畢業(yè)論文（設(shè)計）聚光直熱式太陽能海水淡化系統(tǒng)研究

1、聚光直熱式太陽能海水淡化系統(tǒng)研究摘要：本文研制了一種聚光直熱式加濕除濕太陽能海水淡化裝置，對其結(jié)構(gòu)和運行原理進(jìn)行了介紹， 并對裝置內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了分析。設(shè)計了實驗裝置，并對裝置的性能進(jìn)行了測試，給出了海 水噴淋溫度、加熱功率等對產(chǎn)水速率的影響曲線，結(jié)果表明，采用單風(fēng)機和雙層加濕小球的實驗裝置 產(chǎn)水效果最好，在73°c左右時，其產(chǎn)水速率為1.12kg/h。當(dāng)給裝置提供穩(wěn)定加熱功率800w時，裝置在 運行3.5小時后基本達(dá)到產(chǎn)水率穩(wěn)定，斷電后系統(tǒng)仍然可以得到30%左右的產(chǎn)水量。對裝置在實際天 氣下的工作性能也進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果表明，在太陽輻照強度為918w/m2 im,最大產(chǎn)水

2、速率達(dá)到 0.52kg/h,性能系數(shù)達(dá)到0.69o 關(guān)鍵詞：加濕除濕；太陽能；海水淡化：聚光直熱0引言在全球淡水資源廣乏、能源緊張的情況下，利用太陽能等可再生能源進(jìn)行海水淡化 無疑是一種長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略。經(jīng)過幾個世紀(jì)，太陽能海水淡化技術(shù)有了長足的發(fā)展，各種新 穎的太陽能蒸憾器系統(tǒng)層出不窮，更多的學(xué)者投入到太陽能海水淡化技術(shù)的研究中山現(xiàn)其中，h.bend等設(shè)計了一種新的利用太陽能多效蒸發(fā)冷凝循環(huán)海水淡化系統(tǒng)； s.b.hou等將太陽能多效加濕除濕海水淡化裝置和迭盤式蒸鐳器進(jìn)行了組合；在國內(nèi)也 有很多相關(guān)的研究，劉忠岡等基于鼓泡蒸發(fā)和空氣載濕氣液相平衡機理，搭建了一臺具 有五級四效鼓泡蒸發(fā)式太陽能海水淡

3、化裝置；陳子乾等設(shè)計了一種多效內(nèi)冋熱式太陽 能海水淡化裝置。盡管太陽能海水淡化系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，但關(guān)鍵 的難題仍然存在，比如太陽能海水淡化系統(tǒng)造價昂貴，一次性投入過高，致使經(jīng)濟(jì)性太 低而無法被用戶接受。同時傳統(tǒng)太陽能海水淡化技術(shù)部件分離，導(dǎo)致了成本增加，部件 之間的傳熱傳質(zhì)阻力導(dǎo)致了系統(tǒng)效率降低。釆取的海水淡化方式過于傳統(tǒng)，導(dǎo)致材料和 制造成本增加。針對上述問題本文提出了聚光直接加熱海水淡化的技術(shù)方案。其特點是 將光直接輸送到海水中，并直接引起海水蒸發(fā)，后續(xù)再重復(fù)利用蒸汽凝結(jié)的潛熱，從而 將聚光器、接收器、儲熱器、管路和淡化器合而為一。變成一個濃縮的系統(tǒng)，從而減少 能量的傳遞

4、阻力，并使用非金屬材料，實現(xiàn)抗腐蝕和低成本的目標(biāo)。1裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理本文研究的聚光直熱式加濕除濕太陽能海水淡化系統(tǒng)主要包括四個子系統(tǒng)。如圖1 所示。本文的四個子系統(tǒng)分別為：菲涅耳聚光系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)?；痦椖浚骸笆?#39;'農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2013aa 1024072）。作者簡介：王飛（1992）,男，碩士研究生，主要從事太陽能應(yīng)用研究。通訊作者：鄭宏飛（1963）,男，教授，博士生導(dǎo)師，e-mail: hongfeizh其中，菲涅耳聚光系統(tǒng)包括菲涅耳聚光器、二次聚光器和太陽跟蹤器；加濕系統(tǒng)包括噴 頭、蒸發(fā)器、玻璃蓋板和加濕腔；除濕系統(tǒng)主耍是冷凝器

