海水淡化技術(shù)論文
海水淡化技術(shù)論文
海水淡化就是要將高鹽度的海水通過一系列的過程轉(zhuǎn)變?yōu)榈望}度的海水。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的海水淡化技術(shù)論文，希望你們喜歡。
海水淡化技術(shù)論文篇一
太陽能海水淡化技術(shù)
0 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口數(shù)量的增長，人們對(duì)于能源的需求越來越大?，F(xiàn)在常用的能源主要來自化石燃料，但這種資源在地球上的存量是有限的，而且容易引起環(huán)境污染，因此可再生能源成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。人類對(duì)淡水資源的需求與日俱增，據(jù)有關(guān)國際組織預(yù)測(cè)，到2050年，預(yù)測(cè)生活在缺水國家中的人口將增加到10.6億和24.3億之間，約占全球預(yù)測(cè)人口的13%~20%[2]。海水中有大量的水資源，所以將海水淡化將是解決淡水危機(jī)的有效途徑。已在很大程度上緩解了部分地區(qū)的缺水狀況，未來也將是調(diào)水困難的沿海城市應(yīng)急補(bǔ)充水源的重要手段，很多國家都在積極投資建造海水淡化廠。常規(guī)海水淡化的方法主要有多級(jí)蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸、蒸汽壓縮、反滲透膜法、電滲析法、離子交換法、冷凍法等。這些方法都要消耗大量的常規(guī)能源，又加劇了能源緊缺，造成新的污染。所以將太陽能采集與脫鹽工藝兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合與一起的太陽能海水淡化是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)，是現(xiàn)今研究的熱門話題。
1 太陽能海水淡化的優(yōu)缺點(diǎn)
太陽能海水淡化系統(tǒng)與其他海水淡化系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點(diǎn)：1)可獨(dú)立運(yùn)行，不受蒸汽、電力等條件限制，無污染、低能耗，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，不消耗石油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源，對(duì)能源緊缺、環(huán)保要求高的地區(qū)有很大應(yīng)用價(jià)值;2)生產(chǎn)規(guī)?？捎袡C(jī)組合，適應(yīng)性好，投資相對(duì)較少，產(chǎn)水成本低，具備淡水供應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭力;3)所得淡水純度高;4)安全。
太陽能海水淡化也有一些缺點(diǎn)，如占地面積較大及冬天結(jié)冰的問題等。在選用海水淡化方式時(shí)需要權(quán)衡各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選用最佳的淡化方式。
2 現(xiàn)有的太陽能海水淡化系統(tǒng)
人類利用太陽能淡化海水，已經(jīng)有很長的歷史了，最早利用太陽能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽能進(jìn)行蒸餾，一般稱為太陽能蒸餾器。太陽能蒸餾器的運(yùn)行原理是利用太陽能產(chǎn)生熱能驅(qū)動(dòng)海水發(fā)生相變過程，即產(chǎn)生蒸發(fā)與冷凝。根據(jù)是否使用其他的太陽能集熱器可將太陽能蒸餾系統(tǒng)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。被動(dòng)式海水淡化的裝置中不使用電能驅(qū)動(dòng)元件，主動(dòng)式太陽能蒸餾使用了附加設(shè)備。
2.1 被動(dòng)式太陽能蒸餾系統(tǒng)
盤式太陽能蒸餾器是被動(dòng)式太陽能蒸餾器的典型代表。具有結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，制作、運(yùn)行和維護(hù)都比較容易的特點(diǎn)。被動(dòng)式太陽能蒸餾系統(tǒng)的工作溫度較低，產(chǎn)水量較小，不利于在夜間工作和利用其他余熱。
