基本信息
- 项目名称：
- 塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本设计将太阳能与低温多效蒸发海水淡化技术有机结合，引入横管降膜蒸发技术，巧妙设计了蒸发器塔式布局结构，大大提高了装置的造水效率。本设计采用真空管集热系统、蓄热系统、闪蒸发生器系统、电辅/冷却系统与MED海水淡化系统相结合的方式，实现了太阳能高效利用、昼夜不间断运行、淡水产量相比同类方案高的设计目标。
- 详细介绍：
- 本设计目标是利用太阳能与低温多效蒸发海水淡化技术的有机结合，引入横管降膜蒸发技术，巧妙设计蒸发器塔式布局结构，提高装置的造水效率，实现太阳能高效利用、昼夜不间断运行、淡水产量较高的设计目标。 为此，设计了塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置，包含5个子系统：真空管集热系统、闪蒸发生器系统、储热系统、多效蒸发海水淡化系统和电辅/冷却系统。该装置由太阳能集热器来提供系统需要的热量，集热器为双层全玻璃真空玻璃管集热器，使得海水最高蒸发温度不超过70℃，其特征是：5个横管降膜式蒸发器串联组成，蒸发器采用层叠的塔式布置，海水可以依靠自身重力和效间压力差，实现逐效流动，而不再需要海水泵输送；系统首效蒸发器输入蒸汽，通过反复蒸发与冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽的淡化产量；为实现太阳能高效利用、昼夜不间断运行、设置蓄热水箱，在白天“储存”集热器吸收的热量，在夜间为多效蒸发装置运行提供热量来源；满足日产10t的海水淡化要求。 分析了真空管集热器、蓄热水箱、闪蒸发生器及横管降膜蒸发的原理及系统组成方式，完成了集热量与横管降膜蒸发器相关热力参数的算法设计和计算。 搭建了淡水产量10t/d的横管降膜蒸发5效塔式实验装置。通过与传统结构进行比较，分析了塔式结构的优势，并对塔式结构内横管降膜蒸发器换热管矩形排布进行了结构分析，评估分析了装置的热力性能。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 海水淡化技术是解决当前淡水资源匮乏问题的有效途径之一。传统的海水淡化技术投资高，能源消耗大、淡水资源紧张等迫使人们去寻找新能源和可再生能源，太阳能以其储量无限、完全清洁的独特优势脱颖而出。太阳能与低温多效蒸发海水淡化技术的有机结合，成为必然发展趋势。 基本思路： 设计了塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置，包含5个子系统：真空管集热系统、闪蒸发生器系统、储热系统、多效蒸发海水淡化系统和电辅/冷却系统。该装置由太阳能集热器来提供系统需要的热量，集热器为双层全玻璃真空玻璃管集热器；为实现太阳能高效利用、昼夜不间断运行、设置蓄热水箱；海水淡化系统由5个横管降膜式蒸发器串联组成，蒸发器采用层叠的塔式布置；满足日产10t的海水淡化要求。 创新点： （1）实现了太阳能与低温多效蒸发海水淡化技术的有机结合，造水比较高，系统经济性高； （2）蒸发器采用层叠的塔式布置，海水依靠自身重力和效间压力差，实现逐效流动，不需要海水泵输送，因此系统运行的可靠性增加，降低了能源消耗。 （3）设计了蓄热系统，实现了太阳能高效利用、昼夜不间断运行、淡水产量相比同类方案高。 （4）搭建了塔式实验装置，评估分析了装置的热力性能，编制了热力性能校核软件，并完成了系统仿真，能动态演示系统流程。 基本参数和主要性能指标： （1）加热蒸汽温度为65 ℃ （2）末效蒸发器蒸汽温度为50℃ （3）海水的浓缩比为2 （4）造水比为4.04 （5）淡水产量为10t/d
科学性、先进性
