔的西部地区。 太阳能烟囱仍存在一些缺点：由于该系统一般建立在沙漠地区，所以透明材 料很容易被覆盖尘土，不易清洗，使透明材料的集热效率下降；同时在大风下， 第一章文献综述 透明材料易被破坏。从热力学角度而言，太阳能烟囱发电技术实际上仍是太阳能 热动力发电，任何热发电技术的转换效率都低于卡诺循环效率。葛新石等人在对 系统进行热力学性能分析后，指出，限于系统热力学特性，这种系统的太阳能利 用效率不会超过1 m 。西班牙系统的实验结果同样表明该系统的实际利用效率 也仅5 o ，这就决定了仅将收集的太阳能用来发电的单目标太阳能烟囱系统在未 来的发展中存在很大的障碍。 1 1 4 建立太阳能烟囱综合系统 为了解决单目标系统太阳能有效利用效率低下的问题，施莱奇教授指出可以 在大约7 5 的集热板覆盖区域采用温室进行植物种植。但是由于太阳能烟囱系 统内部的空气流动靠集热棚内外的温度差别，所以在风力涡轮机正常运转的过程 中，集热棚下温度一般可较环境温度高出3 0 。这么高的温度将不利于植物的 生长。同时由于太阳能烟囱发电系统一般建造在沙漠少人之地，所以植物生长所 需灌溉水资源缺乏。这些都将导致植物种类选择困难和产量不高。 英国的相关专利上提出利用烟囱的拔风效用，将英国伦敦的地下渠道中的湿 热空气抽出以改善环境m 】。随后，该系统又被提出可用来进行海水淡化或苦咸水 淡化的研究。综合系统的装置结构如图1 - 2 所示。 图1 - 2 英国专利中太阳能海水淡化系统的结构 f 皤1 - 2s o l a rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o ns y s t e mi np a t e n t 系统主要由以下几部分组成：气球( 中间充氦气) 及支撑气球的绳索；软管 ( 连接气球和冷凝装置的管道) ；高效的冷凝装置；烟囱；集热棚；反射装置( 用 来将更多的太阳能反射到集热大棚上面) 和蓄水槽。该系统在一定程度上与本文 将要阐述的综合系统相似，但它存在些固有缺陷。首先，高空的风速很大，用 第一章文献综述 气球方式来延长烟囱的高度是不可行的。其次空气流体流动时，将在软管内外产 生压差，这种内外压差是比较大的，目前并没有合适的软管材料。最后，采用大 面积的跟踪性太阳能反射器的设计将会大大增加系统的成本。 基于与英国研究者相似的考虑，葡萄牙研究机构i n i t e 的学者建立了高效太 阳能干燥( 蒸发) 系统( a d v a n c e ds o l a rd r y o r - a s d ) ，在盐池上方建立太阳能集 热棚，并同时采用烟囱技术，则海水上方的高温空气和强化的空气对流流动将会 强化海水蒸发过程，同时集热棚的覆盖将使蒸发过程中的盐池免受或少受外界环 境的干扰。通过模拟途径，他们对太阳能烟囱技术强化海水蒸发过程进行了理论 研究，得出所建立的系统与传统曰晒法【4 5 l 制盐过程相比，年产原盐量可达2 3 倍。同时，他们进一步指出，如果优化系统的结构参数，年产原盐量可达6 倍1 5 6 s w 。 遗憾的是，他们并没有将系统的实际蒸发量与自己的理论预测结果进行对比。 a s d 系统作为单目标产品系统，同太阳能烟囱发电系统相同，其经济性能 仍值得商榷。根据太阳能烟囱的工作原理和水体的蒸发过程，在这个系统中，进 入集热棚的空气被不断地加热增湿。如果对装置的结构参数进行优化或对水体蒸 发进行强化，使进入烟囱底部的热空气达到饱和状态，再安装适当的换热冷凝装 置，则可将蒸发的水分部分冷凝下来，生产淡水。这一过程采用太阳能加热海水 进而将蒸发的水分冷凝收集，也正是目前太阳能海水淡化技术的核心过程。 1 2 太阳能海水淡化技术 水资源短缺【卯- c o 是我国乃至全世界都面临的严峻问题。现在世界各国加紧了 向海洋索取淡水的步伐。目前，对海水或苦咸水进行淡化【6 i 皿1 的方法很多，但蒸 馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，都要消耗大量的燃料或 电力。