聚光式太阳能海水淡化系统热物理问题研究

【摘要】：随着全球人口激增和经济社会高速发展，人类对安全高品质的淡水需求日益增加，然而淡水资源分布不均、自然气候异常变化和工业对淡水资源污染使得全球性淡水匮乏危机日益临近。利用太阳能海水淡化技术得到可供饮用和灌溉的淡水是缓解上述危机的最具前景的方法之一。尽管在世界范围内已经对太阳能海水淡化系统进行了许多研究，但成本高和规模小仍然是太阳能海水淡化技术应用的最大障碍。这是由于太阳能集热系统在高温段时效率低，海水淡化部件在低温段时效率低的结构不匹配造成的。 本文创新性地提出了聚光式太阳能海水淡化系统的构想，即利用太阳能聚光系统将太阳光聚焦后直接加热海水，海水受热蒸发产生蒸汽，蒸汽输入到工业化海水淡化装置中生成淡水并将浓盐水制盐提高装置的经济性。 首先，本文从热力学角度对蒸馏法海水淡化过程的最小能耗展开理论推导。给出了太阳能集热器做功供能海水蒸馏系统、直接供热海水蒸馏系统和发电供能海水蒸馏系统的理想过程，在此基础上对基于太阳能集热器的海水蒸馏实际过程的最小能耗和产水量的关系进行了分析和研究。 其次，以太阳能海水淡化系统低成本、大规模应用为目的，提出了聚光式太阳能海水淡化系统。设计了可以用于该淡化系统的三反射面聚焦槽式聚光器和镜像焦点重叠式聚光器，给出了其结构曲线方程式以及基本单元尺寸的计算方法。建立了相应的三维模型，利用光学分析软件LightTools对聚光器进行了光学性能分析。 为了提高海水吸收高密度光能的能力，提出了功能化海水的概念，并在光学暗室内对功能化海水的消光性能进行实验研究，探索深色固体颗粒的粒径、丰度、水体沸腾程度、光束传播距离以及光束在水体中的深度对功能化海水消光性能的影响，拟合出了功能化水体通光率随沸腾程度呈指数函数变化的方程。将功能化水体透射率实验测试结果与理论计算结果进行对比，发现两者吻合很好，决定系数均在0.95以上。 在上述研究基础上，设计搭建了槽式和碟式聚光直热太阳能海水淡化装置，在实际天气下对两个装置的产水性能展开研究，提出了无因次参数“比效率σ”作为评价功能化海水消光热性能的标准，同时对聚光式太阳能海水淡化系统的经济性进行了评估。 再次，为了深入了解蒸汽在海水淡化装置中的传热传质机理，设计搭建了新型两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置，并对其内部蒸汽凝结过程中的热物理问题展开研究和分析，通过多次利用蒸汽的汽化潜热实现了装置热能利用率的提高，装置最大产水量可以达到63.55kg/h，性能系数（GOR）达到1.89。利用热力学原理对装置进行了理论推导和分析，建立了其内部传热传质模型，理论计算结果与实验测量结果吻合很好，验证了模型的正确性。 最后，设计搭建了多效横管式和竖管式太阳能蒸馏器，对其内部蒸汽的传热传质机理进行了研究和分析。并对多效横管式太阳能蒸馏器在常压下的定功率运行、定温度运行以及负压下定温加热运行的产水性能展开实验研究，通过改变装置内气体介质，研究其常压定温运行的性能，得到了产水率的半经验公式，其中，三效装置在输入功率为350W时，性能系数达到1.91。对竖管式太阳能蒸馏器进行了常压下恒定输入功率、恒定运行温度下的产水性能实验，实验结果表明，对于三效竖管装置，输入功率为400W时，性能系数能够达到1.89。 【关键词】：聚光式 太阳能海水淡化 功能化 增湿除湿 多效 管式 热质传递
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P747
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-35
• 1.1 太阳能海水淡化技术概述13-19
• 1.1.1 水资源问题与海水淡化13-16
• 1.1.2 太阳能海水淡化技术发展历史16-19
• 1.2 太阳能海水淡化的一般方法19-32
• 1.2.1 热法太阳能海水淡化方法19-23
• 1.2.2 膜法太阳能海水淡化方法23-25
• 1.2.3 膜法与热法相结合的太阳能海水淡化方法25-26
• 1.2.4 太阳能海水淡化技术发展的主要方向26-31
• 1.2.5 太阳能海水淡化新方法31-32
• 1.3 本文研究的主要内容32-35
• 1.3.1 课题来源及研究背景32
• 1.3.2 研究的主要内容32-35
• 第2章 蒸馏法太阳能海水淡化过程中理想最小能耗研究35-50
• 2.1 蒸馏法海水淡化过程的最小功耗36-40
• 2.2 基于太阳能集热器的海水蒸馏淡化的理想过程40-46
• 2.2.1 太阳能集热器做功供能的单效太阳能蒸馏海水淡化理想过程40-44
• 2.2.2 太阳能集热器直接供热的单效太阳能蒸馏理想过程44-45
• 2.2.3 太阳能集热器发电供能的单效太阳能蒸馏理想过程45-46
• 2.3 基于太阳能集热器的海水蒸馏淡化的实际过程46-49
• 2.4 小结49-50
• 第3章 聚光式太阳能海水淡化系统中聚光器性能研究50-76
• 3.1 聚光直热式太阳能海水淡化系统50-53
• 3.2 太阳能聚光器的概念与设计53-57
• 3.2.1 太阳能聚光器的类型53-54
• 3.2.2 太阳能聚光器的评价54-57
• 3.2.3 太阳能聚光器的设计理论57
• 3.3 三反射面聚焦槽式聚光器的结构及性能57-64
• 3.3.1 三反射面聚焦槽式聚光器的结构参数58-59
• 3.3.2 三反射面聚焦槽式聚光器的光学性能仿真分析59-64
