CN101870503B - 便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器 - Google Patents

便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器 Download PDF

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Abstract

一种海水淡化技术领域的便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，包括：真空管集热管、折叠式简化CPC聚光板、折叠支架以及冷凝管，其中：折叠式简化CPC聚光板安装在折叠支架的斜梁上表面，真空集热管插放在折叠支架两端的集热管支撑板中，冷凝管安装在折叠支架的斜梁下表面，所述的真空集热管的中心线与折叠式简化CPC板的聚光中心线相互重合，本发明体积小，重量轻，结构简单，集热板可折叠，携带安全可靠，内管有弹性，能一直紧贴玻璃管以降低接触热阻，在任何情况下，水能湿润整个玻璃管集热面，传热效率高；可直接通过太阳能实现水蒸气冷凝且装置安全，即使炸管，热水和水蒸气也能保存在金属内管内。

Description

便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器
技术领域
本发明涉及的是一种海水淡化技术领域的装置，具体是一种便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器。
背景技术
随着世界淡水资源的日益短缺，人们越来越重视海水淡化技术，传统的海水淡化技术如蒸馏法、电渗析法、冷冻法等存在着设备造价高，耗电力或燃料多，机构不易清理，故障维修难等不足，因而不能普及。且这些方法均适用于规模较大的海水淡化装置，不适合应用于某些特殊场合，如军事用途、野外旅游、船舶、海岛等。在这些流动性强、位置偏僻和场地狭窄的地方，需要一种以维生、应急为目的淡化效率高、体积小不需消耗电力或燃料的可携带的小型太阳能海水淡化化装置。
经过对现有相关技术文献检索发现，中国专利申请号：98225969.7，记载了一种真空管太阳能海水淡化器，该发明特征是采用圆形太阳能凹面镜对全玻璃真空玻璃集热管加热，需要真空泵将蒸汽引出。不能承压且要靠真空泵引出蒸汽，耗费电能，并且太阳能凹面镜为点聚焦，集热效率低，集热板体积大不便携带。
进一步检索发现，中国专利申请号：200810143400.2，记载了一种太阳能海水淡化或不净水蒸馏装置采用太阳灶通过一根石英超导热管进行传热给蒸馏水箱，从而得到水蒸气，通过空气冷却成淡水，该装置由于海水与热管的传热面积相对较小，传热效率低，且由于热管整体暴露在空气中热量散失大，集热效率低。集热板同样不便携带。
在太阳能开水器领域，中国专利申请号：98210907.5，记载了一种复合抛物反射面聚焦的太阳能开水器，该装置使用全玻璃真空集热管不能承压，集热板同样不适于携带。且其装置由于体积较大，结构分散，所以存在不易拆卸，不便携带的缺点。中国专利申请号：200620004703.2记载了一种手提太阳能开水器，该装置使用抛物柱面板组成反光板，对全玻璃真空集热管内的水进行加热。该装置使用全玻璃真空集热管加热，用橡胶塞类材料封闭管口，不能承压。中国专利申请号：200820139952.1，记载了一种大口径内聚光玻璃真空集热管太阳能开水器，采用大口径内聚光玻璃真空集热管，玻璃管是套管结构，内管外壁面是加热面，内管与外管间设置渐开线形双翼面反光板。这种集热管造价昂贵，集热板面积小，集热效率低。
总结现有的全玻璃真空集热管的小型海水淡化装置发明专利，尤其是上述申请号98225969.7所记载的一种海水淡化装置，能明显看出现有专利中存在几个普遍性的问题：一是集热板基本都是非折叠式的，体积庞大，难以拆装携带。二是玻璃集热管都用橡胶塞类材料封闭管口，密封性差，不能承压。在长期加热使用后密封条件很难保证。第三也是最重要的是，这些装置都是直接将海水装入玻璃管中加热，水不能湿润整个传热面。在玻璃集热管工作时，玻璃管是倾斜放置的，装入的海水只能占据玻璃管下部非受热部分，而玻璃管上部面对太阳的受热部分反倒没有水湿润。在有集热板聚热时的夏天运行时，上部没有水湿润的玻璃部分干烧温度可以达到300度，下部玻璃最多100度，因此玻璃管极易炸裂。作为海水淡化装置对于蒸汽的引出和冷凝要有合理的冷凝管路设计。所以这些装置可以说没有安全实用价值。因此，目前还没有商品化的可携带海水淡化装置。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，该装置体积小，重量轻，结构简单，集热板可折叠，携带安全可靠，内管有弹性，能一直紧贴玻璃管以降低接触热阻，在任何情况下，水能湿润整个玻璃管集热面，传热效率高；本发明可直接通过太阳能实现水蒸气冷凝且装置安全，即使炸管，热水和水蒸气也能保存在金属内管内。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：全玻璃真空管集热管组件、折叠式简化CPC聚光板、折叠支架以及冷凝管，其中：折叠式简化CPC聚光板安装在折叠支架的斜梁上表面，全玻璃真空集热管插放在折叠支架两端的集热管支撑板中，冷凝管安装在折叠支架的斜梁下表面。
