（工程热物理专业论文）海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 盐梯度太阳池集收集和贮存太阳能于一体，可以作为低温热源为各种用途供热。本 文针对非对流型海水太阳池主要做了如下工作： 1 完成了海水太阳池的建造、池水灌注等一系列实验工作，对太阳池温度及盐密度 进行了持续、简便的测量，得到了大量的有关温度和盐密度实验的数据。 2 由于水浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一，因此提高水的透明度能够增加 太阳池的运行效率，本文采用药剂降浊和过滤降浊配合使用的方法对苦卤溶液进 行降浊增效的实验研究。 3 通过实验室实验和对太阳池的实际测量，研究太阳池内苦卤密度和浊度的扩散规 律。 4 本文也分析太阳池运行过程中影响浊度的因素，包括风雨等自然条件及藻类等微 生物的影响。 5 对大连地区的太阳辐射和空气温度进行了一年的连续测量，并根据测量数据分别 拟合出2 0 0 4 年大连的太阳辐射和空气温度的函数。 6 对降浊后的苦卤溶液在不同深度，不同浊度下的辐射透射率进行测量研究，并得 出浊度在o - l o n t u 范围时辐射透射率的模型。 7 采用新的辐射透射率模型，应用有限差分法对一维模型下太阳池热性能进行数值 模拟。 本文对苦卤溶液的降浊处理、密度和浊度的扩散以及辐射透射率模型进行了详细的 研究，并用提出的新模型对太阳池进行了数值模拟。由于浊度和太阳辐射的差别很大， 数值模拟的方法也很多，所提出的经验公式应在使用中进行进一步检验、校正和完善。 关键词：海水太阳池：降浊；密度；辐射透射率 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d y o fr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o na n dt h et u r b i d i t yo i lt h es o l a r p o n d a b s t r a c t t h es a l t - g r a d i e n ts o l a rp o n dc a nc o l l e c ta n ds t o r a g es o l a re n e r g ya n dp r o v i d eq u a n t i t yo f h e a ta sal o wt e m p e r a t u r e t h i st h e s i sh a sc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gw o r ka b o u tt h es e a w a t e r s o l a r p o n d ： 1 c o m p l e t i n gt h ec o n s t r u c t i o na n df i l l i n go f s e a w a t e rs o l a rp o n d w i t ht h ec 1 r o n cm a d s i m p l em e a s u r e m e n t s ，q u a n t i t y o fd a t aa b o u tt e m p e r a t u r ea n ds a l tc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o na r ea c q u i r e d 2 t h et u r b i d i t yo fw a t e ri so n eo ft h em a i nf a c t o r st oa f f e c tt h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e s o l a rp o n d s oi n c r e a s i n ga q u e o u sc l a r i t yc a ni n c r e a s et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e s o l a rp o n d i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o do fu s i n gf i l t r a t i o na n dm e d i c a r n e n tt or e d u c et h e t u r b i d i t yo f b i t t e na n d i n c r e a s e e f f i c i e n c y i ns o l a rp o n da r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d 3 w i mt h ee x p e r i m e n to fl a b o r a t o r ya n dp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t so fs o l a rp o n d d