5、和冷凝腔；輔助系統(tǒng)主要有風(fēng) 道、風(fēng)機、水泵和管道等等。加濕腔固定于菲涅耳聚光器的正下方的橫梁上，橫梁是跟著菲涅耳聚光器一起聯(lián)動 的，在a陽跟蹤器的作用下，整個菲涅耳聚光系統(tǒng)會不停的調(diào)整角度以獲得最多的太陽 光，加濕腔也會隨著橫梁的移動而移動。太陽光照射到菲涅耳聚光器上，經(jīng)過菲涅耳聚 光器的聚光作用后匯聚到玻璃蓋板，部分沒有匯聚到玻璃蓋板的太陽光線也會在二次聚 光器的作用下反射到玻璃蓋板上，匯聚到玻璃蓋板上的光透過玻璃蓋板照射到蒸發(fā)器上 面，蒸發(fā)器（黑色小球）吸收太陽光能量后溫度會不斷地升高。加濕腔底部的海水在水 泵的作用下經(jīng)過噴頭均勻地噴淋到蒸發(fā)器上，由于蒸發(fā)器的溫度高于水溫，所以一部分 海水

6、會吸收熱量產(chǎn)生蒸汽并與空氣進(jìn)行熱濕交換形成飽和濕空氣，高溫濕空氣在風(fēng)機的 驅(qū)動下，經(jīng)過風(fēng)道進(jìn)入冷凝腔底部，并與冷凝器接觸，產(chǎn)生凝結(jié)形成淡水，淡水聚集在 冷凝腔的底部并通過出口閥門輸送給用戶。而經(jīng)過冷凝器的熱濕空氣會變成溫度較低的 濕空氣，并在風(fēng)機的作用下再次返回加濕腔，如此經(jīng)過加濕-除濕-再加濕不斷循環(huán)。噴淋下來的海水部分被蒸發(fā)，未被蒸發(fā)的部分經(jīng)過加濕器后匯集在加濕腔的底部, 被水泵再次泵到加濕腔上部噴淋。因此，加濕腔中的濃海水是循環(huán)利用的，但會由于蒸 發(fā)而不斷減少，因此要通過補水閥門不斷地給予補充。當(dāng)濃海水濃度過大時，從加濕腔 底部濃海水出口排除。haba二次克sb qiz圖1實驗系統(tǒng)組成及

7、內(nèi)部能量傳遞的過程示叢圖2實驗裝置系統(tǒng)內(nèi)傳熱傳質(zhì)分析對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行傳熱傳質(zhì)分析，有利于解決實驗過程中出現(xiàn)的問題和改善實驗裝置, 是對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、研究的重要理論基礎(chǔ)。其屮，圖1給出了該系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞 的過程示意圖。為了簡化計算做一下假設(shè)：(1) 假定產(chǎn)生的水蒸汽都為該溫度下的飽和蒸汽。(2) 假定風(fēng)道和外界沒有熱交換、水蒸氣不會在風(fēng)道里凝結(jié)、各種管道中不會有熱 損失。(3) 因為從補水口加進(jìn)去的水相對于蒸發(fā)器里的水來說微乎其微，所以忽略補水對 系統(tǒng)能量平衡的影響。(4) 假定加濕系統(tǒng)中蒸發(fā)器的溫度(即黑色小球的溫度)和海水的溫度是相等的。(5) 假定玻璃蓋板的比熱容為0。2.1加濕系統(tǒng)的

8、能平衡分析透過菲涅耳聚光器的太陽輻射能量h =?jait(1)式中，"為菲涅耳聚光系統(tǒng)的總效率；斤為聚光器表面上太陽總輻射強度，w/m2； /為聚光器的有效面積，m2o對于加濕器內(nèi)部來說，可以列出以下熱平衡方程式：dtahxtxh = qc+qr+ cpw x mwdt+cpb x mb+ qbo + 叫(k.out _ 包向)式屮，的表示蒸發(fā)器對太陽光的吸收率；疋表示玻璃對太陽光線的透過率；/表示玻璃 表面的太陽輻射能量，w； qc, s分別表示玻璃蓋板表面向環(huán)境傳遞的對流和輻射熱量， w； f q/w分別表示加濕腔四周和底部的熱損失量'w；表示海水的定壓比熱容j/kg c

