CN102424439A - 一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置 - Google Patents

一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置。现有技术不能很好解决设备投资大、造价高、能耗高、对海水的预处理要求高的问题。本发明包括主设备和附属设备，其中主设备包括四级和顶部装置，第一级至第四级由下至上串联而成，每级都设置有蒸发室海水入口、蒸发室海水出口、蒸发室曝气头和蒸发室浓海水排出口；附属设备包括风力发电机、蓄电池、空气泵、海水储槽和淡水储槽。本发明采用鼓泡蒸发多级冷凝的方式将海水的冷凝潜热多次利用，且强化了海水的蒸发与冷凝传热过程，提高了装置的热效率和淡水产量。

Description

一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，尤其是涉及一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置。
背景技术
多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT-MED)、反渗透(RO)是当今海水淡化三大主流技术。但是这三种方法设备投资大、造价高、能耗高、对海水的预处理要求高，仅适合大规模的海水淡化工程，不适合解决小量的淡水需求，如海岛地区、偏远的内陆地区、旅游景点、类似海上平台的施工地点等的淡水需求。且这三种方法消耗短缺的电能或石化能源，大量温室气体以及淡化后浓缩海水的排放对环境具有非常不利的影响。
太阳能具有普遍、清洁的特点，因此可以利用太阳能提供能量进行海水淡化，这是在其他能源短缺的情况下有效解决淡水缺乏地区的淡水供应问题最有潜力的方法。现有的海水淡化装置存在一定的缺陷：装置结构复杂、海水淡化效率低、运行过程中需要较多的外加电功耗。并且太阳能不稳定，容易受到昼夜、季节等自然条件的限制及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，给目前太阳能海水淡化装置带来了不利影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括主设备和附属设备，主设备包括四级和顶部装置，第一级至第四级由下至上串联而成。
第一级具体包括热管式太阳能集热器、电热管、第一级蒸发室、第一级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口、第一级蒸发室曝气头和第一级蒸发室浓海水排出口；热管式太阳能集热器的冷凝端插入第一级蒸发室下部，电热管设置在第一级蒸发室内，位于第一级蒸发室中部，第一级蒸发室曝气头设置在第一级蒸发室内，固定在第一级蒸发室底部热管式太阳能集热器冷凝端附近，第一级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口和第一级蒸发室浓海水排出口设置在第一级蒸发室内，第一级蒸发室浓海水排出口设置第一级蒸发室底部，第一级蒸发室海水入口位于第一级蒸发室海水出口上端。
第二级具体包括第二级冷凝翅片、第二级冷凝室、第二级蒸发室、第二级多孔隔板、第二级淡水承接槽、第二级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水出口、第二级蒸发室曝气头、第二级蒸发室浓海水排出口和第二级淡水承接槽引出口；第二级冷凝室中设置有多个第二级冷凝翅片，第二级冷凝翅片上开有多个小孔，第二级蒸发室中设置有多层第二级多孔隔板，第二级蒸发室曝气头设置在第二级蒸发室底部；第二级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水出口和第二级蒸发室浓海水排出口设置在第二级蒸发室侧壁上，第二级淡水承接槽设置在第二级冷凝室下方侧壁上，第二级淡水承接槽的底部开有第二级淡水承接槽引出口，第二级冷凝室设置在第二级蒸发室下方。
第三级具体包括第三级冷凝翅片、第三级冷凝室、第三级蒸发室、第三级多孔隔板、第三级淡水承接槽、第三级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水出口、第三级蒸发室曝气头、第三级蒸发室浓海水排出口和第三级淡水承接槽引出口；第三级冷凝室中设置有多个第三级冷凝翅片，第三级冷凝翅片上开有多个小孔，第三级蒸发室中设置有多层第三级多孔隔板，第三级蒸发室曝气头设置在第三级蒸发室底部，第三级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水出口和第三级蒸发室浓海水排出口设置在第三级蒸发室侧壁上，第三级淡水承接槽设置在第三级冷凝室下方侧壁上，第三级淡水承接槽的底部开有第三级淡水承接槽引出口；第三级冷凝室设置在第三级蒸发室下方。
