沙漠种树采用过程装备技术改造环境.docx
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沙漠种树采用过程装备技术改造环境
作品分组______________作品编号_______________________
第三届全国大学生过程装备
实践与创新大赛作品
课题名称沙漠种树—采用过程装备技术改造环境的一种方法
学校名称华东理工大学
专业名称过程装备与控制工程
成员姓名潘毛毛
刘志敏
陆强
邵明杰
指导教师潘家祯
递交日期：
2010年5月日
海水淡化在沙漠植树中的应用
——一种利用过程装备技术改造环境的设想和方法
摘要
本团队对在对当前环境问题分析的基础上，提出一种利用太阳能和地热能蒸发海水以得到淡化海水供树木生长利用的设想开发了一套在沙漠上种树以改变环境的方法。
蒸发过程的快慢及蒸发总量，取决于传热温差和传热面积，直接利用太阳能来参加加热海水时的温度与海水的温差基本固定，因此增大传热面积是关键问题。
传统的蒸发效果十分有限，本装置是利用毛细原理，利用醋纤立柱将海水吸到一定的高度，由于毛细材料的多孔性质，孔内形成液膜。
这种蒸发形式将传统的平面蒸发加强变为立体蒸发，大大增大了蒸发面积，同时利用平面反射作用，将太阳光反射立柱上，立柱表面涂成黑色，能最大限度地吸收平面镜反射的阳光和直接照射在立柱表面的太阳光，这种方法直接利用太阳能和地热能，能源来源零成本，且不需要人工管理，更进一步地降低了成本。
关键词：
海水淡化；环境；沙漠化；太阳能；地热能；自动灌溉；植树；蒸发；毛细作用；
第一章概述
1.1课题背景
随着人类社会的发展，环境问题日趋受到人们的关注。
其中，土地问题是环境问题的一个非常重要的方面。
我国每年有1500多平方千米的土地被沙漠化，中国的沙漠，包括戈壁以及半干旱地区的总面积达到了130.8万平方千米，约占国土总面积的13.6%。
这些被沙漠化的不毛之地既无法让动植物生存，同时，其引起的沙尘暴也已经严重影响了人类的生活。
导致土地沙漠化的根本原因就是干旱，而限于目前的技术手段，解决这个问题的唯一办法就是大量地植树。
树木不仅可以防沙固尘、保持水土，更重要的是，树木有利于降雨。
在干旱的地区需要使树木在两到三年内长的足够高大，能初步起到挡风降雨的作用。
脱落的树叶落在地上，形成腐殖质，能对地面形成有效覆盖，吸收光能，降低地面温度，减少地面水分的挥发，防止土壤干旱，从而将沙漠或盐碱地改造成良田，改善我们的环境。
要在沙漠或干旱的地区植树，最关键的就是要解决树木的供水问题。
鉴于引进淡水的成本太高，且地球上淡水的量非常有限，而海水的储量却相当丰富。
但若要使海水能够被树木吸收利用，必须对海水进行淡化，尽管海水淡化是目前一个十分热门的课题，进行了众多的研究，但是目前的海水淡化的成本还是偏高，缺乏一种廉价的海水淡化方法。
尤其对于种树来说，更需要提供一种廉价的方法把树种活。
本课题是基于采用一种廉价的方法，提供树木生长所需的水分，以在热带和亚热带凭海的沙漠地区，把树种活，以改变当地环境的一种设想。
众所周知，地球上的水几乎都储存于海洋中，依靠太阳的蒸发作用将海水转化为气态运输到各陆域，最后以雨雪形式降到地面，成为江河湖泊及渗透地下的地下水。
由于各种自然因素的影响，地球上的淡水分布很不均衡，却会和洪涝灾害频频发生。
尤其是在沿海地区，淡水资源大都十分匮乏，如何实施海水淡化是人们长期研究的热点之一。
蒸发是人们研究最多的海水淡化方法之一，在热能资源丰富的沿海地区有很大的吸引力，特别是新型的闪蒸技术，废热及低品位的人能在热能资源的综合利用[1]，可以实现经济的海水淡化过程，一般可达到地表之水的成本，但是如果应用新鲜蒸汽则经济上尚有疑问，成本将会在8到10元/吨水，但是投资较大[1]，在淡水资源十分匮乏的场合，由于太阳能和地热能均属于低品位能，需要在热能利用技术方面有新的突破。