对于资源贫乏、经济落后的地区会因成本高和电力缺乏而很难实现，且不 利于环境的保护。与常规方法相比，利用太阳能进行海水或苦咸水的淡化，已受 到世界各地越来越高的重视。太阳能是取之不尽的洁净可再生能源，利用它作为 淡化海水( 或苦咸水) 的能源，不需要消耗常规能源，不产生二次污染，运行费 用最省，所得淡水纯度高f 6 3 】。 纵观太阳能海水淡化研究的历史，利用太阳能进行海水( 或苦咸水) 的淡化， 其能量的利用方式无外乎两种。其一是利用太阳能产生热能以驱动海水相交过程 ( 蒸馏) ；其二是利用太阳能发电以驱动渗透过程脚j 。目前，对太阳能海水淡化 的研究和应用一般都采用蒸馏法，主要是指从太阳能采集热量，使海水( 或介质 淡水) 加热，产生相变继而冷凝收集淡水。太阳能蒸馏淡化在技术上也日趋成熟， 但其在经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比较。在电力缺乏的地区，利用太阳 第一章文献综述 能发电提供一部分电力，为改善太阳能蒸馏系统性能服务【5 8 】。 目前，人们研究得最多、技术上最为成熟的是盘式太阳能蒸馏器，这种装置 因结构简单和取材方便而易于推广应用。然而，盘式太阳能蒸馏器具有效率不高 的严重缺陷，一般而言，它的年产率仅为1 0 0 0 k g m 2 左右，不能满足用户的要求。 理论和实践均已证明，如果在系统运行过程中，蒸汽的冷凝潜热能被重复利用的 话，蒸发过程所需的热能将被显著降低1 6 5 阗。但是，它们的结构通常都很复杂， 运行成本及固定资本的投入相对较高，使得这些先进的系统通常只对大型的设备 具有经济可行性。 未来的太阳能海水淡化技术，在近期内将仍以蒸馏方法为主。研究高效的太 阳能海水淡化系统一直是科学家们的热门课题。理论和实验研究均已表明，提高 太阳能海水淡化装置的产水率，有两个最基本的方向：( 1 ) 重复利用水蒸汽的 凝结潜热；( 2 ) 强化蒸馏器内部的传热传质过程。基于这些思想，国内外报道 了多种新颖的太阳能蒸馏系统。结果表明，这类太阳能蒸馏系统由于重复利用了 水蒸汽的潜热，因而具有较高的产水率 6 7 - 7 0 。 在系统中，水蒸汽中总是或多或少混合有不凝性气体的存在，对水蒸汽的冷 凝换热产生很大的影响。在后面的论文工作中，将提出一个类似蒸馏法的温室型 太阳能烟囱海水淡化系统，此系统蒸发的水蒸汽将以饱和湿热空气的形式存在。 而大量不凝性气体的存在，是影响水蒸汽冷凝换热的一个关键因素，是传热传质 的主要阻力。这就需要考察不凝气体一水蒸汽混合气体的冷凝换热过程，以优化 系统的传热传质。 1 3 含不凝性气体蒸汽的冷凝换热 1 3 1 现象及机理 当饱和蒸汽与温度较低的壁面相接触时，蒸汽放出潜热，并在壁面上冷凝成 液体。蒸汽在容器表面冷凝时，根据冷凝液是否润湿壁面形成液膜，可分为膜状 冷凝和滴状冷凝两种方式。 滴状冷凝，是由于冷凝液不能润湿壁面，在张力的作用下，冷凝液在壁面上 形成许多不连续的液滴，并沿壁面落下形成的。在滴状冷凝时，壁面大部分的面 积直接暴露在蒸汽中，由于没有液膜阻碍热流，因此它的换热效率比较高，比膜 状冷凝可高几倍甚至十几倍。但是，滴状冷凝极不稳定，在工业上很难实现，工 业中遇到的蒸汽冷凝状态大多是膜状冷凝，故而仅对膜状冷凝进行研究。 在许多工业应用中，如电厂动力，核工业、船舶动力装置、制冷和化工过程 第一章文献综述 等，冷凝器是一种普遍应用的设备。但由于操作过程中设备的泄漏、蒸汽本身的 分解等都会使蒸汽中或多或少的掺杂不凝性气体。众多研究表明，蒸汽冷凝时， 水蒸汽中即使只含有少量的不凝性气体，对气液界面区的阻力也会产生很大的 影响。例如，当蒸汽中含o 5 的空气时，总的换热系数将减少5 0 甚至更多【1 0 6 。 含不凝组分的蒸汽冷凝过程其实质是冷却一冷凝过程。当含不凝组分的蒸汽混合 物经过低于其露点温度的器壁表面时，近壁面的蒸汽分子与壁面发生碰撞，造成 了能量损失，就会发生部分冷凝，在表面形成一层冷凝液膜。