e n s i t y a n d t u r b i d i t yo f b i t t e n o nt h es o l a r p o n d a r er e s e a r c h e d 4 t h et h e s i sa n a l y z e dt h ef a c t o r so f a f f e c t i n gt h eo p e r a t i o no f s o l a rp o n d , i n c l u d m gn a t u r e c o n d i t i o n ss u c ha ss t o r mo rr a i na n d m i c r o o r g a n i s m s a st h e a l g a e 5 m e a s u r i n g t h er a d i a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo fa i ri nd a l i a n ，t h ee m p i r i c a le q u a t i o n so f t h er a d i a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo f a l ri nd a l i a na r es u m m a r i z e d 6 m e a s u r i n g t h et r a n s m i s s i o no fr e d u c e dt h et u r b i d i t yo fb i t t e ni nt h ed i f f e r e n td e p t ha n d t u r b i d i t y ，a n de m p i r i c a le q u a t i o n o fb r i n e sr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o nw h i c ht u r b i d i t y r a n g e sf r o m o n t ut o1 0 n t ui ss u m m a r i z e d 7 u s i n gn e w r a d i a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e l ，t h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h es o l a rp o n di s s i m u l a t e db yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d t h e a n a l y s i so f t h i st h e s i si n t h e e x p e r i m e n t so f r e d u c i n g b i t t e r n st u r b i d i t y ，t h ed i f f u s e n e s s o fb i t t e r n sd e n s i t ya n dt u r b i d i t ya n ds o l a rr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o na n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs o l a rp o n da e l a b o r a t e d b e c a u s eo f t h ev a r i a t i o no f t u r b i d i t ya n dr a d i a t i o na n d t h ev a r i o u s o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ee m p m c a le q u a t i o nc a r lb er e f e r e n c ef o rt h ea c t u a lo p e r a t i o n o f t h es o l a rp o n d k e y w o r d s ：s e a w a t e rs o l a rp o n d ；r e d u c i n gt u r b i d i t y ；d e n s i t y ；r a d i a t i o nt r a n s m i s s i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 太阳池技术概述及研究意义 太阳能是一种巨大且无污染的可再生能源，伴随人类的出现，就开始了利用太阳能 的漫长过程。太阳能取之不尽、用之不竭且不需要开采和运输，不受任何国家垄断，是 随处可得的廉价能源。太阳是一个炽热的球体，也是个持续的核聚变反应堆。太阳辐 射能的聚变反应中最主要的是氢聚变成氦的过程。在这个过程中损失的质量转变成能量， 可产生3 6 0 x1 0 2 1 k w 的功率。