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本文提出了一种利用太阳能集热器来进行海水淡化与发电的新型系统。该系统以太阳能为热源,将海水加热到一定温度(不超过100℃),然后通过旋转轴进入碟型缩放喷嘴(原理等同于拉法尔喷嘴),最后以气液混合物的形式喷射到真空室里。由于真空室内外的压力不同,海水将会发生闪蒸,产生水蒸气和液滴的混合物。闪蒸产生的水蒸汽将上升到真空室上部,并且被冷凝器冷凝成淡水。与此同时,高速喷射出的气液混合物对喷嘴施加一个反作用力,由于出口指向相反的方向,那么反作用力将会产生一个力矩,进而驱动直流发电机进行发电。
本文主要进行以下几个方面的研究工作:
一、通过对理论模型的探索,找出了一个合适的两相流模型来预测当入口海水温度变化的情况下(真空室温度恒定),理论上所产生的淡水量与电能和在入口海水温度一定的情况下,随着真空室温度的变化,理论上产生的淡水量和电能;
二、详细分析了系统的工作原理。利用熵-焓图详细介绍其热力学过程,通过理论计算得出,系统理论上所产生电能大于其所消耗的电能,结合卡诺循环计算出了该装置的稳态热效率公式,并研究了电能和缩放喷嘴转速之间的关系,分析了系统的整体效率以及影响系统效率的因素;
三、选择太阳能集热器作为系统的热源,理论计算出太阳能集热器的总体效率和该系统产生1kg/s淡水所需要的太阳能集热器的面积(在其它条件不变的情况下);
四、设计并制造了一个小型实验装置,测试了实际太阳能海水淡化与发电系统的性能,验证该理论在实际中的可行性,并与理论值的比较,找出两者的偏差,为下一步太阳能海水淡化与发电装置的改进做指导,最后为了提高系统的效率,把该系统与多级闪蒸系统相结合,并给出其工作原理。
实验结果表明:在其它情况不变时,系统所产生的淡水量与电能随着入口海水温度的升高而增大,并且系统所产生的淡水量和利用热力学平衡模型所计算的理论值基本吻合,实验值略大于理论值;然而系统所产生的电能远小于利用热力学平衡模型所计算的理论值,一方面是由于该实验装置规模较小,摩擦磨损相对来说较大和该实验装置工作中会从周围的环境中吸热;另一方面是由于热海水在喷嘴内膨胀不充分,因此需要构建流经碟型喷嘴的闪蒸模型并经过试验验证,这必将对碟型喷嘴的膨胀过程有进一步的改善,从而使发电量进一步接近理论值。