臺灣博碩士論文加值系統

薄膜蒸餾是藉由薄膜兩側的溫度差造成水的蒸氣壓差，驅動水蒸氣分子通過多孔疏水性薄膜，並在低溫處冷凝得到純化水。太陽熱能系統如同一個天然加熱器，可藉由集熱器吸收太陽輻射，並利用儲熱槽將熱能儲存起來，以熱交換的方式來使用能量。結合太陽輻射的低溫熱源與薄膜蒸餾的高除鹽率，可同時解決能源與水資源的問題，因此太陽熱能驅動薄膜蒸餾系統極具商業發展潛力。
本研究先分別對薄膜模組與太陽熱能系統做特性分析，數學動態平衡式建置於MATLAB平台。薄膜模組探討直接接觸式薄膜蒸餾(DCMD)與氣隔式薄膜蒸餾(AGMD)，並在相同規格下比較兩種模組的滲透通量。太陽熱能系統各單元如集熱器、兩個儲熱槽及熱交換器，根據文獻所提供台北地區長期氣候環境數據，模擬此裝置的實際操作情況，並探討循環流速對系統內部溫度的影響。
最後將上述研討的兩種薄膜模組與太陽熱能系統結合，並提出兩種PI控制環路，分別為循環流速控制與電熱器控制，以調整控制器設定點的方式使DCMD系統與AGMD系統達到各自的日產目標值，由控制模擬結果顯示，本研究所提出的循環流速結合電熱器控制不僅可使兩個系統能得到平穩操控的結果，並達到產水目標值。

Membrane distillation (MD) is a thermal process in which only vapor molecules, driven by a difference in temperature, transport through porous hydrophobic membranes and condense on the cooler side. Collectors can transfer solar radiation to thermal energy stored by storage tank and used to solar thermal energy systems. The integration of solar thermal energy with the membrane distillation provides a way to solve the energy and water resource problems, so there are many potentially commercial advantages of thermal-driven membrane distillation systems.
This work initially analyzes performance of membrane modules and solar thermal energy systems, mathematical models of which are built on MATLAB platform. Permeation flux of two MD modules, i.e., direct contact membrane distillation (DCMD) and air gap membrane distillation (AGMD), is compared in the same modules size. Solar thermal energy systems include solar collector, two thermal storage tanks, heat exchanger and auxiliary power. According to surrounding climate data of Taipei city, simulation results and impacts of the circulation flow rate on this device are discussed further.
This work finally combines MD modules with solar thermal energy systems, and proposes two feedback PI control loops, i.e., circulation flow rate control and auxiliary power control. For DCMD and AGMD systems, the setpoints of these two control modes are appropriately adjusted to reach their daily production targets. The simulation results demonstrate effective performance of the proposed control loops for the solar powered MD systems.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
長庚大學碩士論文著作授權書 iii
誌謝 iv
摘要 v
Abstract vi
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2太陽熱能系統介紹 2
1.3 薄膜蒸餾介紹 5
1.4 薄膜蒸餾節能循環系統介紹 7
1.5 文獻回顧 7
1.6 研究動機 13
1.7 組織章節 14
第二章 薄膜蒸餾模式建立 16
2.1 前言 16