蒸发过程的快慢及蒸发总量，取决于传热温差和传热面积，直接利用太阳能来参加加热海水时的温度与海水的温差基本固定，因此增大传热面积是关键问题。
传统的蒸发效果十分有限，可以设想利用毛细原理，将海水吸到一定的高度，由于毛细材料的多孔性质，孔内形成液膜。
这种蒸发形式将传统的平面蒸发强化，变为立体蒸发，大大增大了蒸发面积。
而且这种方法直接利用太阳能和地热能，能源来源零成本，且不需要人工管理，更进一步地降低了成本[2]。
这种利用太阳能和地热能淡化海水用来植树的方法，特别适用于位于海边的盐碱地、沙漠等地。
例如中东很多地区靠近海边，但是有着大片的沙漠。
而且气候炎热。
这就适合于收集海水蒸发冷凝所产生的淡水，供给树木的生长。
此项目涉及园艺学、气候学、流体输运、流体流动蒸发计算、容器结构设计、海水淡化、材料选择等多项知识的综合交叉。
将过程装备的知识应用在保护地球和环境改善上，这是一个新的应用方向。
1.2研究的目的：
利用广泛的海水资源和太阳能，地热能，以最低的成本，提供树木生长所需的水分，达到植树造林，改善环境的目的。
1.3研究的意义
社会意义：
该课题提出了采用过程装备技术在沙漠上种树的方法，用以改善地球上的环境。
采用低廉的成本，收集海水蒸发冷凝的淡水，提供一棵树的生长所需要的水分。
如果一套装置能够种活一棵树，一千套装置就能种活一千棵树。
一千棵树都能种活，这里的环境也就会改善了。
学术意义：
该课题将过程装备的知识和园艺学结合起来，应用于改善环境，实现了学科交叉及跨领域技术的应用。
应用前景：
在中东等气候炎热、靠海且沙漠化严重的地区和国家，可以利用海水蒸发冷凝产生淡水的方法提供树木生长所需的水分，从而利用树木新陈代谢的有机肥料来改善土壤品质，进而改善当地的环境。
这一方法不仅可以应用在沙漠中的植树造林，还可以应用到盐碱地的改造。
1.4可行性分析
根据我们查阅的资料，若以胡杨为例，其整个生长期的日所需水量为2～12千克[3]。
一套比较理想的太阳能蒸馏器的效率约为40%，每天的产水量依赖于太阳辐射量，一般在3～5㎏/㎡左右，只要2㎡就完全可以满足植物生长所需的水分。
1.5有关于树种的选择
要实现沙漠环境的改善，一种合适的树种的必不可少的。
首先，这种树要适应沙漠的环境，能够在炎热、干旱的沙漠地区生存；其次，这种树要能够有良好的综合效果，能够起到改造环境的作用；并且，树的景观效果是值得考虑的。
为此，我们查找了相关资料，初步选择了一些树种：
1.5.1棕榈[4]
棕榈原产于中国，现世界各地均有栽培，乃世界上最耐寒的棕榈科植物之一。
棕榈性喜温暖湿润的气候，极耐寒，较耐阴，成品极耐旱，惟不能抵受太大的日夜温差。
栽培土壤要求排水良好、肥沃。
棕榈根系较浅，无主根。
棕榈对烟尘、二氧化硫、氟化氢等多种有害气体具较强的抗性，并具有吸收能力，适于空气污染区大面积种植。
棕榈性喜阳光和温暖湿润的气候，对土壤要求不严，适应性强，在土层深厚、水肥适中、略带粘性的土壤中生长最好，在轻壤中生长亦佳。
1.5.2苹婆[5]
为梧桐科苹婆属植物。
苹婆树姿优美、花形美观、叶大碧绿、冠大而荫浓。
果实成熟时呈鲜红色，像一串串红宝石镶嵌在碧绿的叶丛中，十分耀眼，是不可多得的行道树、庭园树、风景树素材。
该树多为零星种植，规模的商业栽培尚不多，是极具开发潜力的优良园林绿化树种。
苹婆树种喜光，也能耐一定的半荫环境，生长适温为23~32摄氏度，喜温暖湿润气候。
对土壤要求不严，在瘠薄坡地和沙砾土上均能生长，但在肥沃、排水良好的沙质壤土上生长最好。
苹婆根深，根系强壮，抗旱能力强，根孽萌发力强。
1.5.3胡杨[6]
胡杨，又称胡桐，杨柳科落叶乔木。
胡杨是亚非荒漠地区典型的替水旱中生至中生植物根系发达，长期适应极端干旱的大陆性气候；对温度大幅度变化的适应能力很强，喜光，喜土壤湿润，耐大气干旱，耐高温，也较耐寒；适生于10摄氏度以上积温2000~4500摄氏度之间的暖温带荒漠气候，在积温4000摄氏度以上的暖温带荒漠河流沿岸、河漫滩细沙——沙质土上生长最为良好。