这股能量以电磁波的形式向空间四面八方传播，到达地球 大气层上界只占上述总功率的2 0 亿分之一，即1 8 0 1 0 。2 k 姒考虑到穿过大气层时的衰 减，最后到达地球的总功率为8 5 1 0 ”k w ”。他相当于全世界总发电量的几十万倍，从 这个意义上讲太阳提供的能量是无穷尽的。照射到地球表面的辐射能，能量主要集中在 波长为o 3 2 5 微米范围内，包括紫外线、可见光和近红外三部分。另一方面，由于太 阳能流密度低，受昼夜、季节以及晴阴云雨等因素的影响具有间断且不稳定性，因此太 阳能收集困难，利用装置投资昂贵。但从多方面的实际应用上都显示出可观的社会和经 济效益，并且还蕴藏着巨大的发展潜力。 太阳池就是一个具有收集和贮存太阳能的双重功能，被誉为未来可以大规模和长时 间贮存太阳能的最有应用前景的低温( 一 0 时才有意义。如果曰： 要，则表明太阳在地平线 以下，因此，i f 0 。 因此，水平面上某一时间内的太阳辐射能可表示为： 峨= f 2 ，气( s i n 妒s i n 占+ c o s c o s j c o s a r ) d t ( 2 1 7 ) 若d t 改用时角表示，即函：兰d 酊，上式变为： 爿j = 二兰。 s i n s i n 8 ( m 2 一c 码) + c o s c o s 万s i n c 一c o s 妒c o s 6 s i n n r l ( 2 1 8 ) 上式是计算某一时间内，例如一个小时到几个小时内的太阳辐射量。对全天太阳总 辐射的总量，上式的积分界限应该改为由日出一吼到日落+ 吼，即： h o = 三二，。 万os i n 妒s i n 6 + c o s 妒c o s j c o s 珂o ( 2 1 9 ) 在赤道地区，一年内任何时间刃。= 万2 ，而= 0 ，上式可简化为： ：等玎一s d2 0 ) 在两极，= 9 0 。，对于北极的夏季，= 石，由2 - 1 9 式有： 凰极= 2 4 噱。s i n 6 ( 2 2 1 ) 2 22 太阳辐射透射率模型 太阳辐射透射是影响太阳池热性能的主要因素之一，前人对此也作了大量的工作。 如果不考虑卤水浊度时，根据b r y a n t 和c 0 1 b e c k 口7 1 的经验公式( 可简称b c 模型) ，进入 池中的太阳辐射能在穿行了y 米后，未被吸收的份额，即辐射率为： h = 0 3 6 0 0 8 1 n y ( 2 2 2 ) 由于阳光不是垂直的射入池中，设x 为池表面向下起算的深度，则实际的穿行距离 y = x c o s i ，其中r 是阳光进入池水的折射角。b c 模型以其简单直观的观点得到了较为广 泛的应用。其缺点是误差大，并且必须确定平均折射角r 。 大连理工大学硕士学位论文 由此，r a b l 和n i e l s e n 则提出了对辐射透射率较为精确的模型c 2 j ( n 简称为r n 模型) 可用下式表示： 日( x ) = r h ( s ) 玎。e x p ( 一。x ) ( 2 2 3 ) ，= l 口与的值可由下表2 一l 查出。 表2 - 1 对应参数 t a b l e2 - 1t h e c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r 然而，r n 模型也没有提及池水的澄清度对透光性能的影响。为此w a n g 和s e y e d 在1 9 9 4 年提出了一种经验公式( 简称w s 模型) 郾】，可以计算不同浊度、不同深度处 的辐射透射率。当均匀浊度时，该模型可用下式来表示： h ( o ，x ) = h ( o 3 ，曲r ( 0 ，x ) ( 2 2 4 ) 式中：h ( o 3 ，x ) = 0 5 8 0 0 7 6 l n ( 1 0 0 x ) ： r ( o ，x ) = 1 0 1 9 7 5 x ( 0 一o 3 ) + o 0 1 4 4 x ( 0 0 3 ) 2 ：h ( o ，石) 为无量纲的透射函数。 0 为盐水的浊度，单位为n t u 。h ( o 3 ，x ) 是水浊度为o ，3 n t u 时的无量纲参考透射函数， 而尺( 1 9 ，x ) 贝g n 给定浊度下的无量纲透射函数和参考函数的比值，二者均具有如上所示的 经验公式。这样就可以在传热分析中加入浊度这个重要因素。 将式( 2 2 4 ) 加以扩展，就可以得到非均匀浊度时，浊度与辐射透射率的经验关系式： i t t - 1， 向( 厂( 只) 一x ) = 五( 够，x l k ) 一艺h ( o j m 丘) ( 其中x ：杰o ) ( 2 2 5 ) j 2 i r ；- j 2 1 2 l j = i 式中：厂( 鼠) 代表穿过i 层盐水的综合浊度，x 为水面起算的深度，臼，、o j + 分别表示第 j 和第j + 1 层的浊度，。表示第k 层的分层厚度。 2 2 3 考虑池底反射的情况时太阳辐射的吸收 水对太阳辐射的吸收具有选择性，因此太阳池中的太阳能收益与太阳辐射中的直接 辐射和间接辐射光谱分布有关，而二者是不同的且均与太阳高度角和气象条件有密切的 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 关系。当太阳光线入射到水一空气界面时，少量的入射光线将直接反射回空气中，而大部 分太阳光线将进入水中。