第四级具体包括第四级冷凝翅片、第四级冷凝室、第四级蒸发室、第四级多孔隔板、第四级淡水承接槽、第四级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水出口、第四级蒸发室浓海水排出口和第四级淡水承接槽引出口；第四级冷凝室中设置有多个第四级冷凝翅片，第四级冷凝翅片上开有多个小孔；第四级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水出口和第四级蒸发室浓海水排出口设置在第四级蒸发室侧壁上，第四级淡水承接槽设置在第四级冷凝室下方侧壁上，第四级淡水承接槽的底部开有第四级淡水承接槽引出口；第四级冷凝室设置在第四级蒸发室下方。
顶部装置内设置有引风机。
附属设备包括海水储槽、冷凝管、淡水储槽、蓄电池、风力发电机、调气阀、空气泵、螺栓和硅胶垫片。
风力发电机与蓄电池相连接，海水储槽中设置有冷凝管，冷凝管的入口与顶部装置空气排出管相连接，冷凝管出口导入至淡水储槽中，海水储槽侧壁设置有海水引出口，该海水引出口与第四级蒸发室海水入口相连，第四级蒸发室海水出口与第三级蒸发室海水入口相连，第三级蒸发室海水出口与第二级蒸发室海水入口相连，第二级蒸发室海水出口与第一级蒸发室海水入口相连，空气泵通过调气阀与第一级蒸发室曝气头、第二级蒸发室曝气头和第三级蒸发室曝气头口相连接。
太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置主设备第一级与第二级、第二级与第三极、第三级与第四级均由螺栓连接并由硅胶垫片密封。
第一级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口、第二级蒸发室海水出口、第三级蒸发室海水出口、第四级蒸发室海水出口、第一级蒸发室浓海水排出口、第二级蒸发室浓海水排出口、第三级蒸发室浓海水排出口和第四级蒸发室浓海水排出口均设置有三角阀。
蓄电池分别为电热管、空气泵和引风机提供电能。
本发明的有益效果是：
1)采用鼓泡蒸发多级冷凝的方式将海水的冷凝潜热多次利用，且强化了海水的蒸发与冷凝传热过程，提高了装置的热效率和淡水产量。
2)运行时耗能元件仅有引风机和空气泵，且其功率低，由蓄电池供能。因此装置对外加电能的依赖低，基本不需要外加功率消耗，运行成本低。
3)克服了太阳能和风能的不稳定性，令两者相互补充提供海水淡化所需的能量，从而实现装置24小时连续运行。
4)风能和太阳能为清洁能源，海水淡化过程中不会对环境产生不利影响。5)装置结构简单，可靠性高，易于制造，容易维护。
本发明适用于海岛、沿海地区的海水淡化、内陆苦咸水淡化以及污水回收、硬水软化。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明各级连接局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括主设备和附属设备，其中主设备包括四级和顶部装置，I为第一级、II为第二级、III为第三级、IV为第四级，第一级至第四级由下至上串联而成。
第一级具体包括热管式太阳能集热器11、电热管13、蒸发室17、第一级蒸发室海水入口1-1、第一级蒸发室海水出口1-2、第一级蒸发室曝气头1-3和第一级蒸发室浓海水排出口1-4；热管式太阳能集热器11的冷凝端插入蒸发室下部，用于直接加热蒸发室中的海水；电热管13设置在蒸发室内，位于蒸发室中部，用于太阳能辐射强度小时利用电能加热海水；蒸发室曝气头1-3设置在蒸发室内，固定在蒸发室底部热管式太阳能集热器冷凝端附近，第一级蒸发室海水入口1-1、第一级蒸发室海水出口1-2和第一级蒸发室浓海水排出口1-4设置在蒸发室17内，第一级蒸发室浓海水排出口1-4设置在蒸发室底部，第一级蒸发室海水入口位于第一级蒸发室海水出口上端；
第二级具体包括冷凝翅片15、冷凝室16、蒸发室17、多孔隔板18、淡水承接槽5、第二级蒸发室海水入口2-1、第二级蒸发室海水出口2-2、第二级蒸发室曝气头2-3、第二级蒸发室浓海水排出口2-4和第二级淡水承接槽引出口2-5；冷凝室中设置有多个冷凝翅片15，冷凝翅片15上开有多个小孔，蒸发室中设置有多层多孔隔板18，第二级蒸发室曝气头2-3设置在蒸发室底部；第二级蒸发室海水入口2-1、第二级蒸发室海水出口2-2和第二级蒸发室浓海水排出口2-4设置在蒸发室侧壁上，淡水承接槽5设置在冷凝室下方侧壁上，淡水承接槽5的底部开有第二级淡水承接槽引出口2-5，冷凝室设置在蒸发室下方。