能够忍耐极端最高温45摄氏度和极端最低温-40摄氏度的袭击。
胡杨耐盐碱能力较强，在1米以内土壤总盐量在1％以下时，生长良好；总盐量在2~3％时，生长受到抑制；当总盐量超过3％时，便成片死亡。
花期5月，果期6~7月。
1.5.4梭梭[7]
梭梭是广泛分布于我州荒漠地区的乡土灌木树种，梭梭属在我州分布有两种，即梭梭柴和白梭梭。
分布区的气候为极端大陆性。
年平均温2~11摄氏度，1月平均温-18~8摄氏度，7月平均温22~26摄氏度，极端最高温42摄氏度，极端最低温-42摄氏度；年降水量30~200毫米或更低。
它不仅能生在干旱荒漠地区水位较高的风成沙丘、丘间沙地和淤积、湖积龟裂型粘土，以及中、轻度盐渍土上，也能生长在基质极端粗糙、水分异常缺乏的洪积石质戈壁和剥蚀石质山坡及山谷。
梭梭具有冬眠和夏眠的特性，喜光性很强，不耐蔽荫抗旱力极强，根系发达，在气温高达43摄氏度而地表温度高达60~70摄氏度甚至80摄氏度的情况下，仍能正常生长。
抗盐性很强，幼树在固定半固定、土壤含盐量0.2~0.3%的沙丘上生长良好，而在含盐量0.13%以下者反而生长不良。
花期7月，果期9月，10~11月种子成熟。
1.5.5多枝柽柳[8]
属柽柳科，别名又叫三春柳、西河柳，是分布最为广泛的柽柳属植物之一．柽柳生长迅速、适应性强。
各地普遍用来造林，是维持干旱区荒漠生态系统的关键植物，是优良的固沙造林树种，在我国西北六省荒漠地带都有分布，尤以新疆沙漠地区分布最多最广。
柽柳为温带及亚热带树种。
喜光、耐旱、耐寒，亦较耐水湿。
极耐盐碱、沙荒地，根系发达，萌生力强，极耐修剪刈割。
综合上述特性，将不同树种的特性整理如表1。
表1对于不同树种所需水分的比较
树种
土壤要求
需水性
根系（保持水土能力）
景观性
棕榈
不严
喜湿润
较浅
美观
苹婆
不严
喜湿润
抗旱强
强壮
美观
胡杨
适应
各种土壤
耐干旱
发达
较美观
梭梭
适应
各种土壤
极端耐旱
发达
欠佳
多枝柽柳
适应
各种土壤
极端耐旱
发达
欠佳
经过综合比较，我们发现苹婆和胡杨是较为理想的树种，它们对环境的耐受性能较好，抗旱能力强，也十分美观。
另外，在一些沿海沙漠地区，比如中东地区，棕榈树已经广泛种植，因此棕榈也是一种可以采纳的树种，但是由于棕榈根系较浅，在保持水土方面不如苹婆和胡杨。
由于梭梭、柽柳等树种耐受能力极强，本身可以实现无浇灌栽培，因此应用本系统的必要不大。
这些树种的美观度欠佳，在提升城市景观方面略有欠缺。
第二章实验
2.1实验目的
根据我们查阅的资料，设计此实验，目的在于测试出蒸发量和表面积、温度之间的关系。
为装置的设计做好准备。
2.2实验器材
KTD-100型烘箱，自制实验模拟装置（图1），温度计，砂盘，干砂，测重仪，烧杯，盐，搅拌棒，墨水，卫生纸，吸管，保鲜膜
图1测量蒸发量的实验装置
如图1，在每根吸管上包有涂成黑色的卫生纸，使其置于梯形装置中，蒸发出的水沿上斜壁流下至下端流出，下端包裹有保鲜膜，用于收集蒸发的水分，通过测重测定其蒸发量。
整个装置密闭。
2.3实验步骤
制作如图的实验模拟装置。
将准备好的干砂放于烘箱中加热至30摄氏度。
将装置置于砂浴中，放于阳光下，准备实验。
从9：
00开始，预热装置，使其壁面润湿，蒸发和凝结处于一个相对的动态平衡。
从10：
00～15：
00开始正式进行蒸发实验，随时观察砂温，当有超过
摄氏度的温差波动时，更换砂，使砂浴温度处于一个相对稳定的状态。
测量蒸发水的质量。
重复
、
、
、
、
，分别测量40摄氏度，50摄氏度情况下的蒸发量。
数据处理及分析。
2.4结果及分析
2.4.1装置参数
长：
32cm，宽：
23cm，包有卫生纸的吸管直径：
1.5cm
吸管长（cm）×个数：
5×10，9×12，13×11，15.5×6，16.5×6