2.2 直接接觸式薄膜蒸餾(DCMD)模組 16
2.2.1 平板式DCMD模擬分段數 20
2.2.2 平板式DCMD模式驗證 22
2.2.3 平板式DCMD質傳機制 27
2.3 氣隔式薄膜蒸餾(AGMD)模組 31
2.3.1 螺捲式AGMD模擬分段數 36
2.3.2 螺捲式AGMD模式驗證 38
2.4 DCMD與AGMD薄膜蒸餾模組規格統一 43
第三章 太陽熱能系統模式建立與控制架構設計 48
3.1 前言 48
3.2 平板式太陽能集熱器 49
3.3 內掛熱交換器的儲熱槽 50
3.4 太陽熱能系統動態模擬 54
3.5 太陽熱能系統控制設計 58
3.6 太陽熱能系統回饋控制與模擬 60
第四章 太陽熱能驅動薄膜蒸餾系統控制性能分析 67
4.1 前言 67
4.2 太陽熱能驅動DCMD系統動態模擬與控制 68
4.2.1 DCMD系統開關控制(C1) 69
4.2.2 DCMD系統開關控制結合循環流速控制(C1-C2) 71
4.2.3 DCMD系統開關控制結合輔助熱源控制(C1-C3) 73
4.2.4 DCMD系統開關控制結合循環流速與輔助熱源控制(C1-C2-C3) 75
4.3 太陽熱能驅動AGMD系統動態模擬與控制 77
4.3.1 AGMD系統開關控制(C1) 78
4.3.2 AGMD系統開關控制結合循環流速控制(C1-C2) 80
4.3.3 AGMD系統開關控制結合輔助熱源控制(C1-C3) 82
4.3.4 AGMD系統開關控制結合循環流速與輔助熱源控制(C1-C2-C3) 84
第五章 結論與未來方向 86
5.1結論 86
5.2未來方向 87
符號說明 88
參考文獻 96

圖目錄
圖1-1 太陽熱能系統控制環路示意圖 (薛安利,2009) 11
圖1-2 太陽能驅動AGMD系統控制環路示意圖 (李建璋,2009) 11
圖1-3 太陽能驅動DCMD系統控制環路示意圖 (林建勳,2010) 12
圖1-4 太陽能驅動雙儲槽AGMD系統控制環路示意圖 (黎育維,2011) 12
圖1-5 太陽能驅動平板式AGMD系統控制環路示意圖(Chang et al.,2012) 13
圖2-1 DCMD示意圖 17
圖2-2 DCMD模擬分段數影響 21
圖2-3 DCMD溫度分佈圖 21
圖2-4 DCMD溫度分佈放大圖 22
圖2-5 平板式DCMD巨相流溫差對質傳通量之影響 23
圖2-6 平板式DCMD巨相流溫差對質傳通量之影響 (Lawson and Lloyd,1996) 23
圖2-7 平板式DCMD巨相流溫差對質傳通量之影響 (廖俊興,2008) 24
圖2-8 平板式DCMD巨相流溫差對質傳通量之影響 (林建勳,2010) 24
圖2-9 平板式DCMD熱進料溫度對質傳通量之影響 25
圖2-10 平板式DCMD熱進料溫度對質傳通量之影響 (Lawson and Lloyd,1996) 26
圖2-11 平板式DCMD熱進料溫度對質傳通量之影響 (廖俊興,2008) 26
圖2-12 平板式DCMD熱進料溫度對質傳通量之影響 (林建勳,2010) 26
圖2-13 孔徑對質傳機制的分佈圖 (Phattaranawik et al.,2003) 28
圖2-14 質傳機制的類電路圖 (Phattaranawik et al.,2003) 28
圖2-15 不同質傳機制的驗證(3ME薄膜) 30
圖2-16 不同質傳機制的驗證(3MA薄膜) 31
圖2-17 AGMD示意圖 32
圖2-18 AGMD模擬分段數影響 37
圖2-19 AGMD溫度分佈圖 37
圖2-20 AGMD薄膜熱側蒸氣壓分佈圖 38
圖2-21 螺捲式AGMD熱進料溫度與流率對產量之影響 39
圖2-22 螺捲式AGMD熱進料溫度與流率對產量之影響 (Koschikowski et al.,2003) 39
圖2-23 螺捲式AGMD熱進料溫度與流率對產量之影響 (李建璋,2009) 40
圖2-24 螺捲式AGMD熱進料溫度與流率對產量之影響 (林建勳,2010) 40
圖2-25 螺捲式AGMD進料流率對滲透通量之影響 41
圖2-26 螺捲式AGMD進料流率對滲透通量之影響 (Banat et al.,2007) 42
圖2-27 螺捲式AGMD進料流率對滲透通量之影響 (李建璋,2009) 42
圖2-28 螺捲式AGMD進料流率對滲透通量之影響 (林建勳,2010) 42
圖2-29 統一規格DCMD溫度分佈圖 44
圖2-30 統一規格AGMD溫度分佈圖 44
圖2-31 薄膜面積與進料流率對DCMD與AGMD的通量影響 46
圖2-32 薄膜面積與進料流率對熱對流係數之影響 46
圖2-33 薄膜面積與熱進料溫度對DCMD與AGMD的通量影響 47
圖3-1 集熱器出口溫度大於加熱槽溫度 (薛,2009) 51
圖3-2 集熱器出口溫度小於加熱槽大於預熱槽溫度 (薛,2009) 52
圖3-3 集熱器出口溫度小於加熱槽與預熱槽溫度 (薛,2009) 53
圖3-4 台北地區六月份平均日照強度與環境溫度數據 54
圖3-5 太陽熱能系統無輔助熱源下操作兩天的情形 55
圖3-6 循環流體流往儲熱槽方向的變化情形 55
圖3-7 改變循環流率對集熱器出口溫度的影響 56
圖3-8 改變循環流率對儲熱槽溫度的影響 57
圖3-9 改變循環流率對熱交換出口溫度的影響 57
圖3-10 太陽熱能系統控制環路示意圖 59
圖3-11 典型回饋控制系統方塊簡圖 60
