海水淡化吸附系統(tǒng)的模型搭建分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4551海水淡化吸附系統(tǒng)的模型搭建分析案例概述 1296001.1吸附床模型搭建 1110941.2蒸發(fā)器和冷凝器模型搭建 2要想建立其該雙床吸附式海水淡化系統(tǒng)的simulink模型，首先需要建立起各器件之內(nèi)和相互聯(lián)通器件之間的熱量平衡，即單位時間內(nèi)流入器件和流出器件的能量相等。不僅如此，還要使用到對數(shù)平均溫差法（LMTD）計算公式，用來預(yù)測流出器件的工質(zhì)溫度，以及計算吸附劑吸附水速率的動態(tài)吸附方程和系統(tǒng)所有的質(zhì)量平衡方程。下列是關(guān)于各個模型（包括雙吸附床和蒸發(fā)器以及冷凝器）的詳細(xì)介紹。1.1吸附床模型搭建從能量出入相等的角度出發(fā)，模型主體為吸附床中的吸附劑和換熱器管道以及換熱器翅片，吸附床內(nèi)的能量平衡如下式所示[59]（3-1）上式中，等號左邊的第一部分表示吸附劑（MIL-100（Fe））和吸附循環(huán)中的水其內(nèi)能的增加（減少）速率，剩下部分表示吸附床元器件在吸附循環(huán)中其內(nèi)能的增加（減少）速率，因為吸附床主體部件的材料主要為金屬銅或金屬鋁，故在這里套用其比熱容來計算元器件熱質(zhì)量。等號右邊第一部分代表冷床吸附過程中釋放出的吸附熱或者熱床脫附過程中外部熱源提供給吸附床的脫附熱，等號右邊的另一部分代表由因為冷凝水或熱水流經(jīng)吸附/解吸床所帶來的能量耗散或獲取。這里設(shè)定參數(shù)φ在切換吸附床溫度時取0，在吸附和脫附過程中取1。忽略掉流體在吸附床換熱器中未完全換熱的部分，關(guān)于吸附床的出水口溫度可以用對數(shù)平均溫差法（LMTD）預(yù)測，（3-2）上式中，mw是流入吸附床的冷凝水或者熱水的質(zhì)量流量，UH，Ex是吸附床中換熱器的換熱系數(shù)，AH，Ex是換熱器的有效換熱面積，由此可見，對吸附床中的換熱情況進(jìn)行強化，可以起到顯著提高系統(tǒng)的熱效率的作用。下圖是筆者搭建好的吸附床simulink模型圖2-5吸附床模型（帶有子系統(tǒng)）1.2蒸發(fā)器和冷凝器模型搭建冷凝器是吸附式海水淡化系統(tǒng)中，得到淡水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在冷凝器中，從熱床中脫附出的水蒸氣由于與流經(jīng)冷凝器的低溫冷凝水發(fā)生熱量交換，液化后經(jīng)檢測就成為了可以直接利用的淡水。冷凝器中的換熱器通常是殼管式換熱器，因為與處在脫附狀態(tài)的熱床連通，會從其得到一部分熱量，故冷凝器的能量平衡方程如下式所示[60,61]，（3-3）上式中，等號左邊部分代表冷凝器元器件在吸附循環(huán)中其內(nèi)能的增加（減少）速率，等號右邊第一部分代表由熱床脫附出的水蒸汽在冷凝器中液化而釋放的潛熱，右邊第二部分代表在水蒸氣在冷凝器中液化溫度降低所耗散的熱量，第三部分則表示冷凝水從冷凝器中帶走的能量。我們利用對數(shù)平均溫差法算出冷凝器的出口溫度[60，61]，如式3-4所示，（3-4）蒸發(fā)器內(nèi)的能量平衡由產(chǎn)生吸附的冷床和蒸發(fā)器之間的傳熱傳質(zhì)所主導(dǎo)，因為海水淡化系統(tǒng)經(jīng)常伴隨著制冷的過程，故將冷凍水同樣納入對其的研究。下面是完善后的能量方程，（3-5）式中，等號左邊部分表示蒸發(fā)器內(nèi)的水蒸氣和元器件在吸附循環(huán)中其內(nèi)能的增加（減少）速率，等號右邊第一部分表示被吸附進(jìn)冷床的液態(tài)水蒸發(fā)所吸收的潛熱，第二部分表示在由液態(tài)到氣態(tài)的加熱過程中液態(tài)水因為升溫而得到的熱量，第三部分則表示冷凍水自身的熱量耗散導(dǎo)致的溫度降低，同樣由對數(shù)平均傳熱溫差法計算得到冷凍水的出水溫度，如式3-6所示（3-6）下圖分別為筆者搭建好的蒸發(fā)器和冷凝器模型圖2-6蒸發(fā)器模型（帶有子系統(tǒng)）圖2-7冷凝器模型（帶有子系統(tǒng)）1.3質(zhì)量平衡及性能指標(biāo)計算系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量平衡是指水的質(zhì)量平衡，水的傳質(zhì)過程主要發(fā)生在吸脫附過程，即水的質(zhì)量變化率等于吸附床吸附水的速率和脫附床脫附水的速率之和，其方程如下所示（3-7）最終，我們需要得到的SDWP（每日平均制水量）和PR（性能比）由下式得出（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）下圖為筆者搭建好的系統(tǒng)性能計算模型圖2-8系統(tǒng)性能計算模型所有模型搭建好后組裝如下圖圖2-9雙床吸附式海水淡化系統(tǒng)模型雙床吸附式海水系統(tǒng)的模型搭建好后，在模擬開始前需要確定系統(tǒng)各個部件參數(shù)的初值，在本文的模擬中假定系統(tǒng)的兩吸附床在計算開始時階段的溫度均為353K，蒸發(fā)器初始溫度為290K，冷凝器初始溫度為303K，由于similink仿真在迭代一段時間后會逐步逼近真實值，兩個吸附床內(nèi)水吸附量初值設(shè)置為0。之后，模擬過程即為對控制微分方程的數(shù)值積分迭代，選用的是針對非剛性問題的常微分方程求解器ode45（Dormend-Prince），步長為變步長，容差為0.001。由于現(xiàn)有的關(guān)于使用MIL-100（Fe）的吸附式海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)的報道較少，本研究中海水淡化系統(tǒng)的物性參數(shù)（如吸附劑的質(zhì)量，吸附床、蒸發(fā)器和冷凝器的換熱面積與傳熱系數(shù)、各元器件的熱質(zhì)量等）均按相關(guān)文獻(xiàn)的報道值選取[62，63]，其數(shù)值如表2-3所示。表2-3雙床吸附式海水淡化系統(tǒng)模型的物性參數(shù)物性參數(shù)單位數(shù)值物性參數(shù)單位數(shù)值A(chǔ)bedAevapAcondUbedUevapUcondM2M2M2WM-2K-1WM-2K-1WM-2K-12