10000噸天太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的設計

青島大學本科畢業(yè)設計（論文）SKIPIF1<0SKIPIF1<0 本科畢業(yè)論文(設計)題目：10000噸/天太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的設計學院：機電工程學院專業(yè)：熱能與動力工程姓名：指導教師：10000噸/天太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的設計TheDesignofASeawaterDesalinationMultiplexedSystemProducingFreshwater10000T/DaywithSolarEnergy摘要低溫多效海水淡化系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低，對減少設備腐蝕與結垢起到一定作用。其海水預處理系統(tǒng)簡單，動力消耗小，熱效率高，操作安全可靠，運行穩(wěn)定，能利用低品位能源。對當前海水淡化現(xiàn)狀和太陽能集熱技術分別進行了綜述，提出了太陽能低溫多效海水淡化復合系統(tǒng)的設計，建立起了包括蒸發(fā)器、預熱器、閃蒸罐和冷凝器的傳熱傳質計算，在已經建立的傳熱傳質計算基礎上，利用VisualBasic語言編制了低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的計算機程序，以10000噸/日系統(tǒng)為例詳細介紹了本系統(tǒng)的設計流程，得出了系統(tǒng)的主要設計參數(shù)。并對系統(tǒng)進行工藝性設計，得出海水淡化系統(tǒng)預熱器及蒸發(fā)器的結構參數(shù)，動力系統(tǒng)的能耗，以及太陽能集熱系統(tǒng)的集熱面積和換熱器的結構參數(shù)。關鍵詞：海水淡化低溫多效太陽能設計AbstractBecauseofthelowevaporationtemperatureofthelow-temperaturemulti-effectdesalinationsystem,ittakeseffectsomehowinreducingthecorrosionandfoulingofthesystem.thepretreatmentprocessisverysimple.Theenergyusingofpowerissmall.Ithashigherthermalefficiency.Ithassafeandreliableoperation.Itcantakeadvantageoflow-gradeenergy.Thereviewofthesolarenergycollectingtechnologyandthedevelopmenttrendsofseawaterdesalinationarecarriedoutinthisthesis,proposinganewsystemofsolarlow-temperaturemulti-effectdesalinationcomplexsystemandbuildingsomemathematicalmodelsofthethermodynamicprocess,includingtheevaporator,preheater,condenserandflashtank.Onthebasementoftheestablishedmodels,thispapermakescalculationprocedureofthelow-temperaturemulti-effectdistillationdesalinationsystemsintheVisualBasiclanguage.As10000ton/dayforexample,itdescribedthesystemdesignprocessindetails.Asaresult,canthemaindesignparametersofthesystemcanbegot.Afterprocessdesigningofthesystemthestructuralparametersofthepreheaterandtheevaporatordesalinationsystems,theenergyconsumeofthepowersystem,thecollectorareaofsolarcollectorsystemandthestructuralparametersoftheheatexchangercanbeobtained.Keyworlds：seawaterdesalinationmultipleevaporationdevicesolarenergydesign目錄第1章緒論 11.1發(fā)展太陽能海水淡化的意義 11.2海水淡化技術發(fā)展概況與主要方法 21.2.1海水淡化技術發(fā)展概況 21.2.2海水淡化技術主要方法 21.3太陽能集熱技術發(fā)展概況和主要方法 51.3.1太陽能集熱技術發(fā)展概況 51.3.2太陽能集熱主要方法 61.4本文研究內容 7第2章太陽能海水淡化復合系統(tǒng)原理與模型的建立 82.1太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的設計的提出 82.2太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的物理模型 82.3低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的傳熱傳質計算 112.3.1第i效蒸發(fā)器傳熱傳質計算 112.3.2第i效閃蒸罐傳熱傳質計算 142.3.3海水預熱器傳熱傳質計算 152.4小結 15第3章海水淡化系統(tǒng)的設計計算 173.1原始數(shù)據(jù)的選擇與設定 173.2確證各效溫度分布 173.3系統(tǒng)物料衡算及熱量衡算 183.4海水預熱器與各效蒸發(fā)器的設計計算 193.4.1海水預熱器的設計計算 193.4.2各效蒸發(fā)器的設計計算 243.4.3冷凝器的設計計算 243.5動力系統(tǒng)能耗計算 253.6系統(tǒng)參數(shù)總匯 283.7小結 28第4章太陽能集熱系統(tǒng)的設計 304.1原始數(shù)據(jù)的選擇與設定 304.2太陽能集熱系統(tǒng)的計算 304.2.1換熱器的計算 304.2.2蓄熱器的計算 324.2.3太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積的計算 324.3小結 34第5章結論 35致謝 36參考文獻 37附錄 39青島大學本科畢業(yè)設計（論文）PAGE1第1章緒論1.1發(fā)展太陽能海水淡化的意義潛在的能源危機和世界生態(tài)環(huán)境不斷惡化，促使世界大多數(shù)國家積極發(fā)展新能源和可再生能源，其中包括太陽能和各種可再生能源，太陽能以其獨特的優(yōu)勢成為人們關注的焦點。太陽能在每秒鐘到達地面能量有800,000千瓦，假若我們能把0.1％的太陽能轉化為電能，在5％的效率下，每年高達5.6×1012kWh，相當于世界能源消費的40倍。中國是太陽能資源豐富的國家之一，總面積超過2/3的地區(qū)年日照時數(shù)超過2000小時，西北地區(qū)年日照時數(shù)達10000小時，是最富有的世界太陽能資源地區(qū)，太陽能利用有巨大潛力。目前，隨世界的發(fā)展以及環(huán)境的惡化，地球的淡水已經逐漸緊缺。國際上有“在十九世紀爭煤，在二十世紀爭油，在二十一世紀爭水”[1]的說法。到2050年，地球人口將要到123億，到時地球淡水會變得很匱乏。中國已被聯(lián)合國列為13個最缺水的國家之一，缺水城市已到300多個，這將嚴重影響21世紀可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。