熱法太陽(yáng)能海水淡化理論研究進(jìn)展綜述

姚 洋，陳志莉，2，于 濤，楊 毅

(1. 后勤工程學(xué)院國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311;2. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

熱法太陽(yáng)能蒸餾具有成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)管理方便等特點(diǎn)，是太陽(yáng)能利用海水淡化中重要的研究方向［1］，但較低的產(chǎn)水率制約了其大規(guī)模應(yīng)用。因此研究者們針對(duì)增強(qiáng)太陽(yáng)能海水淡化蒸餾性能做了大量的研究工作，這包括試驗(yàn)和理論兩個(gè)方面。試驗(yàn)研究可以較為真實(shí)地反映裝置的性能，但試驗(yàn)投資較大且消耗時(shí)間。采用理論研究一方面可以減少投入，同時(shí)可以獲得試驗(yàn)研究所得不到的內(nèi)容，因此一些學(xué)者專注于采用數(shù)值模擬來(lái)發(fā)現(xiàn)制約裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)以便更好地設(shè)計(jì)太陽(yáng)能蒸餾器。

熱法太陽(yáng)能海水淡化理論研究包括蒸發(fā)冷凝淡化模型的構(gòu)建及對(duì)比研究、計(jì)算機(jī)模擬裝置產(chǎn)水性能研究及裝置工藝參數(shù)的優(yōu)化研究等。Dunkle［2］對(duì)熱法海水淡化裝置進(jìn)行了理論研究，提出了一套完整的理論模型，該模型可對(duì)低溫條件下的裝置產(chǎn)水進(jìn)行預(yù)測(cè)。Zheng 等［3］基于邊界層理論類比得到理論模型，該模型在高溫段有很好的準(zhǔn)確度。Chen等［4］針對(duì)管式淡化結(jié)構(gòu)，分析其腔體內(nèi)部蒸發(fā)冷凝機(jī)理，提出了一套新的蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)關(guān)系式。Abdallah 等［5］對(duì)實(shí)際天氣條件下的裝置產(chǎn)水進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用膜蒸餾的裝置全天產(chǎn)水量可以達(dá)到38 kg。Zhani［6］采用矩陣以及C + +軟件對(duì)裝置在突尼斯實(shí)際條件下的性能進(jìn)行模擬，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。Liu 等［7］基于質(zhì)能平衡建立了裝置的產(chǎn)水和經(jīng)濟(jì)模型，模型中考慮了操作條件的影響，模擬結(jié)果表明該裝置有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

盡管有關(guān)熱法太陽(yáng)能海水淡化的理論研究已經(jīng)進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間，但由于裝置內(nèi)部流體擾動(dòng)引起的復(fù)雜傳熱以及不同的裝置外形結(jié)構(gòu)等對(duì)裝置傳熱的影響，以至于未能形成一個(gè)普遍的理論模型適用于所有情況。本文對(duì)經(jīng)典的理論模型以及近幾年新提出的理論模型進(jìn)行了綜述，指出了各種模型的應(yīng)用條件及利用這些模型進(jìn)行理論研究得到的重要結(jié)論，為以后熱法太陽(yáng)能海水淡化的理論研究和模型優(yōu)化提供一定參考。

1 熱法太陽(yáng)能海水淡化蒸發(fā)冷凝過(guò)程的理論模型

熱法太陽(yáng)能海水淡化的研究早在15 世紀(jì)就已有報(bào)道，但關(guān)于熱法太陽(yáng)能海水淡化的理論研究直到1961 年才由Dunkle 提出［2］。蒸餾器內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞是通過(guò)對(duì)流、蒸發(fā)、冷凝及輻射的方式進(jìn)行的，因此了解熱質(zhì)傳遞系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能蒸餾器產(chǎn)水性能有十分重要的作用。目前預(yù)測(cè)熱法太陽(yáng)能海水淡化的理論模型主要有兩種:一種是根據(jù)傳熱傳質(zhì)平衡推導(dǎo)得到的理論模型，該模型最早由Dunkle 提出，之后許多學(xué)者在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加深入的研究;另一種是根據(jù)邊界層理論Chliton-Colburn 類比得到的模型，與Dunkle 系列模型相比該模型提出較晚，但由于在高溫高熱流條件下表現(xiàn)出很好的準(zhǔn)確性，也得到了廣泛研究。

