CN100340492C - 一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置 - Google Patents

一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明为一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，该装置包括：海水容器，所述海水容器的底面为疏水性膜，与海水容器的周边密封连接，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板，该冷却板上有淡水出口，所述间隙为空气隙，海水容器设有进水管，该海水容器设有太阳能加热装置；太阳能加热装置包括聚光板和集热板，其中集热板形成海水容器的一个壁面，所述聚光板在集热板上方，与集热板间隔一定距离；于海水容器和冷却板的外侧设有壳体，该壳体上设有排气口，与所述空气隙相通。放置在海面上使用时，还可包括一漂浮装置，该装置倾斜漂浮在海面上，充分吸收太阳能。充分利用了海岛地区丰富的太阳能资源和海水资源。

Description

一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置
技术领域
本发明涉及膜蒸馏技术领域，其特别涉及利用低品位能源太阳能作为膜蒸馏驱动力来淡化海水的膜蒸馏装置，具体的讲是一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置。
背景技术
人类的生存离不开水，因为科学研究表明，人体的59-66％是由水组成的，要维持人的健康基本需求，每人每天至少要得到20升安全饮用水，加上其它日常生活用水，每人每天大约需要50升水。
我国的海岛地区缺乏淡水，而海水中含有大量的盐等杂质，无法直接饮用，这样海岛地区无论是居民还是保卫海岛的战士，他们的生存用水基本上是依赖于远洋补给船补给淡水，费用高，并且对于非常偏远的海岛地区来讲费用更加昂贵，补给周期较长，而且受天气好坏的影响，淡水补给会很容易被切断，这样不利于海岛地区的生活，也不利于海岛地区的防御；因此对于这些地区获得长期连续的生活用水显得尤为重要。
另外，海岛地区太阳能资源丰富，如果能有效利用太阳能资源来处理海水，这样既会节省远途补给的费用，又可以利用海岛地区的太阳能资源、海水资源，给海岛地区人们的生活及安全防御带来极大的方便。
目前由于膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点，在淡化海水和苦咸水、制备超纯水等方面得到了广泛的应用。
实现膜蒸馏的基本条件是具有膜和膜两侧保持一定的温差。
通常情况下，采用疏水性膜进行膜蒸馏时，膜的一侧(热侧)与待处理的热溶液(或称原料液，热侧溶液，热工质)直接接触，膜的另一侧为冷侧(或冷工质)。使膜两侧的流体处于不同的温度，这样便会产生蒸汽压差，促使热侧溶液中的水在膜表面蒸发形成蒸汽，水蒸汽在压差的作用下通过膜孔扩散到冷侧冷凝下来，从而实现液相水溶液与气相水分离的目的。
此外，提高膜通量是对膜蒸馏技术应用的要求，在众多的影响因素中，温度极化和浓度极化现象是影响膜通量两个非常重要的因素。为降低温度极化和浓度极化的影响，在以往的膜蒸馏装置中加入机械搅拌装置破坏蒸馏过程出现的温度极化和浓度极化对传质和传热的影响，达到提高膜通量的目的，但是该装置在提高膜通量的同时增加了膜组件的尺寸和结构的复杂性，不仅提高了能源的消耗，使用后拆装清洗难度提高，导致整体成本提高。
目前较多的膜分离装置由于结构复杂、庞大、不便携带，并且也没有充分利用太阳能资源、消耗大量的电能、成本高而不适于海岛地区使用。
发明内容
本发明目的在于提供一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，应用了空气隙膜蒸馏原理，充分利用了海岛地区丰富的太阳能资源和海水资源，不需消耗电能；并且由于海平面具有波动性，有利于箱内的海水混合均匀，从而有利于膜面处温度极化边界层和浓度极化边界层的破坏，进而可以提高海水蒸馏量；结构简单、便于携带、成本低，便于海岛地区的居民和保卫海岛的战士随时随地进行海水淡化处理，获得维持自身生存的饮用水，给海岛地区的居民和保卫海岛的战士的工作生活带来极大的方便。
本发明提供一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，该装置包括：
海水容器，所述海水容器的底面为疏水性膜，与海水容器的周边密封连接，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板，该冷却板上有淡水出口，所述间隙为空气隙，海水容器设有进水管，该海水容器设有太阳能加热装置。
所述太阳能加热装置包括聚光板和集热板，其中所述集热板形成海水容器的一个壁面，所述聚光板在集热板上方，与集热板间隔一定距离。
于海水容器和冷却板的外侧设有壳体，该壳体上设有排气口，与所述空气隙相通。
所述集热板倾斜放置。
所述冷却板倾斜放置，所述淡水出口位于冷却板的低处。
还包括淡水容器，与所述淡水出口连通。
还包括保温层，包覆于所述海水容器的外侧壁面。
所述的海水淡化装置还包括一漂浮装置，与所述外壳相连接，能使海水容器漂浮在海面上。
