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太陽能與海水淡化技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030701749
- 條形碼:9787030701749 ; 978-7-03-070174-9
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
太陽能與海水淡化技術(shù) 本書特色
利用太陽能等可再生能源淡化海水或苦咸水,可以減少甚至消除淡水生產(chǎn)過程中的化石能源消耗以及由此產(chǎn)生的環(huán)境污染,是海水淡化技術(shù)的重要發(fā)展方向
太陽能與海水淡化技術(shù) 內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)介紹了太陽能海水淡化技術(shù)的分類及研究進展,重點介紹了作者在太陽能集熱與海水淡化技術(shù)方面的研究成果,主要內(nèi)容包括:V型吸熱板空氣集熱器、聚熱型無機熱管-真空玻璃管集熱器及非金屬管式平板集熱器的研究;無機熱管式低溫多效蒸餾海水淡化、太陽能低溫單效蒸餾海水淡化工藝及性能的研究,以及無機熱管低溫蒸發(fā)-冷凝器、無機熱管冷凝器、液-液氣多相流引射器、蒸餾器面蓋等主要設(shè)備的研究;太陽能鼓泡加濕-熱泵海水淡化、蓄熱式加濕除濕太陽能海水淡化工藝及性能的研究;鼓泡加濕微觀過程機理及可視化試驗研究;相變材料蓄熱與強化傳熱研究等。 本書可供太陽能與海水淡化領(lǐng)域相關(guān)科研及工程技術(shù)人員使用和參考,也可供相關(guān)專業(yè)高校師生參考。
太陽能與海水淡化技術(shù) 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 海水的組成與性質(zhì) 1
1.2 太陽能與海水淡化 3
1.3 太陽能海水淡化技術(shù)的研究進展 4
1.3.1 熱法太陽能海水淡化技術(shù) 5
1.3.2 膜法太陽能海水淡化技術(shù) 20
參考文獻 23
第2章 太陽能集熱器 30
2.1 太陽能空氣集熱器的分類 30
2.2 V型吸熱板空氣集熱器 34
2.2.1 空氣集熱器的基本結(jié)構(gòu) 34
2.2.2 空氣集熱器的數(shù)值模擬 35
2.3 聚熱型無機熱管-真空玻璃管集熱器 40
2.3.1 集熱器的基本結(jié)構(gòu) 40
2.3.2 集熱性能的理論分析 42
2.3.3 集熱性能試驗 47
2.3.4 加熱箱的數(shù)值模擬 54
2.4 非金屬管式平板集熱器 62
2.4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱遷移因子的影響 63
2.4.2 非金屬管式平板集熱器性能測試 64
2.4.3 集熱器出口流體溫度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測 69
參考文獻 72
第3章 低溫蒸餾法海水淡化 76
3.1 低溫多效蒸餾海水淡化的典型工藝 76
3.2 無機熱管式低溫多效蒸餾海水淡化工藝 79
3.2.1 工藝過程 80
3.2.2 工藝計算 82
3.3 無機熱管低溫蒸發(fā)-冷凝器 85
3.3.1 無機熱管低溫蒸發(fā)-冷凝器設(shè)計 85
3.3.2 無機熱管低溫蒸發(fā)-冷凝器試驗 91
3.4 無機熱管冷凝器 94
3.4.1 試驗系統(tǒng) 94
3.4.2 主要部件 95
3.4.3 冷凝器產(chǎn)水特性試驗 97
3.4.4 試驗數(shù)據(jù)分析及試驗改進 99
3.5 液-液氣多相流引射器 105
3.5.1 試驗研究 105
3.5.2 數(shù)值計算 106
3.6 太陽能低溫單效蒸餾海水淡化工藝 117
3.6.1 工藝流程 118
