淡水资源作为一种紧缺型基础性资源,其可持续利用是关系到经济社会发展的重大战略问题,正受到世界各国高度关注。典型的节水工程抑或南水北调都仅仅是实现了水资源的空间转移,并不能真正增加淡水资源含有量,更是难以从根本上解决水资源不足的问题。毫无疑问,水资源短缺已经成为寻找水问题解决方案的驱动力。海水淡化提供了一种稳定的淡水补充途径。其产业发展的瓶颈在于成本的居高难下,包括投资成本和运行成本。二者指向一个共同的基础问题,即如何以尽可能的小的代价(传热温差),获得尽可能大的物质分离质传递流密度(mass transfer flux)。然而,受扩散传递机理的限制,现有的技术已接近理论极限,很难取得较大突破。微纳米传热传质学及材料学的进展,为突破宏观传递极限提供了可能。热管理论和技术是微纳米尺度传热传质实现内力驱动和小温差大热流传递的一个典型成功案例。本文围绕热法技术对低温差高传热传质的需求,针对制约海水淡化产业发展的高投资、高能耗等关键问题,以微纳米尺度下气液界面处产生的毛细力为基础,从开路热管海水淡化系统切入开展深入细致的基础研究,重点致力于掌握开路热管海水淡化的运行规律、盐分在多孔结构中的运移规律,攻克典型热法技术难以利用低温热源的技术瓶颈,建立和发展以毛细力驱动为核心的海水淡化新技术、新工艺。现场示范运行毛细力驱动电厂冷凝热(约60℃)海水淡化,以更小的空间,在几乎不消耗有价能源的情况下,变工业热污染为淡水资源。具体涉及以下4个方面的内容:(1)提出一种新型毛细力驱动海水淡化装置,与典型环路热管不同的是,工质在毛细芯中受热蒸发产生蒸汽,在冷凝器中冷凝成淡水后流出,而给蒸发器补充的是海水。搭建了小型实验室测试平台,实验结果表明,热流密度为1.6 W/cm2时(热源温度42℃),淡水产量18.27kg/(m2·h),产水含盐约30mg/L,水质超过饮用水标准。变负荷的测试结果表明毛细芯中的弯液面可以自适应外界热源,在33℃～56℃间都能正常运行(环境温度28℃)。(2)建立开路热管水动力学过程稳态模型,以质量守恒、动量守恒和能量守恒方程入手建立开路热管稳态运行控制方程,分析不同热流密度、运行高度、蒸汽管线长度情况下的运行规律。发现,减少蒸汽管线长度及增强冷凝器换热系数是优化系统运行的入手点;进一步降低毛细芯导热系数可以减少热泄露进而提高系统热效率并增加产水量。(3)建立多孔体内蒸发与盐分运移一维数学模型,借助毛细芯稳定运行时盐分迁移的对流-弥散公式,给出了平板型毛细芯纵向浓度分布方程。发现毛细芯蒸发侧盐分浓度与海水原水浓度成正比,毛细芯在不结晶情况下最大换热能力与毛细芯厚度、迂曲度和水动力弥散系数等相关。对于给定的毛细芯,在输入热流密度为q时,存在最佳毛细芯厚度H使得蒸发器稳定运行。并以实验为研究手段,NaCl溶液为工质对平板型毛细芯进行了研究,发现毛细芯厚度H=4mm时,有效热流密度小于2.95 W/cm2平稳运行12小时未发现蒸发器温度升高和产水量降低的趋势,部分证实了模型的合理性。(4)现场实验证实了毛细驱动低温余热海水淡化的可行性,利用粤电惠来电厂低温蒸汽(55-70℃C)作为实验热源,在不消耗额外机械能下实现了系统内部水动力稳定流动,系统可直接将沿海电厂数量巨大的低温冷凝热转为日益紧缺的淡水资源。其中海水抽吸和淡水流动由毛细力提供,浓盐水排放由虹吸作用完成,现场条件下产水能力为45.7 kg/h,产水盐含量40.3 mg/L。