所述漂浮装置至少包括一个气囊，其上设有排气阀。
所述冷却板采用铜板。
本发明的有益效果在于，节约能源，充分利用了太阳能资源和海水资源；并且由于海平面具有波动性，有利于箱内的海水混合均匀，从而有利于膜面处温度极化边界层和浓度极化边界层的破坏，进而可以提高海水蒸馏量；结构简单、便于携带、成本低，便于海岛地区的居民、保卫海岛的战士以及沿海地区的人们随时随地进行海水淡化处理，获得维持自身生存的饮用水，给这些地区人们的工作生活带来极大的方便。
附图说明
图1为空气隙膜蒸馏原理示意图；
图2为本发明实施例中的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置的主视剖面图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为图2中B处的局部放大图；
图5为本发明实施例中的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置的主视图；
图6为本发明实施例中的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置的俯视图；
图7为本发明实施例中的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置进行海水淡化处理时的示意图。
具体实施方式
本发明的太阳能膜蒸馏海水淡化装置应用了空气隙膜蒸馏原理，可放置在陆地上使用，可以放置在海面上使用。
以放置在海水中使用时来说明该装置的工作原理，如图1所示，图中：聚光板101、集热板102、膜103、空气隙104、冷壁105、集水器106、净化水107。
当容器浮于海平面上，容器内为需要净化的海水。为使聚光板101吸收太阳能的效果更好，最好是让容器倾斜浮于海面上。在沿海及其岛屿附近，聚光板101吸收太阳光线，并通过集热板102将热量收集传给容器内预先装好的需要净化的海水，容器内海水吸收热量，温度逐渐升高为th，而容器外海水同时也吸收太阳热量，温度升为tc，由于容器内海水温度升高较容器外海水温度升高大，因此最终th大于tc，从而膜103两侧的海水处于不同的温度，这样便会产生水蒸汽压差，使热侧容器内海水在膜面蒸发形成蒸汽，水蒸汽在压差的作用下通过膜103孔扩散，再经过空气隙104到达冷壁105冷凝下来，从而实现了液相海水与气相海水分离，达到了净化海水的目的，净化后的海水流进集水器106。此外由于海平面具有波动性，有利于容器内的海水混合均匀，从而有利于膜面处温度极化边界层和浓度极化边界层的破坏，进而可以提高海水蒸馏量。
现参照附图2至7来说明本发明的优选实施例。
如图所示，本发明的太阳能膜蒸馏海水淡化装置包括：
海水容器1，所述海水容器1的底面为疏水性膜2，与海水容器1的周边密封连接，本实施例中通过密封圈16密封，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板3，所述间隙为空气隙4，该冷却板3上有淡水出口5，海水容器1设有进水管6，本实施例中的太阳能加热装置包括聚光板7和集热板8，其中所述集热板8形成海水容器1的顶面，所述聚光板7在集热板8上方，与集热板间隔一定距离。
还包括淡水容器12，与所述淡水出口5连通。
还包括保温层13，包覆于所述海水容器1的外侧壁面，用于使海水容器1内的海水保持在一定的高温，与冷却板3外侧的冷却介质即海水保持一定的温差；并且在进入夜晚或阴天太阳光不充足的情况下，由于保温作用，此时该装置还可以运行；
于海水容器1和冷却板3的外侧设有壳体9，本实施例中壳体9通过固定装置14与海水容器1连接，并且该壳体9上设有排气口10，与所述空气隙4相通；壳体9的底板15中空，底板15的周边与冷却板3的周边连接，从而冷却板3的外侧表面直接与冷却介质接触，本实施例中冷却介质为海水；
其中，海水容器1的形状为任意，本发明实施例中采用长方体，壳体9的形状与海水容器1相适应，也采用长方体。
另外，该装置在进行海水淡化处理时，可以水平放置，也可以倾斜放置，本实施例中采用倾斜放置，其中最佳倾角为当地地理纬度加3度，在呼和浩特是最佳倾角为43.78度，使太阳能加热装置完全暴露与阳光下，充分吸收太阳能，加热海水容器1内的海水；
如果本发明的海水淡化装置在陆地上使用，可将海水引入一个容器中作为冷却介质，用一支架将所述海水淡化装置倾斜放置，这时冷却板3的下表面与冷却介质直接接触；进水管6和排气口10位于冷却介质之上。
本实施例中，将该海水淡化装置置于海水中，该海水淡化装置还包括一漂浮装置，该漂浮装置中包括3个主气囊，分别连接在该海水淡化装置的壳体的外侧，其中两个气囊连接于壳体的前后两侧，为主气囊18，另一个位于壳体9的左侧的气囊为副气囊19，这样通过浮力和箱体的自重使该海水淡化装置倾斜漂浮在海面上；冷却板3的外侧与海水直接接触；
进水管6位于海水容器1的左侧壁面上，靠近海水容器1的顶面，在进水管6上有一注水口17，通过注水口17将海水注入海水容器1中；
排气口10在壳体9的左侧靠近顶面的位置，该排气口10与间隙4通过排气道11与大气相通，使该间隙4为一空气隙；
所述淡水出口位于冷却板上低处，即靠近未安装气囊的一侧，在底板中心线的位置上；冷却板3采用导热性好的铜板；
此外，还包括一减压阀20，位于壳体1的左侧壁面上。