3.6.2 主要部件 119
3.6.3 產(chǎn)水量分析 122
3.7 蒸餾器面蓋熱損失分析 126
3.7.1 單層玻璃面蓋頂部熱損失系數(shù) 126
3.7.2 雙層玻璃面蓋頂部熱損失系數(shù) 129
3.7.3 帶蜂窩結(jié)構(gòu)的玻璃面蓋頂部熱損失系數(shù) 130
3.7.4 集熱板獲得的有效太陽輻照量 133
參考文獻 137
第4章 加濕除濕太陽能海水淡化 139
4.1 加濕除濕法 139
4.2 太陽能鼓泡加濕-熱泵海水淡化聯(lián)合工藝 144
4.2.1 工藝過程 144
4.2.2 工藝設(shè)計 145
4.2.3 主要影響因素 148
4.3 蓄熱式加濕除濕太陽能海水淡化工藝 153
4.3.1 工藝簡介 153
4.3.2 產(chǎn)水模型 154
4.3.3 產(chǎn)水計算結(jié)果與分析 156
4.4 家用加濕除濕太陽能海水淡化裝置 161
4.4.1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理 161
4.4.2 試驗過程 162
4.4.3 試驗結(jié)果與分析 164
參考文獻 167
第5章 鼓泡加濕理論分析與試驗 169
5.1 鼓泡加濕的微觀過程及機理 169
5.1.1 氣泡的形成 169
5.1.2 氣泡的聚并與破碎 171
5.1.3 雙膜理論 173
5.1.4 加濕傳質(zhì)通量 175
5.2 鼓泡過程可視化試驗與分析 177
5.3 鼓泡加濕試驗 179
5.3.1 加濕器內(nèi)水溫和水量的計算 179
5.3.2 不同條件下的計算結(jié)果與分析 182
5.3.3 鼓泡加濕試驗結(jié)果與分析 190
5.4 單孔鼓泡影響因素的數(shù)值模擬 200
5.4.1 數(shù)值模型 201
5.4.2 模擬計算結(jié)果及比較 202
參考文獻 206
第6章 相變材料蓄熱與傳熱 208
6.1 相變材料蓄熱及強化傳熱研究進展 209
6.2 梯級相變蓄熱理論分析 216
6.2.1 各級*佳相變溫度分析 216
6.2.2 熱流體有效能利用率分析 218
6.3 梯級相變蓄熱除濕器及其試驗系統(tǒng) 218
6.3.1 梯級相變蓄熱除濕器結(jié)構(gòu)及工作原理 218
6.3.2 試驗系統(tǒng)工藝及參數(shù) 220
6.3.3 梯級相變蓄熱試驗結(jié)果及分析 221
6.4 石蠟熔化過程的試驗研究與數(shù)值模擬 226
6.4.1 石蠟熔化可視化試驗系統(tǒng) 226
6.4.2 石蠟熔化過程的數(shù)值模擬 227
6.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析 230
參考文獻 240
彩圖
太陽能與海水淡化技術(shù) 節(jié)選
第1章緒論 水是人類與地球其他生命賴以生存的自然資源,也是國民經(jīng)濟的命脈。水資源是評價一個國家或地區(qū)經(jīng)濟是否可持續(xù)發(fā)展的重要指標。陸地上的淡水資源總量只占地球上水體總量的2.53%,且大部分分布在南北兩極地區(qū)的固體冰川。目前,人類比較容易利用的淡水資源主要是河水、淡水湖泊水及淺層地下水,而這些淡水儲量只占全部淡水總量的約0.3%,占全球總水量的十萬分之七,即全球真正有效利用的淡水資源每年約有9000立方千米。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme,UNEP)報告顯示,1970~2018年,取水量增速盡管有所下降,其總量仍然由每年250萬m3增加到了每年420萬m3。在過去100年里,全球淡水用量增加了6倍,20世紀80年代以來繼續(xù)以每年約1%的速度增長。淡水用量的增長主要歸因于人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和消費模式的轉(zhuǎn)變。