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系統識別號 U0002-1808201410232200
中文論文名稱 小型太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統之最佳設計研究
英文論文名稱 Optimal design of small-scale solar powered membrane distillation desalination systems
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 洪承佑
研究生英文姓名 Chen-Yu Hung
學號 601400665
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-21
論文頁數 155頁
口試委員 指導教授-張正良
共同指導教授-張煖
委員-程學恆
委員-陳錫仁
中文關鍵字 太陽能  薄膜蒸餾  海水淡化  最佳化  動態模式 
英文關鍵字 Solar energy  Membrane distillation  Desalination  Dynamic modeing  Optimization 
學科別分類
中文摘要 小型太陽能薄膜蒸餾海水淡化系統是可紓解偏遠地區水資源缺乏問題的永續技術,然而缺乏系統化最佳設計之探討。本研究首先建立薄膜蒸餾模組,包括氣隔式、直接接觸式與真空式,以及整體系統之數學模式與實驗系統。薄膜蒸餾模組之模擬值與實驗值相對誤差約為10 %,整體系統之模擬值與實驗值變化趨勢相近,偏差主要原因是集熱器效率較模擬設定值低。藉由建立系統之數學模式,本研究提出一個擬穩態方法,結合動態最佳化搜尋,決定最低單位產水成本之設備尺寸與操作條件。本研究探討使用氣隔式、直接接觸式與真空式薄膜蒸餾模組之系統,最低之單位產水成本是使用氣隔式模組之之系統,產水量為1000 m3/day,成本為$5.16/m3。直接接觸式與真空式系統之成本接近,分別為$9.37/m3與$9.44/m3。最佳系統均採用薄膜蒸餾冷側熱回收之設計。薄膜特性影響分析結果顯示,質傳係數提升至兩倍可降低產水成本,但更高程度的改善對成本不會有更進一步的影響;熱傳導係數之降低只對直接接觸式系統有影響,50%之減低可獲單位產水成本約20%之降低。
英文摘要 Small-scale solar membrane distillation desalination system (s-SMDDS) is a sustainable technology for resolving the water resource problem in remote arid areas. However, the optimal design of the system has not been systematically investigated. This study developed the mathematical models and experimental systems of the membrane distillation modules, including air gap, direct contact and vacuum types, as well as the overall systems. For the membrane distillation modules, the relative deviation of the simulation results relative to the experimental results is about 10%. The trends of the simulated values and experimental values are similar, and the main reason of the deviation is that the efficiency of solar collector is smaller than the simulate setpoint. The equipment sizes and operation conditions for the water producton with minimum unit costs were determined by a systematic method. The optimization analysis employed the mathematical models, a pseudo steady state approach and the dynamic optiomization. The minimum unit costs of the systems utilizing air gap, direct contact and vacuum membrane distillation modules are $5.16/m3, $9.37/m3 and $9.44/m3 for the production rates of 1000 kg/day, 800 kg/day and 800 kg/day, respectively. For all the systems, the cold side heat recovery for the membrane distillation module should be adopted.
For the membranes employed in this study, the enhancement of membrane mass transfer coefficient up to two times is beneficial for cost reduction. The 50% reduction of the thermal conductivity of the membrane can reduce the unit cost by 20% for the system using direct contact membrane distillation.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與範疇 4
