分级回热式太阳能增湿海水淡化试验研究与仿真计算

【摘要】：海水淡化技术是解决当今社会水资源短缺问题的重要手段,常规海水淡化技术大量消耗宝贵的化石燃料,对环境生态影响巨大,其负面效应已为人所重视；太阳能海水淡化技术能较好的兼顾能源和水源需求,有助于解决农村苦咸水地区、海外离岛等地区饮用水问题,已成为淡化工业的重要发展方向。 本文在系统了解前人研究的基础上,针对太阳能增湿海水淡化过程中存在回热差,产水率低等问题进行了分析,依据分级回热和多级增湿的基本原理,提出了分级回热的增湿淡化方法,以改善系统的回热特性和产水性能,并建立了分级回热式增湿淡化的数学模型,通过试验研究与仿真计算,获得分级回热的特性曲线及系统最佳操作参数。本文的主要研究内容包括以下几个方面： (1)设计分级回热式的太阳能增湿海水淡化装置,研究分级回热式增湿淡化装置的产水特性,分析了各参数对增湿淡化过程的影响规律。研究表明采用闭式空气循环方法的热损失更低；当加湿器工作风速低于0.5m/s时,喷水温度低于70℃时,加湿器出口湿空气接近饱和。 (2)研究水膜加湿器的增湿特性,通过试验研究与理论分析,探讨影响增湿过程的重要参数。试验表明加湿器的出口气温主要与喷水温度和水气比相关,无量纲温度O随水气比升高而增大；在40℃-65℃范围内,(?)随水温的变化基本呈线性关系,拟合了无量纲温度(?)的试验模型,并与增湿过程数学模型的计算结果进行了对比。 (3)研究淡化装置在自然辐照条件下的产水特性,分析分级回热对系统效能的影响,并对淡化装置的热力性能和淡水水质进行分析评价。试验所得前置冷凝器的最佳流量比例为2：7,此时回热比例可达35%-45%；该淡化装置的实测淡水产率为6.53kg/(m2·d),淡水产率较单级增湿淡化装置提高了29.6%。 (4)建立了太阳能增湿海水淡化过程的数学模型并进行仿真计算,对模型计算结果与试验值进行了相关性验证与误差分析,获得了加湿器湿膜表面的温度场,以及淡化装置的产水特性曲线。仿真计算结果表明：模型计算结果与试验结果的相关性较高,稳态计算结果的相对误差和均方根误差均较小；湿膜的最佳厚度为200-300mm,湿膜厚度对增湿效果的影响比湿膜高度更为显著；研究得到加湿器的最佳水气比为0.75,前置冷凝器冷却水流量最佳值为风量的1.0-1.5倍,此时第二级淡化装置的产水率为第一级的25%左右。 【关键词】：太阳能 分级回热 增湿淡化 数学模型 仿真计算
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P747
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符号对照表12-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 海水淡化技术发展现状13-18
• 1.1.1 常规能源海水淡化技术14-17
• 1.1.2 太阳能海水淡化技术17-18
• 1.2 空气增湿海水淡化技术18-22
• 1.2.1 鼓泡增湿淡化19-20
• 1.2.2 喷雾增湿淡化20
• 1.2.3 水膜增湿淡化20-22
• 1.3 本文的研究目的和主要内容22-24
• 第2章 分级回热式增湿海水淡化原理与试验装置设计24-38
• 2.1 分级回热式增湿淡化的淡化原理24-27
• 2.1.1 试验系统及工作原理24-25
• 2.1.2 空气增湿过程的基本理论25-27
• 2.2 分级回热式多级增湿淡化装置的设计与计算27-34
• 2.2.1 集热器匹配选型27-28
• 2.2.2 加湿器设计计算28-30
• 2.2.3 分级回热设计计算30-32
• 2.2.4 空气循环方式的选择32-34
• 2.3 试验方案与测量方法34-37
• 2.3.1 试验方案34
• 2.3.2 测量方法34-35
• 2.3.3 湿空气温度修正35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 分级回热式多级增湿淡化试验研究38-52
• 3.1 闭式空气增湿淡化的基本影响规律38-41
• 3.1.1 循环风量38-40
• 3.1.2 加湿器喷水流量40
• 3.1.3 加湿器喷水温度40-41
• 3.2 增湿过程试验拟合与修正41-45
• 3.2.1 水气比对增湿过程的影响41-42
• 3.2.2 增湿过程试验拟合模型与修正42-45
• 3.3 分级回热对增湿淡化影响规律45-47
• 3.3.1 分级流量控制的影响规律45-47
• 3.3.2 分级回热对整体淡化效能的评价47
• 3.4 自然辐照条件下淡化装置整体性能47-50
• 3.4.1 自然辐照条件下淡化装置试验研究47-49
• 3.4.2 淡化装置的产水性能评价49
• 3.4.3 水质检测49-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第4章 分级回热式多级增湿淡化过程数学模型52-61
• 4.1 物理模型与物性参数52-53
• 4.1.1 物理模型描述52
• 4.1.2 物性参数52-53
• 4.2 空气增湿过程的数学模型53-56
• 4.2.1 模型简化与条件假设54
• 4.2.2 模型建立54-56
• 4.3 分级回热过程的数学模型56-60
• 4.3.1 模型简化与条件假设57
• 4.3.2 模型建立57-60
• 4.4 集热过程的数学模型60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 基于MATLAB的模型仿真计算与分析61-75
• 5.1 计算流程及模型参数61-63
• 5.2 增湿过程仿真计算与分析63-66
• 5.2.1 不同工况下的湿膜温度场分析63-65
• 5.2.2 湿膜尺寸对增湿效果的影响规律65-66
• 5.3 模型有效性分析66-68
• 5.3.1 模型评价标准66-67
• 5.3.2 模型相关性与误差分析67-68
• 5.4 分级回热式增湿淡化过程仿真计算与分析68-74
• 5.4.1 系统稳态模拟与分析68-71
• 5.4.2 系统瞬态模拟与分析71-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第6章 结论与展望75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 不足与展望76-77
• 参考文献77-81
• 攻读学位期间取得的研究成果81-82
• 致谢82-84
• 学位论文评阅及答辩情况表84

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