聯(lián)合國水發(fā)展報告中估計,全球用水量將繼續(xù)以每年約1%的速度增長,到2050年,用水量將比目前增長20%~30%。 海水淡化是人類已知*早的水處理方式,也是解決淡水資源匱乏*可行且可持續(xù)的方案。但由于海水含鹽度高,海水淡化工藝耗能較高。歷史上,海水淡化工藝因其投資和能耗很高,是商業(yè)應(yīng)用中*貴的產(chǎn)生淡水的方式。 推廣和應(yīng)用太陽能技術(shù)符合節(jié)能減排的要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。我國廣大農(nóng)村、孤島等偏遠地區(qū)普遍存在電力缺乏問題,因此在能源較為緊張的條件下,利用太陽能從海水及苦咸水中制取淡水,是解決淡水缺乏現(xiàn)狀及實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。 1.1海水的組成與性質(zhì) 海水中溶解了多種鹽分,從海洋的形成來看,海水中應(yīng)該含有地球上的所有元素,但限于目前的技術(shù)水平,僅僅測定出了八十多種元素。除了氫元素和氧元素以外,每千克海水中含量在1mg以上的元素只有12種,它們分別是氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、溴、碳、鍶、硼、硅和氟,合計約占海水全部元素質(zhì)量的99.9%。除了這12種含量較大的元素之外,其余幾十種元素被稱為微量元素。 鹽度(‰)是海水的重要指標之一,它是指1kg海水中將溴元素和碘元素以氯元素置換,碳酸鹽變?yōu)檠趸铮袡C物全部氧化后,其所含固體的總質(zhì)量。 表1-1是鹽度為35‰時,海水中的主要離子濃度和氯度比值。 1.海水氯度與鹽度 氯度和鹽度是海水的重要指標,其定義是1899年在瑞典斯德哥爾摩舉行的**次國際海洋會議上提出的。 1901年,Knudsen教授等將氯度定義為“1kg海水中,將溴、碘以氯置換后其所含氯的總質(zhì)量,單位為g/kg,通常用Cl‰表示”。Knudsen還分別規(guī)定了測定海水氯度和鹽度的標準方法,一般稱為Knudsen方法。利用該方法測定的海水鹽度并不是海水中真正的含鹽量,而是一種以實踐為基礎(chǔ)的、定義性的相對含鹽量,海水真正的含鹽量直至今日也無法準確測定。 1979年,國際海洋物理科學協(xié)會(International Association for the Physical Sciences of theOceans,IAPSO)所屬的物理海洋學符號、單位及術(shù)語工作組建議將氯度定義改為“沉淀海水樣品中含有的鹵化物所需純標準銀(原子量銀)的質(zhì)量與海水質(zhì)量比值的0.328倍”,該建議被IAPSO采納。 2.海水中溶解的氣體 海水中溶解有多種氣體,其含量如表1-2所示。 二氧化碳溶解在海水中與淡水中的情況不同。溶解在淡水中的二氧化碳主要以游離狀態(tài)存在,可用煮沸或減壓的方法驅(qū)除,而溶解在海水中的二氧化碳主要以碳酸根及碳酸氫根形式存在,需加入強酸才能逐出。 海水中的二氧化碳影響著海水的pH,海水的pH一般為7.5~8.4。 3.海水的化學和物理性質(zhì) 海水的物理、化學性質(zhì)是海水淡化裝置設(shè)計、計算和操作過程中必須考慮的因素。海水的化學、物理性質(zhì)分別如表1-3和表1-4所示。 1.2太陽能與海水淡化 近年來,淡水稀缺的巨大壓力促使人們開始研究可持續(xù)水資源技術(shù),可選方案包括海水淡化技術(shù)、廢水再利用技術(shù)和雨水收集技術(shù)(日本的主要淡水來源方式)。截至2020年2月中旬,全球海水淡化裝機容量為9720萬m3/d,分別由20971個項目提供,其中以海水為給水水源的裝機容量為5540萬m3/d,占比約為57%[9]。據(jù)統(tǒng)計,2010~2020年,全球已安裝的海水淡化容量以每年約7%的速度穩(wěn)步增長。