如图2 - 2 所示。 $ 1 x r t a c e p o r e df l o o r 图2 - 2 太阳辐射在水池传播示意图 f i 9 2 2m u l t i p l e r e f l e c t i o n so f s o l a r r a y st r a p p e d w i t h i naw a t e r p o n d 光线的进行过程中，部分将被水吸收，因而其光强度将逐渐减弱，考虑到水对太阳 吸收具有选择性，为简化计算，将入射光线分为若干个光谱段，每一光谱段的平均消光 系数为k ，能量分量为，( 岛= 1 ) 。对任意第j 光谱段，有空气一水界面到空气中的反 射率r a 可以表示为 6 3 1 ： r = 0 5 s i n ( 妒l - 8 t ) s i n ( 4 0 【+ b ) 】2 + o 5 t a n , 一0 0 t a n ( c p i + 岛) 2 ( 2 2 6 ) s i 唱= n w s i n q ( 2 2 7 ) 当o t = 0w - r 。= 伽。一1 ) 2 ( n 。+ 1 ) 2 ( 2 2 8 ) 由于太阳池上对流层用淡水冲洗，所以水的折射系数n f l 3 3 ，鼠和仍分别为太阳光 线在空一水界面上的入射角和折射角。太阳光由空一水界面反射到水中的反射率r 可以用 0 ：代替0 。，妒2 代替仍和1 n 。代替n 而由方程2 2 6 求得。 传输于半透明介质中的太阳辐射的吸收遵守b o u g u e r 定律，该定律指出，水对太阳 辐射吸收正比于其光强度和其在水中传输的距离x ，即： d i 一声，i d x( 2 2 9 ) 大连理工大学硕士学位论文 当x = 0 时，z = ( t r 。) 。t 。，因此，第j 光谱段从水中传输到池底后，其光强度变为 ( 为方便，设i o = 1 ) ： 1 1 = ( 1 一尺。) 屈a ， ( 2 3 0 ) a ，= e x p 一i 3 3 k , h ( i 7 7 一s i n2 臼o5 】 ( 23 1 ) 其中：h 为水池的水深( m ) 。假设：池底为理想的漫反射面，其吸收系数为d ，水池的 表面尺寸远大于水深。由于池底反射且反射角0 2 小于只= 4 8 7 5 。 ( 光在水一空界面上的 全内反射临介角) 的太阳辐射将部分进入空气中，其余的由池底反射到水面的太阳辐射 将全部再次反射到水中。来自水池的反射光的角强度为： i l = 州1 一a ) l x ( 2 3 2 ) 因此，由池底反射进入立体角d q = 2 z s i n 伊，d 乱并折射出水面而进入空气中的辐射 为： d ，= i l ( 1 一口) 石 c o s 岛棚( 1 一r 。) g “何h 啦b ( 23 3 ) 这样，第j 光谱段由池底反射出水面进入空气可通过上式对曰，所形成的立体角积分 而求得，即： i 。( 卜口) b j( 2 3 4 ) b ，= f s i n 2 0 2 ( 1 一r 。弦咄“b d 0 2 ( 2 - 3 5 ) 其余的未被折射出水面的第j 光谱段太阳辐射将在水池内多次反射和吸收。通过跟 踪被陷在水池内的光线的行径，得到每一次反射一吸收过程并最终折射出水面的太阳辐射 为： i ：( 1 一盯) b j ，i a ( 1 一口) b 。，i 。( 1 一口) b 其中： i 。= i ，( 卜a ) c j = i ；( 卜a ) ”1 c j ”1( 2 3 6 ) c j = f s i n 2 0 2 r 2 叫“。s 岛d 0 2 + 2 s i n 2 0 2 - 2 k j h l c o s o z d 0 2 ( 2 哪) 第j 光谱段的总的反射等于各次反射的太阳辐射之和，即： r s 硝髓等等等等 。s ， 水池总的反射等于各光谱段所反射的太阳辐射之和，即： r = r 。+ ( 1 一口) ( 1 一r 。) d ( 2 - 3 9 ) = 1 r = ( 1 一r 。) 1 一( 1 一d ) d ( 2 - 4 0 ) 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 d ：生! 生竺1 1 2 4 1 ) 算1 一( 1 一c ， 对于各向同性分布的散射太阳辐射，其等效吸收率吼可通过对理。在整个水池上方 的半球空间积分求得： a d = 2 【d d s i n 曰lc o s 曰i d 岛 ( 2 4 2 ) 知道了地面上的太阳光谱，水池的太阳吸收率便可以通过上述数学方法求得。可见， 地面上的太阳光谱密切地与大气质量和气候条件有关，而且直射辐射的光谱与散射辐射 的光谱又不相同，即：屁j 岛、，。因此方程( 2 4 1 ) 中的参数d 对直射辐射和散射辐射 是不同的。本文的数学计算表明，对任何散射光谱分布，均近似等于鼠= 6 1 2 。所对 应的a 。因此，我们可得到如下关系式： a d = ( 1 一r 。) 1 一( 1 一口) d 6 】 ( 2 4 3 ) = 0 9 3 4 1 一( 1 _ 口) d d ( 2 4 4 其中： d b = 姜羔 玩= 喜等等 治。e ， 以上的分析表明：水池对折射辐射的吸收率与太阳入射角只，水池水深h 和光谱 分布有关，而口。只与水深和其光谱分布有关。 