1.3 論文組織與架構 6
第二章 文獻回顧 7
第三章 數學模式建立 10
3.1 太陽能集熱器 10
3.2 儲熱槽 11
3.3 熱交換器 12
3.4 泵浦 13
3.5 氣隔式薄膜蒸餾模組 13
3.6 直接接觸式薄膜蒸餾模組 17
3.7真空式薄膜蒸餾模組 20
第四章 薄膜蒸餾模組實驗 24
4.1 氣隔式薄膜蒸餾模組 24
4.1.1 實驗系統 24
4.1.2 設備與儀器規格 25
4.1.3 實驗步驟 27
4.1.4 實驗條件與結果 28
4.1.4.1 實驗個案條件 28
4.1.4.2 熱流體進口溫度與流量之影響 29
4.1.4.3 冷流體進口溫度與流量之影響 30
4.1.4.4 熱流體層、氣隔層與冷流體層厚度之影響 32
4.2 直接接觸式薄膜蒸餾模組 35
4.2.1 實驗系統 35
4.2.2 設備與儀器規格 35
4.2.3 實驗步驟 38
4.2.4 實驗條件與結果 39
4.2.4.1 實驗個案條件 39
4.2.4.2 熱流體進口溫度與流量之影響 39
4.2.4.3 冷流體進口溫度與流量之影響 41
4.3 真空式薄膜蒸餾模組 43
4.3.1 實驗系統 43
4.3.2 設備與儀器規格 43
4.3.3 實驗步驟 45
4.3.4 實驗條件與結果 46
4.3.4.1 實驗個案條件 46
4.3.4.2 熱流體進口流量與溫度之影響 47
4.3.4.3 真空側壓力之影響 48
第五章 小型太陽能薄膜蒸餾海水淡化實驗系統 50
5.1 小型太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化系統 50
5.1.1 實驗系統 50
5.1.2 設備與儀器規格 51
5.1.3 實驗步驟 54
5.1.4 實驗條件與結果 55
5.1.4.1 實驗個案條件 55
5.1.4.2 晴天 56
5.1.4.3 陰天 59
5.2 小型太陽能真空式薄膜蒸餾海水淡化實驗系統 62
5.2.1 實驗系統 62
5.2.2 設備與儀器規格 62
5.2.3 實驗步驟 65
5.2.4 實驗條件與結果 66
5.2.4.1 實驗個案條件 66
5.2.4.2 晴天 67
5.2.4.3 陰天 70
第六章 小型太陽能薄膜蒸餾海水淡化系統最佳化設計 73
6.1 成本分析 74
6.1.1 設備購置成本 74
6.1.2 總年成本 75
6.2 太陽能氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統 77
6.2.1 擬穩態方法 77
6.2.2 動態最佳化問題 80
6.2.3 最佳化分析結果 83
6.2.4 最佳個案操作分析 87
6.2.4.1 物流溫度分析 87
6.2.4.2 物流流量分佈 89
6.2.5 薄膜特性影響 92
6.2.6 日照強度影響 94
6.2.7 擬穩態參數影響 98
6.3 太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化系統最佳化分析 99
6.3.1 擬穩態方法 99
6.3.2 動態最佳化問題 101
6.3.3 最佳化分析結果 104
6.3.3.1 最佳化個案操作分析 109
6.3.3.2 物流溫度變化 109
6.3.3.3 物流流量變化 111
6.3.3.4 薄膜通量變化 113
6.3.4 薄膜組力影響分析 114
6.3.5 輻射強度影響分析 116
6.3.6 擬穩態參數影響分析 120
6.4 太陽能真空式薄膜蒸餾海水淡化系統最佳化分析 121
6.4.1 擬穩態方法 121
6.4.2 動態最佳化問題 124
6.4.3 最佳化分析結果 126
6.4.3.1 最佳化個案操作分析 131
6.4.3.2 物流溫度變化 131
6.4.3.3 物流流量變化 133
6.4.3.4 薄膜通量變化 134
6.4.4 薄膜阻力影響分析 136
6.4.5 輻射強度影響分析 138
6.4.6 擬穩態參數影響分析 142
6.5 最佳設計之能耗性能與成本比較 143
第七章 結果與討論 147
符號說明 150
參考文獻 153



圖目錄
圖1.1 薄膜蒸餾配置 (a)DCMD, (b)AGMD, (c)SGMD, (d)VMD (Meindersma et al, 2006) 1
圖1.2 太陽能氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統 5
圖1.3 太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化系統 5
圖1.4 太陽能真空式薄膜蒸餾海水淡化系統 5
圖3.1 太陽能集熱板模式 11
圖3.2 儲熱槽模式 12
圖3.3 熱交換器模式 12
圖3.4 AGMD之熱傳與質傳 14
圖3.5 DCMD之熱傳與質傳 18
圖3.6 VMD之熱傳與質傳 21
圖4.1 氣隔式薄膜蒸餾模組實驗系統 24
圖4.2 平板氣隔式薄膜蒸餾模組分解圖 26
圖4.3 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 30
圖4.4 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體進口流量對通量之影響 30
圖4.5 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體進口溫度對通量之影響 31
圖4.6 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體進口流量對通量之影響 32
