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1、10000吨/天太阳能海水淡化复合系统的设计太阳能海水淡化复合系统的设计The Design of A Seawater Desalination Multiplexed System Producing Freshwater 10000 T/Day with Solar Energy 摘要低温多效海水淡化系统蒸发温度低，对减少设备腐蚀与结垢起到一定作用。其海水预处理系统简单，动力消耗小，热效率高，操作安全可靠，运行稳定，能利用低品位能源。对当前海水淡化现状和太阳能集热技术分别进行了综述，提出了太阳能低温多效海水淡化复合系统的设计，建立起了包括蒸发器、预热器、闪蒸罐和冷凝器的传热传质计算，在已
2、经建立的传热传质计算基础上，利用Visual Basic语言编制了低温多效蒸发海水淡化系统的计算机程序，以10000吨/日系统为例详细介绍了本系统的设计流程，得出了系统的主要设计参数。并对系统进行工艺性设计，得出海水淡化系统预热器及蒸发器的结构参数，动力系统的能耗，以及太阳能集热系统的集热面积和换热器的结构参数。关键词： 海水淡化 低温多效太阳能 设计AbstractBecause of the low evaporation temperature of the low-temperature multi-effect desalination system,it takes effect
3、somehow in reducing the corrosion and fouling of the system. Key worlds：seawater desalination multiple evaporation device solar energy design目录第1章 绪论11.1发展太阳能海水淡化的意义11.2海水淡化技术发展概况与主要方法21.2.1海水淡化技术发展概况21.2.2海水淡化技术主要方法21.3太阳能集热技术发展概况和主要方法51.3.1 太阳能集热技术发展概况51.3.2太阳能集热主要方法61.4本文研究内容7第2章 太阳能海水淡化复合系统原理与模型
4、的建立82.1 太阳能海水淡化复合系统的设计的提出82.2太阳能海水淡化复合系统的物理模型82.3低温多效蒸发海水淡化系统的传热传质计算112.3.1第i效蒸发器传热传质计算112.3.2第i效闪蒸罐传热传质计算142.3.3海水预热器传热传质计算152.4小结15第3章 海水淡化系统的设计计算173.1原始数据的选择与设定173.2确证各效温度分布173.3系统物料衡算及热量衡算183.4海水预热器与各效蒸发器的设计计算193.4.1海水预热器的设计计算193.4.2各效蒸发器的设计计算243.4.3 冷凝器的设计计算243.5动力系统能耗计算253.6系统参数总汇283.7 小结28第4章
5、 太阳能集热系统的设计304.1原始数据的选择与设定304.2太阳能集热系统的计算304.2.1 换热器的计算304.2.2 蓄热器的计算324.2.3太阳能集热系统集热面积的计算324.3小结34第5章 结论35致谢36参考文献37附录39第1章 绪论1.1发展太阳能海水淡化的意义潜在的能源危机和世界生态环境不断恶化，促使世界大多数国家积极发展新能源和可再生能源，其中包括太阳能和各种可再生能源，太阳能以其独特的优势成为人们关注的焦点。太阳能在每秒钟到达地面能量有800,000千瓦，假若我们能把0.1的太阳能转化为电能，在5的效率下，每年高达5.61012kWh，相当于世界能源消费的40倍。中