我國解決水資源缺乏的一條有效途徑就是進行海水淡化，然而海水淡化畢竟不是一件容易實現(xiàn)的事情，傳統(tǒng)的海水淡化的效率比較低，消耗了太多的能源，后果就是不能大面積的推廣海水淡化。如何才能有效地降低海水淡化的成本，世界上很多國家包括我國為此做了大量的細致的工作。我們都知道太陽能是一種潔凈無污染的能源，在能效配合上能夠在很大程度上得到實現(xiàn)。這些年利用了太陽能進行海水淡化的工作走得很快，因為世界各國都認識到了經濟要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須節(jié)約能源。世界上還有一些不能夠利用電網(wǎng)電能的地區(qū)，比如孤立的小島，太陽海水淡化為之提供了有效解決問題的途徑[2]。隨著太陽能利用的不斷發(fā)展，現(xiàn)在世界上一些國家和地區(qū)，已經對太陽能海水淡化的研究進行到很深的程度[2]?？紤]到太陽能發(fā)展的現(xiàn)狀，本文提出了一種新型太陽能海水淡化系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，即將大型太陽能集熱器產生的熱能作為海水淡化的熱源，以期達到節(jié)約能源和得到淡水的目的。1.2海水淡化技術發(fā)展概況與主要方法經過較長時期的發(fā)展，海水淡化技術現(xiàn)在已經達到一定的技術水平，大規(guī)模海水淡化系統(tǒng)已經在一些國家運行，目前在商業(yè)上成功的主要有蒸發(fā)法等一些方法。1.2.1海水淡化技術發(fā)展概況海水淡化是世界上廣泛的問題，不僅僅是幾個國家?guī)讉€地區(qū)的問題，而是涉及到全人類的生存和發(fā)展的問題。推廣海水淡化事業(yè)，從占地球三分之二面積的海洋中獲取淡水資源已經成為全世界關注的重大的問題之一。國外進行海水淡化的事業(yè)已經近一百多年，海水成為一些沙漠國家最重要的水源，與海水處理技術相關的科技已經相當成熟?，F(xiàn)在，全球海水淡化每日的產量有三千五百萬立方米上下，其中大部分用于人的飲用水，成功讓1億多人告別飲水的困難。世界上大概有一萬多海水淡化廠，人們將越來越高度重視海水淡化在解決水問題中所起到的作用[3]。中國從上世紀開始進行海水淡化的研究，最先開始的是電滲析海水淡化的研究。中國在當今世界上海水淡化的發(fā)展中已經占有一席之地。但是也有一定的不足之處。我國的海水淡化事業(yè)雖已具有一定的規(guī)模，但是自主創(chuàng)新能力和相關設備的生產能力以及高新技術能力還有所欠缺。中國最需要的是建立起完備的產業(yè)鏈條，形成整個系統(tǒng)的自主創(chuàng)造能力。以便于進一步早日解決這些難題，我國必須不斷加大投入，增強創(chuàng)新能力，提高技術水平，建立健全相關生產工藝的流程，早日達到國際領先水平[4]。1.2.2海水淡化技術主要方法海水淡化的最終目的是從含有鹽分的海水中獲得淡水。根據(jù)脫鹽方式的不同，有三類方法分別是熱法、膜法、化學法能夠進行海水脫鹽。其中，熱法能夠通過蒸發(fā)和結晶實現(xiàn)，蒸發(fā)主要有多效蒸發(fā)和壓汽蒸發(fā)，結晶通過冷凍或者水合物實現(xiàn)。膜法通過電滲析或者反滲透的方式實現(xiàn)。海水淡化中化學法，離子交換法成本較高，使其應用受的水質很差達不到飲用地標準。當前世界上海水淡化廣泛采用的主要是多級閃蒸、多效蒸發(fā)、反滲透和電滲折法等[5]。熱法（1）多級閃蒸多級閃蒸已經成為當今世界海水淡化領域應用最廣泛、技術最先進、成熟度最高的被廣泛承認的海水淡化技術。多級閃蒸海水淡化的基本原理:將含有鹽分的海水進行一定程度的加熱后引入相應的閃蒸海水的閃蒸室，為達到閃蒸的目的必須控制容積室內的壓力不高于當下海水飽和壓力才能夠使海水在當前壓力下能夠完成蒸發(fā)的目的，海水在當前壓力下能夠得到蒸發(fā)，蒸發(fā)后海水的溫度降低，蒸發(fā)過程產生的蒸汽冷凝后即為淡化水，實現(xiàn)海水淡化的目的。經過加熱的海水按照次序不斷地流經多個進行海水淡化的閃蒸罐，需要指出的是這些閃蒸室的壓力在不斷地降低。這樣能夠實現(xiàn)一效一效的蒸發(fā)，從而獲得淡化海水。現(xiàn)代的多效蒸發(fā)正朝著大容量、多目的的運行過程發(fā)展，即不僅進行海水淡化，同時還產生其他的經濟效益。地球上目前雖有很多淡化海水的方式，但幾乎一半以上的海水淡化仍然通過蒸發(fā)過程進行[6]。（２）多效蒸發(fā)我們把海水在120℃以下進行一效一效蒸發(fā)的過程叫做海水淡化的低溫多效技術。在蒸發(fā)過程中，海水逐效流經連接起來的蒸發(fā)器，這些蒸發(fā)器有很多的類型，但最常用的是水平管降膜蒸發(fā)器。這些蒸發(fā)器被加熱蒸汽進行加熱，后面每一效蒸發(fā)溫度均低于前一效，結果得到的淡水多于蒸汽量。多效蒸發(fā)會在未來被人們廣泛應用，因為人們不會忽視其利用的巨大潛力，其中它的優(yōu)勢作用在應用中起到很大的作用，具體有以下特點：①多效蒸發(fā)可以用較低的能源獲得很高的熱效率，在一些化工領域或者能夠提供低品位熱源的企業(yè)，其廢熱可用于多效蒸發(fā)，它的造水比也能達到很高的水平。②多效蒸發(fā)最大的特點是它的蒸發(fā)溫度很低，這樣低的溫度顯然降低了設備的腐蝕作用，也使結垢大大減少。③水平管降膜蒸發(fā)器或冷凝器具有傳熱效率高，流動阻力小的特點。④多效蒸發(fā)的設備能實現(xiàn)緊湊化和最大限度的簡化。⑤多效蒸發(fā)的材料比較便宜，如同合金管等廉價材料。⑥整個過程能達到較大的彈性，同時減少了動力能耗。⑦低溫多效可以得到水質高的淡化水，使得淡化水的含鹽量大大降效。世界上目前為止最大的多效蒸發(fā)淡化海水技術可達到20000m3/d，但是它的容量還有增大的空間。隨著科技的不斷發(fā)展，將來能夠獲得更大容量的海水淡化設備。所以該技術有著巨大的利用空間，為解決水資源問題提供一條捷徑。當然低溫多效海水淡化存在一些不足之處啊，比如其熱效率受到傳熱系數(shù)的制約，在淡化過程中蒸汽的比容較大造成設備的體積也比較大，增加了設備的生產費用[7]。（3）壓氣蒸餾壓氣蒸餾也能實現(xiàn)海水淡化，其原理是海水先經過預熱器預熱，之后海水流經一個蒸發(fā)器，對蒸發(fā)器加熱使得海水汽化，汽化的蒸汽進入壓縮機，被壓縮及壓縮后獲得了高溫和高壓，再把它送回到蒸發(fā)器中作為蒸發(fā)器的加熱蒸汽，而作為加熱蒸汽的高溫高壓蒸汽冷凝放熱后獲得了淡水產品。這行壓縮過程的實現(xiàn)有兩種不同的方式，一種是通過引射器引射高壓蒸汽，另一種是使用機械式的壓縮機自己接對蒸汽進行壓縮，從而實現(xiàn)了蒸汽的潛熱不斷被傳遞[8]。（4）冷凍法冷凍法能夠實現(xiàn)海水脫鹽，在上世紀中葉當時人們廣泛認為冷凍法是在未來有巨大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。通過冷凍的方式獲得淡化海水的原理是水中的無機雜質和無機鹽的濃度系數(shù)與海水中的無機雜質和無機鹽的濃度系數(shù)相差一兩個數(shù)量級。通常情況下，假若水中含無機雜質和無機鹽那么水的冰點會降低。在這種情況下，假若對其進行冷凍，逐漸使溫度降低到水的冰點，就會有結成冰的純水慢慢結晶，而其他雜質無機鹽不會結晶。只有無機鹽達到飽和溫度后才會結晶。通過冷凍的方法獲得海水，一共可分為兩類。一種是自然法，還有就是可以通過人工的方式實現(xiàn)冷凍。當前世界范圍內已經有很多國家建設了應用冷凍法的海水淡化工廠。在其中有中型的也有小型的，還不能進行大規(guī)模的海水淡化工程[9]。離子法（1）反滲透我們也把反滲透稱為反滲透超過濾法或者分離法。直到1953年，這種膜式的反滲透發(fā)才被人們應用。反滲透法重要的一點是它利用一種半透膜，這種半透膜不允許溶質透過半透膜而只允許溶劑透過半透膜。它的這種性質，把含有鹽分的海水和不含鹽的淡水隔開。在這個過程中，淡水也逐漸透過半透膜到海水側，使得海水測液面不斷升高，直到海水液面到達一定的高度，實現(xiàn)了滲透。由于海水比淡水高，就會產生滲透壓。在這時假若我們在海水液面上作用一個大于海水液壓的壓力，就會引起海水中部分的淡水通過半透膜運動到淡水側，從而實現(xiàn)了海水淡化的反滲透過程[10]。