CN102328965B - 一种太阳能海水淡化装置及其操作方法 - Google Patents

一种太阳能海水淡化装置及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能海水淡化装置及其操作方法，属于海水淡化技术领域。该装置主要由空气循环系统、海水处理系统、太阳能加热系统和淡水收集系统等组成。本发明装置基于吸附式空气取水装置和饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置，通过热海水加湿空气，再通过冷海水减湿空气，实现饱和空气在大温差范围内产生淡水，同时通过吸附、脱附过程，实现冷空气在小温差范围内产生淡水，从而最大限度地利用了空气的含湿量，实现了空气在全温差范围、全湿度范围内的淡水生产，有效提高了单位空气流量的产水率，提高了整个系统的性能系数。

Description

一种太阳能海水淡化装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能海水淡化装置及其操作方法，属于海水淡化及空调制冷的技术领域。
背景技术
水对于人类的生存与发展具有重要意义，而能被人类利用的淡水资源仅占全球水总储量的0.77%。海洋水占全球水总储量的96.5%，而人类有近七成居住在距大海不到120公里的地方。由于陆地淡水资源的紧缺，海水淡化已经越来越为世界各沿海国家所重视。
常用的海水淡化方法如蒸馏法，离子交换法，电渗析法，反渗透膜法等，要消耗大量的电力和燃料。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。目前常见的太阳能海水淡化系统以蒸馏法为主，也存在一定问题，如一般采用自然对流，热效率不高；水蒸气未被充分利用，造成能量损失等。近年来，由于太阳能集热器技术的发展，集热器与常规海水淡化装置的联合运行逐渐成为研究的热点。太阳能吸附式海水淡化系统利用真空管式、热管真空管式或槽式抛物面集热器，可取得较好的性能，且具有装置简单、无运动部件、寿命长以及无需防震消除噪声等优点。
吸附式空气取水装置被认为是目前取水效率高、工艺相对简单的空气取水方法之一，其主要优点是完全可以利用太阳能驱动，无需其他辅助能源，特别适合在偏远缺电的地区使用。然而吸附剂的特性限制了进一步提高该取水装置的性能：吸附剂一般在低温下吸附，高温下脱附，吸附时，空气温度越低，吸附剂的吸附性能越好，但同时空气温度降低，空气的含湿量也下降，抑制了单位空气质量流量的淡水产量。
饱和湿空气的含湿量随空气温度的变化而显著变化，饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置就是利用空气的这个性质而设计的，它通过空气在海水淡化装置中的增湿与减湿过程，从而实现从海水中获取淡水。然而在空气的增湿过程和减湿过程中，空气相对湿度始终是接近饱和的，未能充分利用空气中的含湿量。
从以上的分析可知，吸附式空气取水装置和饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置具有较好的互补性，当循环空气经过饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置增湿和减湿过程后，被处理后的低温饱和湿空气可进一步被吸附式空气取水装置进行吸附处理，从而最大限度地提取空气中的水分，提高单位空气质量流量的产水率，从而提高整个系统的海水淡化率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，利用吸附式空气取水装置和饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置两者之间的互补性，提供一种太阳能海水淡化装置，能够最大限度地利用空气的含湿量，提高单位空气流量的产水率。本发明的另外一个目的是提供使用该装置的操作方法。
为了解决上述技术问题，本发明装置采用的技术方案是：
一种太阳能海水淡化装置，由空气循环系统、海水处理系统、太阳能加热系统和淡水收集系统组成：
所述空气循环系统由吸附器、海水蒸发箱、风机、海水冷凝箱和风管等依次联结组成，其中，吸附器包括前匀风板、冷却器、抽屉式吸附床和后匀风板；海水蒸发箱包括前挡水板、蒸发盘管、循环海水泵、喷淋器以及后挡水板；海水冷凝器包括冷凝器和凝水盘；
所述海水处理系统包括三个截至阀、所述海水冷凝器的冷凝器、所述海水蒸发箱的蒸发盘管、再生器、海水泵、热回收器、所述海水蒸发箱的循环海水泵和喷淋器，其中，再生器包括加热盘管、抽屉式脱附床、表冷器以及凝水盘；
所述太阳能加热系统由太阳能集热器、所述再生器的加热盘管、所述海水蒸发箱的蒸发盘管和循环水泵等依次联结组成；
所述淡水收集系统包括所述再生器的凝水盘、所述海水冷凝器的凝水盘、淡水桶以及连接在凝水盘与淡水桶之间的两个截至阀。
本发明使用上述装置的操作方法采用的技术方案是：
所述装置在增湿减湿与吸附脱附联合运行模式下的操作为：将截至阀全部开启，从太阳能集热器出口端排出的高温介质先通过再生器的加热盘管对抽屉式脱附床放热，然后再通过海水蒸发箱中的蒸发盘管与从喷淋器中喷出的海水、从前挡水板进入的空气流分别进行热交换，然后经过循环水泵进入太阳能集热器中再循环，而海水蒸发器中的海水受热后部分汽化成水蒸气，与被加热后的空气流混合后，进入风机的吸入端；与此同时，冷海水入口分为二路，一路经过截止阀后进入海水冷凝器的冷凝器中与冷凝器外表面的高温空气流换热，高温空气流被冷却，冷凝出的水滴被收集在海水冷凝器的凝水盘中；另一路经过截止阀进入吸附器的冷却器中，吸收抽屉式吸附床的热量后，进入再生器的表冷器，进一步吸收表冷器外表面水蒸气的热量，水蒸气放热后，冷凝出的水滴被收集在再生器的凝水盘中。