2 3 本章小结 本章分析了海水太阳池的物理模型。从总体上来说，太阳池可以由三个部分组成， 上对流层，梯度层及下对流层。在进行传热计算时，通常还要考虑向周围土壤的换热。 本章重点分析了影响太阳池的热效率的重要方面之一，太阳辐射透射率的吸收问题。 水对太阳辐射的吸收不仅与太阳的辐射强度、入射角度有关，而且其澄清度也是一个重 要因素，并用公式表明了这种影响。同时池底也不能近似的看成是黑体，池底反射对辐 射透射率也有着一定的影响。这为定量的分析太阳池温度起到了一定的作用。 大连理工大学硕士学位论文 3 海水太阳池的实验研究 3 1 海水太阳池的设计与建造 3 1 1 苦卤的特点 制盐后的废弃液俗称“苦卤”。制盐的过程中，盐水浓度高于2 5 。b e ( 1 2 0 9 5 k g m 3 ) 后就会有n a c l 大量的析出，苦卤中m g c l 2 、m g s 0 4 、n a c l 的含量比较接近。因此苦卤 的浓度可达3 5 。b e 。表3 - 1 是制盐过程中的卤水的主要成分【6 1 。 表3 1 制盐过程中卤水成分 t a b 3 1s a l tc o n t e n to fs e a w a t e ri ne v a p o r a t i o n m k g 。b ep i ( t m 3 ) 矿m 3 h ，o n a c l m g c t 2m g s 0 4c a s 0 4 3 51 0 2 5 10 0 0 2 7 2 83 3 7 52 ，1 41 4 1 69 8 96 7 01 0 5 l0 4 9 12 7 2 83 3 7 52 1 414 1 64 8 09 1 6 01 1 2 50 1 9 12 7 2 83 3 7 52 1 40 7 6 81 8 0 1 2 5 01 2 1 0o 1 0 82 7 2 83 3 7 52 1 40 1 8 79 6 3 3 0 01 2 6 20 0 2 74 8 l3 3 7 52 1 40 0 1 82 32 制盐的废弃物也经常免费提供给工厂用于制取m g c l 2 ，但目前m g c l 2 已经供大于求。 化工厂对苦卤的需要有限，而环保部门明令禁止苦卤向海水中排放。因此，盐场苦与无 处排放卤水。若利用苦卤灌注太阳池不仅节省了盐场的制盐费用而且有利于环保。 3 1 ，2 太阳池的建造及灌注 ( i ) 区域的选择 在建造太阳池时，首先应对太阳池的外围结构进行细致地考察。如果池壁的性质与 土壤差别较大，由于温度升高所引起的不同的热膨胀就会对池壁造成很大的损害。建池 地点也要仔细选择，一般在盐场盐田旁边，靠近卤水池以利于卤水的输运并且具有良好 的日照条件。而盐田附近的地质有两个重要的特点：一是由于盐水的长期浸泡土质坚实。 二是挖至水面1 m 以下必然渗水。前者对太阳池的建造有利，后者给挖池带来了一定困难。 如渗入的水对挖掘的影响不大，无需向外泵水。考虑到以上的这些特点将太阳池设计成 低成本的圆台型结构。池壁与竖直方向里4 5 0 角，素土夯实。快速在池底铺上一层预先 热压焊接好的黑色塑料，然后在塑料上铺上一层薄薄的粘土，粘土尽量要均匀且不要弄 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 破塑料，然后铺上第二层塑料。这样做不仅节省了费用同时可以防止溶液通过池壁向周 围土壤渗漏、传热。而且池底的塑料即能看成黑体吸收太阳光，又可以大大减少向土壤 传递的热损失。 ( 2 ) 池体结构 为防止池壁顶部土壤移动和坍塌，池壁要做成坡形，一般采用1 ：l 坡度比。而池深 的选择依赖于对贮存热量的要求。因为盐水溶液的太阳辐射透射率与水浊度有关，即辐 射强度随水深以指数规律衰减，在液面下8 0 e r a 深处的辐射强度仅为池面处的2 7 6 。显 然，较浅的太阳池能够将更多的辐射能量传送到池底，但是它只能提供一个较薄的隔热 层；反之，较深的太阳池虽然到达池底的辐射能量较少，但其储热层较厚，保温性能也 更好。储存区深度为2 m - 5 m 的太阳池，将能长期的贮存大量的热能，其损失小，池的储 热效率也高：储存区为0 3 m l m 的池子能达到9 0 。c - 1 0 0 。c 的高温口”，但对周围空气和土 壤的热损失较大，储存时间也较短口引。 ( 3 ) 太阳池的灌注 实验太阳池采用三层灌注的方法，首先利用盐场制盐后废弃的卤水作为底部储热层 的介质，其优点是盐水浓度高，造价低廉，且减少了盐场制盐后对环境的污染。但由于 卤水溶液的色度和浊度都很高，对太阳能的透射有很大的影响。因此需利用物理、化学 或生物方法，降低太阳池的浊度来提高海水太阳池的透明度。降浊处理后的卤水要通过 两级沙滤器过滤。第一级是粗沙滤器过滤( 底部加入粗沙，上部加入细沙) ，第二级是 细滤器( 内装5 。l o p g n 的滤芯) 。过滤后的卤水将做为l c z 层用扩散器( 苯板截成的两 个大小不同的圆形，使小圆板固定在大园板上，做成苯板漂浮扩散器。其原理是用控制 流量的方式使溶液均匀的流入池中，以减少池水的扰动) 向灌注太阳池。在储热层以上 以海水作为梯度层的介质，可以减少盐的扩散时间，缩短太阳池达到稳定的周期。最后， 在池表面用淡水进行冲刷，这样既可以抑制太阳池表面较强的蒸发能力，避免水位快速 的下降，还可以把太阳池表面的悬浮物冲洗掉，降低太阳光的折射和反射损失。