反滲透與多級閃蒸相比所具有的優(yōu)點就是在滲透過程中不會發(fā)生相變，反滲透過程的實現(xiàn)僅需要消耗一定的電能，而避免了使用蒸汽的消耗，從而節(jié)約了能量。另外，反滲透系統(tǒng)能夠實現(xiàn)機組化，它的安裝也比較容易。由于所用的建筑面積比較小，建設所用的時間也比較少。反滲透啟動過程也比較快。然而在此技術中，半透膜需要大量經常的更換，以保證淡化海水的質量。這樣不可避免的增加了成本，膜的費用很高，這樣使得此法不經濟。（2）電滲析法電滲析海水淡化的方法在上世紀五十年代興起，最先開始的是淡化苦咸水，在此之后日本首先利用該技術在海水淡化中應用。電滲析是把直流電作為動力，利用一種能夠進行陰離子交換的樹脂，利用交換膜選擇透過水中的陰陽離子，從而實現(xiàn)把一個水體中的離子通過半透膜送到另一側的水體中。電滲析過程必然要消耗一定的能源，能量消耗與溶液濃度成正比。與它淡化海水的方式相比，電滲析所耗的能量明顯高于其他的淡化方法，因此這種方法沒有在海水淡化中得到廣泛應用[11]?；瘜W法（1）離子交換法離子交換技術所利用的是溶劑本身具有的和具有某種電性的離子和被處理的海水中含有相同電性的離子進行離子交換從而實現(xiàn)鹽分的去除。當前世界上在海水淡化的應用中，離子交換法唯一的應用領域是制取少量的飲用水，在飛機失事或船舶緊急缺水情況下為人員提供飲用水。在軍事領域，這種方發(fā)得到一定的運用[12]。（2）水合物法在海水淡化中，水合物法還處于不成熟的階段。這種方法實現(xiàn)的原理是某些諸如天然氣、甲烷等一些有機氣體很難在水中溶解，但假若和水一起混合后，能夠形成兩者的水合物。在這種原理上，把此類氣體和海水一起混合后，。能夠形成一定量的含水分子的水合物，水合物中含有一定量的水和劑，水和劑即是此類氣體。形成水合物后，水合物以晶體形式析出，實現(xiàn)了同鹽水的分離。分離出來的水合物在經過分離和用純水洗滌之后，對其進行加熱，是何物在受熱下分解融化，通過分離能夠獲得淡水。比如，丙烷可以作為一種水合劑，與水結合生成水合物，每一個烴分子能夠攜帶17個水分子。1.3太陽能集熱技術發(fā)展概況和主要方法太陽能集熱器是太陽能熱利用過程中的主要部件，太陽能集熱器能夠吸收太陽光，從而產生巨大能量，為用能設備提供巨大能量。太陽能集熱器如同人類的心臟，人類心臟若損壞，人的生命也就終止了。相同的道理，假若太陽能集熱器壞了，太陽能熱水系統(tǒng)就會失去動力。不同類型的太陽能系統(tǒng)的集熱器也是不同的。太陽能集熱器的形狀有板式的，也有管式的。相同的是兩種都有能夠吸收太陽輻射的能力，把光能轉化為熱能，再把這些能量傳遞給水或者其他介質，例如水和氣體以及液體油。假若集熱器不斷吸收能量，工質的溫度會不斷上升一直到系統(tǒng)所需的溫度才會停止[13]。太陽能集熱器根據(jù)不同的溫度，分為低溫、中溫、高溫三種類型。當然這只是一種標準。按照不同的分類標準由不同的分類方式。例如，根據(jù)集熱器能不能在每天跟隨太陽移動，可分為跟蹤型集熱器和非跟蹤型集熱器?？偠灾柲芗療崞髯罱K實現(xiàn)光能想熱能的轉變。1.3.1太陽能集熱技術發(fā)展概況上世紀五十年代，前蘇聯(lián)設計了地球上首座太陽能電站，并且為之建立了一個小型的系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上世紀八十年代，地球上共建設了有20多座功率超過500kW的太陽能電站，其中單機的最大功率是80MW。上世紀80年代，以色列和美國一同出資建設了LUZ國際太陽能電站公司，并且對太陽能集熱進行了大規(guī)模研究，共同開發(fā)了槽式太陽能集熱技術，并且公司正式進入了運營狀態(tài)。1989到1991年間在美國的加州沙漠地帶建立了9座太陽能槽式電站，這個電站達到了358,3兆瓦的裝機容量。并且實現(xiàn)了成本的下降，理論上是每度電5到6美分。我國一直高度重視太陽能集熱領域的研究工作，我國曾經在六五時期成功的建設了1千瓦的太陽能塔式模擬電站系統(tǒng)和1千瓦的太陽能平板低溫系統(tǒng)。另外，中國和有關國家曾經共同合作設計并建造了有5千瓦的太陽能碟式樣機。此外，中國與以色列還曾在2005年在南京合作設計并建成了75千瓦的太陽能塔式電站，此電站已正式投入運營當中。由于有巨大的優(yōu)勢即太陽能是無盡的，所以太陽能集熱在未來有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ袊鴳敶笠?guī)模研究和發(fā)展太陽能集熱，才能在未來能源領域占據(jù)一定的地位。太陽能研究領域的重點是怎樣降低成本，如何勢力最大化，真正實現(xiàn)社會效益與經濟效益的統(tǒng)一。1.3.2太陽能集熱主要方法。太陽集熱的最終目的是實現(xiàn)光能向熱能的轉變[14]。太陽能光能的采集方法有三種，它們分別是碟式、塔式和槽式。這是根據(jù)吸收光能的不同方式劃分的。（1）太陽能碟式當前太陽能集熱系統(tǒng)中熱效率很高的一種是碟式系統(tǒng)，其太陽能利用率能夠達到29.4%[15]。據(jù)此認為它能夠實現(xiàn)太陽能利用的最佳化。其工作原理是通過雙軸跟蹤術的利用，通過反光鏡把太陽光聚集，把聚集的光傳遞給接收器，接受其吸收太陽光的能量，實現(xiàn)能量向熱能的轉變。通常情況下，接收器要把聚光器放在聚光點后面，以便于減輕和防止聚光器在高溫下融化。（2）太陽能塔式太陽能塔式集熱器的工作原理是通過一組定日鏡群能夠實現(xiàn)太陽光聚集到塔頂接收器上，這些定日鏡群能夠獨自跟蹤太陽的位置，接收器接收能量后實現(xiàn)能量的轉換。由此可見，定日鏡群對陽光的聚集和反射，是實現(xiàn)陽光的利用的根本原因。塔式系統(tǒng)必須要有足量的定日鏡，才能實現(xiàn)大功率的要求。實際中太陽能系統(tǒng)的功率可以達到30~400MW之間[16]。（3）太陽能槽式槽式太陽能集熱系統(tǒng)的原理是通過槽式反射鏡對陽光進行聚焦，聚焦鏡是一種拋物面形式的鏡面，拋物面是通過平移拋物線實現(xiàn)的。聚光鏡將太陽能聚集到拋物面的一條直線上，有一些管狀的集熱器就連在這些拋物線上，以方便吸收太陽能。通常情況下，將諸多拋物面連在一起，構成集熱器陣列，以達到整體效應。槽式太陽能集熱器拋物面能夠追蹤太陽光，具體安置是軸線南北放置，能夠實現(xiàn)東西旋轉，達到追蹤太陽光的目的。聚光比很高。太陽能槽式集熱系統(tǒng)的主要組成部分有：面積巨大的槽式聚光器、熱工質、蒸汽產生器、蓄熱器。以便于解決夜間沒有太陽能的弊端，必須配置蓄熱器。蓄熱器的作用主要是在白天將多余的太陽能儲存下來，以便在夜間沒有太陽能的情況下給系統(tǒng)提供能量。有時，儲存的能量不能保證能量充足的供應，就需要在系統(tǒng)中加入化石能源作為補充能源。槽式太陽能集熱系統(tǒng)有如下的特點：①槽式集熱器結構緊湊，與塔式和碟式相比，相同的熱能轉化下，其占地面積會小到50%。②太陽能槽式集熱器加工安裝能夠實現(xiàn)生產的標準化，可以批量生產，形成規(guī)模效應，能夠實現(xiàn)大規(guī)模的發(fā)展。③槽形拋物面集熱系統(tǒng)的生產所需的構件形式不多，容易實現(xiàn)標準化，適于批量生產。與其他幾種集熱系統(tǒng)相比，槽式太陽集熱技術是所有太陽能集熱技術中功率最高的，也是效率最高的，其技術也是最成熟的。1.4本文研究內容當前海水淡化中直接把太陽能作為熱源實現(xiàn)淡化海水的方法已經有一定的技術成熟度。在實際應用中，可以利用太陽能產生低溫蒸汽，用蒸汽加熱海水。從而實現(xiàn)了既充分利用了太陽能，又能夠獲得淡化水的目的。當前海水淡化技術和太陽能集熱技術已經有了一定的基礎，但是將二者結合起來還沒有形成大規(guī)模效應。假若把太陽能轉化為熱能，把熱能作為動力進行海水淡化，將會在海水淡化中有好的前景。通過對比和分析本文通過對槽式太陽能集熱系統(tǒng)和低溫多效海水淡化系統(tǒng)有機的結合在一起。探尋一種新型復合系統(tǒng)以實現(xiàn)太陽能海水淡化的目標。本課題研究的重點是怎樣更有效地利用太陽能以及提高海水淡化的效率。如何減少能耗，實現(xiàn)能量的高利用率。主要研究內容有：（1）分析與研究怎樣實現(xiàn)將槽式太陽能集熱系統(tǒng)與低溫多效海水淡化系統(tǒng)的復合，建立一種新的系統(tǒng)（2）建立相應的物理模型和傳熱傳質計算以實現(xiàn)各個換熱器設計所需要參數(shù)的計算數(shù)據(jù)。