9、c； c”表示蒸發(fā)器的比熱容，j/kg°c；九表示濕空氣的焙，j/kg；胚”妙分別表 示加濕系統(tǒng)內(nèi)海水和蒸發(fā)器的質(zhì)量，kg；加“表示濕空氣的循環(huán)質(zhì)量流率，kg/s；幾，th 分別表示海水和蒸發(fā)器的溫度，vo其中：q嚴(yán)九心一 t)式中，7；表示外界環(huán)境溫度；文獻(xiàn)7提出久=5.7+3.8乙y是玻璃蓋板表面的風(fēng)速；ag 為玻璃蓋板的表面積。"叫(可-眄式中，兀表示玻璃蓋板的溫度，°c ； o表示斯忒藩-玻耳茲曼常 數(shù),o=5.67x 10a(-8)w/(ma2-ka4)o當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，dtw/dt. dtjdt、都等于0,則加濕系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時熱平衡方程 可以寫成ah

10、xtxh = qcqr + qar + qho + 叫（hat -他肋）裝置的產(chǎn)水量為:式屮，必為濕空氣的含濕量；叫為裝置的產(chǎn)水量。2.2除濕系統(tǒng)的熱平衡分析由上圖1可得到除濕系統(tǒng)熱平衡方程：% （饑如 - kin ） + qloss =叫（九,。譏一仏）其中式中，?*表不冷凝器中冷卻水的質(zhì)量流率，kg/s；表不濕空氣的焙，j/kg；力表示冷凝器中冷卻水的焙，j/kgo在除濕系統(tǒng)中高溫飽和濕空氣變?yōu)榈蜏仫柡蜐窨諝馑尫诺臒崃勘焕淠髦械乃?所帶走，則冷凝器中的換熱量可以用下式計算：qcond(10)(11)(12)(13)(14)2.3實驗裝置的熱平衡分析由上述分析可得裝置的熱平衡方程式為：購

11、 x"h = mw（hwolll -扁）+ （%xmw + %xmj警+cpgx mg + qc + qr + qar + qho + qloss式中，qioss表示除濕器的熱損失。穩(wěn)定狀態(tài)時實驗裝置的熱平衡方程式（10）可化成：購心x h = mw（hwout 一 久角）+ qloss + 么 + qr + qar + 加 令qloss = qloss + qar +q = ahxrxh則穩(wěn)定狀態(tài)時實驗裝置的熱平衡方程式可寫成：0 =叫（饑如-仏）+ 0加3聚光直熱式太陽能海水淡化裝置實驗研究3.1室內(nèi)定溫實驗室內(nèi)實驗裝置相對于室外實驗裝置多了一個保溫水箱，代替聚光器給裝置供熱。在

12、 定溫實驗時能夠很好地控制水溫。而實驗屮的冷卻水是來自于自來水，溫度保持不變。運行定溫實驗包括四個部分：裝置采用單風(fēng)機和單層小球時的定溫實驗、雙風(fēng)機和 單層小球時的定溫實驗、單風(fēng)機和雙層小球時的定溫實驗和雙風(fēng)機和雙層小球時的定溫 實驗。實驗結(jié)果如圖2所示。溫度廠c圖2四種不同實驗條件的產(chǎn)水速率隨噴淋水溫的變化從上面四種不同實驗條件的產(chǎn)水速率隨噴淋水溫的變化圖可以看岀，裝置的產(chǎn)水速 率隨溫度的升高而增加，而且增加量有越來越大的趨勢。這是因為裝置內(nèi)部的熱量傳輸 主要由蒸發(fā)、對流和輻射傳熱三部分組成。當(dāng)水溫升高吋，蒸發(fā)傳熱所占能量份額是增 加的，而對流、輻射傳熱所占的能量份額是減少的叭蒸發(fā)傳熱能量份