所述的全玻璃真空集热管的中心线与折叠式简化CPC板的聚光中心线相互重合。
所述的全玻璃真空集热管组件包括：全玻璃真空集热管、金属承压内胆、金属丝网层、水蒸气管、水蒸气管阀门、海水管路、海水管路阀门和冷凝铜管，其中：金属承压内胆位于全玻璃真空集热管内管内部，金属承压内胆的半圆凹槽部分与全玻璃真空集热管下侧相接触，金属承压内胆与全玻璃真空集热管内管内壁面相接触，金属丝网层位于金属承压内胆内部，支撑弹簧片组位于金属承压内胆内部，支撑弹簧片的丝网层与金属承压内胆的内表面相接触，内胆端口与带外螺纹的厚板钢圈焊接，带内螺纹的厚板底帽密封设置于内胆外管口，水蒸汽管和海水管路与底帽相焊接，水蒸气管阀门设置于集热管外部的水蒸气管端部并与冷凝铜管连接，海水管路阀门设置于全玻璃真空集热管外部的海水管路端口。
所述的全玻璃真空集热管是常规的全玻璃真空集热管。
所述的金属承压内胆采用轻薄的有弹性的金属材料制成，该金属承压内胆上设有一个半圆凹槽的圆筒形结构，其直径大于等于全玻璃真空集热管的玻璃内管的内径。
所述的金属承压内胆的底部设有一个缩口形结构的底面，在内胆的口部焊接带外螺纹的厚板钢圈接口，形成一个坚实的内胆管口。内胆管口与设有带内螺纹的厚板底帽进行封闭。
所述的折叠式简化CPC聚光板由数块可弯曲的薄塑料板，粘贴在薄塑料板上面的一层薄反光铝箔和数套铁条制成的CPC定型卡板组成。每套CPC定型卡板有上下两块，薄塑料板被夹在卡板上下两块铁条之间，上下夹板用螺栓固定，反光薄塑料板弯曲定型后形成了CPC反光集热板。每2套夹板固定一张薄塑料板，根据需要的集热板总长度，薄塑料板的张数和夹板数量可自由选定。根据CPC板聚光原理，整个聚光板型面应由两端的两段抛物面和中间的两段渐开线组成，这样，在标准CPC聚光板的底部，就会形成一个两段渐开线合成的山峰形尖状突起，这就给CPC聚光板的成形带来很大的不便。本专利对CPC结构进行改进简化，去掉底部尖状突起，改之以一段水平直线代替。这样可以很方便的利用夹板将薄塑料板固定成形和安装。这种CPC集热板结构被称为简化CPC集热板。简化CPC聚光板的集热效率有所损失，但结构变得十分简单。CPC定型卡板与折叠支架的斜梁进行螺栓连接固定，将整体CPC集热板固定在支架上。
本发明涉及上述结构的具体工作流程如下：当装置展开并且组装完毕后，打开水蒸气管口阀门和海水管路阀门，将海水从进水水斗加入，经过橡胶进水管和海水管路进入带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管。由于内胆内表面的丝网层的毛细力将内胆底部的新海水抽取到整个金属承压内胆表面的丝网层上。全玻璃真空集热管内管上始终有海水湿润，海水主要在丝网层内以液膜蒸发形式蒸发换热。水蒸气填充在整个内胆内，蒸汽压使内胆与全玻璃真空集热管内管内管接触更加紧密。水蒸汽从内胆上端的水蒸气管溢出，经耐热橡皮管进入焊接在斜梁下表面壁面的冷凝管冷却凝结成水并在气压推动下流出冷凝管，流入接淡水瓶中从而获得了淡水。而含盐分较高的残留浓海水可定时打开海水管路阀门依靠蒸汽压和自身重力排出。浓海水排出后可按上述循环再次开始新的制取淡水的流程。
与现有已提出的发明专利技术相比，本发明的优点在于：具有承压结构，装置小巧，结构简单，造价低廉，组装拆卸方便，携带便捷，且一旦发生玻璃真空管碎裂的情况，并不影响安全问题。全玻璃真空集热管组件的各部件更换简单，用户可自行清洗和更换各部件，热效率高，寿命长，运行安全可靠，能够利用太阳能高效的加热海水制取蒸馏淡水，推广应用前景广阔。
附图说明
图1是便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器的D-D截面剖视图；
图2是便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器的左视图；
图3是便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器的俯视图；
图4是便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器的C-C截面剖视图；
图5是带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管的结构示意图；
图6是带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管的A-A横截面剖视图；
图7为组装好的折叠式简化CPC聚光板俯视图；
图8为组装好的折叠式简化CPC聚光板B-B截面剖视图；
图中：1带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管、2玻璃真空管、3吸收涂层、4金属承压内胆、5丝网层、6水蒸气管、7水蒸气管口阀门、8进/排海水管、9进/排海水口阀门、10全玻璃真空集热管的玻璃外管、11全玻璃真空集热管的玻璃内管、12真空夹层、13弹簧支撑卡、14支撑弹簧片组定位钢条、15支撑弹簧片、16带外螺纹的厚板钢圈接口、17带内螺纹的厚板底帽、18厚橡胶保温帽、19折叠式简化CPC聚光板、20平面可折叠的薄塑料板、21薄反光镜面板、22金属制CPC形状卡板、23折叠支架、24斜梁、25竖梁、26螺栓、27支撑条、28槽钢支撑腿卡槽、29槽钢支撑腿、30集热管支撑板、31铜冷凝管、32进水水斗、33橡胶进水管、34蒸汽管和冷凝管接口的真空橡皮管、35接淡水瓶、36淡水出口。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例包括：由带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管1、折叠式CPC聚光板19、折叠支架23、铜冷凝管31等零部件组成。