1.1 基于質(zhì)能平衡推導(dǎo)的理論模型

自然對(duì)流傳熱過(guò)程中努賽爾數(shù)的確定一直是工程中的重要問(wèn)題，其基本的關(guān)系式［8］如下式所示。

不同的熱質(zhì)傳遞模型，關(guān)系式中的n、C 也不同。研究發(fā)現(xiàn)在水平封閉環(huán)境中，非穩(wěn)態(tài)的溫度梯度會(huì)引起內(nèi)部對(duì)流的強(qiáng)烈擾動(dòng)，此時(shí)的Ra ＞106。在這種條件下，對(duì)流傳熱與腔體的尺寸無(wú)關(guān)，n 和C分別趨近于常數(shù)1/3 和0.075。Dunkle 模型正是基于此提出的。

1.1.1 基于蒸發(fā)量的理論模型

Dunkle 針對(duì)傳統(tǒng)盤式蒸餾器首次提出了一組傳熱傳質(zhì)關(guān)系式。Dunkle 模型假定冷凝玻璃蓋板傾斜角度足夠小(10°)近似看成水平，裝置的運(yùn)行溫度為55 ～70 ℃，蒸發(fā)冷凝面之間的溫差為11 ℃，空腔內(nèi)部氣體為干空氣。此時(shí)的對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)如下式所示，參數(shù)如表1 所示。

表1 水蒸氣的物性參數(shù)Tab.1 Physical Parameter of Vapor

Dunkle 模型適用于低溫情況下，其模擬值與試驗(yàn)值有很好的一致性。但在高溫條件下采用Dunkle模型得到的模擬值與實(shí)際情況下的試驗(yàn)值有較大偏差，有文獻(xiàn)報(bào)道偏差可以達(dá)到30%。其原因在于中高溫條件下裝置內(nèi)部充滿濕空氣，濕空氣對(duì)傳熱產(chǎn)生熱阻，同時(shí)也阻礙水蒸氣的擴(kuò)散，因此濕蒸汽對(duì)熱質(zhì)傳遞的影響不可忽略。Malik 等［9］考慮了腔體內(nèi)濕蒸汽對(duì)熱質(zhì)傳遞的影響，對(duì)公式(3)進(jìn)行了修正，如下式所示。

該公式可以應(yīng)用在溫度＜50 ℃的條件下。

Tsilingiris［10］直接從對(duì)流傳熱系數(shù)出發(fā)，提出了具有反映濕空氣成分的對(duì)流傳熱關(guān)系式，如下式所示。

在飽和狀態(tài)下，運(yùn)行溫度為50 ℃時(shí)，可以將上式更改為類似于Dunkle 模型，如下式所示。

Clark［11］發(fā)現(xiàn)裝置在運(yùn)行溫度高于80℃的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，裝置的蒸發(fā)率和冷凝率幾乎相等，因此其對(duì)Dunkle 模型進(jìn)行了補(bǔ)充，如下式所示。

該公式可以應(yīng)用在運(yùn)行溫度＞80℃的條件下。

Adhikari 等［12］在Dunkle 模型的基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)提出了一個(gè)產(chǎn)水量與溫度差之間的關(guān)系式，如下式所示。

其中常數(shù)α、n 需要根據(jù)不同Gr 查表獲得，具體如表2 所示。

表2 不同溫度范圍對(duì)應(yīng)的α 值Tab.2 Values of α at Different Temperature Ranges

Dunkle 模型滿足Ra ＞106，其中的n 和C 分別為常數(shù)1/3 和0.075。Chen 等［13］通過(guò)試驗(yàn)以及線性回歸分析獲得了可在較寬的瑞利系數(shù)(3.5 ×103＜Ra ＜106)范圍內(nèi)的自然對(duì)流關(guān)系式，如下式所示。

Zheng 等［3］考慮了腔體的幾何尺寸對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響，因此對(duì)模型中的Ra 系數(shù)進(jìn)行了修正，如下式所示。

此時(shí)3.5 ×103＜Ra' ＜2.6 ×107，35 ℃＜T'w＜86 ℃。同時(shí)與邊界層的傳熱傳質(zhì)類比，獲得了傳熱傳質(zhì)關(guān)系式，如下式所示。