同时，蒸汽冷凝时 会夹带不凝性气体到界面，不凝性气体在界面不断积累，界面上的浓度高于容器 内气体主体的浓度，于是界面上的不凝性气体向容器扩散；相对而言，容器内的 气体水蒸汽混合物也不断向界面移动，进行冷凝。这就形成了一个动态平衡。 就系统压力而言，系统的总压力恒定，则气一液界面处的蒸汽分压力应低于容器 内的蒸汽分压力，以保证蒸汽不断扩散到气液界面进行冷凝。 由于不凝性气体在界面的聚集，形成了一个高浓度的不凝气体层，蒸汽分子 必须透过这一气膜层才能达到界面进行冷凝。所以，蒸汽混合物的冷凝换热过程 的总热量传递包括两部分，一部分是由温度梯度推动对流传递时所放出的显热， 可以利用气体传热膜系数进行计算；一部分是由浓度梯度推动蒸汽分子冷凝时所 放出的潜热，潜热的计算相对比较复杂。 1 3 2 研究现状 1 3 2 1 理论研究 1 总换热系数的研究 1 9 1 6 年n u s s e l t 【n 】首次用理论计算方法对纯蒸汽层流凝结液膜的冷凝换热系 数进行了研究，并且得到了较好的验证结果。他在模型中提出了三个假设条件： 一是冷凝液膜沿等温垂直平板向下流动；二是液膜表面没有波动；三是液膜内温 度在截面上呈线性分布。对于非金属流体，如水的纯蒸汽在垂直等温平板表面进 行层流液膜凝结，并且液膜很薄时，这个简单模型得到了很好的验证。 自1 9 1 6 年到目前为止，关于含有不凝性气体的蒸汽膜状冷凝和在不同工况 下的应用已有大量的理论和实验研究的报道，且其研究方法已经相当成熟。其中 囊括了许多学者对空气一水蒸汽的混合物沿垂直壁面的强制对流和自然对流的 冷凝换热研究，他们提出了各种各样的理论模型及计算方法，运用无因次数群法 研究了不同参数对冷凝换热的影响。主要有双膜理论法、边界层理论法、假想推 动势法等，并最终获得含不凝性气体的冷凝过程的总的换热系数。 双膜理论【_ 翻是本世纪二十年代由l e w i sw k 和w g w h i t a m 在研究相际间 第一章文献综述 传质的机理时提出的。双膜理论认为。在不互溶的两相流体间进行传热、传质时， 两相中的湍流运动在界面附近均行消失，整个传热传质阻力集中在界面两侧的两 层虚拟的停滞膜中。1 9 3 4 年，c o l b u r n 和h o u g c n 嘲以双膜理论为基础，率先用步 长迭代法对不凝性气体的换热系数进行了计算，研究认为冷凝液膜的传热量即为 气体边界层的传热量，并且气体边界层的传热量由不凝性气体冷凝放出的显热和 界面上蒸汽冷凝潜热组合而成。提出了一种估算“饱和水蒸气一空气”混合气部 分冷凝所需要的表面积的方法。但是c o l b u m 和h o u g c n 运用原始的双膜理论进 行研究时做了如下假设：( 1 ) 液膜界面为无波动的光滑面；( 2 ) 水蒸汽在界面 上的冷凝对传热、传质速率无影响。这两个假设都存在问题。首先，无波动光滑 界面的假设与实际冷凝状况不符，冷凝时，气体混合物与冷凝液界面间的剪应力 会引起界面上液膜的波动，从而使混和气体的流动阻力增加，相应地混和气体层 与液膜界面的传热传质系数会增加。其次，冷凝换热界面上的法向流体速度不为 零时的传热、传质系数不同于速度为零时的系数值。综上所述，c o l b u m 和h o u g e n 的研究并没有考虑相界面的形状、传质过程、冷凝界面上的法向流体速度以及物 性变化等对冷凝过程产生的影响，其研究结果并不是很实用。 针对这些问题，以后许多学者从改进最原始的双膜理论假设着手，提出了更 趋完善的、适于各种具体过程的双膜模型和计算方法。1 9 8 6 年n i t h i a n a n d a n 等 人【7 3 】把g i l l i l a n d 和s h e r w o o d l 7 4 提出的类似d i t t u s - - b o c l t c r 方程7 5 】的计算管内蒸 汽的冷凝换热系数函数关系式加入到r e u 心5 m o d 2 程序中来进行计算。