單級(jí)盤式太陽能蒸餾器的結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，運(yùn)行時(shí)基本無需人員管理，但是有產(chǎn)水效率低、占地面積大的缺點(diǎn)。
多級(jí)太陽能蒸餾器重復(fù)利用了水蒸氣的凝結(jié)潛熱，可得到比單級(jí)盤式太陽能蒸餾器更高的單位面積產(chǎn)水率。增加盤的級(jí)數(shù)有利于增加單位面積的產(chǎn)水量，但當(dāng)盤的級(jí)數(shù)增加到3級(jí)以上時(shí)，產(chǎn)水量的增加幅度很小。這是因?yàn)檠b置內(nèi)的溫差減少，減弱了裝置內(nèi)傳熱傳質(zhì)的動(dòng)力。
外凝結(jié)器式盤式換熱器是為解決傳統(tǒng)的盤式太陽能蒸餾器的缺點(diǎn)而提出的。傳統(tǒng)盤式太陽能蒸餾器利用裝置上方的透明蓋板做凝結(jié)器，這種方式有以下缺點(diǎn)：1)水蒸氣凝結(jié)時(shí)放出潛熱，使蓋板溫度升高，從而提高了蓋板附近的水蒸氣分壓，使蒸發(fā)面與凝結(jié)面之間的水蒸氣分壓減小;2)蒸汽在蓋板上凝結(jié)后產(chǎn)生水膜與水珠，在一定程度上降低了蓋板的透過率，降低了蒸餾器內(nèi)海水接收到的太陽輻射總量，不利于性能的提高。為了避免這些缺點(diǎn)，可加設(shè)外凝結(jié)器，當(dāng)外凝結(jié)器的冷凝面積足夠大時(shí)，增加外凝結(jié)器可以提高30%~50%的產(chǎn)水量。
多級(jí)芯型盤式太陽能蒸餾器利用對(duì)水有強(qiáng)親和作用或毛細(xì)作用的多纖維材料做液芯，例如黃麻布、棉紗布等，克服了傳統(tǒng)太陽能蒸餾器的海水熱容量大，受熱溫升緩慢，延遲淡水產(chǎn)出時(shí)間的缺點(diǎn)。多級(jí)芯型盤式太陽能蒸餾器比傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器的單位面積產(chǎn)水量提高16%~50%，效率提高6.5%~18.9%。
聚光型太陽能蒸餾器分為盤形拋物面式、槽型拋物面式和平面鏡反射式等幾種。
太陽能集熱裝置實(shí)時(shí)跟蹤太陽，使吸熱面垂直于太陽光線是十分必要的，簡單盤式太陽能蒸餾器的吸熱面是水平放置的，不能跟蹤太陽，其接受到的太陽輻射量小于同等面積的傾斜的水面，將水盤做成階梯狀的傾斜太陽能蒸餾器可吸收更多的太陽輻射，產(chǎn)水量明顯高于傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器。
2.2 主動(dòng)式太陽能蒸餾系統(tǒng)
其運(yùn)行溫度提高，內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程得以改善，主動(dòng)回收了蒸汽的冷凝潛熱，效率大大提高。
有平板式太陽能集熱器輔助加熱的盤式太陽能蒸餾器可大幅度的提高單位采光面積的產(chǎn)水量。其收集和貯存太陽能作用的平板太陽能集熱器的效率較高，可將蒸餾器內(nèi)的水加熱至較高的溫度，增大產(chǎn)水率，提高效率。給蒸餾器蓋板進(jìn)行冷卻時(shí)，效果更佳。當(dāng)系統(tǒng)采用被動(dòng)式運(yùn)行，同時(shí)有蓋板冷卻時(shí)，系統(tǒng)總效率最高，可達(dá)到45%~52%。其次是系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)有蓋板冷卻的情況，此時(shí)的系統(tǒng)總效率為30%左右。最差的是系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)行但無蓋板冷卻的情況，此時(shí)的系統(tǒng)總效率為10%左右。因此蒸餾器采用主動(dòng)加熱時(shí)，應(yīng)該想方設(shè)法的回收蓋板的潛熱，這是提高系統(tǒng)總效率和經(jīng)濟(jì)學(xué)的關(guān)鍵。
加設(shè)儲(chǔ)熱水箱的主動(dòng)式太陽能蒸餾器是針對(duì)加設(shè)平板式集熱器的主動(dòng)式太陽能蒸餾器未能充分利用環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化這一缺點(diǎn)而提出的。加設(shè)平板式集熱器的主動(dòng)式太陽能蒸餾器的工作溫度最高時(shí)，其環(huán)境溫度也是最高的。加設(shè)儲(chǔ)熱水箱的主動(dòng)式太陽能蒸餾器可以有效的利用夜間的低溫環(huán)境，另外儲(chǔ)熱水箱的加設(shè)可以延長蒸餾器在高溫區(qū)的運(yùn)行時(shí)間，由于以上兩點(diǎn)原因可以加長裝置的產(chǎn)水時(shí)間，有可能全天24小時(shí)都有淡水產(chǎn)出，并且夜間與白天的產(chǎn)水量基本相同。
