【摘要】：隨著全球人口激增和經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，人類對安全高品質(zhì)的淡水需求日益增加，然而淡水資源分布不均、自然氣候異常變化和工業(yè)對淡水資源污染使得全球性淡水匱乏危機(jī)日益臨近。利用太陽能海水淡化技術(shù)得到可供飲用和灌溉的淡水是緩解上述危機(jī)的最具前景的方法之一。盡管在世界范圍內(nèi)已經(jīng)對太陽能海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了許多研究，但成本高和規(guī)模小仍然是太陽能海水淡化技術(shù)應(yīng)用的最大障礙。這是由于太陽能集熱系統(tǒng)在高溫段時效率低，海水淡化部件在低溫段時效率低的結(jié)構(gòu)不匹配造成的。 本文創(chuàng)新性地提出了聚光式太陽能海水淡化系統(tǒng)的構(gòu)想，，即利用太陽能聚光系統(tǒng)將太陽光聚焦后直接加熱海水，海水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽輸入到工業(yè)化海水淡化裝置中生成淡水并將濃鹽水制鹽提高裝置的經(jīng)濟(jì)性。 首先，本文從熱力學(xué)角度對蒸餾法海水淡化過程的最小能耗展開理論推導(dǎo)。給出了太陽能集熱器做功供能海水蒸餾系統(tǒng)、直接供熱海水蒸餾系統(tǒng)和發(fā)電供能海水蒸餾系統(tǒng)的理想過程，在此基礎(chǔ)上對基于太陽能集熱器的海水蒸餾實(shí)際過程的最小能耗和產(chǎn)水量的關(guān)系進(jìn)行了分析和研究。 其次，以太陽能海水淡化系統(tǒng)低成本、大規(guī)模應(yīng)用為目的，提出了聚光式太陽能海水淡化系統(tǒng)。設(shè)計了可以用于該淡化系統(tǒng)的三反射面聚焦槽式聚光器和鏡像焦點(diǎn)重疊式聚光器，給出了其結(jié)構(gòu)曲線方程式以及基本單元尺寸的計算方法。建立了相應(yīng)的三維模型，利用光學(xué)分析軟件LightTools對聚光器進(jìn)行了光學(xué)性能分析。 為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，并在光學(xué)暗室內(nèi)對功能化海水的消光性能進(jìn)行實(shí)驗研究，探索深色固體顆粒的粒徑、豐度、水體沸騰程度、光束傳播距離以及光束在水體中的深度對功能化海水消光性能的影響，擬合出了功能化水體通光率隨沸騰程度呈指數(shù)函數(shù)變化的方程。將功能化水體透射率實(shí)驗測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好，決定系數(shù)均在0.95以上。 在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計搭建了槽式和碟式聚光直熱太陽能海水淡化裝置，在實(shí)際天氣下對兩個裝置的產(chǎn)水性能展開研究，提出了無因次參數(shù)“比效率σ”作為評價功能化海水消光熱性能的標(biāo)準(zhǔn)，同時對聚光式太陽能海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評估。 再次，為了深入了解蒸汽在海水淡化裝置中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，設(shè)計搭建了新型兩級多效增濕除濕太陽能海水淡化裝置，并對其內(nèi)部蒸汽凝結(jié)過程中的熱物理問題展開研究和分析，通過多次利用蒸汽的汽化潛熱實(shí)現(xiàn)了裝置熱能利用率的提高，裝置最大產(chǎn)水量可以達(dá)到63.55kg/h，性能系數(shù)（GOR）達(dá)到1.89。利用熱力學(xué)原理對裝置進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析，建立了其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)模型，理論計算結(jié)果與實(shí)驗測量結(jié)果吻合很好，驗證了模型的正確性。 最后，設(shè)計搭建了多效橫管式和豎管式太陽能蒸餾器，對其內(nèi)部蒸汽的傳熱傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行了研究和分析。并對多效橫管式太陽能蒸餾器在常壓下的定功率運(yùn)行、定溫度運(yùn)行以及負(fù)壓下定溫加熱運(yùn)行的產(chǎn)水性能展開實(shí)驗研究，通過改變裝置內(nèi)氣體介質(zhì)，研究其常壓定溫運(yùn)行的性能，得到了產(chǎn)水率的半經(jīng)驗公式，其中，三效裝置在輸入功率為350W時，性能系數(shù)達(dá)到1.91。對豎管式太陽能蒸餾器進(jìn)行了常壓下恒定輸入功率、恒定運(yùn)行溫度下的產(chǎn)水性能實(shí)驗，實(shí)驗結(jié)果表明，對于三效豎管裝置，輸入功率為400W時，性能系數(shù)能夠達(dá)到1.89。
【圖文】：

圖 1.1 2004～2030 年全球市場能源消耗源豐富，但在能源利用中卻存在這樣的缺點(diǎn)：一日落以及風(fēng)雪云雨等氣候條件和自然條件的影響的；二是分散性，相比較其他能源而言，太陽

圖 1.2 Della Porta 提到的太陽能海水淡化裝置62 年精心設(shè)計建造了一個裝有大玻璃透鏡的燒瓶中進(jìn)行太陽能蒸餾[23]。之后很長時間太態(tài)，直到工業(yè)革命之后的 1872 年，瑞典工
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P747

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2540314