圖3-12 求FOPDT模式之開環應答結果 (Bequette, 2003) 61
圖3-13 循環流率對預熱槽熱交換出口溫度的應答變化 63
圖3-14 輔助熱源對加熱槽熱交換出口溫度的應答變化 63
圖3-15 開關控制(C1)結合循環流率控制(C2) 66
圖3-16 開關控制(C1)結合輔助熱源控制(C3) 66
圖3-17 開關控制(C1)結合循環流率(C2)與輔助熱源控制(C3) 66
圖4-1 DCMD太陽熱能驅動系統 68
圖4-2 DCMD系統操作一天的溫度分佈(C1控制) 70
圖4-3 DCMD系統的吸收能量與累積產量(C1控制) 70
圖4-4 DCMD系統的循環流體流向變化(C1控制) 70
圖4-5 改變設定點的DCMD系統C1-C2控制結果 72
圖4-6 改變設定點的DCMD系統C1-C3控制結果 74
圖4-7 改變設定點的DCMD系統C1-C2-C3控制結果 76
圖4-8 AGMD太陽熱能驅動系統 77
圖4-9 AGMD系統操作一天的溫度分佈(C1控制) 79
圖4-10 AGMD系統的吸收能量與累積產量(C1控制) 79
圖4-11 AGMD系統的循環流體流向變化(C1控制) 79
圖4-12 改變設定點的AGMD系統C1-C2控制結果 81
圖4-13 改變設定點的AGMD系統C1-C3控制結果 83
圖4-14 改變設定點的AGMD系統C1-C2-C3控制結果 85

表目錄
表1-1 太陽熱能系統流體循環模式 (Tiwari and Ghosal,2005) 2
表1-2 太陽熱能系統集熱器類型 (Tiwari,2002；Tiwari and Ghosal,2005) 3
表1-3 太陽熱能系統熱交換方式 (Ben Bacha et al.,2007) 4
表1-4 薄膜蒸餾技術的優缺點 (林建勳,2010) 5
表1-5 薄膜蒸餾技術配置類型 (林建勳,2010) 6
表1-6 薄膜蒸餾節能循環設計 (Summers et al.,2012) 8
表1-7 比較DCMD與AGMD的文獻整理 9
表1-8 太陽能驅動薄膜蒸餾控制系統的文獻整理 10
表2-1 DCMD裝置參數與操作條件(Lawson and Lloyd,1996；廖俊興,2008；林建勳,2010) 19
表2-2 DCMD薄膜資料 (Lawson and Lloyd,1996；廖俊興,2008；林建勳,2010) 20
表2-3 DCMD物性參數 (林建勳,2010) 20
表2-4 誤差平方和比較(DCMD巨相流溫差對質傳通量之影響) 24
表2-5 誤差平方和比較(DCMD熱進料溫度對質傳通量之影響) 27
表2-6 AGMD驗證個案一之裝置參數與操作條件 (Koschikowski et al.,2003；李建璋,2009；林建勳,
2010) 35
表2-7 AGMD驗證個案二之裝置參數與操作條件 (Banat et al.,2007；李建璋,2009；林建勳,2010) 35
表2-8 AGMD薄膜資料 (Koschikowski et al.,2003；Banat et al.,2007；李建璋,2009) 36
表2-9 AGMD物性參數 (林建勳,2010) 36
表2-10 誤差平方和比較(AGMD進料溫度與流率對產量之影響) 40
表2-11 誤差平方和比較(AGMD進料流率對滲透通量之影響) 43
表3-1 集熱器物理與裝置參數數值 50
表3-2 內掛熱交換器的儲熱槽物理與裝置參數數值 50
表3-3 初始穩態操作條件 62
表3-4 改變循環流率的步階變化與程序特徵參數 62
表3-5 改變輔助熱源的步階變化與特徵參數 63
表3-6 Z-N法PI控制器調諧參數 64
表4-1 DCMD系統C1-C2控制結果 71
表4-2 DCMD系統C1-C3控制結果 73
表4-3 DCMD系統C1-C2-C3控制結果 75
表4-4 AGMD系統C1-C2控制結果 80
表4-5 AGMD系統C1-C3控制結果 82
表4-6 AGMD系統C1-C2-C3控制結果 84

Adnan, S., M. Hoang, H. Wang and Z. Xie, “Commercial PTFE membranes for membrane distillation application: effect of microstructure and support material”, Desalination, 284, 297-308 (2012).
Alklaibi, A. M. and N. Lior, “Comparative study of direct-contact and air-gap membrane distillation processes”, Industrial and engineering chemistry research, 46, 584-590 (2007).
Banat, F., N. Jwaied, M. Rommel, J. Koschikowski and M. Wieghaus, “Performance evaluation of the large SMADES autonomous desalination solar-driven membrane distillation plant in Aqaba, Jordan”, Desalination, 217, 17-28 (2007).