圖4.7 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體層通道厚度對通量之影響 33
圖4.8 氣隔式薄膜蒸餾實驗氣隔層厚度對通量之影響 34
圖4.9 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體通道厚度對通量之影響 34
圖4.10 直接接觸式薄膜蒸餾模組實驗系統 35
圖4.11 中空纖維薄膜蒸餾模組 36
圖4.12 直接接觸式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 40
圖4.13 直接接觸式薄膜蒸餾實驗熱流體進口流量對通量之影響 41
圖4.14 冷流體進口溫度對通量之影響 42
圖4.15 冷流體進口流量對通量之影響 42
圖4.16 真空式薄膜蒸餾實驗系統 43
圖4.17 真空式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 47
圖4.18 真空式薄膜蒸餾實驗熱流體流量對通量之影響 48
圖4.19 真空式薄膜蒸餾實驗真空側壓力對通量之影響 49
圖5.1 小型太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化實驗系統 50
圖5.2 太陽輻射接收裝置 51
圖5.3 太陽能集熱器 52
圖5.4 板式熱交換器 52
圖5.5 太陽能輻射曲線(DCMD晴天個案) 56
圖5.6 太陽能循環物流溫度分佈(DCMD晴天個案) 57
圖5.7 熱交換器進出物流溫度分佈(DCMD晴天個案) 57
圖5.8 薄膜蒸餾模組進出物流溫度分佈(DCMD晴天個案) 58
圖5.9 薄膜蒸餾模組質傳通量分佈(DCMD晴天個案) 58
圖5.10 太陽能輻射曲線(DCMD陰天個案) 59
圖5.11 熱交換器溫度分佈(DCMD陰天個案) 60
圖5.12 薄膜蒸餾模組溫度分佈(DCMD陰天個案) 60
圖5.13 通量分佈圖(DCMD陰天個案) 61
圖5.14 小型太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化實驗系統 62
圖5.15 太陽能輻射曲線(VMD晴天個案) 67
圖5.16 太陽能循環系統溫度分佈(VMD晴天個案) 68
圖5.17 熱交換器溫度分佈(VMD晴天個案) 68
圖5.18 薄膜蒸餾模組溫度分佈(VMD晴天個案) 69
圖5.19 通量分佈(VMD晴天個案) 69
圖5.20 太陽能輻射曲線(VMD陰天個案) 70
圖5.21 太陽能循環系統溫度分佈圖(VMD陰天個案) 71
圖5.22 熱交換器溫度分佈圖(VMD陰天個案) 71
圖5.23 薄膜蒸餾模組溫度分佈圖(VMD陰天個案) 72
圖5.24 通量分佈(VMD陰天個案) 72
圖6.1 太陽能氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統 77
圖6.2 太陽輻射強度分佈 78
圖6.3 AGMD系統最佳化設計流程 82
圖6.4 AGMD-1與AGMD-2系統之薄膜模組組合 84
圖6.5 AGMD系統日產水量對單位產水價格與PR之影響 86
圖6.6 AGMD系統日產水量對STEC與RR之影響 86
圖6.7 AGMD-1系統物流溫度分佈(產水量為500 kg/day) 88
圖6.8 AGMD-2系統物流溫度分佈(產水量為1000 kg/day) 88
圖6.9 AGMD-1系統物流流量分佈(產水量為500 kg/day) 89
圖6.10 AGMD-2系統物流流量分佈(產水量為1000 kg/day) 90
圖6.11 AGMD-1系統薄膜通量分佈(產水量為500 kg/day) 91
圖6.12 AGMD-2系統薄膜通量分佈(產水量為1000 kg/day) 91
圖6.13 AGMD系統中薄膜質傳係數對單位產水成本之影響 92
圖6.14 AGMD系統中薄膜熱傳導係數對單位產水成本之影響 93
圖6.15 AGMD-1系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 96
圖6.16 AGMD-1系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 96
圖6.17 AGMD-2系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 97
圖6.18 AGMD-2系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 97
圖6.19 太陽能直接接觸式薄膜蒸餾海水淡化系統 99
圖6.20 DCMD系統最佳化設計流程 104
圖6.21 DCMD-1與DCMD-2系統之薄膜模組組合 105
圖6.22 DCMD系統日產水量對單位產水成本與PR之影響 108
圖6.23 DCMD系統日產水量對STEC與RR之影響 108
圖6.24 DCMD-1系統溫度分佈 (產水量為500 kg/day) 110
圖6.25 DCMD-2系統溫度分佈 (產水量為800 kg/day) 110
圖6.26 DCMD-1系統各物流流量分佈 (產水量為500 kg/day) 111
圖6.27 DCMD-2系統各物流流量分佈 (產水量為800 kg/day) 112
圖6.28 DCMD-1系統通量分佈 (產水量為500 kg/day) 113
圖6.29 DCMD-2系統通量分佈 (產水量為800 kg/day) 114
圖6.30 DCMD系統中薄膜質傳係數對單位產水成本之影響 115
圖6.31 DCMD系統中薄膜熱傳導係數對單位產水成本之影響 115
圖6.32 DCMD-1系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 118