根據(jù)2021年發(fā)布的《海水淡化利用發(fā)展行動計劃(2021—2025年)》,到2025年,全國海水淡化總規(guī)模達到290萬m3/d以上,新增海水淡化規(guī)模達125萬m3/d以上。 海水淡化過程是一個高能耗的生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)海水淡化過程中直接或間接消耗的是化石能源,而化石能源利用過程中會排放有害物質(zhì)并產(chǎn)生溫室效應(yīng)。隨著人類環(huán)保意識的增強以及對環(huán)保要求的提高,利用可再生能源淡化海水已成為海水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前,海水淡化技術(shù)已與多種可再生能源相結(jié)合,其中包括風能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能和太陽能等。在所有的可再生能源中,太陽能的應(yīng)用*廣,因為凡是有人類生存的地方都有太陽能存在,而其他可再生能源受地域的影響比較大,只在某一特定地域存在,如地熱能和潮汐能。風能存在地域也比較廣,但與太陽能相比,風力大小及方向多變,不夠穩(wěn)定。截至2016年,太陽能海水淡化就已經(jīng)占領(lǐng)了海水淡化市場的四分之一,太陽能利用率也從*初的不到10%發(fā)展到接近50%,產(chǎn)水量也得到了大幅度提升。因此,發(fā)展太陽能與海水淡化技術(shù)結(jié)合是可再生能源與海水淡化技術(shù)結(jié)合的主要方向之一。經(jīng)過長期發(fā)展,太陽能海水淡化已衍生出了多種技術(shù)方法,不同學者對其分類略有不同。圖1-1為一種太陽能海水淡化技術(shù)方法分類示意圖。 1.3太陽能海水淡化技術(shù)的研究進展 除了圖1-1所示的太陽能海水淡化分類方法之外,如果從太陽能的轉(zhuǎn)化方式分類,又可簡單地分為光熱利用法和光電利用法兩類。光熱利用法是將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能,利用熱能使海水蒸餾或使空氣加濕生產(chǎn)淡水,光熱利用法可簡稱為熱法。光電利用法是將太陽能通過光伏電池轉(zhuǎn)化為電能,再用電能驅(qū)動反滲透裝置或其他聯(lián)合裝置生產(chǎn)淡水,該方法可簡稱為膜法。 在熱法中,太陽能蒸餾法及太陽能加濕除濕(humidification-dehumidification,HDH)法是太陽能海水淡化中*常采用的方法,此外還有近些年發(fā)展較快的太陽能膜蒸餾法和太陽能局域熱法;在膜法中,采用的主要方法是太陽能反滲透(reverseosmosis,RO)法,它是太陽能海水淡化的主要發(fā)展方向之一。此外,太陽能電滲析(electrodialysis,ED)法也有少量的應(yīng)用。 太陽能海水淡化裝置規(guī)模一般較小,如墨西哥的海水淡化系統(tǒng),集熱面積為680m2,海水淡化能力為12m3/d,集熱器運行溫度為35~110℃;法國的海水淡化系統(tǒng)集熱面積670m2,淡水產(chǎn)量為40m3/d[13]。1982年,我國嵊泗島建造廠搭建了一個具有數(shù)百平方米太陽能采光面積的大規(guī)模海水淡化裝置,成為我國**個實用的太陽能蒸餾法海水淡化裝置。 1.3.1熱法太陽能海水淡化技術(shù) 1.太陽能蒸餾法 人類早期利用太陽能進行海水淡化主要是采用太陽能蒸餾的方式,因此早期的太陽能海水淡化裝置一般都被稱為太陽能蒸餾器。 太陽能蒸餾法可分為直接法和間接法。直接法是將集熱和脫鹽過程集于一體,將太陽輻射的熱能直接用于蒸餾制得淡水,該方法也稱為被動式太陽能蒸餾法。間接法是將集熱與脫鹽過程分開,先使用集熱器將光能變成熱能,再利用這些熱能制取淡水。 