本发明基于吸附式空气取水装置和饱和空气增湿减湿式太阳能蒸馏装置，通过热海水加湿空气，再通过冷海水减湿空气，实现饱和空气在大温差范围内产生淡水，同时通过吸附、脱附过程，实现空气在小温差范围内产生淡水。有益效果有：1）最大限度地提取空气的水分，实现了湿空气在全温差范围、全湿度范围内的淡水生产，有效提高了单位空气流量的产水率，从而降低风机的耗能，提高了整个系统的性能系数；2）太阳能集热器中高温介质先进入再生器中的加热盘管内放热，然后进入海水蒸发箱中的蒸发盘管内进一步放热降温，实现了能量的梯级利用。
附图说明
图1是本发明一种太阳能海水淡化装置的循环流程示意图。1太阳能集热器，2再生器，3吸附器，4海水蒸发箱，5风机，6海水冷凝箱，7风管，8加热盘管，9抽屉式脱附床，10蒸发盘管，11循环水泵，12截至阀，13冷却器，14抽屉式吸附床，15表冷器，16海水泵，17热回收器，18循环海水泵，19喷淋器，20截至阀，21截至阀，22冷凝器，23前匀风板，24后匀风板，25前挡水板，26后挡水板，27凝水盘，28截至阀，29凝水盘，30截至阀，31淡水桶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
如图1所示，本发明的太阳能海水淡化装置由空气循环系统、海水处理系统、太阳能加热系统和淡水收集系统组成。
空气循环系统：风机5出口端与海水冷凝箱6一端相连，海水冷凝箱6另一端与风管7一端相连，风管7另一端与吸附器3一端相连，吸附器3另一端与海水蒸发箱4一端相连，海水蒸发箱4另一端与风机5入口端相连。从海水冷凝箱6中送出的低温饱和空气经过风管7后，通过前匀风板23被送入到吸附器3中进一步除湿，饱和湿空气成为干空气，干空气再通过后匀风板24和前挡水板25进入海水蒸发箱4中，被热海水加热、加湿后，干空气成为了高温饱和湿空气，高温饱和湿空气经过后挡水板26被风机5吸入，最后被风机5送入海水冷凝箱6中冷却、冷凝，完成一个空气处理的循环。
海水处理系统：冷海水入口处分为两路，一路与截至阀21一端相连，截至阀21另一端与冷凝器22一端相连，另一路与截至阀12一端相连，截至阀12另一端与冷却器13一端相连，冷却器13另一端与表冷器15一端相连，表冷器15另一端与冷凝器22另一端合并成一路，与海水泵16一端相连，海水泵16另一端与热回收器17一端相连，热回收器17另一端与海水蒸发箱4左侧底部相连；海水蒸发箱4右侧底部与热回收器17一端相连，热回收器17另一端与截至阀20一端相连，截至阀20另一端与浓海水出口端相连。冷海水入口处分为两路，一路经过截至阀21，进入海水冷凝箱6中的冷凝器22，另一路经过截至阀12，进入吸附器3中的冷却器13后，经过再生器2中的表冷器15后，与第一路从冷凝器22出来的海水合并成一路，然后依次经过海水泵16、热回收器17后送入海水蒸发箱4中，经过喷淋蒸发加热后，热海水经过热回收器17、截至阀20后排出。
太阳能加热系统：太阳能集热器1出口端与加热盘管8一端相连，加热盘管8另一端与蒸发盘管10一端相连，蒸发盘管10另一端与循环水泵11一端相连，循环水泵11另一端与太阳能集热器1入口端相连。太阳能集热器1可采用真空管式或抛物面式集热器，传热介质可选用水、乙二淳等。从太阳能集热器1中出来的高温介质被送入到再生器2中的加热盘管8内，对抽屉式脱附床9中的吸附剂放热后，进入海水蒸发箱4中的蒸发盘管10内，加热自喷淋器19中喷出的冷海水后，再通过循环水泵11送入太阳能集热器1中，依次完成一个加热循环。
淡水收集系统：凝水盘27底部与截至阀28一端相连，凝水盘29底部与截至阀30一端相连，截至阀28另一端与截至阀30另一端合并成一路，与淡水桶31入口端相连。
再生器2中的脱附床9和吸附器3中的吸附床14均采用抽屉式，当吸附器3中的吸附剂趋势饱和，可分配抽出插入到再生器2中的脱附床上；当再生器2中的吸附剂脱附完毕，可分配抽出插入到吸附器3中的吸附床上；本发明装置中的再生器和吸附器可以同时运行。
本发明装置可以作以下二种模式运行：
1、增湿减湿模式：
截至阀12和截至阀28关闭，截至阀20、截至阀21和截至阀30开启，此时再生器2和吸附器3处于空闲状态，从太阳能集热器1出口端排出的高温介质通过蒸发盘管10与从喷淋器19中喷出的海水、从海水蒸发器4的前挡水板25进入的空气流分别进行热交换，然后经过循环水泵11进入太阳能集热器1中再循环，而海水蒸发器4中的海水受热后部分汽化，与被加热后的空气流混合后，进入风机5的吸入端。
2、增湿减湿与吸附脱附联合运行模式：
截至阀12、截至阀28、截至阀20、截至阀21和截至阀30全部开启，从太阳能集热器1出口端排出的高温介质先通过加热盘管8对抽屉式脱附床9放热，然后再通过蒸发盘管10与从喷淋器19中喷出的海水、从海水蒸发器4的挡水板25进入的空气流分别进行热交换，然后经过循环水泵11进入太阳能集热器1中再循环，而海水蒸发器4中的海水受热后部分汽化成水蒸气，与被加热后的空气流混合后，进入风机5的吸入端。与此同时，冷海水入口分为二路，一路经过截止阀21后进入冷凝器22中与冷凝器22外表面的高温空气流换热，高温空气流被冷却，冷凝出的水滴被收集在凝水盘29中；另一路经过截止阀12进入冷却器13中，吸收抽屉式吸附床14的热量后，进入表冷器15，进一步吸收表冷器15外表面水蒸气的热量，水蒸气放热后，冷凝出的水滴被收集在凝水盘27中。在此运行模式下，水蒸气释放出的热量被充分利用，有效提高了整个系统的产水率，同时太阳能集热器1中传热介质先对加热盘管8放热，然后再对蒸发盘管10进一步放热，实现了能量的梯级利用，可提高整个系统的性能。