1.1.2 基于冷凝量的理論模型

在推導(dǎo)太陽(yáng)能產(chǎn)水關(guān)系式中，大多數(shù)研究者以蒸發(fā)量作為蒸餾裝置的產(chǎn)水量，即裝置內(nèi)部水蒸氣達(dá)到飽和。Ahsan 等［14］研究發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部水蒸氣未達(dá)到飽和，裝置內(nèi)產(chǎn)生的淡水比蒸發(fā)量要小。因此Ahsan 等以管式淡化裝置為模型提出了一種新的計(jì)算產(chǎn)水量的方法——采用冷凝量作為系統(tǒng)的產(chǎn)水量。

根據(jù)動(dòng)量與能量方程推導(dǎo)得到新的蒸發(fā)與冷凝系數(shù)如下式所示。

蒸發(fā)傳質(zhì)系數(shù)［15］:

冷凝傳質(zhì)系數(shù)［16］:

為冷凝系數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得m 值計(jì)算得出(試驗(yàn)假設(shè)蒸發(fā)量等于冷凝量)。

根據(jù)熵形成原理推導(dǎo)出傳熱傳質(zhì)關(guān)系式

與其他模型相比該模型不僅可以達(dá)到其他模型模擬得到的海水溫度、冷凝面溫度、水槽溫度以及小時(shí)蒸發(fā)量，同時(shí)該模型還可以獲得裝置內(nèi)部溫度變化、水蒸氣密度、相對(duì)濕度等新的參數(shù)，并預(yù)測(cè)小時(shí)產(chǎn)水量。與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用該模型得到的蒸餾產(chǎn)水量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

1.2 Chliton-Colburn 類比模型

Chilton 等［17］發(fā)現(xiàn)在Re ＞4 000 時(shí)，Nu、Re 以及Pr 存在以下關(guān)系式。

之后Coulson 等［18］根據(jù)Chilton 和Colburn 提出的關(guān)系式推導(dǎo)得到了經(jīng)典的傳熱傳質(zhì)關(guān)系式，如下式所示。

該關(guān)系式被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)蒸發(fā)單元的產(chǎn)水率。在熱法海水淡化方面，很多研究是基于該公式進(jìn)行的。

Shawaqfeh 等［19］基 于 Bulk-motion 模 型 和Chilton-Colburn analogy 模型的基礎(chǔ)上提出了兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，如下式所示。

該模型忽略了腔體尺寸，考慮了外界風(fēng)速的影響。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)在估計(jì)產(chǎn)水時(shí)采用Dunkle 模型得到的值比試驗(yàn)值高了40%，而采用以上兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)得到的模擬值可以與實(shí)際數(shù)據(jù)有較好的吻合。

在低質(zhì)量流密度，并假定速度、溫度以及濃度邊界層為理想條件下 (Le= 1，P0/PLM= 1)，Cengel［20］推 導(dǎo) 得 到hm= (1/ρ·CPa)L-2/3

e ·hc。Rahbar 等［21］根據(jù)理想氣態(tài)方程(ρ = 1/R·P/T，R=461.5 J/kg·K)對(duì)該公式進(jìn)一步推導(dǎo)得到(參數(shù)可通過(guò)表1 查得)以下式子。

Tsilingiris［22，23］認(rèn)為在高運(yùn)行溫度下劉易斯數(shù)(Le)與P0/PLM不為1，劉易斯數(shù)應(yīng)該與濕空氣質(zhì)擴(kuò)散效率以及熱擴(kuò)散效率有關(guān)。因此其通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得到了質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)以及熱擴(kuò)散系數(shù)如下式所示。

其中當(dāng)0 ℃＜t ＜100 ℃時(shí)，

DA0= 1.820 034 881 ×10-5;

DA1= 1.324 098 731 ×10-7;