6、国是太阳能资源丰富的国家之一，总面积超过2/3的地区年日照时数超过2000小时，西北地区年日照时数达10000小时，是最富有的世界太阳能资源地区，太阳能利用有巨大潜力。目前，随世界的发展以及环境的恶化，地球的淡水已经逐渐紧缺。国际上有“在十九世纪争煤，在二十世纪争油，在二十一世纪争水”1的说法。到2050年，地球人口将要到123亿，到时地球淡水会变得很匮乏。中国已被联合国列为13个最缺水的国家之一， 缺水城市已到300多个，这将严重影响21世纪可持续发展战略的实施。我国解决水资源缺乏的一条有效途径就是进行海水淡化，然而海水淡化毕竟不是一件容易实现的事情，传统的海水淡化的效率比较低，消耗了太多的
7、能源，后果就是不能大面积的推广海水淡化。如何才能有效地降低海水淡化的成本，世界上很多国家包括我国为此做了大量的细致的工作。我们都知道太阳能是一种洁净无污染的能源，在能效配合上能够在很大程度上得到实现。这些年利用了太阳能进行海水淡化的工作走得很快，因为世界各国都认识到了经济要实现可持续发展必须节约能源。世界上还有一些不能够利用电网电能的地区，比如孤立的小岛，太阳海水淡化为之提供了有效解决问题的途径2。随着太阳能利用的不断发展，现在世界上一些国家和地区，已经对太阳能海水淡化的研究进行到很深的程度2。考虑到太阳能发展的现状，本文提出了一种新型太阳能海水淡化系统的实现方案，即将大型太阳能集热器产生的热
8、能作为海水淡化的热源，以期达到节约能源和得到淡水的目的。1.2海水淡化技术发展概况与主要方法 经过较长时期的发展，海水淡化技术现在已经达到一定的技术水平，大规模海水淡化系统已经在一些国家运行，目前在商业上成功的主要有蒸发法等一些方法。1.2.1海水淡化技术发展概况海水淡化是世界上广泛的问题，不仅仅是几个国家几个地区的问题，而是涉及到全人类的生存和发展的问题。推广海水淡化事业，从占地球三分之二面积的海洋中获取淡水资源已经成为全世界关注的重大的问题之一。国外进行海水淡化的事业已经近一百多年，海水成为一些沙漠国家最重要的水源，与海水处理技术相关的科技已经相当成熟。现在，全球海水淡化每日的产量有三千五
9、百万立方米上下，其中大部分用于人的饮用水，成功让1亿多人告别饮水的困难。世界上大概有一万多海水淡化厂，人们将越来越高度重视海水淡化在解决水问题中所起到的作用3。中国从上世纪开始进行海水淡化的研究，最先开始的是电渗析海水淡化的研究。中国在当今世界上海水淡化的发展中已经占有一席之地。但是也有一定的不足之处。我国的海水淡化事业虽已具有一定的规模，但是自主创新能力和相关设备的生产能力以及高新技术能力还有所欠缺。中国最需要的是建立起完备的产业链条，形成整个系统的自主创造能力。以便于进一步早日解决这些难题，我国必须不断加大投入，增强创新能力，提高技术水平，建立健全相关生产工艺的流程，早日达到国际领先水平4
10、。1.2.2海水淡化技术主要方法 海水淡化的最终目的是从含有盐分的海水中获得淡水。根据脱盐方式的不同，有三类方法分别是热法、膜法、化学法能够进行海水脱盐。其中，热法能够通过蒸发和结晶实现，蒸发主要有多效蒸发和压汽蒸发，结晶通过冷冻或者水合物实现。膜法通过电渗析或者反渗透的方式实现。海水淡化中化学法，离子交换法成本较高，使其应用受的水质很差达不到饮用地标准。当前世界上海水淡化广泛采用的主要是多级闪蒸、多效蒸发、反渗透和电渗折法等5。1.2.2.1 热法（1）多级闪蒸多级闪蒸已经成为当今世界海水淡化领域应用最广泛、技术最先进、成熟度最高的被广泛承认的海水淡化技术。多级闪蒸海水淡化的基本原理:将含有