所述带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管1的结构如图5和图6所示，该带金属承压内胆和金属丝网的全玻璃真空集热管1由玻璃真空管2、吸收涂层3、金属承压内胆4、丝网层5、水蒸气收集管6、水蒸气收集管口阀门7、进/排水管8、进/排海水口阀门9等组成。
所述全玻璃真空集热管2是常规的全玻璃真空集热管，其内部安装金属承压内胆4。
所述金属承压内胆4采用0.1mm到0.3mm厚的SUS340不锈钢材料制成一带有半圆凹槽的圆筒形结构。安装时靠外力将金属承压内胆4装进全玻璃真空集热管的玻璃内管，金属承压内胆4的半圆凹槽部分要放在玻璃内管下侧不吸热的一面，装入后金属承压内胆4由于自身的张力紧紧贴住玻璃内管内壁面。
所述丝网层5采用150号不锈钢丝网制成多层重叠弯曲成为320°左右的弧形结构。支撑弹簧片15采用弯曲成为320°左右的弧形结构的弹性钢片组成，数组支撑弹簧片15的两侧以相等的距离被焊接在支撑弹簧片组定位钢条14上构成支撑弹簧片组。在外力的作用下先将丝网层5装入金属承压内胆4，再将支撑弹簧片组装入金属承压内胆4，支撑弹簧片的张力将丝网层5压紧在金属承压内胆4的内表面。
所述内胆4端口与带外螺纹的厚板钢圈16焊接，形成一个坚实的内胆管口，再用带内螺纹的厚板底帽17对内胆外管口进行封闭，底帽17上焊上水蒸汽管6和进/排水管8。底帽17外用厚橡胶保温帽18进行保温处理。
所述的折叠式CPC简化聚光板19的结构如图7所示，该聚光板19安置在集热管下部。所述的折叠式CPC聚光板19是由平面可折叠的薄塑料板20表面粘贴一层薄反光镜面板21经四组上下两层共八个CPC定型卡板22上下固定而形成，使用时四组CPC定型卡板22以相等的间距与折叠支架23的斜梁24进行螺栓连接。CPC聚光板19的聚光比为2.15，厚度0.8mm，宽度大约有320mm。
CPC聚光板19与折叠支架23的斜梁24进行连接。
所述折叠支架23总体结构可以从图1获知，它是由斜梁24和竖梁25经螺栓26铰接而成，这两个梁均由不锈钢板压制成槽型，并且斜梁在铰接处制成斜面可以在支架张开到一定角度自动卡死，并且有活动支撑条27来支撑张开的折叠支架23。当装置斜梁24和竖梁25合起来的时候其内部所呈的刚性长方体的空间可正好将带不锈钢承压内胆和不锈钢丝网的全玻璃真空集热管1整体放入，这样可以使本装置运输体积减小而安全性提高(全玻璃真空集热管受到保护)。在折叠支架23张开后为使其稳固的支撑在地面上，分别在斜梁24的最前端和竖梁25的最下端开了两个槽钢支撑腿卡槽28，使用时靠外力将槽钢支撑腿29卡入斜梁和竖梁的槽钢支撑腿卡槽28中，这样就可以很便捷的进行支架的拆装了。从装置的三视图及截面图可以看到折叠式CPC聚光板19由四组CPC结构型面卡板22固定在斜梁24上，全玻璃真空集热管是由斜梁24两端的集热管支撑板30固定位置的，集热管支撑板30与结构型面卡板22由相同的螺栓固定在斜梁24的相同位置。从截面图C-C看到斜梁24的上表面和侧面的内表面焊接一根在空间三次弯折的冷凝管31，使其分散在前支架的上表面和左右侧面各一组U型回路，这样可使管道弯折平缓，管内气体流动阻力减小，增大了各并列冷凝管段的间距，并且可以将前支架的上表面和左右侧面都变成了冷凝管的扩展翅片表面可以增强换热。
整个装置的使用方法如下：当装置展开并且组装完毕后，打开水蒸气管口阀门7和海水管路阀门9，将海水从进水水斗32加入，经过橡胶进水管33和海水管路8进入带不锈钢承压内胆和不锈钢丝网的全玻璃真空集热管1。由于内胆4内表面的丝网层5的毛细力将内胆底部的新海水抽取到整个不锈钢承压内胆4表面的丝网层5上。玻璃管传热面上始终有海水湿润，海水主要在丝网层内以液膜蒸发形式蒸发换热，传热效率高，制水速率快。水蒸气填充在整个内胆4内，蒸汽压使内胆4与全玻璃真空集热管的玻璃内管11接触更加紧密。水蒸汽从内胆4上端的水蒸气管6溢出，经耐热橡皮管34进入焊接在斜梁24壁面的冷凝管31冷却凝结成水并在气压推动下流出冷凝管31，流入接淡水瓶35中从而获得了淡水。而含盐分较高的残留浓海水可定时打开海水管路阀门9依靠蒸汽压和自身重力排出。浓海水排出后可按上述循环再次开始新的制取淡水的流程。本装置中，管内蒸汽压力取决于冷凝器管路流阻，一般蒸汽压力可设计在1.2个大气压附近，蒸汽温度105度左右。
本实施例中的便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，由于采用弹性金属内胆和紧贴金属内胆壁面吸水丝网层，依靠折叠式CPC聚光板高效集热，具有承压结构，装置小巧，结构简单，造价低廉，组装拆卸方便，携带便捷，且一旦发生玻璃真空管碎裂的情况，并不影响用户安全。全玻璃真空集热管，内胆及丝网更换简单，用户可自行清洗和更换各部件，热效率高，寿命长，运行安全可靠，能够利用太阳能高效的加热海水制取蒸馏淡水，推广应用前景广阔。