• 3.4 镜像焦点重叠式槽型聚光器的结构及性能64-69
• 3.4.1 镜像焦点重叠式槽型聚光器的设计及结构65-66
• 3.4.2 镜像焦点重叠式槽型聚光器的光学性能仿真66-69
• 3.5 镜像焦点重叠式槽型聚光器能量利用实验研究69-74
• 3.5.1 镜像焦点重叠式槽型聚光太阳电池电热联供系统与工作原理69-70
• 3.5.2 能量转换效率分析70-71
• 3.5.3 镜像焦点重叠式槽型聚光器电热联供系统性能实验71-74
• 3.6 小结74-76
• 第4章 聚光式海水淡化系统中功能化水体消光性能研究76-95
• 4.1 功能化水体的光学特性76-80
• 4.1.1 功能化水体物理特性76-77
• 4.1.2 水体的吸收和散射特性77-78
• 4.1.3 海水对太阳辐射的吸收78-79
• 4.1.4 气泡的吸收和散射特性79-80
• 4.2 功能化水体光学特性测试系统及原理80-84
• 4.2.1 功能化水体光学特性测试实验80-82
• 4.2.2 实验的测试82-83
• 4.2.3 实验误差分析83-84
• 4.3 功能化水体消光性能研究84-93
• 4.3.1 功能化水体通光率理论计算及实验对比84-86
• 4.3.2 定光程功能化水体消光性能试验86-90
• 4.3.3 变光程功能化水体消光性能试验90-93
• 4.4 小结93-95
• 第5章 聚光直热式太阳能海水淡化系统实验研究95-117
• 5.1 槽式聚光直热太阳能海水淡化系统实验研究95-104
• 5.1.1 实验装置结构及运行原理95-97
• 5.1.2 实验数据的测试97
• 5.1.3 实验结果及分析97-102
• 5.1.4 淡化装置性能分析102-103
• 5.1.5 实验误差分析103-104
• 5.2 碟式聚光直热太阳能海水淡化系统实验研究104-112
• 5.2.1 实验装置结构及运行原理104-105
• 5.2.2 实验数据的测试105-106
• 5.2.3 实验结果及分析106-109
• 5.2.4 淡化装置性能分析109-112
• 5.3 聚光式太阳能海水淡化工程经济性分析112-115
• 5.4 小结115-117
• 第6章 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化系统性能研究117-139
• 6.1 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化系统研究目的117-119
• 6.2 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置结构及原理119-121
• 6.3 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置实验研究121-128
• 6.3.1 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置产水性能理论计算121-122
• 6.3.2 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置产水性能实验研究122-126
• 6.3.3 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置产水性能分析126-128
• 6.4 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化装置理论模型的建立及验证128-137
• 6.4.1 装置内部热质传递模型的建立128-131
• 6.4.2 数值仿真计算结果131-136
• 6.4.3 装置淡水产量仿真计算和实验测试结果对比136-137
• 6.5 两级多效增湿除湿太阳能海水淡化系统经济性分析137-138
• 6.6 小结138-139
• 第7章 多效管式太阳能蒸馏器传热传质特性研究139-168
• 7.1 多效管式太阳能蒸馏器的构想139-142
• 7.1.1 多效横管式太阳能蒸馏器结构特点140-141
• 7.1.2 多效竖管式太阳能蒸馏器结构特点141-142
• 7.2 多效横管式太阳能蒸馏器的产水性能实验研究142-158
• 7.2.1 多效横管式太阳能蒸馏器实验装置142-143
• 7.2.2 多效横管式太阳能蒸馏器实验测试仪器143-144
• 7.2.3 多效横管式太阳能蒸馏器实验结果及分析144-148
• 7.2.4 负压条件下横管式蒸馏器产水性能研究148-149
• 7.2.5 变气体介质条件下横管式蒸馏器传热传质特性研究149-158
• 7.3 多效竖管式太阳能蒸馏器的产水性能研究158-166
• 7.3.1 多效竖管式太阳能蒸馏器实验装置158-159
• 7.3.2 多效竖管式太阳能蒸馏器实验数据的测试159-160
• 7.3.3 实验结果及分析160-166
• 7.4 小结166-168
• 结论168-172
• 参考文献172-183
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单183-186
• 致谢186-187
• 作者简介187

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