CN101591042A

CN101591042A - 太阳能海水淡化装置

Info

Publication number: CN101591042A
Application number: CNA2009100169428A
Authority: CN
Inventors: 王君; 刘璐璐; 鞠虹; 李雪琴
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: CN101591042B

Abstract

太阳能海水淡化装置，由带有冷热水箱的真空管式太阳能集热器、组合式蒸发冷凝器、海水蒸发器、水蒸汽冷凝器、涡旋式真空泵、热泵循环系统、淡水罐、浓盐水罐、筛板和减压阀等组成。采用涡旋式真空泵获得较高的系统负压，降低海水的蒸发温度；在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间，利用热泵供热循环将水蒸汽凝结所释放的潜热供给海水蒸发器，为海水蒸发提供热量，充分有效地回收了水蒸汽的冷凝潜热；采用组合式蒸发冷凝器，使得海水蒸发后能够立即冷凝，降低了真空泵的负荷。本发明具有效率高、能耗低、结构紧凑和淡水产量高等优点，适用于解决缺水地区的饮水问题，及常年在船上、海洋平台上作业人员的饮水问题。

Description

太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能海水淡化装置，特别是涉及一种使用涡旋式真空泵实现负压蒸发、采用热泵循环回收冷凝潜热和采用组合式蒸发冷凝器的太阳能海水淡化生产装置，属于太阳能光热技术进行海水淡化(咸水脱盐)的技术领域。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，地球上绝大部分水是因含盐度太高而不能直接饮用或灌溉的海水，剩余的淡水因其分布极为不均，仅存于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水已不足0.36％。中国的人均水资源缺乏，尤其是一些岛屿、沿海盐碱地区及内陆苦咸水地区均属缺乏淡水地区，解决淡水供应不足是我国面临的一个严峻问题。就近进行海水或苦咸水的淡化，是解决缺水问题的有效方法。海水淡化的方法很多，通常有蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，其共同特点都是要消耗大量的燃料或电力。太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，利用太阳能进行海水淡化既可节约能源又能满足环保的要求，迎合了发展的需求。

专利号为CN200410050333.1的中国发明专利公开一种节能型太阳能海水淡化装置，设有海水蒸发池、透光保温顶棚、海水输入管、冷却壁、淡水收集槽、淡水输出管和反光板。用反光板、冷却壁及海水输入管构成了冷凝室，将经过太阳光照而蒸发的水蒸汽迅速冷凝，以获取纯净的淡水，这种装置结构简单，不需任何动力设备和集热设备，成本较低，但是其运行温度低，占地面积大，效率和单位集热面积的淡水产量低。专利号为CN03142188.1的中国专利公开了一种负压海水淡化法及其设备，是将海水经沉淀、过滤，输入密闭的容器中，再抽取容器内的剩余空气，使该容器内产生低压，水的沸点降低而在常温下沸腾，将水蒸汽抽出并通入液态水中，使其混溶，制得淡水；这种海水淡化装置，具有占地面积小、不受天气影响、生产工艺简单及设备使用寿命长等优点，但是要使海水在常温下沸腾，需要很高的真空度，对真空泵性能要求较高，而且这种方法需要真空泵抽送全部水蒸汽，真空泵负荷较大，另外水蒸汽凝结潜热的利用率低，因而装置的热效率低。专利号为CN200510013302.3的中国发明专利公开了一种太阳能热泵联合海水淡化装置，包括太阳能集热器、热交换器和循环热泵组成的太阳能集热循环装置；这种装置利用热泵循环有效地回收了水蒸汽的冷凝潜热和浓盐水及淡水的余热；但这种装置中水蒸汽的冷凝效果不好，且水蒸汽的流动也不利于其冷凝，而且热泵冷源的温度范围较大，热泵的设计难度较大，且供热系数低。