11、盐分的海水进行一定程度的加热后引入相应的闪蒸海水的闪蒸室，为达到闪蒸的目的必须控制容积室内的压力不高于当下海水饱和压力才能够使海水在当前压力下能够完成蒸发的目的，海水在当前压力下能够得到蒸发，蒸发后海水的温度降低，蒸发过程产生的蒸汽冷凝后即为淡化水，实现海水淡化的6。（）多效蒸发我们把海水在120以下进行一效一效蒸发的过程叫做海水淡化的低温多效技术。在蒸发过程中，海水逐效流经连接起来的蒸发器，这些蒸发器有很多的类型，但最常用的是水平管降膜蒸发器。这些蒸发器被加热蒸汽进行加热，后面每一效蒸发温度均低于前一效，结果得到的淡水多于蒸汽量。 多效蒸发会在未来被人们广泛应用，因为人们不会忽视其利用的巨大
12、潜力，其中它的优势作用在应用中起到很大的作用，具体有以下特点：多效蒸发可以用较低的能源获得很高的热效率，在一些化工领域或者能够提供低品位热源的企业，其废热可用于多效蒸发，它的造水比也能达到很高的水平。多效蒸发最大的特点是它的蒸发温度很低，这样低的温度显然降低了设备的腐蚀作用，也使结垢大大减少。水平管降膜蒸发器或冷凝器具有传热效率高，流动阻力小的特点。多效蒸发的设备能实现紧凑化和最大限度的简化。多效蒸发的材料比较便宜，如同合金管等廉价材料。 整个过程能达到较大的弹性，同时减少了动力能耗。低温多效可以得到水质高的淡化水，使得淡化水的含盐量大大降效。世界上目前为止最大的多效蒸发淡化海水技术可达到20
13、000 m3/d，但是它的容量还有增大的空间。随着科技的不断发展，将来能够获得更大容量的海水淡化设备。所以该技术有着巨大的利用空间，为解决水资源问题提供一条捷径。当然低温多效海水淡化存在一些不足之处啊，比如其热效率受到传热系数的制约，在淡化过程中蒸汽的比容较大造成设备的体积也比较大，增加了设备的生产费用7。 （3）压气蒸馏压气蒸馏也能实现海水淡化，其原理是海水先经过预热器预热，之后海水流经一个蒸发器，对蒸发器加热使得海水汽化，汽化的蒸汽进入压缩机，被压缩及压缩后获得了高温和高压，再把它送回到蒸发器中作为蒸发器的加热蒸汽，而作为加热蒸汽的高温高压蒸汽冷凝放热后获得了淡水产品。这行压缩过程的实现有
14、两种不同的方式，一种是通过引射器引射高压蒸汽，另一种是使用机械式的压缩机自己接对蒸汽进行压缩，从而实现了蒸汽的潜热不断被传递8。（4）冷冻法 冷冻法能够实现海水脱盐，在上世纪中叶当时人们广泛认为冷冻法是在未来有巨大发展潜力的技术。通过冷冻的方式获得淡化海水的原理是水中的无机杂质和无机盐的浓度系数与海水中的无机杂质和无机盐的浓度系数相差一两个数量级。通常情况下，假若水中含无机杂质和无机盐那么水的冰点会降低。在这种情况下，假若对其进行冷冻，逐渐使温度降低到水的冰点，就会有结成冰的纯水慢慢结晶，而其他杂质无机盐不会结晶。只有无机盐达到饱和温度后才会结晶。通过冷冻的方法获得海水，一共可分为两类。一种是
15、自然法，还有就是可以通过人工的方式实现冷冻。当前世界范围内已经有很多国家建设了应用冷冻法的海水淡化工厂。在其中有中型的也有小型的，还不能进行大规模的海水淡化工程9。1.2.2.1 离子法（1）反渗透我们也把反渗透称为反渗透超过滤法或者分离法。直到1953年，这种膜式的反渗透发才被人们应用。反渗透法重要的一点是它利用一种半透膜，这种半透膜不允许溶质透过半透膜而只允许溶剂透过半透膜。它的这种性质，把含有盐分的海水和不含盐的淡水隔开。在这个过程中，淡水也逐渐透过半透膜到海水侧，使得海水测液面不断升高，直到海水液面到达一定的高度，实现了渗透。由于海水比淡水高，就会产生渗透压。在这时假若我们在海水液面上作用一个大于海水液压的压力，就会引起海水中部分的淡水通过半透膜运动到淡水侧，从而实现了海水淡化的反渗透过程10。反渗透与多级闪蒸相比所具有的优点就是在渗透过程中不会发生相变，反渗透过程的实现仅需要消耗一定的电能，而避免了使用蒸汽的消耗