（3）以10000噸/日太陽能海水淡化系統(tǒng)為例，進行定量分析和優(yōu)化設計。第2章太陽能海水淡化復合系統(tǒng)原理與模型的建立2.1太陽能海水淡化復合系統(tǒng)的設計的提出我們的目的在于充分利用太陽能集熱系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)的成熟技術，利用兩者技術上的優(yōu)勢，提出一種新型的系統(tǒng)。在第一章中比較了解了以上兩種系統(tǒng)的基礎上，本文提出了將槽式太陽集熱系統(tǒng)與低溫多效海水淡化系統(tǒng)相復合的新型系統(tǒng)。即利用太陽能集熱產生的蒸汽作為海水淡化的熱源，進行太陽能海水淡化的。該系統(tǒng)充分利用了太陽能集熱系統(tǒng)產生的熱量，同時保留了低溫多效系統(tǒng)能夠實現(xiàn)效數(shù)多，易于大型化的特點，因而可實現(xiàn)太陽能海水淡化的大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的結構示意圖見圖2.1。圖2.1太陽能海水淡化復合系統(tǒng)工作原理圖1-太陽能集熱器，2-蓄熱器，3-換熱器，4、5、6、7、8-多效蒸發(fā)器，9-末效蒸汽冷凝器，10-濃鹽水排出泵，11-淡水水泵，12-海水供給泵，13-進料海水泵，14-真空泵，15-冷卻海水PH-海水預熱器，S-閃蒸2.2太陽能海水淡化復合系統(tǒng)物理模型物理結構的描述是系統(tǒng)建模的基礎，建立和正確使用物理模型有助于將系統(tǒng)中的復雜問題簡單化、明了化。在本文中建立了一個5效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)，由5個蒸發(fā)器、1個冷凝器、4個預熱器和3個閃蒸罐，以及水泵和真空泵共同組成。如圖2.1所示的是整個系統(tǒng)的運行情況。由太陽能系統(tǒng)來的蒸汽作為加熱熱源，在首效蒸發(fā)器4中加熱海水使其汽化蒸汽凝結后則直接返回太陽能系統(tǒng)；原料海水首先進入冷凝器9，然后被分成兩股流:一股15直接排回大海，另一股作為蒸餾過程的進料。進料海水由后至前依次被送入各個預熱器(PH)進行預熱，然后進入第一效蒸發(fā)器4;蒸發(fā)器產生的二次蒸汽大部分進入下一效作為加熱蒸汽，另一部分被抽往預熱器(PH)用于預熱海水;濃縮海水在兩效間的壓差作用下流入下一效繼續(xù)蒸發(fā);各效蒸汽的凝結水流入相應閃蒸罐(S)，產生的蒸汽也被引至下一效。如此進行直到末效，濃海水最終由末效排出。2至5效及冷凝器、預熱器產生的凝結水即為淡化水產量。太陽能海水淡化有多個子系統(tǒng)幾多個部件，其作用及工作原理如下：ⅰ太陽能油循環(huán)子系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器1，蓄熱器2及換熱器3。白天光照條件下，從太陽能集熱器1出來的高溫油被分為兩部，一部分進換熱器3加熱蒸汽，另一部分則進蓄熱器2蓄熱。從換熱器及蓄熱器出來的油則返回太陽能集熱器1，如此形成油循環(huán)。ⅱ太陽能蒸汽循環(huán)子系統(tǒng)主要包括蓄熱器2及換熱器3。白天光照條件下，從海水淡化系統(tǒng)返回的飽和水被泵送到換熱器3中進行換熱，成為90℃的飽和蒸汽后進入蒸發(fā)器4；晚上無光照條件下，從海水淡化系統(tǒng)返回的飽和水則被泵送到蓄熱器2進行加熱，成為90℃的飽和蒸汽進入蒸發(fā)器4，如此形成蒸汽循環(huán)。ⅲ各效蒸發(fā)器是利用加熱蒸汽冷凝放熱來蒸發(fā)進料海水的，一方面通過進料海水對加熱蒸汽進行冷卻獲得產品淡水，另一方面蒸汽的放熱量可以對海水進行加熱進而蒸發(fā)產生二次蒸汽。ⅳ冷凝器利用進料海水對末效蒸發(fā)器產生的二次蒸汽進行冷卻，一方面，可以通過海水冷卻二次蒸汽得到冷凝淡水;另一方面，二次蒸汽的放熱量可以提高進料海水溫度，使得海水進入蒸發(fā)器時具有較高的焓值，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)所需的熱量相應減少，提高了蒸發(fā)器的換熱效率。ⅴ預熱器利用蒸發(fā)器中產生的二次蒸汽中的部分蒸汽對海水進行預熱，來提高海水溫度，從而使得海水進入蒸發(fā)器時具有較高的焙值，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)所需的熱量相應減少，提高了蒸發(fā)器的換熱效率。ⅵ閃蒸罐的壓力低于進口冷凝水所對應的飽和蒸氣壓，冷凝水進入后即為過熱水，于是，一部分冷凝水吸收熱量作為汽化潛熱而迅速蒸發(fā)，使得剩下的冷凝水的溫度降低，由出口接管排出，流入冷凝水匯總管。閃蒸罐主要起兩方面的作用:獲得少量蒸汽作為加熱蒸汽進入蒸發(fā)器，使剩下的冷凝水溫度降低。ⅶ真空及不凝汽子系統(tǒng)主要包括真空泵和真空調節(jié)閥。各效蒸發(fā)器與真空抽氣系統(tǒng)通過調節(jié)閥們相連。系統(tǒng)啟動時真空泵14將系統(tǒng)中空氣抽出，形成真空環(huán)境工作，抽出系統(tǒng)中的空氣形成一定真空度，各效蒸發(fā)器的真空度由其真空調節(jié)閥控制；系統(tǒng)正常運行后，真空泵仍然工作，抽出海水淡化過程產生的不凝性氣體，維持各效蒸發(fā)器的正常工作的真空度。現(xiàn)在將對太陽能海水淡化系統(tǒng)的蒸發(fā)器進行一些說明。本課題研究的內容采用的是橫管式降膜蒸發(fā)器。橫管降膜蒸發(fā)最大的優(yōu)點就是傳熱系數(shù)高，與其他蒸發(fā)方式相比，橫管降膜蒸發(fā)的效率是豎管降膜蒸發(fā)的三倍，是多級閃蒸的二倍。橫管降膜蒸發(fā)器的兩側均是相變，且又有液膜得作用，所以它的傳熱效率非常高，而且傳熱溫差也能控制在較小的范圍內。它的傳熱性能在低溫情況下也很有量，已經成為行業(yè)內研究的重點。此種換熱器在關外進行的是蒸發(fā)過程，管內是蒸汽的凝結過程。豎管降膜所具有的優(yōu)點它都具有，但是它的高度遠低于豎管降膜，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的緊密型，橫管降膜蒸發(fā)所有的管子及噴淋系統(tǒng)，因而熱損失小，能都設置在一個筒體中，所以消耗的材料也很低[18]。當前行業(yè)內單機系統(tǒng)容量最高達到20000立方米每天。它產生的水質比反滲透要強得多，但是能耗并不比反滲透多。本設計中選用的換熱管材是銅合金（70Cu-30Ni），同時根據(jù)具體的計算選用了直徑為25mm和直徑為55mm的管子。（1）噴淋的密度在換熱面上噴淋要保證有足夠大的面積，而且要保證液體的均勻分布。實現(xiàn)設計的目的主要有兩個情況，一個是降液密度，另一個是熱負荷的大小。根據(jù)Rautenbach和Gebel的科學性研究，水平管降膜蒸發(fā)的管子最佳的噴淋密度的范圍是SKIPIF1<0。根據(jù)我設計的降膜蒸發(fā)器的最大熱負荷，考慮到一方面保證噴淋密度的不要過小，另一方面又考慮到熱負荷的極限，所以在合理的范圍內選擇SKIPIF1<0[19]。（2）噴淋的系統(tǒng)常用的噴淋系統(tǒng)有噴嘴、淋水盤和噴孔。噴孔和淋水盤能夠保證獲得均勻地液膜，但是安裝水平的高低嚴重影響水噴淋的均勻性。此外安裝和檢修都不是一件容易的事，要求的精度高。而噴嘴的效果很好，能夠很好地實現(xiàn)液膜的均勻分布，而且安裝也不是那么麻煩[20]，因此本系統(tǒng)采用噴嘴作為噴淋系統(tǒng)。（3）管子的布置利用水平管進行降膜蒸發(fā)，液體下降的速度經計算為SKIPIF1<0管子間距離的增加能增加液膜的波動性，大大減少了管子干燥區(qū)的面積，不利的影響是會產生液滴飛濺。此外，間距過大會讓液體在水平方向移動很大距離。必須確證合適的管子布置方式，避免液滴大規(guī)模的飛濺或平移而對換熱產生不利影響[20]。在本設計中，采用的是等邊三角形排列，管間距是依據(jù)相關國家標準查得的。