Claims (4)

1.一种便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，包括：全玻璃真空集热管组件、折叠式简化CPC聚光板、折叠支架以及冷凝管，其中：折叠式简化CPC聚光板安装在折叠支架的斜梁上表面，全玻璃真空集热管插放在折叠支架两端的集热管支撑板中，冷凝管安装在折叠支架的斜梁下表面，所述的全玻璃真空集热管的中心线与折叠式简化CPC板的聚光中心线相互重合，其特征在于：
所述的全玻璃真空集热管组件包括：全玻璃真空集热管、金属承压内胆、金属丝网层、水蒸气管、水蒸气管阀门、海水管路、海水管路阀门和冷凝铜管，其中：金属承压内胆位于全玻璃真空集热管的内管内部，金属承压内胆的半圆凹槽部分与玻璃内管下侧相接触，金属承压内胆与玻璃内管内壁面相接触，金属丝网层位于金属承压内胆内部，支撑弹簧片组位于金属承压内胆内部，支撑弹簧片的丝网层与金属承压内胆的内表面相接触，内胆端口与带外螺纹的厚板钢圈焊接，带内螺纹的厚板底帽密封设置于内胆外管口，水蒸汽管和海水管路与底帽相焊接，水蒸气管阀门设置于全玻璃真空集热管外部的水蒸气管端部并与冷凝铜管连接，海水管路阀门设置于全玻璃真空集热管外部的海水管路端口。
2.根据权利要求1所述的便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，其特征是，所述的全玻璃真空集热管是常规的全玻璃真空集热管。
3.根据权利要求1所述的便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，其特征是，所述的金属承压内胆采用轻薄的有弹性的金属材料制成，该金属承压内胆上设有一个半圆凹槽的圆筒形结构，其直径大于等于全玻璃真空集热管的玻璃内管的内径。
4.根据权利要求1所述的便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器，其特征是，所述的金属承压内胆的底部设有一个缩口形结构的底面，在内胆的口部焊接带外螺纹的厚板钢圈接口，内胆管口固定设有带内螺纹的厚板底帽进行封闭。
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CN201201906Y (zh) * 2008-03-05 2009-03-04 孙元新 真空玻璃集热管式太阳能蒸馏海水淡化净水装置

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