DA2= 1.978 458 093 ×10-10

2 熱法太陽(yáng)能海水淡化熱質(zhì)傳遞模型的比較

自1961 年Dunkle 提出熱法海水淡化理論模型以來(lái)，有關(guān)熱法海水淡化的理論模型已經(jīng)有許多。大多數(shù)的理論模型是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，由于試驗(yàn)條件不同，得到的經(jīng)驗(yàn)公式也不盡相同。為了更好地選擇這些理論模型，以期達(dá)到更準(zhǔn)確的產(chǎn)水量預(yù)測(cè)的目的，研究者在不同的試驗(yàn)條件下對(duì)這些理論模型進(jìn)行了對(duì)比研究。

V. K. Dwivedi 等［24］對(duì) 比 研 究 了Kumar 和Tiwari 模型、Dunkle 模型、Chen 模型、Adhikari 模型、Zheng 模型以及Clark 模型對(duì)單效、多效被動(dòng)盤式淡化裝置內(nèi)部產(chǎn)水的預(yù)測(cè)情況。模擬比較了在不同水層厚度(0.01、0.02、0.03 m)、不同外部環(huán)境(夏季、冬季)下的蒸餾小時(shí)產(chǎn)水量。通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)不管是單效還是兩效被動(dòng)盤式蒸餾裝置，采用Dunkle 模型都可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)小時(shí)產(chǎn)水量。此外采用Dunkle 模型可以預(yù)測(cè)該種裝置內(nèi)部的傳熱系數(shù)。Tsilingiris［25］分別采用Chliton-Colburn 模型和Dunkle 模型對(duì)以往研究試驗(yàn)的小時(shí)產(chǎn)水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖1 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Dunkle 模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低溫條件下的小時(shí)產(chǎn)水量，但在高溫下其預(yù)測(cè)值比試驗(yàn)測(cè)量值要高。不管是低溫還是高溫，采用Chliton-Colburn 模型都可以很好地預(yù)測(cè)小時(shí)產(chǎn)水量。之后其又研究了根據(jù)Dunkle 模型改進(jìn)的Mailk 模型和Tsilingiris 模型在不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)下的模擬預(yù)測(cè)的精確度［26］。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低溫條件下(濕空氣物性參數(shù)與同溫度下的干空氣基本一致，與大氣壓相比飽和蒸汽壓可以忽略)兩種模型都可以精確預(yù)測(cè)裝置的產(chǎn)水量，但在高溫度條件下(流體擾動(dòng)強(qiáng)烈)兩種模型對(duì)結(jié)果的預(yù)測(cè)都會(huì)產(chǎn)生偏差，這一方面由于濕空氣的影響，另一方面是由于經(jīng)典的對(duì)流傳熱關(guān)系式中常數(shù)C發(fā)生了變化。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的擬合Tsilingiris 認(rèn)為C=0.05時(shí)結(jié)果更為精確。Tiwari 等［27］研究發(fā)現(xiàn)以內(nèi)部冷凝面溫度提出的模型比只用冷凝溫度為模型在預(yù)測(cè)產(chǎn)水方面更精確。Rahbar［21］采用2D-CDF(2維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬單效斜盤小時(shí)產(chǎn)水量，并與Dunkle 模型、Chliton-Colburn 模型、Bulk-motion 模型進(jìn)行比較，如表3 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用CDF 數(shù)值模擬的結(jié)果與Chliton-Colburn 模型得到的結(jié)果更接近，與其他模型模擬的結(jié)果相差較大，其中采用Dunkle 模型得到的值比CDF 值高了45%。

圖1 采用Dunkle 模型得到的預(yù)測(cè)值與不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Fig.1 Predictions against Measurements according to Dunkle's Model

表3 根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)利用不同模型計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值的比較Tab.3 Validation of Different Models against Published Data