综上所述，一般的太阳能海水淡化装置存在淡水产量低、能耗低和效率低等缺点，其原因是：①真空泵的效率低、能耗高，且因真空泵性能的限制，海水蒸发器内的真空度较小，海水蒸发温度高；②水蒸汽的凝结潜热未被高效充分地利用；③组合式蒸发冷凝器内不易产生温差，海水蒸发和水蒸汽冷凝的驱动力弱；④组合式蒸发冷凝器内水蒸汽的自然对流模式不利于水蒸汽的换热和冷凝；⑤太阳能蒸馏器中待蒸发的海水热容量较大，限制了运行温度的提高，减弱了蒸发的驱动力。

发明内容

本发明的目的是要提供一种以太阳能为能源，能使海水在负压下进行沸腾蒸发生产优质淡水的装置，采用涡旋式真空泵产生较大的系统负压，以降低海水的蒸发温度，并改变水蒸汽的自然对流流动方式，改善其换热和冷凝效果；在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间采用热泵供热循环将水蒸汽的凝结潜热供给海水蒸发器，用以提供海水蒸发所需的热量，以充分高效地利用水蒸汽的凝结潜热、提高蒸发器温度并降低冷凝器温度，强化蒸发和冷凝过程；采用组合式蒸发冷凝器，使得所蒸发的水蒸汽能够立即冷凝成淡水，因而减小了海水的热容量、降低了真空泵的负荷，同时使得结构更加紧凑；采用带有冷水箱和热水箱的真空管式太阳能集热器，以改善海水流动，提高热水温度；采用间歇式排水方法将浓盐水和淡水从负压环境下排放到常压环境下。因而本发明具有占地面积小、效率高、能耗低和淡水产量高等优点。

一种太阳能海水淡化装置，主要由真空管式太阳能集热器、组合式蒸发冷凝器、海水蒸发器、水蒸汽冷凝器、涡旋式真空泵、热泵循环系统、淡水罐、浓盐水罐、筛板和减压阀等组成。其工作过程是：海水被淡水罐和浓盐水罐中的淡水和浓盐水预热后，进入真空管式太阳能集热器下部的冷水箱，在真空集热管中吸收太阳的辐射，使得热水聚集到热水箱的顶部，随后水温最高的热水经减压阀进入负压环境下的组合式蒸发冷凝器内，在海水蒸发器上降膜蒸发成为水蒸汽，未蒸发的海水成为浓盐水滑落至组合式蒸发冷凝器底部的浓盐水槽中；水蒸汽在真空泵所产生的压差的作用下改变其自然对流模式，平行地流向水蒸汽冷凝器，并在其上进行降膜冷凝，所凝结的淡水滑落至组合式蒸发冷凝器底部的淡水槽中；随后浓盐水和淡水分别进入浓盐水罐和淡水罐中。在涡旋式真空泵的作用下，组合式蒸发冷凝器内产生负压使海水在较低温度下沸腾蒸发。在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间采用热泵供热循环，海水蒸发器和水蒸汽冷凝器是由密排的不锈钢管组成，管内流动介质为热泵系统的制冷剂，海水蒸发器和水蒸汽冷凝器分别为热泵冷凝器和热泵蒸发器，热泵供热循环将水蒸汽冷凝器处的水蒸汽凝结潜热送往海水蒸发器，为海水蒸发提供热量，使得水蒸汽的凝结潜热得到充分高效的利用。采用间歇式排水方式，将浓盐水和淡水从负压环境下间歇地排放到常压环境下。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用涡旋式真空泵产生较大的系统负压，降低海水的蒸发温度，以提高淡水产量；由于真空泵产生压差的作用下改变了水蒸汽的自然对流流动模式，有利于水蒸汽的冷凝。在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间采用热泵供热循环，将水蒸汽凝结所释放的潜热供向海水蒸发器，为海水蒸发提供热量，使得水蒸汽的凝结潜热得到充分高效的利用，并强化了蒸发和冷凝过程。采用组合式蒸发冷凝器，并实现海水蒸发和水蒸汽冷凝在同一容器内依次完成，使得海水蒸发成水蒸汽后，立即冷凝为淡水，使得真空泵只需抽出较少量的不凝气即可保持组合式蒸发冷凝器内的负压，因而真空泵负荷小、功耗低。