Ben Bacha, H., T. Damak, A. A. Ben Abdalah, A. Y. Maalej and H. Ben Dhia, “Desalination unit coupled with solar collectors and a storage tank: modelling and simulation”, Desalination, 206, 341-352 (2007).
Bequette, W. B., Process control: modeling, design, and simulation, Prentice Hall, New Jersey (2003).
Caputo, G., C. Felici, P. Tarquini, A. Giaconia and S. Sau, “Membrane distillation of HI/H2O and H2SO4/H2O mixtures for the sulfur–iodine thermochemical process”, International Journal of Hydrogen Energy, 32, 4736-4743 (2007).
Cerneaux, S., I. Struzynska, W. M. Kujawski, M. Persin, A. Larbot, “Comparison of various membrane distillation methods for desalination using hydrophobic ceramic membranes”, Journal of Membrane Science, 337, 55-60 (2009).
Chang, H., S. G. Lyu, C. M. Tsai, Y. H. Chen, T. W. Cheng, Y. H. Chou, “Experimental and simulation study of a solar thermal driven membrane distillation desalination process”, Desalination ,286, 400-411 (2012).
Holman, J. P., Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc., New York (1989).
Kaewsichan, L., K. Keowkrai and N. Grisdanurak, “UNIQUAC activity coefficient model and modified Redlich- Kwong EOS for the vapor liquid equilibrium systems of carbon dioxide-water”, Journal of Science Technology, 26(6), 907-916 (2004).
Koschikowski, J., M. Wieghaus and M. Rommel, “Solar thermal-driven desalination plants based on membrane distillation”, Desalination, 156, 295-304 (2003).
Lawson, K. W. and D. R. Lloyd, “Membrane distillation II. direct contact MD”, Journal of Membrane Science, 120, 123-133 (1996).
Ozbek, H., and S. L. Phillips, “Thermal conductivity of aqueous sodium chloride solutions from 20 to 330℃”, Journal of Chemical and Engineering Data, 25, 263-267 (1980).
Phattaranawik, J., R. Jiraratananon, A.G. Fane, “Effect of pore size distribution and air flux on mass transport in direct contact membrane distillation”, Journal of Membrane Science, 215, 75-85 (2003).
Prausnitz, J. M., B. E. Poling and J. P. O’Connell, The properties of gases and liquids, New York: McGraw-Hill (2001).
Qtaishat, M., T. Matsuura, B. Kruczek and M. Khayet, “Heat and mass transfer analysis in direct contact membrane distillation”, Desalination, 219, 272-292 (2008).
Seavey, K. C. and Y. A. Liu, Step–growth polymerization process modeling and product design, Wiley, New Jersey (2008).
Srisurichan, S., R. Jiraratananon and A. G. Fane, “Mass transfer mechanisms and transport resistances in direct contact membrane distillation process”, Journal of Membrane Science, 277, 186-194 (2006).
Summers, E. K., H. A. Arafat and J. H. Lienhard V , “Energy efficiency comparison of single-stage membrane distillation (MD) desalination cycles in different configurations”, Desalination, 290, 54-66 (2012).
Tiwari, G. N., Solar energy: fundamentals, design, modeling and application, Narosa Publish, New Delhi (2002).
Tiwari, G. N. and M. K. Ghosal, Renewable energy resources: basic principles and applications, Alpha Science International Ltd. Harrow, U.K. (2005).
Tracy, C. R., W. R. Welch and W. P. Porter, Properties of air: a manual for use in biophysical ecology, The University of Wisconsin, Third Edition (1980).
何明錦、歐文生、陳建富，台灣太陽能設計用標準日射量與相關檢測規範之研究，內政部建築研究所，台北，台灣 (2006)。
李建璋，太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統之動態與控制研究，淡江大學化學工程與材料工程學系碩士論文，台北，台灣 (2009)。
吳秉鍾，以中空纖維薄膜蒸餾模組於去鹽製程:建模與最適化分析，中原大學化學工程學系碩士論文，桃園，台灣 (2007)。
林建勳，太陽能驅動薄膜蒸餾系統之模式建立及控制，長庚大學化學工程與材料工程學系碩士論文，桃園，台灣 (2010)。
楊華劍，以太陽能為熱源的真空膜蒸餾組件與系統研究，浙江大學材料與化工學院碩士論文，浙江，中國 (2008)。
廖俊興，薄膜蒸餾脫鹽模組之模擬與最佳化研究，淡江大學化學工程與材料工程學系碩士論文，台北，台灣 (2008)。
黎育維，太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統之最適化設計與控制，淡江大學化學工程與材料工程學系碩士論文，台北，台灣 (2011)。
薛安利，太陽熱能系統之模式建立及控制，長庚大學化工與材料工程學系碩士論文，桃園，台灣 (2009)。