此外，该装置还可包括一使该箱体漂浮在一定的区域装置21(图中未示出)，本实施例中采用锚；
此外，由于海平面具有波动性，有利于海水容器内的海水混合均匀，从而有利于膜面处温度极化边界层和浓度极化边界层的破坏，进而可以提高海水蒸馏量。
使用本实施例中的海水淡化装置进行海水淡化处理时，首先对两个主气囊18和一个副气囊19充气，然后通过锚21使该海水淡化装置在浮力和自重作用下倾斜漂浮于海面的一定区域上，如图7所示，然后通过进水管6上的注水口17将海水注入海水容腔1中，注水时可用人工注水或通过泵注水；其中，该装置的最佳倾角为当地地理纬度加3度，本发明实施例中倾角为43.78度，使得太阳能加热装置中的聚光板7和集热板8完全暴露在阳光下，充分吸收太阳能；并且注水口17、排气口11和减压阀20位于海平面的上方；
海水容器1顶面的聚光板7吸收太阳光线，并通过集热板8将热量收集传递给海水容器1内预先装好的需要净化的海水，海水容器1内的海水吸收热量，温度逐渐升高为th，而海水容器外的海水也吸收太阳热量，温度升为tc，由于海水容器1内海水温度升高较壳体外海水温度升高大，因此最终th大于tc，从而疏水性膜2两侧的海水处于不同的温度，这样便会产生水蒸汽压差，使疏水性膜2的热侧海水容器1内的海水在膜面蒸发形成蒸汽，水蒸汽在压差的作用下通过膜孔扩散，再经过空气隙4到达冷壁，即到达冷却板3冷凝下来，从而实现了液相海水与气相海水分离，达到了净化海水的目的，净化后的海水通过冷却板3上的淡水出口5流进淡水容器12。
本实施例1和2中太阳能聚光板采用：阳光板，尺寸为800×600；集热板采用：不锈钢板，尺寸为600×400×1；
壳体9形状为长方体，其尺寸为800×600×150；
海水容器1形状为长方体，尺寸为600×400×100；海水容器四周壁面材料为PVC；
冷却板3的尺寸为：640×440×2；材料为：铜板；
壳体1的其它表面直接与海水相接触，因此最好采用耐盐、耐水腐蚀的材料，本发明实施例中采用PVC；
疏水性膜2：可以为聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙稀(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)等高聚物微孔膜，本实施例中采用的膜材料为聚四氟乙烯(PTFE)，是合成的高分子多孔膜，它的疏水性强、化学稳定性好、耐温范围大，可耐强酸、强碱及有机溶剂；
疏水性膜2与冷却板3直接的空气隙4为：通常为1至3mm，本实施例中为1mm。
气囊：材料为橡胶，主气囊尺寸：800×φ200、副气囊尺寸：600×φ200；
采用本实施例中的海水淡化装置，日产量可达100kg。
由上述可知，本发明充分利用了太阳能资源和海水资源；结构简单、便于携带，便于海岛地区的居民、保卫海岛的战士随时随地进行海水淡化处理，获得维持自身生存的饮用水；
并且由于海平面具有波动性，有利于箱内的海水混合均匀，从而有利于膜面处温度极化边界层和浓度极化边界层的破坏，进而可以提高蒸馏量；
解决沿海地区以及远洋渔船等饮用水问题，尤其是对于长期生活在这些地区人们的工作生活带来极大的方便。
本实施例仅用于说明本发明，而并非用于限制本发明。

Claims (8)

1.一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于包括：
海水容器，所述海水容器的底面为疏水性膜，与海水容器的周边密封连接，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板，该冷却板上有淡水出口，所述间隙为空气隙，海水容器设有进水管，该海水容器设有太阳能加热装置；
所述太阳能加热装置包括聚光板和集热板，其中所述集热板形成海水容器的一个壁面，所述聚光板在集热板上方，与集热板间隔一定距离；
于海水容器和冷却板的外侧设有壳体，该壳体上设有排气口，与所述空气隙相通。
2.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述集热板倾斜放置。
3.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述冷却板倾斜放置，所述淡水出口位于冷却板的低处。
4.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，还包括淡水容器，与所述淡水出口连通。
5.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，还包括保温层，包覆于所述海水容器的外侧壁面。
6.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述的海水淡化装置还包括一漂浮装置，能使海水容器漂浮在海面上。
7.根据权利要求6所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述漂浮装置至少包括一个气囊，其上设有排气阀。
8.根据权利要求1所述的便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述冷却板采用铜板。
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