針對(duì)傳統(tǒng)盤式太陽能蒸餾器中水蒸氣的浮升及在蓋板附近的冷凝過程為傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度較弱的自然對(duì)流的缺點(diǎn)，提出了外帶凝結(jié)器的主動(dòng)式太陽能蒸餾器。此蒸餾器將部分水蒸氣通過風(fēng)機(jī)抽吸到蒸餾器外的冷凝器中，在冷凝器中與冷卻盤管接觸，產(chǎn)出淡水。在此設(shè)計(jì)中蒸餾器內(nèi)處于負(fù)壓，有利于水的蒸發(fā)，提高產(chǎn)水量。但也有以下缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜，投資成本高，需要一些電能，不利于在偏遠(yuǎn)地區(qū)推廣使用等。
將太陽能集熱器與多級(jí)盤式太陽能蒸餾器相結(jié)合的特點(diǎn)包括系統(tǒng)運(yùn)行溫度較高，提高了海水蒸發(fā)的動(dòng)力，反復(fù)利用了蒸汽在蓋板處凝結(jié)時(shí)放出的冷凝潛熱。利用集熱器給三級(jí)蒸餾器主動(dòng)加熱時(shí)，蒸餾器產(chǎn)水量可以增加2倍~2.5倍左右。
太陽能集熱器還可以與多級(jí)疊盤式蒸餾器聯(lián)合使用，在這種運(yùn)行方式中多級(jí)疊盤式蒸餾器部分不接受太陽能，只起到蒸發(fā)與冷凝的作用，有利于節(jié)約占地和設(shè)備投資。供熱功率相同并恒定時(shí)，疊盤數(shù)增加，有利于淡水的生產(chǎn)。一般運(yùn)行溫度在70℃附近時(shí)取三級(jí)，在80℃附近時(shí)取四級(jí)，大于90℃時(shí)可以考慮取五級(jí)。該裝置的產(chǎn)水率隨著運(yùn)行溫度的升高而升高，由于真空管集熱器的熱損失較小，因而這種裝置的產(chǎn)淡水時(shí)間可以延長到晚上，甚至到第二天的早上。但是多級(jí)疊盤式蒸餾器也有一些缺點(diǎn)，1)各盤盤底均為單角單槽式結(jié)構(gòu)，為了使蒸餾水順利流至槽底，盤底夾角不能大于150°，否則凝結(jié)形成的淡水水珠可能會(huì)因重力作用而重新滴落鹽水中，從而增加了系統(tǒng)的熱惰性;2)平面盤底結(jié)構(gòu)限制了裝置的冷凝面積;3)盤底結(jié)構(gòu)增加了水蒸氣的對(duì)流傳質(zhì)阻力，降低系統(tǒng)的效率。
有折皺底面的多級(jí)疊盤式太陽能蒸餾器可克服多級(jí)疊盤式蒸餾器的部分缺點(diǎn)，降低了盤與盤之間的距離，單位能耗產(chǎn)水率更高。其他的太陽能蒸餾器還有飽和空氣增濕減濕太陽能蒸餾器、降膜蒸發(fā)加濕除濕太陽能蒸餾器、單級(jí)降膜蒸發(fā)與降膜冷凝式太陽能蒸餾器、多級(jí)降膜蒸發(fā)與多級(jí)降膜冷凝式太陽能蒸餾器、降膜蒸發(fā)-氣流吸附型閉式循環(huán)太陽能蒸餾系統(tǒng)、橫管降膜蒸發(fā)閉式循環(huán)太陽能蒸餾系統(tǒng)[3]。
3 與傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)相結(jié)合
傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)大致可以分為兩類：1)相變過程，其中包括多級(jí)閃蒸、多效沸騰和蒸汽壓縮等;2)滲析過程，主要有反滲透膜法和電滲析法等。
鑒于傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的方案、措施、材料和管理經(jīng)驗(yàn)等比較成熟，將太陽能海水淡化與傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)相結(jié)合也是現(xiàn)在的一大趨勢(shì)。傳統(tǒng)的海水淡化方式包括：多級(jí)閃蒸海水淡化、多效閃蒸海水淡化、壓縮蒸餾海水淡化、利用海水與淡水的分壓差進(jìn)行海水淡化、橫管降膜蒸發(fā)多效回?zé)崾教柲芎Ｋb置等。
將太陽能海水淡化技術(shù)與傳統(tǒng)的海水淡化裝置結(jié)合起來，需要做到以下幾點(diǎn)：1)結(jié)合后的系統(tǒng)適用于太陽能的應(yīng)用，即運(yùn)行溫度在中低溫范圍;2)盡量減少熱量在傳輸過程中的損失，提高效率;3)選用合適的海水預(yù)處理過程;4)設(shè)備投資、初建投資等問題;5)裝置的占地面積等問題;6)對(duì)原有系統(tǒng)盡量少做改裝，提高原有部件的利用率。