2.3太陽能海水淡化的傳熱傳質計算根據(jù)已經建立的物理模型對系統(tǒng)進行傳熱傳質計算。2.3.1第i效蒸發(fā)器傳熱傳質計算圖2-3第i效蒸發(fā)器熱量衡算示意圖（1）物料的衡算先假定海水中無鹽分揮發(fā)，對任一效蒸發(fā)器的含鹽量衡算：SKIPIF1<02-1式中：SKIPIF1<0－蒸發(fā)的海水量，㎏/ｓ；SKIPIF1<0－海水濃度，％；SKIPIF1<0－第ｉ效蒸發(fā)水份量，㎏/ｓ；SKIPIF1<0－第ｉ效蒸發(fā)后的海水的濃度，％。ｉ表示所計算效數(shù)的序號。由此，可得系統(tǒng)的蒸發(fā)水量為：SKIPIF1<02-2（2）熱量的衡算根據(jù)第一效蒸發(fā)器的能夠實現(xiàn)熱平衡的方程式，可得：SKIPIF1<02-3式中：SKIPIF1<0－生蒸汽的量，㎏/ｓ；SKIPIF1<0－生蒸汽的比焓，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－進料的海水比焓,SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－第1效蒸發(fā)器產生的水蒸汽比焓，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－出第一效海水的量，㎏/ｓ；SKIPIF1<0－出第一效海水的比焓，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－凝結水的比焓，SKIPIF1<0。在其中，SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，SKIPIF1<02-4以上的公式中：SKIPIF1<0－生蒸汽的汽化潛熱，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－進料的海水的比熱容，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－出第一效的海水的比熱容，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0－出第一效的海水的溫度，℃。將(2-4)中各式帶入(2-3)后整理得：SKIPIF1<02-5根據(jù)海水的比熱容公式有SKIPIF1<0（SKIPIF1<0為海水的濃度，SKIPIF1<0為純水的比熱，SKIPIF1<0為海水中鹽分的比熱[21]）,故：SKIPIF1<0消去公式中相同項后：SKIPIF1<02-6把SKIPIF1<0代入式（2-6）能夠得到：SKIPIF1<02-7按此規(guī)律類推：SKIPIF1<0將（2-7）代入（2-5）得：SKIPIF1<0在其中：SKIPIF1<0由此可得：SKIPIF1<0于是，以此類推得到：SKIPIF1<0按此規(guī)律類推，按圖所示，對第ｉ效蒸發(fā)器有SKIPIF1<02-8在本課題設計中，因為物料守恒的原因，用SKIPIF1<0代替上式中的SKIPIF1<0，還要乘以熱利用的系數(shù)SKIPIF1<0(可取0.96~0.98[22])來考慮各效蒸發(fā)器的損失，就可得到：SKIPIF1<02-9式中：SKIPIF1<0－第ｉ效真發(fā)起進口的加熱蒸汽的汽化潛熱，kJ/㎏；SKIPIF1<0－第ｉ效進口加熱的蒸汽量，㎏/ｓ，根據(jù)物料守恒方程式有（SKIPIF1<0為第ｉ效的閃蒸罐的閃蒸量，SKIPIF1<0為第ｉ效的預熱器的進入蒸汽量）：SKIPIF1<02-102.3.2第i效閃蒸罐的傳熱傳質計算圖2-4第i效閃蒸罐的熱量衡算的示意圖當i=2時，由熱量的衡算有：SKIPIF1<02-11當i=3時，根據(jù)熱量的衡算有：SKIPIF1<02-12其中：SKIPIF1<0,SKIPIF1<0代入式（2-12）得：SKIPIF1<02-13以上各式中：SKIPIF1<0－與第ｉ效蒸發(fā)的水蒸氣對應的凝結水的比焓，SKIPIF1<0;SKIPIF1<0－第ｉ效蒸發(fā)的水蒸氣的比焓，SKIPIF1<0;SKIPIF1<0－第ｉ效閃蒸罐的閃蒸量，SKIPIF1<0;SKIPIF1<0－第ｉ效預熱器中進入的蒸汽量，SKIPIF1<0。2.3.3海水預熱器傳熱傳質計算圖2-5第i效預熱器熱量衡算的示意圖按圖圖2-5所示，對第i效預熱器由熱量平衡知:SKIPIF1<0將上式展開可得：SKIPIF1<02-14式中：SKIPIF1<0－出ｉ效預熱器的海水比熱，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－出ｉ效預熱器的海水溫度，℃在上列公式中引入了SKIPIF1<0變量，在論文中，取每效預熱器中海水被加熱到飽和溫度，每效溫升取SKIPIF1<0。因為在濃度相同時，比熱隨溫度變化不大，所以可取SKIPIF1<0的平均值，即SKIPIF1<0。由此，代入式（2-14）有：SKIPIF1<02-152.4小結在本章主要作了以下工作：（1）在比較分析現(xiàn)有的太陽能集熱技術和低溫多效蒸發(fā)技術的基礎上提出了一種復合的系統(tǒng)——太陽能海水淡化復合系統(tǒng)。（2）對提出的新型系統(tǒng)進行了技術分析及運行說明，著重對橫管降膜蒸發(fā)器設計的幾個關鍵問題的解決辦法作了說明。（3）建立了新系統(tǒng)的物理模型與傳熱傳質計算，為下一章的系統(tǒng)設計計算做好了準備。第3章海水淡化系統(tǒng)的設計計算本章中將使用上一章建立的物理與傳熱傳質計算，根據(jù)冷凝水閃蒸與額外蒸汽引出，以10000噸/日太陽能海水淡化系統(tǒng)作為例子，對本系統(tǒng)中海水淡化各個部件進行了定量的分析和數(shù)學計算，因為計算過程實為數(shù)據(jù)的迭代過程，所以本設計使用VisualBasic語言編制適用于本淡化系統(tǒng)的計算程序，得到了系統(tǒng)各部位的熱力性能參數(shù)。太陽能集熱系統(tǒng)的設計計算會在下一章中提出。3.1原始數(shù)據(jù)的選擇與設定（1）設備的容量：本系統(tǒng)設計的淡化水生產能力為10000t/d，即D=417t/h（2）海水初始的質量濃度是SKIPIF1<0，濃縮比SKIPIF1<0,初溫是SKIPIF1<0（3）型式：本系統(tǒng)采用了5效（5）設定噴淋的水溫。為增強提高系統(tǒng)的經濟指標，通常下減小海水進入蒸發(fā)器的過冷度。過冷度的選擇與系統(tǒng)的性能的提高緊密相關。假若過冷度太大，就加熱蒸汽發(fā)生相變凝結產熱量不能支持蒸發(fā)產生相當量的蒸汽，系統(tǒng)水產量將下降；假若過冷度過小，那么由于換熱器有較小的換熱溫差，就會讓換熱器面積變大，設備總的投資過大。本系統(tǒng)把海水加熱到75℃，即過冷度為7.5℃。（6）系統(tǒng)效間溫差。在本系統(tǒng)中，第一效的蒸發(fā)溫度定位82.5℃，末效蒸發(fā)溫度為46.5℃?？紤]到各方面的因素，各效取9℃溫差。（7）由太陽能系統(tǒng)出來的飽和蒸汽的溫度取為90℃。（8）假定各效的熱回收率為SKIPIF1<0＝0.98。（9）初算時根據(jù)造水比SKIPIF1<0與效數(shù)n的經驗關系SKIPIF1<0=0.8n,取SKIPIF1<0=4。3.2確定各效溫度分布等溫差法和等面積法是建立多效蒸發(fā)海水淡化進行溫度分布的兩種方法，第一種方法是在各效溫降相同的情況下確證溫度分布，第二種種方法是在各效蒸發(fā)器面積相等的情況下確證溫度分布。通常多效蒸發(fā)器以便于生產方便，偏于采用等面積法。然而要使工藝性能達到最好，等面積法是不合適的，有時可能采用等溫差法或等壓差法，或者介于它們之間的某種法[23]。假若選用等溫差法法，就可按照溫差相等直接進行計算;假若選用等面積法法，就可以在初算時按照等溫差法計算，此時求解出的各效傳熱面積就會不相等，調整溫差再進行試算，最后蒸發(fā)器就可以設計成等面積的。在本文中，確證各效換熱器溫度分布按等溫差法。３.