毕业论文（设计）聚光直热式太阳能海水淡化系统研究

1、聚光直热式太阳能海水淡化系统研究摘要：本文研制了一种聚光直热式加湿除湿太阳能海水淡化装置，对其结构和运行原理进行了介绍， 并对装置内部的传热传质过程进行了分析。设计了实验装置，并对装置的性能进行了测试，给出了海 水喷淋温度、加热功率等对产水速率的影响曲线，结果表明，采用单风机和双层加湿小球的实验装置 产水效果最好，在73°c左右时，其产水速率为1.12kg/h。当给装置提供稳定加热功率800w时，装置在 运行3.5小时后基本达到产水率稳定，断电后系统仍然可以得到30%左右的产水量。对装置在实际天 气下的工作性能也进行了测试，实验结果表明，在太阳辐照强度为918w/m2 im,最大产水

2、速率达到 0.52kg/h,性能系数达到0.69o 关键词：加湿除湿；太阳能；海水淡化：聚光直热0引言在全球淡水资源廣乏、能源紧张的情况下，利用太阳能等可再生能源进行海水淡化 无疑是一种长远的战略。经过几个世纪，太阳能海水淡化技术有了长足的发展，各种新 颖的太阳能蒸憾器系统层出不穷，更多的学者投入到太阳能海水淡化技术的研究中山現其中，h.bend等设计了一种新的利用太阳能多效蒸发冷凝循环海水淡化系统； s.b.hou等将太阳能多效加湿除湿海水淡化装置和迭盘式蒸镭器进行了组合；在国内也 有很多相关的研究，刘忠冈等基于鼓泡蒸发和空气载湿气液相平衡机理，搭建了一台具 有五级四效鼓泡蒸发式太阳能海水淡

3、化装置；陈子乾等设计了一种多效内冋热式太阳 能海水淡化装置。尽管太阳能海水淡化系统在世界范围内已经进行了许多研究，但关键 的难题仍然存在，比如太阳能海水淡化系统造价昂贵，一次性投入过高，致使经济性太 低而无法被用户接受。同时传统太阳能海水淡化技术部件分离，导致了成本增加，部件 之间的传热传质阻力导致了系统效率降低。釆取的海水淡化方式过于传统，导致材料和 制造成本增加。针对上述问题本文提出了聚光直接加热海水淡化的技术方案。其特点是 将光直接输送到海水中，并直接引起海水蒸发，后续再重复利用蒸汽凝结的潜热，从而 将聚光器、接收器、储热器、管路和淡化器合而为一。变成一个浓缩的系统，从而减少 能量的传递

4、阻力，并使用非金属材料，实现抗腐蚀和低成本的目标。1装置结构及其工作原理本文研究的聚光直热式加湿除湿太阳能海水淡化系统主要包括四个子系统。如图1 所示。本文的四个子系统分别为：菲涅耳聚光系统、加湿系统、除湿系统和辅助系统。基金项目：“十二五''农村领域国家科技计划课题（2013aa 1024072）。作者简介：王飞（1992）,男，硕士研究生，主要从事太阳能应用研究。通讯作者：郑宏飞（1963）,男，教授，博士生导师，e-mail: hongfeizh其中，菲涅耳聚光系统包括菲涅耳聚光器、二次聚光器和太阳跟踪器；加湿系统包括喷 头、蒸发器、玻璃盖板和加湿腔；除湿系统主耍是冷凝器

5、和冷凝腔；辅助系统主要有风 道、风机、水泵和管道等等。加湿腔固定于菲涅耳聚光器的正下方的横梁上，横梁是跟着菲涅耳聚光器一起联动 的，在a阳跟踪器的作用下，整个菲涅耳聚光系统会不停的调整角度以获得最多的太阳 光，加湿腔也会随着横梁的移动而移动。太阳光照射到菲涅耳聚光器上，经过菲涅耳聚 光器的聚光作用后汇聚到玻璃盖板，部分没有汇聚到玻璃盖板的太阳光线也会在二次聚 光器的作用下反射到玻璃盖板上，汇聚到玻璃盖板上的光透过玻璃盖板照射到蒸发器上 面，蒸发器（黑色小球）吸收太阳光能量后温度会不断地升高。加湿腔底部的海水在水 泵的作用下经过喷头均匀地喷淋到蒸发器上，由于蒸发器的温度高于水温，所以一部分 海水