利用多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)1m3的淡水，需要消耗熱能221.9MJ~276.3MJ，需要消耗電能3kW・h~4kW・h，即多效閃蒸技術(shù)主要消耗的是熱能，可以將太陽能海水淡化系統(tǒng)與多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)相結(jié)合使用。
多效蒸發(fā)海水淡化是將一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽引入下一個(gè)蒸發(fā)器，利用凝結(jié)放出的熱加熱蒸發(fā)器中的海水，以產(chǎn)生淡水。它的特點(diǎn)是幾個(gè)蒸發(fā)器相互串聯(lián)，前一蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽用作后一蒸發(fā)器的加熱蒸汽。多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)也主要利用熱能。與多級(jí)蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)相比，多效蒸發(fā)采用了降膜蒸發(fā)和冷凝過程，因此在相同產(chǎn)水量的情況下，多效蒸發(fā)的運(yùn)行溫度可以更低，更適合與太陽能海水淡化技術(shù)相結(jié)合。
許多情況下，蒸汽壓縮蒸餾過程知識(shí)開始時(shí)需要由外部引入少量加熱蒸汽啟動(dòng)，此后利用二次蒸汽自動(dòng)蒸發(fā)，不在需要外部熱源。蒸汽壓縮蒸餾有熱功效率高，體積小，無需大規(guī)模熱源，適用于海島、輪船等地方的優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)，例如生產(chǎn)規(guī)模受壓縮機(jī)容量的限制。若利用太陽能為壓縮蒸餾提供初級(jí)能源，使裝置在較高溫度段運(yùn)行，這樣可以減少通過壓縮機(jī)的蒸汽的體積，提高壓縮機(jī)的效率，從而減小換熱器內(nèi)外的壓差。將蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)與多級(jí)閃蒸技術(shù)及多效閃蒸技術(shù)相結(jié)合是更理想的方案，可以最大限度的提高裝置的熱功效率。
在273K~373K的溫度范圍內(nèi)，海水表面的飽和蒸汽分壓比淡水表面的飽和蒸汽分壓約低1.84%。當(dāng)海水與淡水保持在相同的溫度下，淡水將向海水蒸發(fā)。反之，如果使淡水表面溫度保持比海水表面溫度更低，并達(dá)到一定值之下，那么海水就可能向淡水表面蒸發(fā)，也就是說利用海水與淡水的飽和蒸汽分壓不同來實(shí)現(xiàn)海水淡化?？蓪⑻柲苻D(zhuǎn)化為熱能注入到海水中，使海水表面溫度提高，實(shí)現(xiàn)海水的淡化。
電滲析法是利用電場(chǎng)的作用，強(qiáng)行將離子向電極處吸引，致使電極中間部位的離子濃度大為下降，從而制得淡水。電滲析法不僅可以用于淡化海水，還可以用于水質(zhì)處理。太陽能海水淡化技術(shù)與滲析海水淡化技術(shù)相結(jié)合是利用太陽能轉(zhuǎn)化成的電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生淡水[4]。利用太陽能發(fā)電的方式包括兩種，一種是太陽能熱發(fā)電，也稱為聚焦型太陽能熱發(fā)電，通過大量反射鏡通過聚焦的方式將太陽能直射光聚集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電;另一種是太陽能光伏發(fā)電，是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。
4 結(jié)論
海水淡化可以緩解淡水匱乏的危機(jī)，保障沿海、島嶼及其他淡水資源缺乏地區(qū)的用水。太陽能海水淡化具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約常規(guī)能源的優(yōu)點(diǎn)，是今后增加淡水資源的有效途徑之一。
參考文獻(xiàn)
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