近年来,人类对淡水资源的需求日益增加。而地球上约97.5%的水为含盐海水或苦卤水。海水淡化无疑是解决这一危机的有效方法。据文献报道,多种技术均可实现海水的脱盐淡化。其中,膜蒸馏技术是上世纪六十年代发展起来的一种新型膜分离海水淡化方法。与传统多级闪蒸、反渗透等方法相比,它可显著降低操作温度(通常在60-80°C)和操作压力,适于利用低品位能源如太阳能等进行驱动,从而有效降低产水能耗和污染物排放量,大有取代传统淡化方法的潜力。本文提出的膜式加湿减湿海水淡化(membrane-based humidification–dehumidification desalination,MHDD)技术基于膜蒸馏原理,其主要创新和优势在于:(1)采用中空纤维膜加湿器代替传统填料塔,从而实现了海水和空气非直接接触式加湿,避免了广泛存在于传统加湿过程中的液滴夹带并污染所产淡水的情况。采用该方法,可以获得高纯淡水。(2)该系统操作温度一般低于80°C,可充分利用低品位太阳能,从而显著减少对化石燃料或电能等高品位能源的依赖。但是目前,一方面,中空纤维膜加湿器作为膜式海水淡化技术的关键部件,膜两侧流体的流动特性以及海水和空气之间通过多孔膜进行耦合传热传质机理不明晰,无法指导性能调控,成为限制该新型系统发展的关键因素;另一方面,对太阳能驱动的膜式加湿减湿海水淡化系统的整体数学性能、技术可行性及经济性评价等方面的研究工作还存在明显不足。鉴于此,本文的研究工作主要从以下几个方面展开:(1)搭建了一套太阳能驱动的膜式加湿减湿海水淡化系统,包括集热单元和淡化单元两个子单元。其中,淡化单元中采用中空纤维膜组件作为加湿器,实现了海水和空气非直接接触式盐水分离,并制备了高纯淡水(产水电导率低于12μS/cm)。对于0.59m~2膜面积,系统的产水量为15.27 kg/d,单位体积产水的电耗为19.23 kWh/m~3。太阳能占据了总能量输入的92.0%。整个系统的COP约为0.75。(2)建立了海水淡化过程中空纤维膜加湿器内部层流流动和耦合传热传质数学模型。淡化系统运行时,空气雷诺数一般在50~900范围内。当空气流雷诺数小于300时,可视为层流状态。建立模型过程中选取了周期性计算单元,在计算单元内研究了中空纤维膜加湿器的层流流动和热量质量耦合传递过程。计算获得了膜两侧流体的阻力系数、努塞尔数和舍伍德数等流动和热量质量传递准则数。对于管内盐水溶液,浓度边界层的发展速度远小于温度边界层。对于空气侧,提高组件填充率可以增大努塞尔数和舍伍德数,但却是以牺牲阻力系数为代价。(3)当空气流动雷诺数在300-600范围内时,在大量纤维管的连续干扰下,空气流动状态开始向湍流过渡。此时,空气流可视为过渡态湍流。针对这一工况,建立了二维湍流流动和传热传质模型。低雷诺数k-ε(Low Re k-ε)湍流模型比标准k-ε(STD k-ε)湍流模型有更好的预测空气湍流特性准确性。相比于减小纵向纤维间距,减小横向间距能更有效的增加传热和传质系数,因为横向间距对空气侧的湍动能分布有更显著的影响。(4)针对空气流动雷诺数650-900范围,建立了全三维湍流流动(3D low Re k-?)模型,充分揭示了轴向流动的不均匀性及其对空气侧流动和传热传质的影响机理。通过对3D low Re k-?模型、2D湍流模型和层流模型的对比研究,发现纤维轴向流动不均匀性在流体层流状态下影响较小,而对于湍流流体有较大影响。在空气层流流动状态时,3D层流模型可以简化为2D层流模型。然而,对于湍流流动,当雷诺数大于650时,需要采用3D湍流模型,因为在此流动状态下,轴向流动不均匀性较强,湍流流动已经较为混乱和随机,表现出了明显的三维流动特性。(5)建立了太阳能驱动的膜式加湿减湿海水淡化系统的数学模型,该模型的建立是基于上述不同流动工况下的膜加湿器传热传质特性,利用这一模型,研究了操作条件、淡化单元膜组件填充率及集热单元结构参数等对系统性能的影响规律,并进行了优化。结果表明:参数的最优值为,单位m~2膜面积的海水流量为236L/h,单位m~2膜面积的空气流量为25 m~3/h,组件的填充率为30%。系统的经济性分析表明,系统产水的综合成本为16.88$/m~3,系统可实现低运行维护。