聚光热咸淡水分离及两相流分析

论文摘要

利用太阳光热使水-盐分离是国际上前沿课题,对此研究在水资源学科上具重要意义。南疆盐碱地种植所需漫灌产生了大量的盐碱水,实现盐碱水的资源化对于改善南疆缺水和沙漠环境有重要的应用价值。论文提出了四面聚太阳光热以提高蒸发取淡效率的方法,即三面透镜折射和一面反射而改变太阳光线路径,使蒸发器内水体集聚光热而蒸发,进而在盖板内外压差和温差作用下蒸汽冷凝提取淡水。研发了新型蒸发器,试验显示进入新型蒸发器的太阳光通量增加,淡水产出水平比传统的太阳能蒸发器明显提高,并减少约83%的加热时间。通过蒸发试验建立了努塞尔数Nu与格拉晓夫数Gr和普朗特数Pr之间的自然对流关系式,据此计算的产水率与试验数据相吻合。计算获得辐射传热系数hr、对流传热系数hc和蒸发传热系数he的最高值分别为7.419、1.214和19.602 W/（m2·℃）,杭州市hr和he约15时达到峰值。研发了一种聚光热咸淡水分离装置,由多根真空玻璃管并行排列串联而成晒热单元,以增加蒸发器的热源,促进蒸发器内气液分离,从而提高了取淡水的效率。分析了单相流的不同传热机理和流动条件,发现10-5mb真空条件下晒管集热效率与试验发生了明显偏离。论文建立了考虑管间对流传热的太阳能真空晒管内饱和咸水体的两相流模型,其理论效率与试验效率曲线相符,误差小于2%,解决了单相流存在的效率偏离问题。数值模拟了晒管内流动沸腾的发生和传播,结果表明,晒管内流量4.42kg/h是液流区与气液两相流区的分界点,低于4.42kg/h为气液两相流,晒管集热效率随流量而变化的幅度减小。开展蒸发气液分离试验,测试蒸发罐内的温度变化与蒸发速率,建立了蒸发器内传热和传质的微分方程。分析了传热和传质的过程,据以计算出传热系数h和传质系数j。分析了描述热量和质量传递的变量,基于π定理确定了描述蒸发物理现象的三个无因次变量,利用部分试验数据进行无因次变量对数值的多元回归建立了蒸发器内部传热和传质之间的关系式。将该关系式用于另一部分试验数据,计算误差小于10%,具有较高精度。

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致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 太阳光热取淡技术

1.2.2 蒸发器的热传输

1.2.3 管内流动换热

1.3 存在问题

1.4 本文研究内容

2 聚太阳光热蒸发器的传热传质分析

2.1 新型蒸发器的聚太阳光热原理

2.1.1 试验装置整体取光设计

2.1.2 前置透镜的折射聚光

2.1.3 侧壁透镜的折射聚光

2.1.4 后置镜的光反射

2.2 新型蒸发器的传热机制

2.2.1 内部传热机制

2.2.2 外部传热机制

2.2.3 热能平衡

2.3 新型蒸发器的聚热效果

2.3.1 新型蒸发器的聚光热试验

2.3.2 新型蒸发器升温效果分析

2.3.3 太阳辐射能与蒸发器内水温的关系

2.4 新型蒸发器的传热传质

2.4.1 新型蒸发器的传热分析

2.4.2 新型蒸发器的传质分析

2.5 新型蒸发器的产水量分析

2.6 小结

3 循环聚光热晒管内两相流的模拟

3.1 晒管的循环聚光热原理

3.1.1 晒管的循环设计

3.1.2 晒管聚光热机制

3.2 晒管内两相流数学模型的建立

3.2.1 晒管集热效率因子

3.2.2 咸水温度的迭代计算

3.2.3 气体质量分数的迭代计算

3.3 两相流模型的校验

3.3.1 迭代运算

3.3.2 晒管聚光热试验

3.3.3 模型校验

3.4 晒管内两相流的数值模拟

3.5 两相流模拟结果分析

3.6 小结

4 蒸发系统传热与传质的关系

4.1 蒸发系统传热试验

4.1.1 试验装置

4.1.2 试验数据分析

4.2 传质与传热数学模型的建立

4.2.1 传质与传热数学模型

4.2.2 传质系数与传热系数

4.3 传热传质因子的因次分析

4.4 传热与传质的多元回归关系

4.5 传热与传质分析

4.6 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 研究展望

参考文献

作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 方诗标

导师: 孙志林

关键词: 聚太阳光热,气液分离,传热传质,两相流模型,试验,南疆盐碱水

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,农艺学

单位: 浙江大学

分类号: S156.4

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000116

总页数: 127

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