13、額的增加就意味 著輸入相同的能量，產(chǎn)水量增加，所以提高裝置的產(chǎn)水性能，耍盡量提高裝置的運行溫 度。從上圖2可知：無論風(fēng)速大小，裝置釆用雙層加濕小球時的產(chǎn)水量都要比采用單層 加濕小球時的產(chǎn)水量要高。這是因為厚的加濕層既增加了水和黑色小球熱交換的面積, 又增加了水蒸發(fā)的面積。除此之外還可以看出：當(dāng)裝置采用單層加濕小球時，采用雙風(fēng) 機的裝置要比采用單風(fēng)機的產(chǎn)水速率高。但是當(dāng)裝置采用雙層加濕小球時，單風(fēng)機裝置 卻比雙風(fēng)機裝置的產(chǎn)水能力強。這是因為當(dāng)裝置采用雙層加濕小球時，水的蒸發(fā)量要比 單層的大，而風(fēng)速太大容易造成水蒸汽進(jìn)入冷凝器之后未來得及冷凝就被風(fēng)機帶走，即 冷凝器的冷卻能力不足。在73°

14、;c左右吋，四種不同實驗條件下的產(chǎn)水速率分別為：1.02、 1.06、1.12、1.09kg/ho由數(shù)據(jù)分析得到：釆用單風(fēng)機和雙層加濕小球的實驗裝置產(chǎn)水效 果更好，不同實驗條件下的最大產(chǎn)水速率的差值在0.10 kg/h左右，最大偏差約為9%, 所以z后的定功率實驗和室外實驗屮的裝置都采用單風(fēng)機和雙層加濕小球。3.2室內(nèi)定功率加熱實驗為了解本實驗裝置的產(chǎn)水效率和模仿實際天氣下的室外實驗，本文進(jìn)行了定功率加 熱實驗。具體方法是：用一定功率的加熱棒對保溫水箱內(nèi)初始溫度為20°c海水連續(xù)加熱 3.5小時。在停止加熱之后，實驗裝置仍然繼續(xù)運行，直到裝置不產(chǎn)水為止，并在實驗 過程屮記錄產(chǎn)水量和溫

15、度變化，每十分鐘測量一次。本文分別采用了 400w、600w和 800w的加熱棒進(jìn)行了實驗，結(jié)果如圖3所示。400wi-a-800w| -a-eoowl:13:30后停止供熱、0.10.010:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00時間圖3不同加熱功率條件下裝置的產(chǎn)水速率由圖可以看出不同加熱功率條件下裝置的產(chǎn)水速率。三條曲線在開始階段幾乎以同 樣的速率快速上升，400w加熱功率條件下的裝置的產(chǎn)水率到12:00左右開始處于一個 相對穩(wěn)定狀態(tài)。600w加熱功率條件下的裝置的產(chǎn)水率直到12:30左右才開始處于一個 相對穩(wěn)定狀態(tài)，而800w加熱功率條件

16、下的裝置的產(chǎn)水速率直到13:00左右才穩(wěn)定，在 13:30停止加熱。加熱功率越大，實驗裝置處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時的運行溫度就越高，所 以所需時間就越長，即裝置的穩(wěn)定狀態(tài)來的越晚，穩(wěn)定的產(chǎn)水速率也越晚。當(dāng)停止加熱 后,三種情況下的產(chǎn)水速率都迅速下降，直到為零?？芍?dāng)給裝置提供穩(wěn)定加熱功率800w 時，裝置在運行3. 5小時后基本達(dá)到產(chǎn)水率穩(wěn)定。時間/hh:mm蘭、咽¥k験圖4不同加熱功率條件下裝置的累計產(chǎn)水量由圖4可知，裝置的累計產(chǎn)水量隨著加熱功率的增大而增加，但是累積產(chǎn)水量增加比例和功率的增加比例并不相同。開始加熱階段累計產(chǎn)水量增加得很慢，但在11:00-13:00,累計產(chǎn)水量增加得很快