本发明的有益效果是：①采用涡旋式真空泵获得较高的系统负压，降低海水的蒸发温度，并改变水蒸汽的自然对流模式，改善了水蒸汽的冷凝效果；②在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间，利用热泵供热循环充分高效地回收了水蒸汽的凝结潜热，增强了海水蒸发和水蒸汽冷凝的驱动力；③采用降膜蒸发和降膜冷凝，强化了传热效果；④采用组合式蒸发冷凝器，使得海水蒸发后立即冷凝，与水蒸汽增压冷凝方式相比，降低了真空泵的负荷，节省能耗，而且结构更为紧凑、淡水品质更高；⑤可以通过调节涡旋真空泵转速以改变装置的运行真空度和抽气速率，提高了系统对工况变化的适应性。⑥采用带有冷水箱和热水箱的真空管式太阳能集热器能够减少冷水进入时对热水的扰动，并提高热水温度。因而本发明所提出的太阳能海水淡化装置具有效率高、能耗低、结构紧凑和淡水产量高等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为带有热泵供热循环的负压太阳能海水淡化装置示意图。

图2为浓盐水罐或淡水罐的出水装置示意图。

图3为热泵供热循环示意图。

图4为带有冷热水箱的真空管式太阳能集热器示意图。

图中：1-真空管式太阳能集热器；2-组合式蒸发冷凝器；3-海水蒸发器；4-水蒸汽冷凝器；5-涡旋式真空泵；6-淡水罐；7-热泵供热循环；8-浓盐水罐；9-筛板；10-减压阀；201-通气阀；202-放气阀；203-通液阀；204-放液阀；301-制冷压缩机；302-热泵冷凝器；303-毛细节流装置；304-热泵蒸发器；401-热水箱；402-太阳能真空集热管；403-冷水箱。

具体实施方式

如图1所示的太阳能海水淡化装置，包括真空管式太阳能集热器1、组合式蒸发冷凝器2、海水蒸发器3、水蒸汽冷凝器4、涡旋式真空泵5、淡水罐6、热泵供热循环7、浓盐水罐8、筛板9和减压阀10组成；其中在淡水罐6和浓盐水罐8内分别设有热交换器，利用高温的淡水和浓盐水预热海水；真空管式太阳能集热器1和海水蒸发器3通过管道和减压阀10连接，使得热海水经减压阀10进入负压环境下的组合式蒸发冷凝器2内，并将热海水均匀地喷淋在海水蒸发器3上，海水进行降膜蒸发；海水蒸发器3和水蒸汽冷凝器4均与水平面呈90°竖直放置，并固定在组合式蒸发冷凝器2内；组合式蒸发冷凝器2底部设有分隔板隔开浓盐水槽和淡水槽；涡旋式真空泵5的吸气口位于水蒸汽冷凝器4侧中部；在涡旋式真空泵5吸气口和水蒸汽冷凝器4之间，设置有带有均匀小孔的筛板9，使得水蒸汽从海水蒸发器3表面蒸发后可平行地流向水蒸汽冷凝器4进行冷凝；组合式蒸发冷凝器2左右两侧分别设有淡水罐6和浓盐水罐8，因其内液体处于负压环境下，由此向常压环境下的出水装置如图2。

如图2所示，淡水罐6和浓盐水罐8的出水装置由通气阀201、放气阀202、通液阀203和放液阀204组成；通液阀203连通组合式蒸发冷凝器2底部的浓盐水槽与浓盐水罐8内的液相，通气阀201连通浓盐水罐8与组合式蒸发冷凝器2内的气相，放气阀202位于浓盐水罐8的上部，放液阀204位于浓盐水罐8底部。

如图3所示，热泵供热循环7由制冷压缩机301、热泵冷凝器302、毛细节流装置303和热泵蒸发器304组成；制冷压缩机301置于组合式蒸发冷凝器2的外侧，毛细节流装置303位于组合式蒸发冷凝器2内上方；热泵冷凝器302和热泵蒸发器304分别为海水蒸发器3和水蒸汽冷凝器4。