同时依 靠表层和底层的浓度差保持了太阳持稳定的盐梯度。图3 1 是已建成的8 0 m 2 的海水太阳 池的示意图。 - 2 0 大连理工大学硕士学位论文 图3 一l 实验海水太阳池示意图 f i g 3 - lt h e e x p e r i m e n t a ls o l a rp o n d 在建成的太阳池中，各层的密度分布按图3 2 所示，l c z 层灌入降浊处理过的密度 为1 2 3 0 k g m 3 卤水溶液，浊度在7 n t u 以下，灌注深度约为o 9 m ；n c z 层灌入海水，其密 度梯度层可见下图的梯度层部分，灌注高度为0 4 m ；表面层u c z 层厚度为o 1 m ，用淡 水冲洗。 d e p t n 【mj 图3 - 2 太阳池的灌注 f i g 3 - 2t h ep e f f u s i o no f t h e s o l a r p o n d 3 2 浊度的概念及其测量 研究结果表明，盐浓度对于太阳辐射透射并不起显著作用0 3 】；而盐水的澄清，即水 样的浑浊程度才起到关键作用。在太阳池的实际运行当中，盐水的浑浊度问题是不可忽 视的因素。 水样浑浊的程度可用浑浊度的大小来表示。所谓浑浊度是指水中的不溶解物质对光 线透过时所产生的阻碍程度，以下简称浊度。也就是说，由于水中有不溶解物质的存在， 一n_台_一_一cmd 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 使通过水样的部分光线被吸收或被散射，而不是直线穿透。因此，浑浊现象是水样的一 种光学性质。浑浊度与色度虽然都是水的光学性质，但是它们是有区别的。色度是由水 中的溶解物质所引起的，而浊度则是因水中的不溶解物质引起的，所以，有的水样色度 很高但并不很浑浊，反之亦然。一般来说，水中的不溶解物质越多，浑浊度也越高，但 两者之间没有直接的定量关系。因为浑浊度是种光学效应，它的大小不仅与不溶解物 质的数量、浓度有关。而且还与这些不溶解物质的颗粒大小、形状和折射指数等性质有 关。 有关浊度，目前采用的标准单位是：1 毫克s i 0 2 ，升等于一个浊度单位或称1 度。其 中对所使用的二氧化硅的纯度和粒径有一定的规定。 各种水的浊度相差甚大，因此浊度的测定方法也应根据不同的水质来选用不同的仪 器和方法。最常用的方法有下面两类： ( 1 )目视法包括烛光浊度计法和比浊法两种方法。 烛光浊度计是最早采用而且至今仍在使用的一种测定浑浊度的标准仪器和标准方 法。它可以直接来测量2 5 度以上的水的浑浊度。这种浊度计也称为杰克逊烛光浊度计， 由此测得的浑浊度为杰克逊浊度单位( y r u ) 。 浑浊度在0 到1 0 0 n t u 之间的水样可以用比浊法来测定。这种方法是将已知浑浊度 的标准浑浊液按不同的浊阶配置成标准比浊系列，之后再进行比较分析。 ( 2 ) 散射法 散射法测定浑浊度的标准方法是以杰克逊烛光浊度计为基础的，这种方法目前应用 较为普遍。散射法是应用光线的散射原理制成的一种浊度计，散射光的强度与悬浮颗粒 的大小和总数成比例，即与浑浊度成比例。散射光的强度愈大，表示浑浊度愈高。在散 射浊度计上测得的浊度另称散射浊度单位( n t u ，n e p h e l o m e t r i ct u r b i d i t yu n i t s ) 。i s o 标准用的测量单位为f t u ( 浊度单位) ，p r u 与n t u 一致。 实验中对于浊度的测量，我们采用了上海珊科仪器厂生产的数字式浊度仪( w g z 一1 ) 。 其测量范围为0 o 2 0 。0 n t u 及2 0 1 5 0 n t u ，分辨率为0 t 与1 n t u 。以二次蒸馏水作为 标准水样。在每次测量之前，先利用标准水样对浊度仪校正归零，之后放入待测溶液进 行测量。经过测量本地自来水的浊度值为1 0 以下。 33 溶液的降浊澄清 太阳池的灌注主要使用制盐后的苦卤溶液。它的化学成分比较复杂，通常含有大量 的飘游生物，如嗜盐菌、嗜盐藻及卤虫等。如图3 3 所示。 ( a ) 为多株纠缠丝状真菌； 大连理工大学硕士学位论文 ( b ) 中长条形的是杆状细菌，圆形的为球型藻类：( c ) 为球型藻。这些藻菌的存在，即 使是很少，也会对光线的透射产生影响，特别对低波长区域的光谱有很强的消光能力， 而此部分恰恰是太阳光谱中到达储存层的那部分光能口】。同时由刮风下雨带入的大量的 灰尘和悬浮物，又会严重改变太阳光的方向，从而影响了卤水对太阳辐射的吸收，降低 太阳池的热性能。另一方面，研究和实验也都表明，而盐水的澄清度特别是浊度水平却 对太阳辐射透射率起到了关键作用。因此降低卤水浊度，去除其中的浮游生物，成为苦 卤废弃液资源化用作太阳池工质不可缺少的环节。 ( a ) 多株纠缠丝状真菌杆状细菌和球型藻 ( c ) 球型藻 图3 3 苦卤中的藻菌照片 f 遮1 3 3s e mp h o t o so f m i c r o b e si nt h eb i t t e r nw a s t e w a t e r 因此，苦卤在注入太阳池之前，先经过化学处理使其澄清。根据文献和一些专家人 士的推荐，实验室预先决定采用高效聚合氯化铝( 简称p a c ) 和负离子对苦卤进行降浊 处理。