太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统研究与热力学分析

论文摘要

水是人类的生命之源,若缺乏水资源,生命也将受到威胁。地球上97.5%的水资源为海水或苦卤水,但不能被人类直接使用,能被利用的淡水资源仅占全球水资源的0.26%,近几十年来,全球淡水资源日益减少,而人类对于淡水的需求却越来越大。若能利用海水淡化技术将这些水资源转变为淡水资源,这无疑解决了全球淡水匮乏的危机。海水淡化技术主要分为热法和膜法,后来发展出一种新型的海水淡化技术—加湿除湿海水淡化,此方法建立在膜蒸馏的基础上,它结合了热法和膜法两者的优点（用热能来驱动系统,用膜来过滤海水）,加湿除湿海水淡化技术有望取代传统的海水淡化方法。与其他海水淡化技术相比,例如多级闪蒸等,该技术可以利用低品位能源如太阳能、空气能等进行驱动,且操作温度和压力较低（通常在常压下运行,操作温度为60-80℃）,是一种新型节能且环保的海水淡化技术。本文主要利用太阳能与热泵互补驱动膜式加湿除湿海水淡化技术进行实验研究。本系统的主要优点和创新点有以下几点:（1）系统的运行温度一般低于80℃,系统主要利用清洁能源太阳能和部分空气能为海水淡化系统提供能量,因此减少了对石油、煤炭等化石燃料的消耗,减少了对土壤大气环境的污染;（2）采用了中空纤维膜组件作为加湿器,取代了传统的直接接触式的加湿塔,相比于传统的加湿塔,膜式加湿器实现了空气与溶液的间接式传热传质,避免了传统加湿塔存在的液滴夹带问题,因此利用膜式加湿器生产的淡水品质较高。本论文主要工作由以下几个方面组成:（1）根据海水淡化膜的要求,选择疏水性的中空纤维膜为膜组件基础材料,使用本课题组自主研发的改性PVDF中空纤维膜并制作了膜组件加湿器。中空纤维膜管束采用正三角形的排列方式,用3.5%的NaCl的溶液模拟海水,海水走管程,空气走壳程,两者以错流的方式进行传热传质,制作的加湿器的膜面积为1 m2,填充密度为25%。（2）设计并搭建了一套太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统（MHDH）,整个系统主要包括太阳能集热器模块、热泵模块和海水淡化模块三个部分。其中太阳能集热器模块主要供能时间为8:0019:00,热泵模块工作时间为19:0021:00,整个海水淡化系统工作时间为8:0023:00。在系统实验中,研究了进口空气流量、进口海水流量和不同膜组件的填充密度等参数对系统性能的影响的研究,由实验数据可知,在进口风量为30 m3/h、海水流量为200 L/h的工况下,系统总高纯度淡水产量为24.15 kg/d,其电导率低于12μS/cm,系统单位体积产水电耗为14.57 kWh,系统的COP和电功率COPE分别为0.565和47.77。太阳能集热器在中午11点的集热效率达到了0.53,空气源热泵的制热COP最大为2.48。（3）在19:0023:00点这段时间内,通过对有无热泵驱动的海水淡化系统进行了实验分析,结果发现,利用水箱余热进行驱动海水淡化系统时,淡水最终产量为19.01 kg,系统COP和COPE分别为0.514和37.60,系统单位体积产水电耗为18.47 kWh/m3。而通过引入热泵后,系统的总淡水产量为24.15 kg,系统COP和COPE分别为0.565和47.77,系统单位体积产水电耗为14.57 kWh/m3。说明系统引入辅助能源热泵后,系统的性能大大提高。（4）利用第一定律和第二定律对太阳能与热泵互补驱动的MHDH海水淡化系统进行分析,实验数据表明:太阳能占总输入能量80.55%,电能占14.21%,水箱占5.24%。在能量输出方面系统只有55.34%的能量被有效利用来生产淡水,其余的能量在系统运行过程消散了。中午13点时太阳能集热器的?利用效率为32.71%左右,大部分的能量被储热水箱收集起来,只有一部分从水箱输出到海水淡化模块中进行生产淡水。对整个系统进行分析发现膜组件的?损占海水淡化模块?损的65.12%,说明膜组件加湿器损失了大部分的能量,因此需要对膜组件加湿器进行优化。

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摘要

Abstract

符号说明

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 海水淡化技术

1.2.1 热法海水淡化

1.2.2 膜法海水淡化

1.2.3 膜蒸馏

1.3 中空纤维膜组件技术的应用和研究进展

1.3.1 空气湿度控制

1.3.2 海水淡化

1.3.3 污水处理

1.4 加湿除湿海水淡化系统研究进展

1.5 海水淡化系统热力学分析

1.6 本文的研究内容及意义

第二章太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统设计

2.1 引言

2.2 系统描述

2.3 海水淡化系统设计

2.3.1 加湿器膜组件设计

2.3.2 除湿器单元

2.3.3 太阳能集热器模块

2.3.4 空气源热泵模块

2.4 实验仪器与测试仪表

2.4.1 实验仪器设备

2.4.2 实验所需测试仪表

2.5 误差分析

2.6 本章小节

第三章太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统性能测试

3.1 引言

3.2 系统性能参数

3.3 海水淡化系统实验

3.3.1 系统运行描述

3.3.2 进口海水流量对系统性能的影响

3.3.3 进口空气流量对系统性能的影响

3.3.4 加湿膜组件的填充密度对系统性能的影响

3.4 海水淡化性能评价

3.4.1 太阳能集热器

3.4.2 系统脱盐率和淡水品质

3.5 本章小结

第四章太阳能与热泵互补驱动性能分析

4.1 引言

4.2 系统运行工况

4.3 太阳能集热器单独驱动对系统性能的影响

4.4 太阳能集热器与热泵互补驱动对系统性能的影响

4.5 热泵互补性能评价

4.5.1 热泵制热性能

4.5.2 热泵互补性能

4.6 本章小结

第五章海水淡化系统热力学分析

5.1 前言

5.2 ?的概念

5.3 海水淡化系统涉及的?

5.3.1 太阳能辐射?

5.3.2 溶液?

5.3.3 湿空气的?

5.4 海水淡化系统热力学分析

5.4.1 系统简化模型

5.4.2 第一定律分析

5.4.3 第二定律分析

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 段超

导师: 张立志,赵夫峰

关键词: 中空纤维膜,太阳能,热泵,海水淡化,分析

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,无机化工,有机化工

单位: 华南理工大学

分类号: TQ051.893;P747

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.002785

总页数: 91

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太阳能与热泵互补驱动的中空纤维膜海水淡化系统研究与热力学分析

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