３系統(tǒng)物料衡算及熱量衡算[24-28]（１）第一效的加熱蒸汽:SKIPIF1<0（２）第一效的進料的海水量：SKIPIF1<0（3）第ｉ效的出口的濃溶的液量：SKIPIF1<0（4）第ｉ效的濃縮液出口的濃度：SKIPIF1<0（5）第ｉ效蒸發(fā)器的傳熱溫差：SKIPIF1<0利用上一章所建立的傳熱傳質計算，將選擇的原始數(shù)據(jù)代入，對各效蒸發(fā)器，預熱器和閃蒸罐進行能量與物料衡算，即可得到系統(tǒng)的熱流與物流分布，（本數(shù)據(jù)的計算是編程完成的，具體代碼見附錄。）見表3.1，3.2，3.3。表3.110000噸/日海水淡化系統(tǒng)海水預熱器熱力參數(shù)總匯項目第1效預熱器第2效預熱器第3效預熱器第4效預熱器預前溫度（℃）63513927預后溫度（℃）75635139預熱換熱量（KJ）3893.933893.963893.023893.93預熱用汽（t/h）6.08016.021235.96435.9093表3.210000噸/日海水淡化系統(tǒng)蒸發(fā)器熱力參數(shù)總匯項目第1效蒸發(fā)器第2效蒸發(fā)器第3效蒸發(fā)器第4效蒸發(fā)器第5效蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度℃82.573.564.555.546.5蒸汽溫度℃9081726354進口濃度％0.03000.034460470.0405370.0489480.06083出口濃度％0.034460470.0405370.0489480.060830.075進口鹽（t/h）694.444604.5574513.9386425.616342.461出口鹽（t/h）604.5574513.9386425.616342.461266.9651進口蒸汽t/h83.483.865787.96177.53472.344出口蒸汽t/h89.88690.62883.31283.154975.4965換熱溫（℃）7.57.5表3.310000噸/日海水淡化系統(tǒng)閃蒸罐熱力參數(shù)總匯項目第二效閃蒸罐第三效閃蒸罐第四效閃蒸罐閃蒸溫度（℃）635139閃蒸量（t/h）1.6463.2784.7443.4海水預熱器與各效蒸發(fā)器的設計計算3.4.1海水預熱器的設計計算由于在本系統(tǒng)中，各效海水預熱器的結構布置相同,故本設計中,只詳細計算第一效。其余各效的計算方法與第一效相同，差別只在換熱面積上，本設計會在后面以表格方式列出計算結果（見表3.4）。（1）海水預熱器結構說明海水預熱器為固定管板式殼管換熱器，考慮海水腐蝕問題，兼顧經濟性原就，換熱管采用銅合金（70Cu-30Ni）管，導熱系數(shù)SKIPIF1<0=115SKIPIF1<0。管子按三角形錯排，單殼程。工作原理為：預熱器利用蒸發(fā)器中產生的二次蒸汽中的部分蒸汽對海水進行預熱，來提高海水溫度，從而使得海水進入蒸發(fā)器時具有較高的焓值。（2）海水預熱器的換熱系數(shù)計算海水預熱器中的傳熱過程主要由管內蒸汽發(fā)生相變凝結、管壁導熱、管外海水與管壁的換熱等過程組成。選傳熱管管外徑SKIPIF1<0=25mm，內徑SKIPIF1<0=20mm總傳熱系數(shù)k（以外側面積為準）理論上已知：SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－蒸汽冷凝側傳熱系數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－海水側對流傳熱系數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－壁面導熱熱阻，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－污垢熱阻，SKIPIF1<0壁面導熱熱阻對于本設計采用的管殼式換熱器的導熱熱阻為:SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－壁面材料的導熱系數(shù)，SKIPIF1<0帶入計算得，SKIPIF1<0②污垢熱阻污垢熱阻是對整個熱交換過程中管內外腐蝕、結結垢以及不凝氣體熱阻得綜合考慮。這是由于缺乏對這些熱阻產生的機理的了解。污垢熱阻值(即污垢系數(shù))的選取全憑經驗。取決于設計是保守還是樂觀，其值的大小對傳熱面積的大小影響甚大，選擇小的污垢系數(shù)與選擇大的污垢系數(shù)相比，傳熱面積要小30%－40%[29]。本文中參考文獻選擇污垢熱阻SKIPIF1<0SKIPIF1<0。③蒸汽冷凝傳熱系數(shù)管內凝結換熱系數(shù)計算采用Chato在努塞爾特理論的基礎上給出的適用于Pr≥1情況下水平管內凝結換熱的關系式；SKIPIF1<03-1式中:SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0為溫度的函數(shù)，隨各效溫度變化而變化。在此效中，定性溫度為79.77℃，查得各參數(shù)為：SKIPIF1<0=0.674SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=971.8SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=0.2933SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=2305.58SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=1.9615SKIPIF1<0SKIPIF1<0=81℃，SKIPIF1<0=78.54℃（經假設檢驗后得出）代入式（3-1）計算得：SKIPIF1<0④海水側對流傳熱系數(shù)為流體橫掠外管束的表面對流換熱系數(shù)，考慮到海水易結垢問題，取殼側海水流速為SKIPIF1<01.9m/s。定性溫度為69℃，查得濃度為3%海水的物性參數(shù)如下：SKIPIF1<0=997.231SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=SKIPIF1<0SKIPIF1<0=4.0538SKIPIF1<0，SKIPIF1<0=0.66254SKIPIF1<0雷諾數(shù)SKIPIF1<0=120385.9﹥104所以管外流動為橫掠管束的紊流流動?？蛇x用下列公式計算[31]:SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0式中：普朗特數(shù)SKIPIF1<0=2.41SKIPIF1<0=2.653計算得到：SKIPIF1<0=14267.9SKIPIF1<0⑤計算總傳熱系數(shù)kSKIPIF1<0代入各數(shù)據(jù)計算得到k=5103.7SKIPIF1<0（3）換熱管的布置傳熱面積A=Q/(kSKIPIF1<0)式中：SKIPIF1<0－蒸汽冷凝熱負荷，SKIPIF1<0取SKIPIF1<0=10.92℃所以帶入計算得A=69.87m2，就總管長為SKIPIF1<0=890.7m。取單根為1.5m的標準管，就需管數(shù)為z=600，取整并考慮一定的安全裕度，就z=612管間距取SKIPIF1<0=0.032m管束中心管排數(shù)SKIPIF1<0，圓整取為28。管束外沿與殼體間距取SKIPIF1<0殼體內徑SKIPIF1<0=0.032×26+4×0.025=0964m現(xiàn)將所設計的海水預熱器的主體結構及其有關參數(shù)綜述如下：光滑管總數(shù)為612根，每根傳熱管的有效長度為1500mm,管板厚度取30mm考慮傳熱管與管板之間膨脹加工時兩端各伸出3mm，傳熱管的實際下料長度為1566mm。殼體長度為1566mm。表3.4海水預熱器換熱面積總匯項目第1效預熱器第2效預熱器第3效預熱器第4效預熱器換熱面積（㎡）69.8771.372.74各效蒸發(fā)器的設計計算同理，由于在本系統(tǒng)中，各效蒸發(fā)器的結構布置相同,故本設計中,只詳細計算第一效。其余各效的計算方法與第一效相同，差別只在換熱面積上，本設計會在后面以表格方式列出計算結果（見表3.5）。（1）多效蒸發(fā)器結構說明多效蒸發(fā)器為工業(yè)中使用的水平管降膜蒸發(fā)器，結構式意圖見圖3.1。