高效聚合氯化铝是由于氢氧根的架桥作用和阴离子的聚合作用而生成的分子量较 大、电荷较高的一种无机高分子水处理剂，其分子式为 a 1 2 ( o h ) n c l 6 。( n = i 5 ，m 三1 0 ) 。 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 与传统的水处理药物( 硫酸铝等无机混凝剂) 相比，它的优点是絮凝体形成快，沉降时 间短，净水成本低，净化后水质好。而作为助凝剂的负离子可帮助聚合氯化铝的絮凝， 增大絮体的体积，减少絮凝时间。实验室中一定量的苦卤液为研究对象，以p a c 和负离 子处理苦卤溶液，优化其絮凝降浊条件，确定p a c 的使用量，作为太阳池灌注和测量的 实验依据和保证。 ( 1 ) 实验材料 苦卤液取自大连金州盐场，密度在2 5 。b e 和3 0 。b e 之间，浊度在3 0 n t u 以上。p a c 和负离子由大连开发区力佳化学制品开发公司提供。 ( 2 ) 实验仪器 光学折射盐度计、上海珊科仪器厂生产的数字式浊度仪( w g 1 ) 、烧杯。 ( 3 ) 实验方法和结论 取一定量的苦卤溶液( 4 0 0 m 1 ) 放于烧杯中，在相同条件下加入不同剂量的p a c ， 均匀搅拌，静止沉降。如果搅拌时间太长，将破坏絮体的形成与破裂的平衡。因为只有 胶体颗粒与充分分散的絮凝荆充分接触，才有可能形成微絮体，进而能够充分高效地形 成大絮体。另一方面，如果搅拌速度过快，虽然可以增强p a c 分子与胶体碰撞的机会， 但由于转速过大其剪切力也增大，可能会破坏刚形成的较大的絮体，反而不利于沉降。 因此，实验中的搅拌速度为1 0 0 r p m m i n ，大约搅拌4 m i n 。待其沉降一段时间后与未处理 的原卤水相比，测定上清液的浊度值，然后选出最佳的p a c 用量。以此作为太阳池l c z 层的苦卤降浊处理的依据。图3 - 4 为苦卤浊度随p a c 用量变化的曲线。 印 oa5l1 52 2 53 p a 删斌的 图3 - 4 苦卤浊度随p a c 用量变化的曲线 f i g 3 - 4t h eb i t t e r n st u r b i d i t yt i l l - r ev a r i e dw i t ht h ed o s a g e h邑茸p!七昱 大连理工大学硕士学位论文 从图中可以看出，p a c 最佳用量为0 7 8 k g m 3 ，最佳沉降时间为3 6 小时，此时处理 后的卤水的上清液浊度值为5 7 n m 。同时实验中也观测到若p a c 的用量太小，则卤水色 度比较明显，降浊效果也不理想，降浊后浊度值仍很高。若p a c 的用量太大，则上清液 过少，实际的应用价值较低。另一方面，由于实际灌池时，降浊处理的时间基本在2 4 小 时以内，所以必须加速絮体的形成和沉降时间。方法是先在苦卤中加入上面选出的最佳 的p a c 用量大约2 分钟后，加入1 o 的负离子进行搅拌、沉降。采用负离子做助凝剂可 大大缩短降浊时间，实验显示，加入负离子1 2 小时的沉降效果，与单用p a c 时3 6 小时 的沉降效果相同。按此配比，我们在实际灌注太阳池时卤水浊度值基本在7 n t u 以下。 3 4 太阳池运行过程中密度和浊度的变化 在通常情况下，进入太阳浊的太阳辐射能的绝大部分在池底被吸收，在中、低纬度 的一半地区，可有2 1 0 9 k w h m - , a 1 能量。而通过传导经由非对流层散失到环境中去的热量 为0 4 1 0 9 k w h m - 2 a - ，即约有8 0 被吸收的太阳能可转变为内能而贮存在下对流层中，非 对流层或梯度层即起到了保温作用。为了保证太阳池的正常运行，必须在非对流层中维 持一定的盐浓度梯度，使其中的盐水溶液的浓度由上而下逐渐增大，形成正密度梯度来 抑制由于温度升高而形成的负密度梯度。显见，只有在这种情况下，才能抑制盐水溶液 的对流，从而使对流热损减到最低程度。 34 1 户内实验 为了研究太阳池实际运行中密度和浊度的变化，实验室中以理想的自然条件模拟太 阳池，对其密度和浊度的变化进行研究。取相同的两个5 0 0 0 m l 的烧杯( 高为3 5 c m ，直 径为1 8 c m ) ，分别装入3 0 0 0 m l 的降浊处理过的卤水和卤水原液，剩下的2 0 0 0 m l 用自来 水装满。可以看到降浊后的卤水与卤水原液在颜色上有着明显得差别，降浊处理过的卤 水呈黄色，卤水原液为红色。为了防止藻类的生长分别在两个杯中放入l p p m 的次氯酸 钠。测得初始值如下表3 2 所示。在室温1 t c 时静止沉降，以观察密度和浊度的变化。 表3 - 2 实验的初始值 t a b l e3 - 2t h e e x p e r i m e n t i n i t i a lv a l u e f 浊度( n t u )n n ( k g m 3 ) l自来水 0 21 0 0 0 【卤水原液 2 71 2 7 8 降浊处理过的卤水 2 21 2 1 9 7 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 j o 4 0 童3 0 冀2 0 1 0 0 051 01 52 02 53 0 深度( c m ) 01 02 03 0 深度( e r a ) ( a ) 浊度扩散图( b ) 密度扩散图 图3 5 卤水原液的密度和浊度扩散图 f i g 3 5t h e b i t t e r n st u r b i d i t ya n d d e n s i t yd i f f u s i o n c t l r v e 图3 5 表示卤水的密度和浊度扩散情况。