2.4.2参数计算
底盘蒸发面积：
S
=
656.5cm²
吸管壁面积：
S
=
cm²
总蒸发面积：
S
=656.5+2322.03=2978.53cm²
（实际装置蒸发表面积：
2.4.3实验数据及计算
砂温（摄氏度）
气温（摄氏度）
蒸发量（g）
单位面积蒸发量
（g/m²）
实际装置蒸发量
（g）
30
25～29
269.1
903.5
269.1
40
27～30
302.8
1016.6
302.6
50
29～32
345.3
1159.3
345.3
注：
①单位面积蒸发量：
蒸发量/总蒸发面积
②实际装置蒸发量：
单位面积蒸发量×实际装置蒸发面积×2（实际以10小时蒸发时间计）
2.4.4误差分析
①装置误差：
装置密封不够好，导致产生的水蒸汽泄漏，使测得的值偏小。
②环境误差：
砂温有波动，多数情况是砂温降低，导致蒸发量偏小。
气温、辐射等天气状况不能完全模拟装置应用环境的状况，且存在波动。
③测量误差：
蒸发面积测量误差。
2.4.5实验结论
据文献介绍，一棵耐旱性较强的树一天只须约2kg的水，经换算，及考虑误差偏差量，在恒温30℃下能产约9kg的淡化水。
可以满足其在沙漠生长。
实验成功。
第三章设计计算
根据实验数据，做如下设计
3.1设备结构
图3蒸发器结构示意图
图4蒸发器布置示意图
图5蒸发器俯视图
图6蒸发器立体效果图
3.1.1结构说明（图3）：
①结构的底盘是环形的蒸发盘，内圈半径为0.25m，外圈半径为1m，盘上承装海水。
②盘上开有海水入口、淡化水出口以及海水出口。
③盘子上，布满直径五毫米的导热立柱，将醋纤包围在立柱上，形成的柱形直径为30mm（图5）；盘下又布有热管；
④装置顶部是拱环形罩子，罩子分为A、B两瓣，各装有把手，能够打开（图4），便于维护、清洗；罩子和底盘间装有密封圈；
⑤在海水入口处安装浮球水位控制装置。
3.1.2过程说明：
①海水由高位槽经过滤藻等预处理，输送至浮球水位控制槽，设定水位高度与蒸发盘内水位平齐；
②海水流入蒸发盘，包裹在蒸发柱内核上的吸水材料（醋纤）利用毛细原理将其吸收到一定高度；同时，蒸发盘由热管从沙漠地表收集地表热，将热传导至蒸发盘地面以及蒸发柱内核；③太阳光与地表热的共同作用，促使海水蒸发；④淡化的海水在罩子内部碰撞冷凝，最后沿着拱环罩的内壁流入集水槽。
外圈的集水槽又通过疏导槽引入内圈；最终，通过内圈上开的淡化水出口流入地下，通过技术手段为树根所吸收。
⑤蒸发盘中的海水不断通过海水出口排出，让其不断流动，使盘内海水的盐浓度不至于过高。
蒸发器的立体效果图如图6所示。
其实际形状就像一个水晶光环，在太阳光的作用下熠熠生辉，环衬在树干底部；在夜间，又可以在内部添置一些低功耗的LED灯光，光线通过透明的罩子漫溢出来，形成光怪陆离的梦幻场景，有良好的景观效果。
卸去罩子，又可以快速对内部进行维护和清洗，使用十分便利。
整个装置既能起到为树木供水的作用，又美观大方，将工业设计和艺术设计的理念有机结合。
3.2蒸发面积计算（单位m）：
①环形地盘面积
=外圈面积-内圈面积=πR²-πr²=3.14×1²-3.14×0.25²；
＝2.94375；
②蒸发柱侧面积
=蒸发柱总长×蒸发柱底圆周长；
=[0.23×（20+50）+0.30×（25+45）+0.34×（30+40）+0.35×（35）]×3.14×0.03；
=6.89073；
③总蒸发面积=①+②=9.83448㎡
3.3预测数据及计算：
砂温（摄氏度）
气温（摄氏度）
蒸发量（g）
单位面积蒸发量
（g/m²）
实际装置蒸发量
（g）
30
25～29
269.1
903.5
8855
40
27～30
302.8
1016.6
9998
50
29～32
345.3
1159.3
11401
装置的材料：
拱形盖：
有机玻璃；底盘：
聚氯乙烯。
第四章讨论
4.1如何强化蒸发
4.1.1采用立体蒸发