17、，而且加熱功率越大，其曲線的斜率也越大，也就意味著產(chǎn)水速率越大。至ij 16:00時累計產(chǎn)水量變化很小，可以認(rèn)為此時裝置已經(jīng)停止工作。加熱功率為400w、600w、800w時對應(yīng)的總產(chǎn)水量分別為1.54kg、1.94kg、2.30kg。圖5不同加熱功率條件下總產(chǎn)水戢和降溫階段產(chǎn)水戢由圖5可以看出在降溫階段，裝置的產(chǎn)水量是總產(chǎn)水量的30%左右，這是由于海水 自身的潛熱造成的，所以在停止加熱后要盡可能多地利用海水的潛熱來生產(chǎn)淡水，以提 高裝置的產(chǎn)水性能和效率。3.3室內(nèi)實驗的性能系數(shù)根據(jù)能量輸入輸出的關(guān)系，裝置的性能系數(shù)（gor）計算公式可表示為:gorpure x hfg(15)qt式中：lpu

18、re i表不測試時間內(nèi)的產(chǎn)水量；/?蟲表示水的氣化潛熱，取2300kj/kg； 0/表示 測試時間內(nèi)輸入該裝置的能量；對于裝置的定功率實驗來說，qt = ptt, pt為加熱棒的功率，t為持續(xù)加熱時間。 裝置的加熱時間是3.5個小時，功率為400w、600w、800w對應(yīng)的裝置的總產(chǎn)水量分別為 1.54kg、1.94kg、2.30kgo 則可得出go&oo = 0.703、gor60q = 0.590, gor80q =0.525。從實驗數(shù)據(jù)可以看出隨著加熱功率的增大累積產(chǎn)水暈總體還是增加的。然而裝置的 性能系數(shù)卻隨著加熱功率的增加而減小了。由定溫實驗可以知，溫度越高產(chǎn)水速率就越 大，

19、而且產(chǎn)水速率對溫度總體呈現(xiàn)指數(shù)上漲形式，所以當(dāng)加熱功率成倍的增加吋，累計 產(chǎn)水量也應(yīng)該成倍的增加甚至更多，性能系數(shù)也應(yīng)該增加，但是從實驗結(jié)果來看卻不是。 原因主要有以下兒點:是由于熱量的損失。當(dāng)溫度越高時，裝置的溫度和周圍壞境的 溫差就越大，熱損失有越多；是由于溫度越高，水蒸汽的產(chǎn)生速率就越大，但是冷凝 器的冷卻能力有限。當(dāng)超出冷凝器的冷凝能力范圍時，就導(dǎo)致部分水蒸氣未被冷凝，進(jìn) 而影響產(chǎn)水量，裝置的性能系數(shù)也會因此下降；可能是由于裝置的設(shè)計缺陷造成的。 比如：風(fēng)道口徑較小導(dǎo)致不能很好地輸送水蒸氣、風(fēng)道管道較長導(dǎo)致水蒸氣在管道里凝 結(jié)、水的蒸發(fā)不充分等等。3.4室外實驗本文針對該裝置在實際天氣

20、條件下的產(chǎn)水能力和效率，也進(jìn)行了相關(guān)的實驗研究。 裝置的室外實驗是直接讓聚光器聚集的太陽光線透過玻璃蓋板投射到加濕器的加濕層 上面來供熱。并且對裝置的產(chǎn)水量進(jìn)行了測定，利用trm-2型太陽能測試系統(tǒng)，對當(dāng) 天的瞬時輻照強度和累計輻照進(jìn)行了測量和記錄，利用溫度巡檢儀和熱電偶對裝置內(nèi)各 個測量點的溫度進(jìn)行了測量和記錄。1075 r-1450o50200o759509009-輻照強度 累計輻照強度10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00時間/hh:mm圖6 2016年3月15 fi北京地區(qū)部分時間段太陽輻照強度和累計輻照值變化iii【