Dunkle 模型是有關(guān)太陽(yáng)能熱法海水淡化提出的最早的理論模型，之后通過(guò)對(duì)其改進(jìn)和優(yōu)化得到的理論模型可以很好地預(yù)測(cè)在中低溫條件下(＜50 ℃)系統(tǒng)的小時(shí)產(chǎn)水量，并得到了廣泛應(yīng)用。但隨著太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的研發(fā)，太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行溫度可以達(dá)到中高溫條件(50 ℃以上)，利用Dunkle 模型模擬得到的小時(shí)產(chǎn)水量比實(shí)際產(chǎn)水要高，其主要原因在于Dunkle 模型忽略了水蒸氣分壓對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部熱質(zhì)傳遞的影響，同時(shí)推導(dǎo)理論模型所根據(jù)n=1/3、C =0.075 在中高溫階段時(shí)是變化的。因此目前的研究主要針對(duì)在高溫條件下的理論模型，一方面是基于Dunkle 模型考慮飽和蒸汽的影響得到新的理論模型，如Tsilingiris 模型;另一方面根據(jù)新的對(duì)流公式推導(dǎo)理論模型，如Chliton-Colburn模型。新的理論模型可以很好地應(yīng)用于高溫條件下，但需要注意的是這些模型大多是以經(jīng)典的盤式模型忽略傾斜角對(duì)裝置產(chǎn)水的影響得到的。最近有研究發(fā)現(xiàn)管式蒸餾器有更好的產(chǎn)水性能［33］，因此針對(duì)管式等其他形狀的蒸餾器，這些理論模型能否精確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)水量還有待進(jìn)一步研究。

3 熱法太陽(yáng)能海水淡化的模擬研究

理論研究是熱法太陽(yáng)能海水淡化性能優(yōu)化研究中一項(xiàng)重要的研究方式，因其具有成本低、研究因素多等優(yōu)點(diǎn)得到了研究者們的廣泛采用。理論研究的方法主要包括數(shù)學(xué)分析法、積分近似解法、比擬法、數(shù)值計(jì)算等。其主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)裝置產(chǎn)水量的預(yù)測(cè)、重要參數(shù)對(duì)產(chǎn)水量的影響、尺寸工藝參數(shù)的優(yōu)化以及蒸發(fā)冷凝腔內(nèi)部溫度場(chǎng)速度場(chǎng)的分布等。

3.1 海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水性能研究

Smith 等［34］設(shè)計(jì)了一種新的盤式蒸餾器，該裝置在內(nèi)部和外部分別帶有反射面，理論研究發(fā)現(xiàn)全年的產(chǎn)水量與傳統(tǒng)盤式相比增加了48%。此外還研究了帶有幕簾以及內(nèi)部反射面的太陽(yáng)能蒸餾器，理論研究發(fā)現(xiàn)全年產(chǎn)水量與傳統(tǒng)盤式相比增加了6%［35］。Al-Hinai 等［36］發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能輻射、外界風(fēng)速以及環(huán)境溫度會(huì)直接影響產(chǎn)水率。Abdenacer等［37］、Abu-Arabi 等［38］報(bào)道當(dāng)蒸發(fā)面與冷凝面溫度差達(dá)到最大時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)水效果最好。Kianifar 等［39］發(fā)現(xiàn)用低功率風(fēng)扇可以提高系統(tǒng)的產(chǎn)水性能。Al-Garni 等［40］發(fā)現(xiàn)水厚度增加會(huì)降低系統(tǒng)的產(chǎn)水性能，同時(shí)他還發(fā)現(xiàn)針對(duì)最大產(chǎn)水率存在一個(gè)最優(yōu)的傾斜角度。Rahbar 等［21］采用2D-CDF 的方法對(duì)單效盤式海水淡化的產(chǎn)水進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)針對(duì)最大產(chǎn)水存在一個(gè)最優(yōu)的長(zhǎng)度，高度對(duì)產(chǎn)水的影響與長(zhǎng)度正好相反，此外對(duì)流傳熱系數(shù)與產(chǎn)水量變化趨勢(shì)相同。鄭子行［41］設(shè)計(jì)了一種三效管式海水淡化裝置，并建立了相關(guān)的熱質(zhì)傳遞模型，利用Matlab 對(duì)實(shí)際天氣條件下的裝置產(chǎn)水性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差不到11%。崔夏菁［42］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)順流五效蒸餾/閃蒸太陽(yáng)能海水淡化裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析，得出一年內(nèi)不同季節(jié)系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)。陳子乾［43］設(shè)計(jì)了一種低溫四效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，通過(guò)模擬計(jì)算研究分析了與該海水淡化系統(tǒng)匹配的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)參數(shù)，給出了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱器面積和儲(chǔ)熱水箱容量、海水淡化系統(tǒng)啟動(dòng)和暫停溫度等參數(shù)的最佳取值范圍，計(jì)算了該裝置的年淡水產(chǎn)量。陳志莉［44］針對(duì)盤式裝置性能較低的情況，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)熱利用的多級(jí)強(qiáng)化冷凝面太陽(yáng)能海水淡化裝置，理論研究了迭盤級(jí)數(shù)、能量匹配系數(shù)、各級(jí)盤海水深度、迭盤蒸發(fā)面與冷凝面距離等因素對(duì)裝置性能的影響。