圖6.33 DCMD-1系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 118
圖6.34 DCMD-2系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 119
圖6.35 DCMD-2系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 119
圖6.36 太陽能真空式薄膜蒸餾海水淡化系統 121
圖6.37 VMD系統最佳化設計流程 126
圖6.38 VMD-1與VMD-2系統之薄膜模組組合 127
圖6.39 VMD系統日產水量對單位產水成本與PR之影響 130
圖6.40 VMD系統日產水量對STEC與RR之影響 130
圖6.41 VMD-1系統之溫度分佈(產水量為400 kg/day) 131
圖6.42 VMD-2系統之溫度分佈 (產水量為800 kg/day) 132
圖6.43 VMD-1系統之流量分佈 (產水量為400 kg/day) 133
圖6.44 VMD-2系統之各物流流量 (產水量為800 kg/day) 134
圖6.45 VMD-1系統之通量分佈 (產水量為400 kg/day) 135
圖6.46 VMD-2系統之通量分佈 (產水量為800 kg/day) 135
圖6.47 VMD系統中薄膜質傳係數對單位產水成本之影響 136
圖6.48 VMD系統中薄膜熱傳導係數對單位產水成本之影響 137
圖6.49 VMD-1系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 140
圖6.50 VMD-1系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 140
圖6.51 VMD-2系統於不同輻射強度下對單位產水成本與PR之影響 141
圖6.52 VMD-2系統於不同輻射強度下對日產水量與RR之影響 141
圖7.1 最佳設計之單位產水成本 148
圖7.2 最佳設計之PR 148
圖7.3 最佳設計之RR 149

表目錄
表4.1 氣隔式薄膜蒸餾實驗薄膜性質 26
表4.2 氣隔式薄膜蒸餾實驗之基本個案與操作條件 28
表4.3 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 29
表4.4 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體進口流量對通量之影響 29
表4.5 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體進口溫度對通量之影響 31
表4.6 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體進口流量對通量之影響 31
表4.7 氣隔式薄膜蒸餾實驗熱流體層通道厚度對產量之影響 32
表4.8 氣隔式薄膜蒸餾實驗氣隔層厚度對產量之影響 33
表4.9 氣隔式薄膜蒸餾實驗冷流體層通道厚度對產量之影響 33
表4.10 中空纖維薄膜蒸餾模組規格 36
表4.11 直接接觸式薄膜蒸餾實驗之基本個案與操作條件 39
表4.12 直接接觸式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 40
表4.13 直接接觸式薄膜蒸餾實驗熱流體進口流量對通量之影響 40
表4.14 冷流體進口溫度對通量之影響 41
表4.15 冷流體進口流量對通量之影響 42
表4.16 真空式薄膜蒸餾實驗之基本個案與操作條件 46
表4.17 真空式薄膜蒸餾實驗熱流體進口溫度對通量之影響 47
表4.18 真空式薄膜蒸餾實驗熱流體進口流量對通量之影響 47
表4.19 真空式薄膜蒸餾實驗真空側壓力對通量之影響 48
表5.1 DCMD全日實驗操作條件 55
表5.2 VMD全日實驗操作條件 66
表6.1 AGMD系統擬穩態方法參數 79
表6.2 AGMD系統最佳化搜尋參數設定 81
表6.3 AGMD薄膜模組特性 83
表6.4 AGMD-1系統之最佳解 85
表6.5 AGMD-2系統之最佳解 85
表6.6 AGMD系統於不同輻射強度下之最佳化分析參數 94
表6.7 AGMD-1系統於不同輻射強度下之最佳化結果 95
表6.8 AGMD-2系統於不同輻射強度下之最佳化結果 95
表6.9 擬穩態參數對AGMD系統最佳化結果之影響 98
表6.10 DCMD系統擬穩態分析參數 101
表6.11 DCMD系統最佳化分析參數設定 103
表6.12 DCMD薄膜模組特性 105
表6.13 DCMD-1系統最佳化之結果 107
表6.14 DCMD-2系統最佳化之結果 107
表6.15 DCMD系統於不同輻射強度下之最佳化分析參數 116
表6.16 不同輻射強度下,DCMD-1系統之最佳化結果 117
表6.17 不同輻射強度下,DCMD-2系統之最佳化結果 117
表6.18 擬穩態參數對DCMD系統最佳化結果之影響 120
表6.19 VMD系統擬穩態分析參數 123
表6.20 VMD系統最佳化分析參數設定 125
表6.21 VMD薄膜模組特性 127
表6.22 VMD-1系統之最佳化結果 129
表6.23 VMD-2系統之最佳化結果 129
表6.24 VMD系統於不同輻射強度下之最佳化分析參數 138
表6.25 不同輻射強度下,VMD-1系統之最佳化結果 139
表6.26 不同輻射強度下,VMD-2系統之最佳化結果 139
表6.27 擬穩態參數對VMD系統最佳化結果之影響 142
表6.28 各種海水淡化程序之產水成本 144
表6.29 海水淡化程序之能源利用性能 145
表6.30 不同太陽能薄膜蒸餾海水淡化系統之設備尺寸與成本之比較 146

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