21、線從圖6可以看出，2016年3月15日北京地區(qū)部分吋間段太陽輻照強度和累計輻照 值。從10:00-13:00太陽輻照強度都很穩(wěn)定，在上午11:00-11:30達(dá)到最大值，約為 1050w/m2,但在13:00以后太陽的輻照強度急劇下降，約為1018w/m2,而到13:30降 到918w/m全天的太陽累積輻照值達(dá)到了 12.83mj/m2o時間/hh:mm(蘭)0 6 2 8 4 2 110 0oo0 9 8 1 o o7 6 5 4 3 2 o o o o o o1 o o o圖7裝置產(chǎn)水速率利累積產(chǎn)水呈隨時間的變化曲線從圖7可知，開始時裝置的產(chǎn)水速率很少，但是隨后迅速增加，在11:00-13

22、:30 置的產(chǎn)水速率有所增加，但是增加較緩慢，在13:30停止供熱以后，裝置的產(chǎn)水量先穩(wěn) 定一段吋間之后迅速減少，然后是緩慢減少，最后幾乎為零。該裝置的累積產(chǎn)水量達(dá)到 t 1.98kg。而加濕器內(nèi)部的水溫變化和小時產(chǎn)水量變化基本是一致的，略有不同的是在 停止供熱z后，裝置的溫度下降的很快，然后緩慢，最后趨同于環(huán)境溫度。而裝置的產(chǎn) 水速率在停止供熱z后并沒有迅速減少，在這段時間里，產(chǎn)水速率要比溫度下降滯后, 這是由于裝置的惰性引起的，即裝置的產(chǎn)水速率變化沒有溫度變化的那么敏感。最后, 由圖7和圖8可得，在太陽輻照強度為918w/n?吋，最大產(chǎn)水速率達(dá)到0.52kg/ho3.5室外實驗的性能系數(shù)菲

23、涅爾聚光器的有效面積為s=0.65m2，w得當(dāng)天太陽的累積輻照值為12.83mj/m2, 故聚光器接受到的太陽輻照總能暈為q=0.65xl2.83=8.34mjo裝置的室外實驗的累積產(chǎn) 水量為1.98kg。本實驗的太陽入射角在30。以內(nèi)，菲涅爾聚光器在太陽入射角小于30。吋，它的總 效率能達(dá)到80%,也就是說聚光器接受到的太陽輻照總能量有80%能到達(dá)加濕器玻璃表 面。故裝置的室外實驗的性能系數(shù)可計算為：lvure x1.98 x 2300亦= 8.34 x 0.8 x1cp = °-69(16)4結(jié)論本文設(shè)計并制作了一種利用太陽能直接進(jìn)行海水淡化的實驗裝置，針對裝置的性能 進(jìn)行了大量

24、的實驗研究，同時，對裝置的性能也進(jìn)行了詳細(xì)地分析和仿真。本文的主要 工作及相關(guān)結(jié)論如下：(1) 首先介紹了裝置的基本組成結(jié)構(gòu)和運行原理，對裝置的內(nèi)部傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了 理論的分析和研究，建立了熱平衡方程式。(2) 通過對定溫實驗和定功率實驗的實驗結(jié)果分析得到，風(fēng)速的大小和加濕層的 厚度對產(chǎn)水速率有一定影響，用單風(fēng)機和雙層加濕小球的實驗裝置產(chǎn)水效果更好，在73°c 左右時，其產(chǎn)水速率為1.12kg/ho其不同實驗條件下的最大產(chǎn)水速率的差值在0.10 kg/h 左右，最大偏差為9%,所以要根據(jù)實驗裝置的不同來選擇風(fēng)速和加濕層厚度。當(dāng)給裝 置提供穩(wěn)定加熱功率800w時，裝置在運行3.5小時后基本達(dá)到產(chǎn)水率穩(wěn)定，斷電后系 統(tǒng)仍然可以得到30%左右的產(chǎn)水量。(3) 本文分別進(jìn)行了實驗裝置的定溫實驗、定功率加熱實驗和實際條件下的實驗。 通過數(shù)據(jù)，計算得到了裝置實際天氣下的室外實驗的性能系數(shù)，實驗結(jié)果表明，裝置的 性能系數(shù)為0.69。參考文獻(xiàn)1 鄭宏飛，何開巖，陳子乾.太陽能海水淡化技術(shù)m.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.2 王俊鶴.海水淡化.北京：科學(xué)出版社，197&3 h.ben bacha, m bouzgue