6、会吸收热量产生蒸汽并与空气进行热湿交换形成饱和湿空气，高温湿空气在风机的 驱动下，经过风道进入冷凝腔底部，并与冷凝器接触，产生凝结形成淡水，淡水聚集在 冷凝腔的底部并通过出口阀门输送给用户。而经过冷凝器的热湿空气会变成温度较低的 湿空气，并在风机的作用下再次返回加湿腔，如此经过加湿-除湿-再加湿不断循环。喷淋下來的海水部分被蒸发，未被蒸发的部分经过加湿器后汇集在加湿腔的底部, 被水泵再次泵到加湿腔上部喷淋。因此，加湿腔中的浓海水是循环利用的，但会由于蒸 发而不断减少，因此要通过补水阀门不断地给予补充。当浓海水浓度过大时，从加湿腔 底部浓海水出口排除。haba二次克sb qiz图1实验系统组成及

7、内部能量传递的过程示叢图2实验装置系统内传热传质分析对系统内部进行传热传质分析，有利于解决实验过程中出现的问题和改善实验装置, 是对实验结果进行分析、研究的重要理论基础。其屮，图1给出了该系统内部能量传递 的过程示意图。为了简化计算做一下假设：(1) 假定产生的水蒸汽都为该温度下的饱和蒸汽。(2) 假定风道和外界没有热交换、水蒸气不会在风道里凝结、各种管道中不会有热 损失。(3) 因为从补水口加进去的水相对于蒸发器里的水来说微乎其微，所以忽略补水对 系统能量平衡的影响。(4) 假定加湿系统中蒸发器的温度(即黑色小球的温度)和海水的温度是相等的。(5) 假定玻璃盖板的比热容为0。2.1加湿系统的

8、能平衡分析透过菲涅耳聚光器的太阳辐射能量h =?jait(1)式中，"为菲涅耳聚光系统的总效率；斤为聚光器表面上太阳总辐射强度，w/m2； /为聚光器的有效面积，m2o对于加湿器内部来说，可以列出以下热平衡方程式：dtahxtxh = qc+qr+ cpw x mwdt+cpb x mb+ qbo + 叫(k.out _ 包向)式屮，的表示蒸发器对太阳光的吸收率；疋表示玻璃对太阳光线的透过率；/表示玻璃 表面的太阳辐射能量，w； qc, s分别表示玻璃盖板表面向环境传递的对流和辐射热量， w； f q/w分别表示加湿腔四周和底部的热损失量'w；表示海水的定压比热容j/kg c

9、c； c”表示蒸发器的比热容，j/kg°c；九表示湿空气的焙，j/kg；胚”妙分别表 示加湿系统内海水和蒸发器的质量，kg；加“表示湿空气的循环质量流率，kg/s；几，th 分别表示海水和蒸发器的温度，vo其中：q严九心一 t)式中，7；表示外界环境温度；文献7提出久=5.7+3.8乙y是玻璃盖板表面的风速；ag 为玻璃盖板的表面积。"叫(可-眄式中，兀表示玻璃盖板的温度，°c ； o表示斯忒藩-玻耳兹曼常 数,o=5.67x 10a(-8)w/(ma2-ka4)o当系统处于稳态时，dtw/dt. dtjdt、都等于0,则加湿系统稳定状态时热平衡方程 可以写成ah

10、xtxh = qcqr + qar + qho + 叫（hat -他肋）装置的产水量为:式屮，必为湿空气的含湿量；叫为装置的产水量。2.2除湿系统的热平衡分析由上图1可得到除湿系统热平衡方程：% （饥如 - kin ） + qloss =叫（九,。讥一仏）其中式中，?*表不冷凝器中冷却水的质量流率，kg/s；表不湿空气的焙，j/kg；力表示冷凝器中冷却水的焙，j/kgo在除湿系统中高温饱和湿空气变为低温饱和湿空气所释放的热量被冷凝器中的水 所带走，则冷凝器中的换热量可以用下式计算：qcond(10)(11)(12)(13)(14)2.3实验装置的热平衡分析由上述分析可得装置的热平衡方程式为：购

11、 x"h = mw（hwolll -扁）+ （%xmw + %xmj警+cpgx mg + qc + qr + qar + qho + qloss式中，qioss表示除湿器的热损失。稳定状态时实验装置的热平衡方程式（10）可化成：购心x h = mw（hwout 一 久角）+ qloss + 么 + qr + qar + 加 令qloss = qloss + qar +q = ahxrxh则稳定状态时实验装置的热平衡方程式可写成：0 =叫（饥如-仏）+ 0加3聚光直热式太阳能海水淡化装置实验研究3.1室内定温实验室内实验装置相对于室外实验装置多了一个保温水箱，代替聚光器给装置供热。在

12、 定温实验时能够很好地控制水温。而实验屮的冷却水是来自于自来水，温度保持不变。运行定温实验包括四个部分：装置采用单风机和单层小球时的定温实验、双风机和 单层小球时的定温实验、单风机和双层小球时的定温实验和双风机和双层小球时的定温 实验。实验结果如图2所示。温度厂c图2四种不同实验条件的产水速率随喷淋水温的变化从上面四种不同实验条件的产水速率随喷淋水温的变化图可以看岀，装置的产水速 率随温度的升高而增加，而且增加量有越来越大的趋势。这是因为装置内部的热量传输 主要由蒸发、对流和辐射传热三部分组成。当水温升高吋，蒸发传热所占能量份额是增 加的，而对流、辐射传热所占的能量份额是减少的叭蒸发传热能量份