如图4所示，真空管式太阳能集热器1由圆柱形的热水箱401、太阳能真空集热管402和圆柱形的冷水箱403组成，其中太阳能真空集热管402为两端开口，上端口插入热水箱401的底部，下端口插入冷水箱403顶部；热水箱401和冷水箱403均设有绝热保温层，以减少热损失；真空管式太阳能集热器1的支架上安置有多个支撑点，可以手动调节太阳能真空集热管402的角度。

实施时，可以利用间歇式排液方式，将浓盐水罐或淡水罐中的液体由负压环境下排放至常压环境中，具体方法为：在未排水时，与大气连通的放气阀202和放液阀204关闭，通气阀201和通液阀203开启，浓盐水罐8与组合式蒸发冷凝器2中的浓盐水槽相连通，当浓盐水罐8充满液体时，关闭通气阀201和通液阀203。开启放气阀202，浓盐水罐8内压力由负压变为常压状态，打开放液阀204，即可排出浓盐水或淡水。排水后关闭放气阀202和放液阀204，打开通气阀201和通液阀203，如此完成由负压环境向常压环境的间歇排水过程。

实施时，为了适应不同的环境温度和太阳辐射量，涡旋式真空泵5可调节转速以调节组合式蒸发冷凝器2内的真空度，以适应热海水温度的变化。

实施时，海水蒸发器3的蒸发温度和水蒸汽冷凝器4的冷凝温度可以通过制冷压缩机301的转速、压缩比和制冷剂流量来调节，以达到最佳的工作状态，实现热泵供热循环和负压海水蒸发及水蒸汽冷凝之间的最佳性能匹配。

Claims

1.一种太阳能海水淡化装置，主要由真空管式太阳能集热器、组合式蒸发冷凝器、海水蒸发器、水蒸汽冷凝器、涡旋式真空泵、淡水罐、热泵供热循环、浓盐水罐、筛板和减压阀等组成，其特征是：采用涡旋式真空泵产生系统负压，降低海水蒸发温度、改善水蒸汽的流动方式；采用热泵供热循环，将水蒸汽冷凝器处的水蒸汽凝结所释放的潜热送往海水蒸发器，为海水蒸发提供热量；采用组合式蒸发冷凝器，实现海水降膜蒸发和水蒸汽降膜冷凝，强化蒸发和冷凝过程，并减小真空泵负荷；采用带有冷水箱和热水箱的真空管式太阳能集热器以改善流动方式，提高海水的温度，并使得高温海水聚集在热水箱顶部；采用间歇方式将负压环境下的浓盐水和淡水排放到常压环境。

2.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征是：采用涡旋式真空泵产生较高的系统负压，同时在涡旋式真空泵吸气口与水蒸汽冷凝器之间，设置有带有均匀小孔的筛板，由于真空泵产生压差的作用下，使得水蒸汽从海水蒸发器表面蒸发后可平行地流向水蒸汽冷凝器并被冷凝。

3.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征是：在海水蒸发器和水蒸汽冷凝器之间采用热泵供热循环，将水蒸汽凝结所释放的潜热供给海水蒸发器，为海水蒸发提供热量，海水蒸发器为热泵冷凝器，水蒸汽冷凝器为热泵蒸发器。

4.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征是：采用组合式蒸发冷凝器，实现海水蒸发成水蒸汽后，立即在海水冷凝器处冷凝为淡水，使得真空泵只需抽出较少量的不凝气，便可维持系统负压。

5.根据权利要求1所述的负压太阳能海水淡化装置，其特征是：真空管式太阳能集热器由圆柱形的热水箱、太阳能真空集热管和圆柱形的冷水箱组成，其中太阳能真空集热管为两端开口，上端口插入圆柱形热水箱的底部，下端口插入圆柱形冷水箱。

6.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征是：淡水罐和浓盐水罐的出水装置由通气阀、放气阀、通液阀和放液阀组成，可间歇地实现从负压环境下将液体排到常压环境下。