1)直接法 直接法的典型裝置是盆式太陽能蒸餾器,圖1-2是不同盆式太陽能蒸餾器的基本形式。人類對于盆式太陽能蒸餾器的應(yīng)用已有一百余年的歷史,由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便,至今仍被廣泛應(yīng)用。世界上**個大型太陽能海水淡化裝置于1874年在智利北部城市拉斯薩利納斯(LasSalinas)建造,它由許多寬1.14m、長61m的盆式蒸餾器組合而成,總面積47000m2,晴天時,每天生產(chǎn)淡水23m3,這個系統(tǒng)運行了近40年。 早期的太陽能蒸餾器由于產(chǎn)水量低,初期成本高,在很長一段時間里并沒有受到人們的重視。**次世界大戰(zhàn)后,太陽能蒸餾器再次引起人們的關(guān)注,為海上救護及生活用水提供了幫助。 直接法的缺點是占地面積大、工作溫度低、產(chǎn)水量不高,也不利于應(yīng)用其他余熱。人們通過對盆式太陽能蒸餾器的不斷改進,又陸續(xù)研制出多級盆式、外凝結(jié)器式、多級新型盆式、聚光式、傾斜式和擴散式等形式的太陽能蒸餾器。El-Sebaii等提出了一種結(jié)合淺水太陽池的盆式蒸餾器;Aboabboud等提出一種能主動回收潛熱的外凝結(jié)式太陽能蒸餾器;Chaibi在溫室頂部安裝太陽能蒸餾器,可提供灌溉溫室作物的淡水;Davies等在阿拉伯聯(lián)合酋長國也進行了類似的設(shè)計,并肯定了這種做法的可行性。 目前,直接法的研究主要集中于材料的選取,各種熱性能的改善,以及與各類太陽能集熱器的配合使用。直接法適用于小型產(chǎn)水系統(tǒng),如淡水需求量小于200t/d的地區(qū)[20]。利用單級太陽能蒸餾法,蒸發(fā)1kg溫度為30℃的水大約需要 2.4×103kJ的能量。近年來,納米流體因其光頻分譜的性質(zhì),被引入太陽能海水淡化的研究中,以提高太陽輻射光伏和光熱轉(zhuǎn)化的效率。Ashidi等[21]提出了一種利用納米流體進行光譜分頻的太陽能聚光接收器,并與有機朗肯循環(huán)相結(jié)合進行熱回收,以*大限度地利用太陽能。 2)間接法 目前開發(fā)的太陽能海水淡化法主要以間接法為主,間接法以太陽能多級閃蒸(multistage flash,MSF)法和太陽能多效蒸餾(multi-effect desalination,MED)法為代表。這些方法中,除單獨使用太陽能外,還可將太陽能與熱能、電能或其他能量相結(jié)合,是大型太陽能海水淡化裝置的發(fā)展方向。太陽能蒸餾系統(tǒng)需要有蒸餾裝置和太陽能集熱器,如果采用低溫蒸餾,則可使用低品位熱源,海水結(jié)垢速度也比較慢,但需要使用抽真空設(shè)備,電能消耗較大,對于缺電或無電的海島及偏遠地區(qū)難以使用。用于海水淡化蒸餾法的集熱器主要有鹽度梯度太陽池、平板集熱器、真空管集熱器和拋物面型集熱器等。 Shatat等研究了一種耦合真空管太陽能集熱器的四級盆式太陽能蒸餾器,如圖1-3所示,該蒸餾器能從四級的蒸發(fā)和冷凝過程中回收潛熱。該系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)能力約為每天5kg/m2,高于傳統(tǒng)的盆式蒸餾器或多級蒸餾器。 (1)太陽能多效蒸餾法。如圖1-4所示,太陽能多效蒸餾法將一系列蒸餾器串聯(lián)起來。海水首先經(jīng)過太陽能加熱系統(tǒng)加熱,所產(chǎn)生的熱蒸氣進入**效蒸餾器。在**效蒸餾器中,蒸氣與海水換熱,被冷凝成淡水,而海水吸收蒸氣釋放的冷凝潛熱后產(chǎn)生蒸氣。**效蒸餾器產(chǎn)生的蒸氣進入第二效蒸餾器,蒸氣與海水換熱后,被冷凝成淡水,同時第二效蒸餾器中的海水以比**效中更低的溫度蒸發(fā)。這樣,海水通過多次的蒸發(fā)和冷凝,連續(xù)產(chǎn)出淡水。
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