太阳能多效管式蒸馏热质传递机理研究

我国是一个缺水但太阳能资源丰富的国家，利用太阳能淡化海水具有重要的实际意义。本项目提出多效管式蒸馏的新概念，以实现太阳能多效管式海水淡化系统低成本、规模化利用为目标，对封闭有限空间小温差传热过程特别是湿蒸汽的强化传热传质过程、表面凝结微观机理、产水量理论预测、规模化系统经济评价、新材料和新技术的基础应用等重要内容展开研究，提出了微分蒸发空间、亲水性膜蒸发过程及管式蒸馏器模块化等新概念，建立稳态多效管式淡化系统能量转移与匹配的基本理论，给出系统最经济运行温度、最佳集光面积匹配系数及无量纲产水量预测经验关联式等重要参数的工作范围，为太阳能海水淡化技术的发展提供理论依据和实际参数。

结合太阳能利用实现海水淡化是解决我国淡水资源短缺、能源紧张问题的重要途径之一，管式蒸馏淡化是一种发展潜力很大的太阳能海水淡化方式。本项目针对单效管式蒸馏的局限性，提出了多效管式蒸馏海水淡化、微分蒸发空间、亲水性膜蒸发的新概念，研究了不同强化热质传递方式下管式蒸馏淡化机理，内容包括：1）研发了系列太阳能管式蒸馏淡化实验平台；2）研究了管式蒸馏产水过程的热质传递机理，获得了相关传热传质系数；3）研究提出了多种提高管式蒸馏热质传递效能的方法，构建了不同效数、管外肋片强化等管式蒸馏海水淡化产水率预测模型；4）研究获得了多效管式海水蒸馏器的合理结构与太阳能集热系统匹配优化方法，以及系列太阳能管式海水蒸馏器的最佳运行参数；5）构建了太阳能管式蒸馏系统的经济评估模型。通过研究发现：管式蒸馏淡化过程符合圆环套管型自然对流传热传质模型；针对多效型和肋片型淡化器，建立了不同产水率预测模型，预测值与实际值相差在20%以内，即产水率预测模型合理；适当增加管式蒸馏的效数、微分蒸发空间，是提高管式蒸馏淡化过程潜热利用、促进热质传递过程的有效方法，研究表明，无论是定功率还是在实际天气下的实验，两效淡化器性能系数比单效淡化器明显提高，加热功率为400W时或实际天气下，两效淡化器的性能系数是单效淡化器的近2倍，三效比两效淡化器的性能系数大，即适当增加效数能提高能量利用效率；增设肋片可以提高淡化器外表面散热量，从而提高整体传热性能，实验表明，在相同运行温度下，肋片型多效管式淡化器比光滑管型淡化器的产水率高，随着运行温度的增加提高幅度增大，运行温度为75℃时，肋片型多效管式淡化器产水率比光滑管型淡化器提高了46%；增设亲水表面涂层可以提高淡化器蒸发面积，且可降低换热管表面自由能并减少水垢形成，实验表明，亲水改性型淡化器产水率较高，运行温度为75℃时，亲水改性型管式淡化器比光滑管式淡化器的产水率提高了约15%；建立了太阳能海水淡化系统的经济模型，随着管式海水淡化系统效数的增加，产淡水成本逐渐降低，但降低的幅度不明显，而增设肋片是一种减少产水成本的有效措施。本研究可为太阳能多效管式蒸馏技术的应用提供理论基础和技术支持。本项目已发表文章9篇，其中SCI收录文章3篇、EI收录文章3篇，授权国家发明专利3个，另有5篇文章已录用。