- 在国内外，太阳能与传统海水淡化系统相结合方面已经取得阶段性成果，如太阳能多级闪蒸系统、太阳能多级沸腾蒸馏系统等。但是将太阳能集热技术与具有操作温度低，预处理简单，动力消耗小，热效率高等优点的低温多效蒸发海水淡化技术紧密结合在一起，实现优势互补，才能极大提高太阳能海水淡化装置的经济性。而本作品太阳能与低温多效蒸发海水淡化技术有机结合，引入横管降膜蒸发技术，巧妙设计了蒸发器塔式布局结构，大大提高了装置的造水效率。 实质性的技术特点和进步体现在以下几个方面：海水最高蒸发温度不超过70℃，充分发挥了低温多效蒸发海水淡化的技术优势；蒸发器采用层叠的塔式布置，海水可以依靠自身重力和效间压力差，实现逐效流动，而不再需要海水泵输送，因此系统运行的可靠性增加，降低了能源消耗；设计了蓄热系统，实现了太阳能高效利用、昼夜不间断运行、淡水产量相比同类方案高；搭建了淡水产量为10t/d的横管降膜蒸发5效塔式实验装置，完成了塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置的系统仿真。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月，获得辽宁省挑战杯竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作研究
作品可展示的形式
- 图纸、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、实现了海水淡化技术与太阳能供热系统的有机结合，完成了可持续能源和清洁能源的有效利用； 2、采用横管降膜蒸发技术，具有传热系数高、热耗量小，要求供热的温位低等优点； 3、蒸发器塔式布置，海水可以依靠自身重力和效间压力差实现逐效流动，降低了能源消耗； 4、设计了蓄热系统，实现了太阳能高效利用、昼夜不间断运行、淡水产量相比同类方案高； 5、搭建了5效塔式实验装置，完成了塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置的系统仿真，并编制了热力性能校核软件。 研究设计了“塔式横管降膜蒸发太阳能海水淡化装置”的技术方案，实现了储量无限、完全清洁的太阳能与MED海水淡化技术的结合，提供了一种低投资，低能耗的获得淡水的途径。 1万吨/天的低温多效蒸发海水淡化设备销售价格约6500万元，工程投资约9500万元。按照年均制造海水淡化设备规模10万吨/天保守数值测算，年均售价6.5亿元。发展具有自主知识产权的海水淡化装备制造技术和产业，将为我国的装备制造业带来极大的商机和利润。
同类课题研究水平概述
- 横管降膜蒸发过程中，由于其可在相对低的温度驱动力或相对低的热流量引起的表面蒸发，同时因为薄膜蒸发的换热管外侧液体的膜状流动有利于蒸汽与液相尽快分离，所以其换热系数较高, 在相同的热负荷条件下所需传热面积可大为节省。因此，横管降膜蒸发是一种节能型蒸馏淡化技术，不仅热耗量小，而且要求供热的温位低，其与阳能技术的结合是太阳能海水淡化技术中最有前景的方向之一。 国内外研究人员（见参考文献）对不同的太阳能海水淡化技术进行了分析和研究，但目前还未见搭建横管降膜蒸发太阳能海水淡化塔式装置，本装置采用横管降膜蒸发技术，采用塔式布置，由5效蒸发器构成，日产淡水10吨。设计中采用了蓄热调节系统，设置蓄热水箱在白天“储存”集热器吸收的热量，在夜间为多效蒸发装置运行提供热量来源，真正实现了昼，不间断运行、保证了淡水产出的可持续性。 依托辽宁省海水淡化重点实验室和海洋能源利用与节能教育部重点实验室的重点支持下，实验室先期搭建了横管降膜蒸发传热性能实验台、水平管管内流动与传热性能实验台等系列实验装置，获得大量实验结果，为本装置的进一步改进提高提供了基础数据。国内一流的实验条件能够为本装置的后续研发提供强有力的支撑，在此基础上提出具有原创性的新的海水淡化装置技术方案。 参考文献： [1]The application of solar energy for large-scale seawater desalination.D.Hoffman.; Desalination ,89 (1992) 115-184. [2]Use of parabolic trough solar energy collectors for seawater desalination.Soteris Kalogirou; Applied Energy, 60 (1998) 65-68. [3] 一种新型多效内回热式太阳能海水淡化装置. 陈子乾，郑宏飞，何开岩；北京理工大学学报，2005.
