基于超声波雾化加湿的太阳能海水淡化中海水雾化蒸发和盐雾分离过程机理研究

开发一种可以与太阳能等低品位热源相结合的高效海水淡化技术是国内外解决淡水资源短缺和节能减碳的研究重点之一。然而传热传质效率不高一直是影响太阳能海水淡化系统效率和制约技术推广的主要瓶颈。本课题拟将超声波雾化强化加湿技术引入加湿除湿海水淡化系统中，并对海水超声雾化、雾滴蒸发和盐雾沉降耦合过程的关键技术进行基础科学研究。具体研究内容包括：基于表面张力波理论的海水超声波雾化过程机理分析，形成海水雾化分析、雾化粒径控制和实现方法；基于双膜理论的雾化液滴在热空气中的水分闪蒸和结晶盐颗粒析出过程研究，形成闪蒸过程模拟方法和结晶盐颗粒控制方法；基于多相流体动力学的控制容积内盐雾沉降过程研究，形成蒸发室内多过程耦合模拟分析方法、蒸发室和流场组织设计方法。通过本项目的研究，可以为新型基于超声波雾化蒸发的节能、高效、零排放海水淡化技术开发和设计奠定理论和实验基础。

太阳能加湿除湿海水淡化是最具前景的、解决偏远及特殊地区淡水资源短缺的中小容量淡水资源供应技术。而雾化加湿技术的应用，可以实现加湿系统与太阳能空气加热系统的管道化集成，实现低温多效加湿，而不增加系统加湿环节的空气阻力，进一步简化系统结构，提升太阳能集热系统的整体热效率与运行能耗，在较低温度先实现较高的空气湿度调节，提升太阳能加湿除湿海水的系统效率与产水率。本课题针对太阳能加湿除湿海水淡化中的雾化蒸发过程进行了深入研究：首先，针对单雾滴在空气中的蒸发过程进行了研究，基于克努森数的传热传质修正，建立了雾滴与空气间热质传递的质量与能量守恒方程体系，并在相关假设的基础上，对雾化加湿器内的雾滴蒸发与空气热湿过程进行分析，分析了单雾滴在热湿空气中的粒径及温度变化过程与特性，相关分析结果为基于雾化加湿的加湿除湿海水淡化系统设计奠定了理论基础。其次：在单雾滴零维热质过程分析的基础上，建立了基于雾化加湿系统的海水雾化与液雾群蒸发的热湿过程三维分析模型体系，对雾化器内的液体雾化、雾滴运动与蒸发以及空气的热湿过程进行了深入分析，就海水温度和喷雾量，热空气温度和速度等参数对加湿性能的影响及参数匹配性进行了深入分析。最后：在相关理论研究的基础上，建立了雾化加湿实验测试平台，对不同雾化参数及操作参数匹配下的雾化加湿过程进行了实验研究与理论分析对比研究。在相关研究进展中，逐步提出了基于管道加湿的零压差太阳能雾化加湿除湿海水淡化集成方法，以及将雾化加湿应用于节水型太阳能热发电站冷却新方法的应用。相关研究结果为后续研究奠定了理论与实验基础。