膜蒸馏海水淡化特性分析及其与吸收式制冷机复合系统的研究

论文摘要

全球性的人口增长和能源环境问题使得水资源短缺日益成为制约人类经济社会发展的重大议题之一,废水回收利用和海水淡化等技术是突破这一制约的有效手段。作为众多水处理技术之一,膜蒸馏(membrane distillation,MD)因具有操作条件温和、分离效果优良和对能源品质要求低等特点而被应用于脱盐、水处理、提纯浓缩和食品医药等领域,正受到世界范围内越来越多的关注。但是,该技术也存在着能效较低,使用常规能源驱动经济性较差等不足,为此,有必要针对膜蒸馏特性及其相关系统展开研究,以为其实际应用提供理论支撑与参考。首先,本文以膜蒸馏海水淡化为背景,建立了其传热传质过程的数学模型;以膜通量和热效率为MD特性的评价指标,采用单因素为主、双因素为辅的分析方法,模拟分析了进料温度和流量、渗透侧冷却水进水温度和流量对膜蒸馏特性的影响及作用机理。结果表明:在所模拟的参数范围内,进料参数升高对膜通量和热效率提升具有显著影响。当进料温度由55℃C升高至75℃C时,膜蒸馏通量和热效率分别增长121.03%和20.07%;当进料流量由9.0L/min升高至1l.OL/min时,膜蒸馏通量和热效率分别增长11.03%和3.85%。其次,考虑到余热、地热和太阳能等廉价热源在驱动膜蒸馏方面的优势性,本文将MD与吸收式制冷机复合成系统,以对低品位热有效利用,同时又实现对外提供膜蒸馏产水和供应冷量的目的。在复合系统数学建模的基础上,模拟了驱动热源温度、制冷机蒸发温度和分流比对其性能指标的影响。结果显示:在所模拟的参数范围内,驱动热源温度和分流比对系统输出和总效率指标有着较为显著的影响,而制冷机蒸发温度的影响则基本可以忽略。当驱动热源温度由95℃C升高至115℃C时,系统的产水和对外供冷量分别表现出119.56%和81.97%的增幅,与此同时,复合系统的总效率的增幅则为7.36%。当分流比由0增加到1时,复合系统的膜蒸馏产水也由0增长至最大值,而对外供冷量和系统总效率的增减则与之相反,在分流比的变化范围(0→1)内,系统总效率由65%降低至18.50%,降幅高达71.54%。分流比的作用特点说明:系统的负荷分配应以制冷为主,附带制水;为使复合系统总效率不致过低(≤30%),分流比不宜高于0.625。最后,基于对膜蒸馏特性和复合系统的模拟分析,本文在一定的简化条件下初步选取了使系统性能指标最佳的参数组合,同时又在膜蒸馏端产水量一致的情况下,比较并分析了不同分流比对复合系统最佳参数组合的影响。结果表明:在所研究的任一分流比(0和1除外)下,复合系统四个指标(产水量、供冷量、膜蒸馏热效率和系统总效率)的最大值或最小值均对应MD模块进料参数和吸收式制冷机驱动热源温度的最大值或最小值。也就是说,分流比的改变并没有影响到使系统性能指标最佳的参数组合,这是因为改变分流比仅影响系统的负荷分配比例,而没有实质性的影响到膜蒸馏端或吸收式制冷机端取得最佳热效率或COP时的参数组合。本文的研究可为MD特性分析及膜蒸馏与吸收式制冷机复合系统的设计、运行与参数选优提供一定的理论参考。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 膜蒸馏概述
•     1.1.1 基本的膜蒸馏形式
•     1.1.2 膜的分类及MD膜材料
•     1.1.3 膜组件
•     1.1.4 膜蒸馏目前存在的问题
•   1.2 膜蒸馏研究现状
•     1.2.1 膜蒸馏技术的发展
•     1.2.2 膜组件研究
•     1.2.3 计算机用于膜蒸馏研究
•     1.2.4 膜蒸馏应用研究
•     1.2.5 膜蒸馏系统研究
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 膜蒸馏传热传质过程的数学建模
•   2.1 膜蒸馏过程建模假设
•   2.2 传热模型
•     2.2.1 料液侧传热
•     2.2.2 跨膜传热
•     2.2.3 渗透侧传热
•     2.2.4 质能平衡
•   2.3 跨膜传质模型
•   2.4 膜蒸馏特性的评价指标
•   2.5 膜蒸馏传热传质的计算机求解
•   2.6 膜蒸馏数学模型验证
•   2.7 本章小结
• 第三章 膜蒸馏特性分析
•   3.1 影响膜蒸馏过程的因素
•   3.2 操作温度的影响
•     3.2.1 料液侧进料温度的影响
•     3.2.2 渗透侧进水温度的影响
•     3.2.3 操作温度的影响对比
•   3.3 操作流量的影响
•     3.3.1 料液侧进料流量的影响
•     3.3.2 渗透侧进水流量的影响
•     3.3.3 操作流量的影响对比
•   3.4 本章小结
• 第四章 膜蒸馏与吸收式制冷机复合系统分析
•   4.1 膜蒸馏与吸收式制冷机复合系统概述
•     4.1.1 吸收式制冷机数学建模
•     4.1.2 制冷机模型验证
•     4.1.3 复合系统的评价
•     4.1.4 复合系统的模拟求解
•   4.2 复合系统模拟分析
•     4.2.1 热源温度对复合系统的影响
•     4.2.2 制冷机蒸发温度对复合系统的影响
•     4.2.3 分流比对复合系统的影响
•   4.3 本章小结
• 第五章 膜蒸馏与吸收式制冷机复合系统的参数选优
•   5.1 影响复合系统总效率的主要因素
•   5.2 典型分流比下的参数选优
•   5.3 不同分流比下的参数选优及比较
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 不足与展望
• 附录
•   附录A 海水的部分热物理性质计算公式
•   附录B 水和水蒸气的部分热物理性质计算公式
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王云山

导师: 韩吉田

关键词: 膜蒸馏,海水淡化,吸收式制冷,余热利用,热效率

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 山东大学

分类号: P747

总页数: 93

文件大小: 5443K

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