Claims (2)

1.一种太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述装置由空气循环系统、海水处理系统、太阳能加热系统和淡水收集系统组成：
所述空气循环系统由吸附器(3)、海水蒸发箱(4)、风机(5)、海水冷凝箱(6)和风管(7)依次联结组成，其中，吸附器(3)包括前匀风板(23)、冷却器(13)、抽屉式吸附床(14)和后匀风板(24)；海水蒸发箱(4)包括前挡水板(25)、蒸发盘管(10)、循环海水泵(18)、喷淋器(19)以及后挡水板(26)；海水冷凝箱(6)包括冷凝器(22)和凝水盘(29)；
所述海水处理系统包括第一截止阀(12)、第二截止阀(20)、第三截止阀(21)、所述冷凝器(22)、所述蒸发盘管(10)、再生器(2)、海水泵(16)、热回收器(17)、所述循环海水泵(18)和所述喷淋器(19)，其中，再生器(2)包括加热盘管(8)、抽屉式脱附床(9)、表冷器(15)以及凝水盘(27)；
所述太阳能加热系统由太阳能集热器(1)、所述再生器的加热盘管(8)、所述海水蒸发箱的蒸发盘管(10)和循环水泵(11)依次联结组成；
所述淡水收集系统包括所述再生器的凝水盘(27)、所述海水冷凝箱的凝水盘(29)、淡水桶(31)以及连接在凝水盘与淡水桶之间的第四截止阀(28)和第五截止阀(30)。
2.一种使用如权利要求1所述装置的操作方法，其特征在于，所述装置在增湿减湿与吸附脱附联合运行模式下的操作为：将五个截止阀全部开启，从太阳能集热器(1)出口端排出的高温介质先通过再生器(2)的加热盘管(8)对抽屉式脱附床(9)放热，然后再通过海水蒸发箱(4)中的蒸发盘管(10)与从喷淋器(19)中喷出的海水、从前挡水板(25)进入的空气流分别进行热交换，然后经过循环水泵(11)进入太阳能集热器(1)中再循环，而海水蒸发箱(4)中的海水受热后部分汽化成水蒸气，与被加热后的空气流混合后，进入风机(5)的吸入端；与此同时，冷海水入口分为二路，一路经过第三截止阀(21)后进入海水冷凝箱(6)的冷凝器(22)中与冷凝器(22)外表面的高温空气流换热，高温空气流被冷却，冷凝出的水滴被收集在海水冷凝箱(6)的凝水盘(29)中；另一路经过第一截止阀(12)进入吸附器(3)的冷却器(13)中，吸收抽屉式吸附床(14)的热量后，进入再生器(2)的表冷器(15)，进一步吸收表冷器(15)外表面水蒸气的热量，水蒸气放热后，冷凝出的水滴被收集在再生器(2)的凝水盘(27)中。
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