v o t t a 和w a l k o r 7 6 提出了用总的换热系数和蒸汽与界面之间的温差计算总的热流量的 分析方法。k i m 和c o r r a d i n i 7 7 1 将总的换热系数定义为界面温度和蒸汽饱和温度 之差的函数。1 9 9 2 年p e t c r s o n 等人【7 8 】发现利用基本的热力学关系式就可以把冷 凝换热系数表示成简单的形式。 为了简化气体一水蒸汽混和气体传热时总传热量的计算，许多研究者 7 9 , 8 0 1 提出了假想推动势法。假想推动势法是在一定的假设条件下得到的，它将混和气 体的总传热速率表达为冷凝传热系数h 与假想势a f 的乘积形式。1 9 9 1 年，华南 理工大学的马军【8 1 】运用传热假想推动势法对气体一水蒸汽混和气体做了研究。利 用可用能方法提出了新的假想势。上述关于假想推动势的研究都是在一定假设条 件下提出的，因而都有其适用范围。 s p a r r o w 和l i n 瞵2 】对饱和湿热空气在平板上层流膜状冷凝进行了研究。研究 中假定物性参数不变，运用相似理论对冷凝液膜和气体边界层的微分守衡方程进 行研究。1 9 6 6 年，m i n k o w y c h 和s p a r r o w ”】用边界层理论研究了蒸汽冷凝情况。 并综合考虑了界面热阻、蒸汽不饱和度、物性参数变化和界面扩散等的影响因素。 分析结果表明，当不凝性气体质量百分比从0 1 5 增大时，换热系数的减少 第一章文献综述 量将从1 0 变化到9 0 ；当系统压力升高后，蒸汽不饱和度对冷凝换热的影响 将会交大。此后，s p a r r o w 等人【删也研究了强迫对流的影响。边界层分析法中动 量方程、能量方程和组分方程的求解，特别是当气一汽混和气体处于湍流状态时， 这些方程的求解过于复杂，因此目前只用来处理静止环境下平板表面上的蒸汽冷 凝等混和气体与几何形态较为简单的传热面之间冷凝换热。 n i k i t c n k o 和y a t s e v s k i y _ 【 】对流过垂直表面的紊态蒸汽空气混合物的冷凝进 行了研究，提出了液膜冷凝的数学模型。模型中，对冷凝液膜层和气液边界层分 开研究其流体力学的、热的和扩散的作用。 p o n g 和m o s e s i s 6 基于弱凝结和强凝结的理论，对仅含一种不凝性气体的强 凝结进行了研究，得到了扩散系数作为冷凝性气体和不凝性气体物性的函数，并 跟实验数据进行了比较。 w a n g 和1 0 7 】分析了蒸汽混合物在垂直管内强迫流动时，雷诺数和压力对层 流液液膜冷凝的影响。分析结果表明，在低雷诺数和低压力下，不凝性气体对蒸 汽冷凝影响比高压和高雷诺数时大很多。v o l o d i n 和m i 妯【a l e v i c “”】也研究了过热 蒸汽在竖直管内的强迫对流冷凝，冷凝液膜处于湍流流动；研究发现蒸汽混合物 沿整个管内发生强迫对流冷凝时，蒸汽凝结会大大加强。 1 9 9 7 年，d e h b i 和g u e n t 的】对含不凝气体的竖直管冷凝器的性能建立了一 个简单模型。首先建立了包含界面剪切力在内的动量方程，推导出液膜厚度为流 动及几何参数的努赛尔特型方程，并通过传质传热间的关系推导出冷凝速率；该 模型通过建立冷却面的传热模型代替了获得壁温以确定局部冷凝速率的非自主 模型，并对进口浓度、进口流量、总压及不凝气体的摩尔质量的重要因素对冷凝 器的性能的影响进行了参数模拟。 2 液膜层和不凝性气体层的厚度和局部传热系数的研究 在研究过程中，很多学者 9 0 - 9 5 1 提出了计算液膜厚度和液膜层传热系数的方 法。其中，b 1 姐刚i 【舛1 的液膜传热系数计算模型，m u n o z c o b d g j 液膜厚度计 算模型等应用较为普遍。 1 9 9 0 年，k i l n 9 0 提出了一个可靠的模型用于计算平板换热中的冷凝液膜厚 度和冷凝液膜侧的传热系数。