科学家开发了一种基于加湿和除湿的太阳能脱盐系统!

   电子分析员        

与从水中去除矿物和盐的通常技术相比,太阳能脱盐系统的特点是淡水产量低。常用的方法包括但不限于多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩脱盐和反渗透。太阳能脱盐需要进行各种改进,以使其比通常的方法更具生产力。该方法适用于能源和环境保护,是最有效的系统。调整涉及使用加湿和除湿原理(HD)。在这个项目中,HD太阳能脱盐系统的三种配置被设计用来适应气候条件和季节变化的变化。设计了数学模型来测试系统在理想环境下的可操作性。这些模型是基于调节系统各组成部分运作的通用流体方程。设计好模型后,研究人员在此基础上设计出一种调节算法。仿真结果表明,该算法在淡水生产中的增益约为33%。


相关论文以题为“Modeling, Simulation, and Optimization of a Solar-Based System of Desalination Using Humidification and Dehumidification”发表在《Applied Sciences》上。




在未来几十年里,主要的挑战将是获取新鲜饮用水,特别是在偏远地区。社会科学家预测,到2025年,至少70%的地球人口可能会遭受淡水短缺。因此,预防可预见危机的解决方案已经到位。科学家们提出,解决这个问题的办法是通过环保机制,比如利用太阳能,使含盐的水变得新鲜。使用其他形式的能源,如化石燃料,将使情况恶化,由于全球气候变化和大量使用淡水来冷却工业。这些新方法还没有付诸实施,因为它们还在发展中。此外,众所周知,太阳能脱盐方法产生的少量水可能不足以维持人口。太阳能系统(SBS)的生产已与其他复杂的方法进行了比较,如多级闪蒸蒸馏(MSF)、多效蒸馏(MED)、蒸汽压缩脱盐(VC)和反渗透(RO)。因此,由于它的成本效益、及时性和对环境的友好性,许多科学家都试图提高太阳能系统的生产力。


Elmutasim等人对闭空气开放水(CAOW)加湿和除湿(HD)系统进行了改进,加入了依赖于热量的回收选项。该方案通过以下两个步骤实现:混合室步骤和热交换器步骤。为了能够评估系统的效率,科学家们设计了一个等级(低、中、高)来衡量效率。其他学者如Tariq等人提出了另一种基于创新的技术。在他们的模型中,基于Maisotsenko循环的空气饱和器被用来增加空气湿度。在他们的新模型中,Tariq等人能够将脱盐的速度提高30%。在同一模型中,采收率提高了46%,增益产出率提高了11%。


高清系统的不同配置


在为提高效率而配置SBS的第一阶段中,使用HD系统检查系统,如图1所示。为了提高太阳能多凝结蒸发循环(SMCEC)的淡水输出效率,设置了这样的设计。在第一阶段,该系统通过容纳以下部分来改变:



图1.第一配置。


空气太阳能收集器(ASC);


淡水太阳能收集器(WSC);


蒸发塔;


加湿器;


冷凝塔。


每个组件在系统中都有其独特的用途。基于第一个配置的系统如图1所示。海水在系统中被预热,这反过来减少了系统的总热量消耗,这是系统得到改善的原因之一。因此,该系统可以在热能有限的情况下使用,并在系统的其他阶段回收预热热。水加热过程遵循几个过程,以便最终产品可以以最大的效率收集。现有和进入的冷热空气平衡了系统的工作,使水的加热和收集过程顺利进行。


HD太阳能脱盐系统第一个配置的灵活性使研究人员能够根据天气条件和季节得出另外两种设置(操作场景):


·对于日照强度较低的日子,为了避免水汽在太阳能空气收集器处凝结,建议采用太阳能脱盐系统的第二种配置,如图2所示。该方案包括一个带有增湿模块和蒸馏模块的太阳能水收集器。在这种情况下,蒸发所需的所有能量都由太阳能集水器提供。


·对于太阳辐射强度较高的日子,可以使用图1、图2和图3中分别显示的第一、第二和第三种配置。在这种情况下,蒸发所需的热能由太阳能水收集器(第二种配置)或太阳能空气收集器(第三种配置)或两者(第一种配置)提供。



图2.第二个配置。




图3.第三个配置。


淡水太阳能集热器


淡水太阳能收集器的系统代表了一个多变量模型,包含多个输入和输出,如图4所示。收集器的结构使得可视化系统变量并根据时间映射它们成为可能。文中还指出了可能影响系统效率的外部因素,从而可以追踪误差的来源。



图4.淡水太阳能集热器的输入/输出框图。


结论


为了使太阳能脱盐系统更有效,科学家们对太阳能脱盐模型进行了几项改变。本研究的新颖之处在于通过开发和模拟HD太阳能脱盐系统的三种设计配置,并将一种调节算法整合到最优配置中,进一步优化其淡水生产,以获得更高的日淡水产率。结果表明,采用第三种配置时,最大淡水产量约为18kg /d,而采用所提出的调节算法后,最大淡水产量也提高了近33%。这种类型的太阳能脱盐系统的原子化,以及开发一种调节算法来去除系统中的矿物和盐,是目前研究的延伸。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3361/htm



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