双层海水淡化系统的传热传质机理数值研究

论文摘要

近几十年来,随着需求的稳步增长,以及工业发展所造成的水资源破坏,淡水资源的稀缺对人类社会的可持续发展构成了威胁。太阳能蒸发技术作为一种有效的太阳能利用技术,其不仅在海水淡化领域有所应用,也在污水处理、医疗灭菌甚至发电方面均有潜在应用前景。近年来,一种双层结构的海水淡化系统由于其高效利用太阳能而引起了广泛的关注。目前大量研究都集中在改良和优化双层结构系统的材料、结构以及整体装置。而本文采用数值模拟的方法分别从宏观和微观角度分析双层海水淡化系统的传热传质机理,以期为双层海水淡化系统的改进、优化以及拓展提供一定参考。对于宏观系统,我们基于有限元方法建立并优化了由实验验证的宏观传热传质计算模型,然后分析了各类影响因素对双层结构系统蒸发效率与蒸汽温度的影响,发现:要想得到高温水蒸汽就必须牺牲蒸发效率,削弱水蒸汽的输运,恶化其边界散热条件;而要想获得较高的蒸发效率,改善水蒸汽的输运条件将更行之有效,此时产生的水蒸汽为低温水蒸汽。此外,我们还发现存在最佳的孔隙率（约为50%）使得双层海水淡化系统的蒸发效率最高;相对于多孔材料的热导率,双层结构的有效热导率对系统蒸发效率的影响更大;选择性吸收体的使用将有助于提高双层结构系统蒸发效率与蒸汽温度。在微观角度中,对于第一层材料,我们基于有限元方法建立由Mie散射理论验证的纳米颗粒光热转化数值计算模型,然后从单纳米颗粒组成的零维系统出发层层递进的分析研究了太阳光全光谱下纳米颗粒的拥挤效应,进而发现在纳米粒子的二维平面规则分布中,六角格子分布是利于太阳能光热转换的最佳分布,并且在该分布中315nm的粒子间距为利于太阳能光热转换的最佳间距。更有意义的是在太阳光全光谱下任何空间分布的多粒子系统的能量吸收问题都可以视为三种基本极化模式的叠加,因此我们可以使用电磁场分解模型来处理任意多粒子体系在太阳光全光谱下的能量吸收问题。对于第二层材料,我们依然基于有限元方法,并使用Poisson-Nernst-Planck方程建立热驱动离子输运数值计算模型,然后研究分析纳米通道内与多孔材料内热驱动离子的输运问题,从而发现离子浓度(8(844))为1 mol·m-3,通道半宽度?为1 nm的纳米通道系统是较理想的热电系统,并且该系统存在最优的温差（约为85 K）与最优的通道长度（约为85 h）使其热致功率最大。而多孔材料内热驱动离子输运造成的热电流（约为27.2 mA）、热电势（约为63.7 mV）以及热致功率（约为433.2μW）足以驱动商用电气元件,因此直接利用多孔材料内热驱动离子的输运性能进行双层海水淡化系统蒸汽-电联产是可行的。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 概述
•   1.2 文献综述
•   1.3 选题目的及意义
•   1.4 本文研究内容
• 2 双层海水淡化系统的影响因素
•   2.1 理论基础与模型验证
•   2.2 影响因素分析与机理阐述
•   2.3 宏观传热传质模型优化
•   2.4 本章小结
• 3 纳米颗粒最佳光热转换分布
•   3.1 理论基础与模型验证
•   3.2 影响因素分析与机理描述
•   3.3 电磁场分解模
•   3.4 本章小结
• 4 纳米孔道内热驱动离子输运
•   4.1 理论基础与模型描述
•   4.2 影响因素分析与机理描述
•   4.3 多孔材料内热驱动离子输运
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 钟金鑫

导师: 黄丛亮

关键词: 太阳能热利用,数值模拟,双层结构,纳米颗粒光热转化,热驱动离子输运

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,动力工程

单位: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金青年项目,表面修饰纳米颗粒的热物理性质研究(No.51406224)

分类号: P747;TK124

总页数: 115

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