从图( a ) 可以看出卤水原液在放置1 5 天 后，淡水区的浊度没有明显升高，卤水区浊度也没有较为明显的降低。在4 5 天后增加 测点，除分界面附近浊度扩散较为明显外，烧杯底部浊度明显增大达至u 4 4 n t u 。说明 除了扩散作用，卤水本身随着放置时间的增加，灰尘，盐晶体会向底部沉降使卤水上 部浊度降低，而底部浊度增加。也就是说浑浊物只向下降落，浊度向上扩散不明显， 因此没有必要对太阳池储热层下层的水浊度进行降浊处理。从图( b ) 可以看到密度 扩散状况比较明显，随着时间成均匀分布的趋势。4 5 天后，分界面上密度几乎已经达 到了卤水原液和水的密度的平均值。 1 3 0 0 唁1 2 0 0 嫠1 1 0 0 1 0 0 0 三 e u 倒 是 01 02 03 04 0 深度( c m ) 图3 - 6 降浊的卤水密度和浊度扩散图 f i g3 - 6 t h e t u r b i d i t ya n dd e n s i t yo f t h er e d u c i n gb i t t e m ： = 跫 后 后 l r 天度天 一 坫浊蛎 舾 置始置 酮 放初放 目兰 嘶跖城岫0 0 大连理工大学硕士学位论文 上图是处理后的卤水溶液的经过3 0 天的扩散后的密度和浊度分布图。如图上的两 条曲线所示，同样的时间内，密度扩散的速度比浊度扩散的速度快。从实验观察上也 可以明显得看到分界线向淡水区移动。但浊度的分布比较复杂，与卤水原液相同，从 分界线以下到烧杯底部5 r n m 以上，浊度都低于初始值的2 2 n t u ，但杯底的浊度值明显 高于其初始值。同时也可以看到，降浊后的卤水经过实验处理后其浊度、密度比卤水 原液低，但扩散的速度却比卤水原液快，3 0 天的扩散程度与卤水原液4 5 天的相接近。 这很可能是降浊处理时使用的药剂加快了浊度的沉降速度。 34 2 户外实验 在8 月末到1 0 月间对太阳池的密度进行了连续的多次测量，通过实验数据的采集， 观察到了太阳池的盐密度梯度的扩散规律。实验仪器采用波美盐度计。下图画出了l c z 、 n c z 、u c z 三层的密度随时间的变化情况。 3 0 2 5 2 0 昌 氢1 5 稍1 0 5 0 2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 深度( e r a ) 图3 7 太阳池内密度随时间的变化 f i g 3 7t h ed e n s i t y o f s o | a r p o n d v a r i e dw i t ht i m e 从图中可以看出，在9 0 c m 以前的储热层，其密度值最大，也很稳定。9 0 c m 一1 3 0 c m 的区域为非对流区，密度在此区域近似予直线分布，雨u c z 层为淡水层，因此密度近似 为零。经过2 0 天后，虽然储热层和非对流层的密度变化不大，但n c z 层的密度梯度线 的斜率降低。储热区和对流区的分界线附近l c z 层的密度稍有降低。3 0 天后密度扩散现 象比较明显，如图中最下面的曲线所示。实际运行中的太阳池的密度扩散与实验室中的 实验非常相似，而且扩散速度更快。这反映了随着太阳池内温度的不断升高，储热层的 密度不断降低，而n c z 层的密度不断升高，直到密度扩散和温度扩散达到平衡。这种密 度扩散，也体现了非对流层的保温作用和太阳池长期运营的稳定性和可能性。 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究 35 太阳池的后期维护 太阳池在实际运行中，风雨过程所带进的浮尘和泥土以及池中藻类的繁衍生长都会 使太阳池卤水浊度明显增加。而雨水本身就有很高的浊度，实验室测得其浊度值为 1 5 8 n t u 。这一点已经在太阳池的实际运行过程中观测到了。所以，有必要研究太阳池浊 度的变化和风雨过程对浊度的影响规律。 3 51 户内实验 在实验室中模拟风雨过程进行尘土自动澄清试验。希望通过试验可以明确自然条件 对太阳池的浊度的影响情况。取等量的淡水、n a c l 盐水、降浊处理后的卤水和卤水原液 四种不同的液体4 0 0 m l ，其初始值如表3 3 所示。 表3 - 3 实验的初始值 t a b l e3 - 3t h e e x p e r i m e n t i n i t i a lv a l u e 淡水n a c l 盐水降浊后的卤水卤水原液 i 密度( k g m 3 ) 11 1 1 61 1 1 61 1 1 6 浊度( n t u ) o 94 ，l4 58 8 西a 在这些水样中放入等量的泥土，搅拌均匀，静止沉淀。所测的实验结果如图3 - 8 所 2 0 0 1 6 0 三1 2 0 骜s o 4 0 0 05 01 0 01 5 02 0 02 f i 03 0 0 时间( h ) 图3 8 浊度随时间变化的