蒸发过程的快慢及蒸发总量，取决于传热温差和传热面积，直接利用太阳能来参加加热海水时的温度与海水的温差基本固定，因此增大传热面积是关键问题。
传统的蒸发，包括1995年A-A-AL-Karaghouli等人基于黄麻布的良好毛细作用提出的太阳光漂浮褶皱型海水蒸发器，将漂浮在聚苯乙烯板上的黄麻布制成褶皱状漂浮但愿设置在水平面上约5mm的高度[文献]，这种蒸发器的性能优于平布式和平面式蒸发器，运行维护方便，最大日产水量是10.5升/平米。
这种蒸发器可以用于偏远地区及海岛上居民生活用水的制水设备。
2001年有人设计了另一种太阳能蒸发器，目的是通过毛细管膜来提高淡水产率。
该装置一定倾斜角度特殊的蒸发冷凝单元构成，将纤维以非常薄的膜形式依靠毛细力贴附在一块斜板壁上，苦咸水从上端纤维沿斜放膜壁留下，蒸发的水汽在斜板下面空间冷凝成水被收集。
这几种淡水淡化器虽然有许多特点，但蒸发面积都不够大，尚未达到立体蒸发的状态。
本设计是利用低品位的太阳能，尽可能充分利用具有较大比表面积的多孔纤维来增大传热面积，提高单位体积蒸发热的蒸发负荷，使海水蒸发形成立体蒸发，实现海水淡化。
4.1.2提高效能的措施1
将立柱表面包围的醋纤涂成黑色。
由于黑色吸收辐射的能力最强，所以照射到醋纤上的阳光都全部被吸收，有效地利用了太阳能。
4.1.3提高效能的措施2
在装置的四周布上一圈平面镜（图7）。
平面镜倾斜一定的角度，将照射在平面镜上的阳光反射到醋纤柱面上，使蒸发作用加强。
图7蒸发器的模拟图
4.2如何有效利用淡化的海水
收集到的淡水十分珍贵，必须有效地利用起来。
本装置采用的是类似于吊滴管的装置，将收集到的淡化水直接接入地下，减少了淡化水蒸发的面积，减少了散发浪费。
图8滴灌装置
5.结论
本设计是经过大量的数据分析，实验分析和理论研究得到的，通过立体蒸发的方法来淡化海水，供树木生长利用。
将多种学科交叉利用。
该装置价格低廉，不需人工管理，容易推广，如果广泛使用，将提高树木覆盖率，达到改善的目的。
参考文献
[1]周梦然发明专利公开说明书申请号：
200410020623.1
[2]专利号ZL200620159936.X技术编号：
TEC00008422
[3]许浩张希明闫海龙姚世军。
塔克拉玛干沙漠腹地多枝柽柳茎干液流及耗水量米应用生态学报2007年4月第18卷第4期
[4]XX百科：
棕榈
[5]XX百科：
苹婆
[6]XX百科：
胡杨
[7]XX百科：
梭梭
[8]XX百科：
柽柳
[9]张国盛干旱、半干旱地区乔灌木树种耐旱性
及林地水分动态研究进展中国沙漠1000-694X（2000）04q）363-06
[10]MattexAktiengesellschaft,Vaduz,LiechtenteinUnitedStatesPatent4146372Mar27th1979
[11]InstituteofGasTechnology,UnitedStatesPatent44363703Dec.14th1982
[12]Fr.KammerGmbH,PforzheimUnitedStatesPatent4067053Aug.18th,1987
[13]Chen-MingChouUnitedStatesPatent7089762B2Aug15th2006
[14]JamesF.Klausner,GainesvilleUnitedStatesPatent7225,620B2Jun.5th2007
致谢
本设计的完成，首先要感谢潘家祯老师的指导和鼓励。
作为本科生，我们的知识尚且十分浅薄，遇到问题常常十分疑惑，潘老师总是十分认真和耐心地指导我们，也总是在我们遇到困难有些气馁的时候给予鼓励，使我们能够顺利提交作品。
其次要感谢的是我们的学长田俊科和张睿十，在我们做实验的时候给与了大力支持。
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