工作原理為：加熱水蒸汽走管程，放出熱量凝結使管外噴淋海水蒸發(fā)，產生新的蒸汽，送入下一效蒸發(fā)器作加熱蒸汽。管內凝結水在淡水箱中集結，然后通過淡水排出管排出到淡水箱。（2）水平管降膜蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的計算水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)理論上已知：SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－蒸汽冷凝側傳熱系數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－海水蒸發(fā)側傳熱系數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－壁面導熱熱阻，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－污垢熱阻，SKIPIF1<0①壁面導熱熱阻考慮到生產加工的方便，在本設計中蒸發(fā)器采用與海水預熱器相同的管子形式與管材，即銅合金（70Cu-30Ni）管，導熱系數(shù)SKIPIF1<0=115SKIPIF1<0。管子按三角形錯排，單殼程。傳熱管管外徑SKIPIF1<0=55mm，內徑SKIPIF1<0=50mm。所以：SKIPIF1<0SKIPIF1<0②污垢熱阻本文中參考文獻選擇污垢熱阻SKIPIF1<0SKIPIF1<0。③管內蒸汽冷凝傳熱系數(shù)經分析，容易看出在第一效海水蒸發(fā)器與第一效海水預熱器中管內凝結的物理情況，幾何情況相同，只是定性溫度不同，所以可采用同樣的計算步驟，這里只給出計算結果：SKIPIF1<0④管外降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)管外降膜蒸發(fā)傳熱是一種高效傳熱方式，但這方面的理論研究文獻并不多見。并且各學者的研究結論不一致，有些甚至相互矛盾。在本文中，采用文獻[32]給出的橫管降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)計算式：SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－海水的導熱系數(shù)，為溫度與質量濃度的函數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－海水的運動粘度，為溫度與質量濃度的函數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－海水的動力粘度，為溫度與質量濃度的函數(shù)，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－海水噴淋密度，2.2節(jié)已述，取SKIPIF1<0定性溫度為82.5℃.查得的各物性參數(shù)如下：SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0代入數(shù)據(jù)計算得：SKIPIF1<0⑤計算總傳熱系數(shù)k（以外側面積為準）SKIPIF1<0代入數(shù)據(jù)計算得k=5452SKIPIF1<0換熱管的布置傳熱面積A=Q/(kSKIPIF1<0)考慮到沸點溫升，取SKIPIF1<0所以帶入計算得A=1292.9m2，就總管長為SKIPIF1<0=8352m。取單根為SKIPIF1<0的標準管，就需管數(shù)為z=928，取整并考慮一定的安全裕度，就z=929管間距取SKIPIF1<0=0.7m管束中心管排數(shù)SKIPIF1<0=33.52，圓整取34。管束外沿與殼體間距取SKIPIF1<0殼體內徑SKIPIF1<0=0.07×33+4×0.055=2.53m現(xiàn)將所設計的蒸發(fā)器的主體結構及其有關參數(shù)綜述如下：光滑管總數(shù)為928根，每根傳熱管的有效長度為9000mm,管板厚度取30SKIPIF1<0考慮傳熱管與管板之間膨脹加工時兩端各伸出3SKIPIF1<0，傳熱管的實際下料長度為9066SKIPIF1<0。殼體長度為9066mm，內徑在考慮噴淋空間后殼體內徑取為2600mm。表3.5各效蒸發(fā)器的換熱面積效數(shù)12345換熱面積（㎡）129211971356141214923.4.3冷凝器的設計計算在本設計中冷凝器采用管殼式結構，蒸汽走管程，海水走殼程。海水初溫15℃，被加熱到40℃。容易看出冷凝器的換熱計算與海水預熱器的相似，可以采用同一計算步驟，為節(jié)約篇幅，在此只給出計算結果：總傳熱系數(shù)：k=4527SKIPIF1<0傳熱面積：A=472SKIPIF1<0下面在此說明一下冷凝器中的殼側海水流量G的得來。熱平衡方程式SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－海水溫升，為25℃SKIPIF1<0－海水的比熱容，為溫度和濃度的函數(shù)，查得為4021SKIPIF1<0由熱平衡式計算得到SKIPIF1<0SKIPIF1<0=1881751SKIPIF1<0冷卻海水排入大海部分：SKIPIF1<0=1187307SKIPIF1<03.5動力系統(tǒng)能耗計算本系統(tǒng)的動力部件主要為各效鹽水泵，海水供給泵，濃鹽水排出泵，淡水水泵,真空泵。下面對它們的能耗分別進行計算。（1）各效鹽水泵能耗計算泵的全揚程為實揚程與管道水頭損失之和。對于鹽水泵，實揚程為將本效鹽水打入下一效噴淋的揚程。根據(jù)蒸發(fā)器結構實揚程為2.4米。管道水頭損失包括管路沿程阻力損失與局部阻力損失，可以分別計算。沿程阻力損失可用達西公式[33]表示為：SKIPIF1<03-2式中：SKIPIF1<0－管長，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－管徑，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－管內流速，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－重力加速度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0－摩擦系數(shù)SKIPIF1<0有很多試驗值，最常用的是克雷布魯克試驗式的值，此公式表示為：SKIPIF1<03-3式中：SKIPIF1<0—管內壁粗糙度SKIPIF1<0—雷諾數(shù)對于本系統(tǒng)循環(huán)鹽水輸水管為直徑50m的不銹鋼管，經計算沿程阻力損失為：SKIPIF1<0=0.304m局部阻力損失主要是閥門、彎頭、噴嘴等部件造成的，可以表示為：SKIPIF1<03-4式中：SKIPIF1<0——局部阻力系數(shù)根據(jù)文獻[33]中提供的各部件的SKIPIF1<0值，可以計算出個局部阻力損失之和為：0.994m。所以循環(huán)鹽水泵的全揚H=3.8981m。本系統(tǒng)中共有4臺循環(huán)鹽水泵，總功耗的計算式為：SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0－循環(huán)水泵軸功率，對于大型離心式水泵SKIPIF1<0可取75%。代入數(shù)據(jù)計算得到SKIPIF1<0（2）海水供給泵的能耗計算對于海水供給泵，由于管路較長，沿程阻力損失適合采用HazenWilliams公式：SKIPIF1<03-5SKIPIF1<03-6式中：SKIPIF1<0——流量系數(shù)SKIPIF1<0——流體平均深度，SKIPIF1<0；圓管時SKIPIF1<0SKIPIF1<0——動水梯度SKIPIF1<0——管徑，SKIPIF1<0SKIPIF1<0——管長，SKIPIF1<0SKIPIF1<0——管內流速，SKIPIF1<0本系統(tǒng)中海水供給管采用工程直徑為500SKIPIF1<0的不銹鋼管，海水供給泵等的沿程阻力損失計算得SKIPIF1<0=1.8m。