13、额的增加就意味 着输入相同的能量，产水量增加，所以提高装置的产水性能，耍尽量提高装置的运行温 度。从上图2可知：无论风速大小，装置釆用双层加湿小球时的产水量都要比采用单层 加湿小球时的产水量要高。这是因为厚的加湿层既增加了水和黑色小球热交换的面积, 又增加了水蒸发的面积。除此之外还可以看出：当装置采用单层加湿小球时，采用双风 机的装置要比采用单风机的产水速率高。但是当装置采用双层加湿小球时，单风机装置 却比双风机装置的产水能力强。这是因为当装置采用双层加湿小球时，水的蒸发量要比 单层的大，而风速太大容易造成水蒸汽进入冷凝器之后未来得及冷凝就被风机带走，即 冷凝器的冷却能力不足。在73°

14、;c左右吋，四种不同实验条件下的产水速率分别为：1.02、 1.06、1.12、1.09kg/ho由数据分析得到：釆用单风机和双层加湿小球的实验装置产水效 果更好，不同实验条件下的最大产水速率的差值在0.10 kg/h左右，最大偏差约为9%, 所以z后的定功率实验和室外实验屮的装置都采用单风机和双层加湿小球。3.2室内定功率加热实验为了解本实验装置的产水效率和模仿实际天气下的室外实验，本文进行了定功率加 热实验。具体方法是：用一定功率的加热棒对保温水箱内初始温度为20°c海水连续加热 3.5小时。在停止加热之后，实验装置仍然继续运行，直到装置不产水为止，并在实验 过程屮记录产水量和温

15、度变化，每十分钟测量一次。本文分别采用了 400w、600w和 800w的加热棒进行了实验，结果如图3所示。400wi-a-800w| -a-eoowl:13:30后停止供热、0.10.010:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00时间图3不同加热功率条件下装置的产水速率由图可以看出不同加热功率条件下装置的产水速率。三条曲线在开始阶段几乎以同 样的速率快速上升，400w加热功率条件下的装置的产水率到12:00左右开始处于一个 相对稳定状态。600w加热功率条件下的装置的产水率直到12:30左右才开始处于一个 相对稳定状态，而800w加热功率条件

16、下的装置的产水速率直到13:00左右才稳定，在 13:30停止加热。加热功率越大，实验装置处于相对稳定状态时的运行温度就越高，所 以所需时间就越长，即装置的稳定状态來的越晚，稳定的产水速率也越晚。当停止加热 后,三种情况下的产水速率都迅速下降，直到为零。可知当给装置提供稳定加热功率800w 时，装置在运行3. 5小时后基本达到产水率稳定。时间/hh:mm兰、咽¥k験图4不同加热功率条件下装置的累计产水量由图4可知，装置的累计产水量随着加热功率的增大而增加，但是累积产水量增加比例和功率的增加比例并不相同。开始加热阶段累计产水量增加得很慢，但在11:00-13:00,累计产水量增加得很快

17、，而且加热功率越大，其曲线的斜率也越大，也就意味着产水速率越大。至ij 16:00时累计产水量变化很小，可以认为此时装置已经停止工作。加热功率为400w、600w、800w时对应的总产水量分别为1.54kg、1.94kg、2.30kg。图5不同加热功率条件下总产水戢和降温阶段产水戢由图5可以看出在降温阶段，装置的产水量是总产水量的30%左右，这是由于海水 自身的潜热造成的，所以在停止加热后要尽可能多地利用海水的潜热來生产淡水，以提 高装置的产水性能和效率。3.3室内实验的性能系数根据能量输入输出的关系，装置的性能系数（gor）计算公式可表示为:gorpure x hfg(15)qt式中：lpu

18、re i表不测试时间内的产水量；/?虫表示水的气化潜热，取2300kj/kg； 0/表示 测试时间内输入该装置的能量；对于装置的定功率实验来说，qt = ptt, pt为加热棒的功率，t为持续加热时间。 装置的加热时间是3.5个小时，功率为400w、600w、800w对应的装置的总产水量分别为 1.54kg、1.94kg、2.30kgo 则可得出go&oo = 0.703、gor60q = 0.590, gor80q =0.525。从实验数据可以看出随着加热功率的增大累积产水暈总体还是增加的。然而装置的 性能系数却随着加热功率的增加而减小了。由定温实验可以知，温度越高产水速率就越 大，

