太阳能烟囱增湿-除湿海水淡化系统及其内部流动传热耦合强化机理研究

Solar sea water desalination is one of the most effective methods to solve the water shortage in China. The sea water desalination methods with small scale, distributed arrangement, low investment and less maintenance are of high significance to the locations such as the inland rural areas, coastal islands, ocean vessels and defense front reef, etc. The idea that the solar supplies the energy and power separately is proposed in this project. The Fresnel concentrating collectors, two-tower solar chimney updraft wind system and the sea water condensers are combined together to form a new solar chimney humidification–dehumidification sea water desalination system. In this system, the solar chimney and the Fresnel concentrating collectors are the power and energy sources respectively. The theoretical research, technical analysis and experimental research methods are utilized in this project to research the humidification process in the Fresnel concentrating collector, viz. the influence of different heating surface structures, low heat, low flow velocity, low pressure difference on both the water film evaporation rate and the airflow pressure loss; to research the dehumidification process in the chimney, viz. the heat transfer and fluid flow characteristics of the air and the moist steam before and after the ejection; to research the system transient and steady-state performances, viz. the influence of environmental parameters on the fresh water productivity and its influence rules. This project is expected to play important role and supply new ideas to enrich and develop low temperature solar desalination methods and to make the solar desalination high-efficiency, compact and cost-effective.

太阳能海水淡化是解决我国淡水资源短缺的有效手段。对于内陆偏远地区、沿海岛屿、远洋货轮和国防前线岛礁等，需要采用小规模、分布式、低成本和少维护的太阳能海水淡化方法。本课题提出利用太阳能分别提供能量与动力的思路，将菲涅尔聚光集热器、双烟囱太阳能热气流系统和海水冷凝器等有机结合成太阳能烟囱增湿-除湿海水淡化系统，太阳能烟囱为动力源，菲涅尔聚光集热器为能量源。采用理论研究、技术分析和实验研究方法研究菲涅尔聚光集热器内增湿过程，弄清海水蒸发速率与湿蒸汽流动速率的匹配规律；研究集热表面结构修饰，揭示不同集热面结构对低热流、低流速、低压差海水膜蒸发速率和流动压损的影响规律；研究烟囱内除湿过程，阐明两股流体“引射”前后流动传热特性变化规律；研究系统动态和稳态性能，探索影响淡水产量的环境参量及其影响规律。本项目为丰富和发展中低温太阳能海水淡化方法，推进太阳能海水淡化高效化、紧凑化、低成本化提供了新的思路。

太阳能海水淡化是解决我国淡水资源短缺的有效手段。本项目提出利用太阳能分别提供能量与动力的思路，将太阳能热气流系统与增湿-除湿海水淡化系统有机结合成太阳能烟囱增湿-除湿海水淡化系统。并以已提出的新型太阳能烟囱增湿-除湿海水淡化为基础，提出了一系列的太阳能热气流系统及增湿-除湿海水淡化系统相关的新型系统。采用理论研究、数值模拟和实验研究方法，建立了内嵌双烟囱式太阳能热气流系统数学模型、建立太阳能烟囱增湿-除湿海水淡化系统数学模型，通过编程计算、数值模拟和实验研究揭示了太阳能烟囱海水淡化系统内参量间相互影响关系；在TRNSYS软件平台下建立太阳能烟囱系统模块，研究不同蓄热材料情况下系统性能变化规律；搭建了斜坡式增湿-除湿海水淡化实验系统，研究不同入口风速、电加热功率、海水质量流率情况下系统淡水产出变化规律；搭建了倾角可调式增湿-除湿海水淡化系统，研究额定能量输入情况下系统淡水产出情况。研究结果表明，双烟囱系统相比于传统水平集热棚和倾斜集热棚系统性能分别提升了1.59倍和2.77倍，其性能相比于文献中报道的系统性能提升了21%-55%。蓄热层的热惯性将系统性能峰值推后2个小时左右，沙子是作为太阳能热气流系统的理想蓄热材料。增加加热功率可以增加系统日淡水产量，同时也会加速增加盖板表面热损和烟囱出口的湿空气损失，使得系统日淡水产量变化规律呈现先缓慢增加，再加速增加，然后加速减缓的趋势。实验日淡水产量和理论计算日淡水产量变化趋势一致，但是理论计算日淡水产量偏高，这是未考虑烟囱出口处湿空气损失所致。斜坡式烟囱增湿-除湿海水淡水装置可以稳定产水，产水量比同等工况下海水淡化与烟囱发电综合系统能提高4.6倍，但是系统效率仍然偏低，主要是因为海水温度偏低以及烟囱出口湿空气损失所致。本项目为丰富和发展中低温太阳能海水淡化方法，推进太阳能海水淡化高效化、紧凑化、低成本化提供了新的思路。在项目执行期间共发表SCI检索学术论文13篇，授权发明专利13项，授权实用新型专利1项，培养博士研究生1名、硕士研究生4名、本科生8名。