在海水的供給管路中，產生局部阻力損失的部件主要為海水預熱器，彎頭及流量調節(jié)閥。本系統(tǒng)中海水預熱器采用殼管式換熱器，本設計中的不做理論計算，根據(jù)工程實踐取預熱器中的壓降為40kpa,即4.1m水柱。三通閥與流量調節(jié)閥的阻力降查閱文獻[34]中相關參數(shù)，計算得3.5m。海水取水深度為水平面下3m。所以海水供給泵的全揚程為24.7m。根據(jù)式3-12計算可得，海水供給泵的功耗為SKIPIF1<0=455.7kw。（3）濃鹽水排出泵及淡水水泵能耗計算濃鹽水排出泵及淡水水泵的功耗計算方法與海水供給泵相同，不再贅述。經計算濃鹽水排出泵功耗為SKIPIF1<0=3.692kw。淡水水泵功耗為SKIPIF1<0=3.94kw。（4）真空泵能耗計算①真空泵的排氣量在蒸發(fā)系統(tǒng)中，真空泵的排氣量是依據(jù)經驗數(shù)值確證的：Vg=Va＋Vb3-7式中：Vg－總排氣量，kg/hVa－補充海水帶進的不凝氣量，kg/hSKIPIF1<0－系統(tǒng)的泄漏量，kg/h可分別查表得到常溫常壓下海水的溶解空氣含量和系統(tǒng)操作溫度及真空度下溶解空氣含量，兩者相減即為SKIPIF1<0。本設計中采用在運行中用真空調節(jié)閥調節(jié)的方法得到所需真空度，所以真空泵選用以常溫海水溶解的不凝性氣體為據(jù)。查資料得到排氣量為：SKIPIF1<0②真空系統(tǒng)抽氣速率：Se=1000GV/M(3-8)式中：Se－抽氣速率，SKIPIF1<0lV—不凝氣體摩爾體積，m3/molM—不凝氣體摩爾質量，SKIPIF1<0在本設計中取不凝氣體的摩爾質量為M=29SKIPIF1<0，摩爾體積為V=0.0224m3/mol,故計算得到：Se=60.48SKIPIF1<0經計算，本系統(tǒng)可選用SK-0.4型真空泵，電機功率為SKIPIF1<0=10kW。（5）系統(tǒng)總能耗計算本系統(tǒng)總功耗為：SKIPIF1<0=507.432kW。生產1噸淡水的能耗為：SKIPIF1<03.6系統(tǒng)參數(shù)總匯根據(jù)上面各小結的計算結果，將系統(tǒng)主要參數(shù)匯總列表，見表3.6，3.7，3.8。3.7小結在本章中，我們對設計參數(shù)進行了優(yōu)化選擇，以10000噸/日海水淡化系統(tǒng)為例，對新型復合海水淡化系統(tǒng)中蒸發(fā)器、海水預熱器，冷凝器等主要部件進行了定量分析與優(yōu)化設計，給出了該類系統(tǒng)的優(yōu)化設計與定量分析的方法。并且計算了海水淡化系統(tǒng)的各部分動力能耗。表3.610000噸/日海水淡化系統(tǒng)海水預熱器設計參數(shù)總匯項目第1效預熱器第2效預熱器第3效預熱器第4效預熱器進料海水t/h694.444694.444694.444694.444預熱用汽t/h6.08016.021235.96435.9093預熱器換熱面積㎡69.8771.372.7474.8表3.710000噸/日海水淡化系統(tǒng)動力系統(tǒng)能耗總匯循環(huán)鹽水泵功耗kW25.64海水供給泵功耗kW455.7濃鹽水排出泵功耗kW3.692淡水水泵功耗kW30.94真空泵功耗kW10總功耗kW507.432噸水能耗kWh/噸1.216表3.810000噸/日海水淡化系統(tǒng)蒸發(fā)器設計參數(shù)總匯項目第1效蒸發(fā)器第2效蒸發(fā)器第3效蒸發(fā)器第4效蒸發(fā)器第5效蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度81.573.564.555.546.5進口鹽水t/h694.444604.557513.928425.61342.46出口鹽水t/h604.557513.928425.61342.46266.965進口蒸汽t/h83.483.865783.96177.33472.344出口蒸汽t/h89.88690.67888.31283.15475.476換熱溫差℃7.57.5蒸發(fā)面積㎡12921197135614121492第4章太陽能系統(tǒng)的設計第3章中，我們對海水淡化系統(tǒng)進行了詳細計算，得出了其系統(tǒng)的主要設計參數(shù)，在本章中，將對太陽能集熱系統(tǒng)進行設計計算。4.1原始數(shù)據(jù)的選擇與設定（1）本系統(tǒng)中太陽能集熱系統(tǒng)的容量是由海水淡化系統(tǒng)決定的。即海水淡化系統(tǒng)中所需要的蒸汽量決定了系統(tǒng)的容量。在第3章中已經計算得出：SKIPIF1<0=83.4SKIPIF1<0=23.167SKIPIF1<0該值即為太陽能系統(tǒng)中的蒸汽流量。返回換熱器飽和水溫度為70℃，在換熱器中受熱成為飽和蒸汽。（3）集熱系統(tǒng)中的油選擇WD-400高溫合成型導熱油，由集熱器出來的油溫取為400℃，出換熱器器后的油溫定為300℃。（4）青島地區(qū)太陽輻射全年平均強度E取為600SKIPIF1<04.2太陽能集熱系統(tǒng)的計算4.2.1換熱器的計算（1）換熱器結構說明換熱器采用殼管式換熱器，因蒸汽及油的腐蝕性較輕，兼顧經濟性原就，換熱管采用碳鋼管，管子按三角形錯排，單殼程。工作原理為：從蒸汽過熱器出來的高溫油流經管內加熱從汽輪機給水預熱器出來的飽和水，飽和水在管外吸熱相變成為飽和蒸汽后被送入蒸汽過熱器。（2）換熱器的換熱量計算由能量守恒得：SKIPIF1<0４-１式中：SKIPIF1<0--換熱器中蒸汽流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0--出口飽和蒸汽焓值，SKIPIF1<0SKIPIF1<0--進口飽和水焓值，SKIPIF1<0SKIPIF1<0--過熱器中油的流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0--換熱器中油的比熱容，SKIPIF1<0SKIPIF1<0--換熱器中油的進出口溫差，℃代入數(shù)據(jù)計算可得Q=47.4MW此外還可算得油的換熱溫差為SKIPIF1<0=250℃油的出口溫度為SKIPIF1<0300℃（3）換熱器的傳熱計算換熱器中的傳熱過程主要由管外飽和水沸騰換熱，管壁導熱，管內油與管壁的換熱等過程組成。由于換熱器的計算過程與蒸汽過熱器的計算過程相似，在此不再給出詳細計算過程，只將計算所選取的計算方程式及最后計算結果列出。管外飽和水的沸騰換熱可用下列關聯(lián)式計算：SKIPIF1<0４－２式中：SKIPIF1<0—重力加速度SKIPIF1<0—飽和蒸汽的汽化潛熱SKIPIF1<0—飽和蒸氣密度海水SKIPIF1<0—飽和水密度蒸汽汽化潛熱SKIPIF1<0—飽和蒸汽的導熱系數(shù)SKIPIF1<0—飽和蒸汽的動力黏度系數(shù)SKIPIF1<0—管外壁溫度SKIPIF1<0—飽和蒸汽溫度SKIPIF1<0—管外徑管內油與內壁的換熱系數(shù)：SKIPIF1<04-3式中：SKIPIF1<0--油導熱系數(shù)SKIPIF1<0--管內徑SKIPIF1<0--雷諾數(shù)SKIPIF1<0--普朗特數(shù)經計算可得換熱系數(shù)為SKIPIF1<0對數(shù)平均溫差SKIPIF1<0=250℃實際換熱面積為：A=Q/(kSKIPIF1<0)=133.4SKIPIF1<0就總管長為SKIPIF1<0=1701m取單根為6m的標準管，就需管數(shù)為z=283.5，取整，就z=285管間距取s=0.07m管束中心管排數(shù)SKIPIF1<0殼體內徑SKIPIF1<0=0.07×17+4×0.055=1.41m現(xiàn)將所設計的換熱器的主體結構及其有關參數(shù)綜述如下：光滑碳鋼管總數(shù)為285根，每根傳熱管的有效長度為6000mm,管板厚度取30SKIPIF1<0考慮傳熱管與管板之間膨脹加工時兩端各伸出3SKIPIF1<0，傳熱管的實際下料長度為6066SKIPIF1<0。殼體長度為6066SKIPIF1<0，殼體內徑為1410mｍ。4.2.2蓄熱器的計算本系統(tǒng)中所采用的蓄熱為中高溫蓄熱，介于此方面的資料不全，且中高溫蓄熱