1 9 9 5 年，r a n s o m 和t r a p p 等人在r e l a p 5 m o d 3 程序中的默认模型采用了n u s s e l t t 7 1 1 关系式和s h a h t 9 2 1 关系式分别来计算层流和湍 流状态下的传热系数，并根据两种流动状态下的最大值计算出冷凝液膜传热系 数。1 9 9 7 年，k u h n 9 3 】利用动量平衡方程求得冷凝液膜厚度，在求解过程中考虑 了界面剪应力的减薄效应，冷凝液膜传热系数则根据b l a n g e t t i l 9 4 1 液膜模型求得。 1 9 9 6 年，m u n o z c o b o 9 5 提出了一个可以精确预测竖直管内冷凝的液膜厚度和其 局部冷凝传热系数的模型，同时提出了一个无需进行迭代计算的近似方法来计算 第一章文献综述 冷凝液膜层厚度，通过计算发现，管内冷凝较平板冷凝的液膜厚度稍微薄一点， 故可以忽略冷凝表面形状不同带来的差异，但是冷凝液膜随混和气体剪应力的变 化很大。除了上述利用不同的液膜厚度计算方法外，还可以利用m c a d a m s t t 5 1 修 正因子法求得液膜传熟系数。s i d d i q u e 【9 6 1 和a r a k i 9 7 l 运用了m o a d a m s 修正因子法， 并粗略考虑了剪应力的影响。 关于不凝性气体混和层的相关计算模型大体分为三种方法。第一种方法是由 1 9 9 4 年s i d d i q u e i 首先提出的，模型考虑了强传质、发展流、液膜粗糙度和物 性变化的影响，对原始的n u s s e l t 数定义关系式和s h e r w o o d 关系式进行了系数校 正；同年，h a s a n e i n l 1 把它推广应用到了含空气氦气的管内蒸汽冷凝的情况。第 二种方法是运用有效冷凝热传导系数的扩散层模型。1 9 9 3 年，k a g c y a m a 叫提出 了竖直管内含不凝性气体的蒸汽冷凝的扩散层模型。p e t c 猖【档】也提出了一个类 似的模型，此模型的适用条件是冷凝汽一气混合物主体做湍流流动，冷凝壁面为 竖直管内壁面或竖直平面；模型运用传热传质相似理论结合冷凝液膜模型求得局 部冷凝速率，运用传质推动力( 以温差形式表示) 和相应的热力学关系式来计算 有效冷凝热传导率。第三种方法是传质传导率模型。此类模型运用传质关系式的 形式来解决竖直管内混和气体冷凝的传质问题，并运用传质传导率的概念和传质 推动力来求得传质速率。a r a k i t 明提出了一个类似于m i l l s 1 0 0 1 的传质传导冷凝模 型，对比平板和圆柱内蒸汽冷凝时的质量通量发现，后者的质量通量总是小于前 者。 综上所述，在众多的理论研究成果中，大多数计算过程需要进行迭代计算。 例如，k u h n t ”1 在其研究中提出了三种冷凝传热关系式来求解含不凝性气体的蒸 汽在竖直壁面冷凝时的传热问题，这三种关系式分别是：( 1 ) 作为经验关系式 提出的简单的衰变因子法；( 2 ) 扩散层理论模型；( 3 ) 传质传导模型。这三种 模型的共同点就是都需要假定气一液界面的温度，然后进行迭代计算，因为这个 界面温度对冷凝液膜和汽一气混合物的传热计算至关重要。 在众多含不凝性气体的冷凝传热的相关模型中，大多数模型都需要假设界面 温度等参数进行迭代计算，计算比较冗长复杂。为了简化冷凝换热模型，并提高 其应用性，有的研究人员在迭代模型的基础上进行了改进，提出了非迭代模型， 通过参变量的替代转换，无需迭代计算找出汽一液界面的温度和压强等未知物性 参数。例如，2 0 0 2 年，h e ec h e o nn o 1 0 1 】等人对含不凝性气体( 空气) 的竖直管内 的蒸汽冷凝进行了研究，基于传热传质理论，提出了一个复杂的迭代计算模型， 在此基础上又提出了一个非迭代模型，这个模型中的传热n u s s e l t 数被表达为下 列变量的函数：空气的质量分数、j a k o b 数、传质s