3.2 腔內(nèi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)研究

Murase 等［45］針對(duì)用于沙漠地區(qū)的管式太陽(yáng)能海水淡化蒸餾器內(nèi)的溫度分布進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明與傳統(tǒng)盤式蒸餾相比，該種蒸餾器具有可以增大對(duì)流傳熱面積，限制蒸汽的循環(huán)以及不需要采用隔熱措施等特點(diǎn)。Chouikh 等［46］對(duì)斜盤式蒸發(fā)冷凝腔進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在單一旋轉(zhuǎn)單元的蒸餾腔有最好的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這可以給水蒸氣提供足夠的冷凝時(shí)間。

4 結(jié)論

本文綜述了太陽(yáng)能熱法海水淡化的理論模型和應(yīng)用條件，并闡述了相關(guān)的理論研究現(xiàn)狀。目前的研究主要以盤式模型居多，該模型忽略了冷凝表面傾斜角的影響，認(rèn)為蒸發(fā)冷凝過(guò)程發(fā)生在矩形腔體內(nèi)部。對(duì)于大多數(shù)蒸餾器而言，其結(jié)構(gòu)形式近似為矩形腔體，因此采用盤式模型可以獲得較好的結(jié)果。但近幾年來(lái)由于管式淡化裝置的出現(xiàn)，采用盤式模型獲得的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大偏差。因此針對(duì)管式理論模型還有待進(jìn)一步探索和研究。

利用模型對(duì)裝置的產(chǎn)水率進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)裝置性能以及找到影響產(chǎn)水量的關(guān)鍵因素，對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等是目前理論研究的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量的研究工作。由于蒸餾法冷凝腔體內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，有效地模擬腔體內(nèi)部溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及速度場(chǎng)等的分布情況是目前模擬研究的難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外鮮有研究。因此未來(lái)在模擬研究裝置產(chǎn)水性能的基礎(chǔ)上，將更多地關(guān)注對(duì)腔體內(nèi)部物理場(chǎng)分布以及不同物理場(chǎng)對(duì)裝置產(chǎn)水作用機(jī)理等方面的研究。

符號(hào)說(shuō)明

a——溫差系數(shù)，0.375;

C——熱容，J/kg·℃;

D——質(zhì)擴(kuò)散系數(shù);

hc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K;

hcw——水面與濕空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K;

hco——冷凝傳質(zhì)系數(shù)，m/s;

he——蒸發(fā)換熱系數(shù)，W/m2·K;

heo——蒸發(fā)傳質(zhì)系數(shù)，m/s;

hfg——蒸發(fā)潛熱，J/kg;

hv——水蒸氣與冷凝壁面自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K;

k——導(dǎo)熱率W/m·K;

l——特征尺寸;

g——重力加速度，m/s2;

M——分子質(zhì)量，kg/mol;

m——產(chǎn)水量，kg;

me——蒸發(fā)質(zhì)量流量，kg/m2·s;

P——水蒸氣分壓，Pa;

Po——運(yùn)行壓力，Pa;

R——?dú)怏w常數(shù);8 315 J/kmol·K;

Rv——水蒸氣氣體常數(shù);461.5 J/kg·K;

T——溫度，K;

v——運(yùn)動(dòng)粘度;m2/s;

Nu——努賽爾數(shù);

Gr——格拉小夫數(shù);

Pr——普朗特?cái)?shù);

Ra——瑞利數(shù);

Le——?jiǎng)⒁姿箶?shù)。

下角含義

air——干空氣;

a——外界環(huán)境;

c——冷凝面;

l——冷凝液體;

m——混合氣體;

v——濕空氣;

w——海水水面。

希臘字母含義

α——熱擴(kuò)散系數(shù);

β——體積熱擴(kuò)散率，1/K;

γe——蒸發(fā)效率;

γc——冷凝效率;

ρ——密度，kg/m3。

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