倾斜式太阳能蒸馏器实验及CFD模拟研究

【摘要】：淡水资源短缺是人类一直面临的难题,尤其是在电力匮乏的偏远山区以及海岛。太阳能海水淡化技术对于解决海岛淡水资源短缺、偏远且电力资源不可到达的缺水地区的苦咸水淡化具有重要的意义。太阳能蒸馏器以其结构简单、取材方便、不需要常规能源等优点适合于海岛海水淡化以及偏远地区的苦咸水淡化,但是目前研制的太阳能蒸馏器普遍存在运行温度低、产水量不高、太阳能利用效率较低及设备投资较高等弊端,其在工程实际中的推广应用受到一定的限制。因此在现有的太阳能蒸馏技术研究基础上,通过改变实验条件来提高太阳能蒸馏器的热效率和产水量具有重要的现实意义。本文主要对蓄热式倾斜芯型太阳能蒸馏装置进行设计,采用实验测试和数值模拟方法,重点研究和分析了倾斜角度、给水流速和相变蓄热材料等因素对蒸馏器产水量的影响规律。在不同实验条件下对蓄热式倾斜芯型太阳能蒸馏器产水量的影响因素进行了实验研究。给水流量的范围为10至40L/h,倾斜角度分别为30°和45°,在相近的天气条件下进行实验研究,结果表明:给水流速的大小和蒸馏器倾斜角度是影响产水量的主要因素,产水量随着海水给水流量的增大而降低,在允许范围内,应尽量降低给水流速,但要保证腔体内有足够的水量蒸发;倾斜角度越接近当地纬度,吸收的太阳能辐射越大,有利于提高蒸发效率;根据季节的气候特点,可选用不同熔点的相变蓄热材料,加入相变蓄热材料后,白天产水量会略微降低,而在夜晚通过相变释放大量热能,在低温条件下加热海水,为海水蒸发提供驱动力,在夜间可提高近一倍的产水量,从而使总产水量增大。加入蓄热材料后,夜间产水量可提高88%至104%,总产水量最高可达到5.16L/m2。建立了倾斜式太阳能蒸馏器三维两相模型,在理想条件下对倾斜式太阳能蒸馏器进行CFD仿真模拟,并与实验数据进行了对比分析。在不同底板加热温度、流速、倾斜角度条件下对蒸馏器内的蒸发冷凝过程进行数值模拟,模拟结果表明,随着底板加热温度的增大,蒸馏器腔体内水膜和盖板之间的温差增大,从而增大了冷凝速率;产水量随着流速的增大以递减的趋势降低,即流速越大,热损失越大,产水量越低;倾角为45°时的产水量要高于30°时的产水量。根据实际测得的温度数据,对蒸馏器一天的产水量进行仿真计算,模拟数据与实验数据大体上保持一致,偏差在15%以内,验证了模拟的可靠性和有效性。 【关键词】：海水淡化 倾斜芯型蒸馏器 太阳能 相变蓄热 产水量
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P747.14
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-26
• 1.1 海水淡化方法10-12
• 1.2 太阳能蒸馏技术概述12
• 1.3 太阳能蒸馏器12-24
• 1.3.1 传统盘式太阳能蒸馏器13-15
• 1.3.2 新型盘式太阳能蒸馏器15-17
• 1.3.3 倾斜式太阳能蒸馏器17-18
• 1.3.4 倾斜芯型太阳能蒸馏器18-20
• 1.3.5 新型倾斜式太阳能蒸馏器20-24
• 1.4 主要研究内容24-26
• 第二章 蓄热式倾斜芯型太阳能蒸馏器实验研究26-38
• 2.1 实验装置及流程26-29
• 2.1.1 实验装置设计26-28
• 2.1.2 实验流程28-29
• 2.2 太阳能蒸馏器实验研究29-37
• 2.2.1 倾斜面上的太阳能辐照度转换29-31
• 2.2.2 实验研究方法31-32
• 2.2.3 实验结果与分析32-37
• 2.3 小结37-38
• 第三章 倾斜式太阳能蒸馏器数值模拟研究38-52
• 3.1 倾斜式太阳能蒸馏器CFD数值模拟38-42
• 3.1.1 流体力学控制方程38-40
• 3.1.2 模型的确定40-41
• 3.1.3 边界条件确定41
• 3.1.4 模拟计算过程41-42
• 3.2 模拟可靠性验证42-44
• 3.3 模拟结果及讨论44-49
• 3.3.1 CFD模拟结果44-48
• 3.3.2 模拟结果讨论48-49
• 3.4 小结49-52
• 第四章 结论与展望52-54
• 结论52
• 展望52-54
• 参考文献54-58
• 致谢58-60
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果60

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