19、而且产水速率对温度总体呈现指数上涨形式，所以当加热功率成倍的增加吋，累计 产水量也应该成倍的增加甚至更多，性能系数也应该增加，但是从实验结果來看却不是。 原因主要有以下儿点:是由于热量的损失。当温度越高时，装置的温度和周围坏境的 温差就越大，热损失有越多；是由于温度越高，水蒸汽的产生速率就越大，但是冷凝 器的冷却能力有限。当超出冷凝器的冷凝能力范围时，就导致部分水蒸气未被冷凝，进 而影响产水量，装置的性能系数也会因此下降；可能是由于装置的设计缺陷造成的。 比如：风道口径较小导致不能很好地输送水蒸气、风道管道较长导致水蒸气在管道里凝 结、水的蒸发不充分等等。3.4室外实验本文针对该装置在实际天气

20、条件下的产水能力和效率，也进行了相关的实验研究。 装置的室外实验是直接让聚光器聚集的太阳光线透过玻璃盖板投射到加湿器的加湿层 上面来供热。并且对装置的产水量进行了测定，利用trm-2型太阳能测试系统，对当 天的瞬时辐照强度和累计辐照进行了测量和记录，利用温度巡检仪和热电偶对装置内各 个测量点的温度进行了测量和记录。1075 r-1450o50200o759509009-辐照强度 累计辐照强度10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00时间/hh:mm图6 2016年3月15 fi北京地区部分时间段太阳辐照强度和累计辐照值变化iii【

21、线从图6可以看出，2016年3月15日北京地区部分吋间段太阳辐照强度和累计辐照 值。从10:00-13:00太阳辐照强度都很稳定，在上午11:00-11:30达到最大值，约为 1050w/m2,但在13:00以后太阳的辐照强度急剧下降，约为1018w/m2,而到13:30降 到918w/m全天的太阳累积辐照值达到了 12.83mj/m2o时间/hh:mm(兰)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图7装置产水速率利累积产水呈随时间的变化曲线从图7可知，开始时装置的产水速率很少，但是随后迅速增加，在11:00-13

22、:30 置的产水速率有所增加，但是增加较缓慢，在13:30停止供热以后，装置的产水量先稳 定一段吋间之后迅速减少，然后是缓慢减少，最后几乎为零。该装置的累积产水量达到 t 1.98kg。而加湿器内部的水温变化和小时产水量变化基本是一致的，略有不同的是在 停止供热z后，装置的温度下降的很快，然后缓慢，最后趋同于环境温度。而装置的产 水速率在停止供热z后并没有迅速减少，在这段时间里，产水速率要比温度下降滞后, 这是由于装置的惰性引起的，即装置的产水速率变化没有温度变化的那么敏感。最后, 由图7和图8可得，在太阳辐照强度为918w/n?吋，最大产水速率达到0.52kg/ho3.5室外实验的性能系数菲

23、涅尔聚光器的有效面积为s=0.65m2，w得当天太阳的累积辐照值为12.83mj/m2, 故聚光器接受到的太阳辐照总能暈为q=0.65xl2.83=8.34mjo装置的室外实验的累积产 水量为1.98kg。本实验的太阳入射角在30。以内，菲涅尔聚光器在太阳入射角小于30。吋，它的总 效率能达到80%,也就是说聚光器接受到的太阳辐照总能量有80%能到达加湿器玻璃表 面。故装置的室外实验的性能系数可计算为：lvure x1.98 x 2300亦= 8.34 x 0.8 x1cp = °-69(16)4结论本文设计并制作了一种利用太阳能直接进行海水淡化的实验装置，针对装置的性能 进行了大量

24、的实验研究，同时，对装置的性能也进行了详细地分析和仿真。本文的主要 工作及相关结论如下：(1) 首先介绍了装置的基本组成结构和运行原理，对装置的内部传热传质进行了 理论的分析和研究，建立了热平衡方程式。(2) 通过对定温实验和定功率实验的实验结果分析得到，风速的大小和加湿层的 厚度对产水速率有一定影响，用单风机和双层加湿小球的实验装置产水效果更好，在73°c 左右时，其产水速率为1.12kg/ho其不同实验条件下的最大产水速率的差值在0.10 kg/h 左右，最大偏差为9%,所以要根据实验装置的不同來选择风速和加湿层厚度。当给装 置提供稳定加热功率800w时，装置在运行3.5小时后基本达到产水率稳定，断电后系 统仍然可以得到30%左右的产水量。(3) 本文分别进行了实验装置的定温实验、定功率加热实验和实际条件下的实验。 通过数据，计算得到了装置实际天气下的室外实验的性能系数，实验结果表明，装置的 性能系数为0.69。参考文献1 郑宏飞，何开岩，陈子乾.太阳能海水淡化技术m.北京：北京理工大学出版社，2005.2 王俊鹤.海水淡化.北京：科学出版社，197&3 h.ben bacha, m bouzgue