第三级具体包括冷凝翅片15、冷凝室16、蒸发室17、多孔隔板18、淡水承接槽5、第三级蒸发室海水入口3-1、第三级蒸发室海水出口3-2、第三级蒸发室曝气头3-3、第三级蒸发室浓海水排出口3-4和第三级淡水承接槽引出口3-5；冷凝室中设置有多个冷凝翅片15，冷凝翅片15上开有多个小孔，蒸发室中设置有多层多孔隔板18，第三级蒸发室曝气头3-3设置在蒸发室底部，第三级蒸发室海水入口3-1、第三级蒸发室海水出口3-2和第三级蒸发室浓海水排出口3-4设置在蒸发室侧壁上，淡水承接槽5设置在冷凝室下方侧壁上，淡水承接槽5的底部开有第三级淡水承接槽引出口3-5。
第四级具体包括冷凝翅片15、冷凝室16、蒸发室17、多孔隔板18、淡水承接槽5、第四级蒸发室海水入口4-1、第四级蒸发室海水出口4-2和第四级蒸发室浓海水排出口4-4，第四级淡水承接槽引出口4-5；冷凝室中设置有多个冷凝翅片15，冷凝翅片15上开有多个小孔，蒸发室海水入口4-1，第四级蒸发室海水出口4-2，第四级蒸发室浓海水排出口4-4设置在蒸发室侧壁上，淡水承接槽5设置在冷凝室下方侧壁上，淡水承接槽5的底部开有第四级淡水承接槽引出口4-5。
顶部装置内设置有引风机10，引风机10通过引风降低海水蒸发液面上方的气相分压，促进海水的蒸发。
附属设备包括海水储槽6、冷凝管7、淡水储槽9、蓄电池12、风力发电机19、调气阀20、空气泵21、螺栓22和硅胶垫片23。
风力发电机19与蓄电池12相连接，海水储槽6中设置有冷凝管7，冷凝管7的入口与第五级顶部空气排出管相连接，冷凝管7出口导入至淡水储槽9中，海水储槽6侧壁设置有海水引出口8，该海水引出口8与第四级蒸发室海水入口4-1相连，第四级蒸发室海水出口4-2与第三级蒸发室海水入口3-1相连，第三级蒸发室海水出口3-2与第二级蒸发室海水入口2-1相连，第二级蒸发室海水出口2-2与第一级蒸发室海水入1-1口相连，空气泵21通过调气阀20与第一、二、三级蒸发室中的曝气头接口相连接。
如图2所示，本发明主设备第一级与第二级、第二级与第三极、第三级与第四级间由螺栓22连接并由硅胶垫片23密封。
蓄电池12分别为电热管13、空气泵21和引风机10提供电能。
第一、二、三、四级海水入口(1-1、2-1、3-1、4-1)、第一、二、三、四级海水出口(1-2、2-2、3-2、4-2)和第一、二、三、四级浓海水排出口(1-4、2-4、3-4、4-4)均设置有三角阀14，用于控制海水的注入与排出。
蒸发室内均设置有多个曝气头(1-3、2-3、3-3)，用于形成细小的空气气泡；其中曝气头1-3固定在在热管式太阳能集热器冷凝端附近，通过曝气头1-3喷出的气泡冲刷集热器冷凝端，从而防止热管式集热器11冷凝端上水垢的产生。
本发明装置运行时，开启第一、二、三、四级海水入口(1-1、2-1、3-1、4-1)和第一、二、三、四级海水出口(1-2、2-2、3-2、4-2)上的三角阀14，然后开启海水储槽6的海水出口8上的三角阀，海水由海水储槽6注入第四级的蒸发室，当第四级的蒸发室中的海水高度达到第四级的蒸发室溢流口4-2的高度时，海水由第四级的蒸发室注入第三级的蒸发室，当第三级的蒸发室中的海水高度达到第三级的蒸发室溢流口3-2的高度时，海水由第三级的蒸发室注入第二级的蒸发室，以此类推。当第一级的蒸发室的海水溢流口1-2有水流出时，表示装置已注水完毕，则关闭海水储槽海水出口上的三角阀并关闭其他所有三角阀。第二、三、四级淡水承接槽引出口(2-5、3-5、4-5)接管的出口浸入淡水储槽9中的液面以下，以确保装置的气密性。
启动风机发电机10并将风能转化为电能并储存在蓄电池11中。开启电加热管13，将第一级蒸发室中海水加热到一定温度，开启空气泵21并开启第一级蒸发室中曝气头1-3对应管线上的调气阀20，向第一级蒸发室中海水中鼓入空气，同时开启引风机10。若太阳辐射强度大，则关闭电加热管13，利用热管式太阳能集热器11补充第一级蒸发室中海水因蒸发而损失的热量，从而保持第一级的蒸发室内海水温度基本不变；若太阳辐射强度小，则适时开启电加热管13。一段时间后，开启蒸发室中曝气头(2-3、3-3)对应管线上的调气阀，向第二、三级的蒸发室中鼓入空气。
本装置海水淡化的工作原理是：空气由空气泵21鼓入第n级的蒸发室中(n为1、2、3)，与蒸发室中的海水进行传热与传质，海水将热量和水分传递给空气。增温增湿后的空气在自身浮力和引风机的作用下上升，穿过第n+1级的冷凝室，由于第n+1级蒸发室中的海水温度低于第n级蒸发室中的海水温度，空气与冷凝翅片接触，冷凝出淡水，并将冷凝潜热通过冷凝翅片传递给第n+1级蒸发室中的海水。冷凝出的淡水汇流至承接槽，并由淡水引出口引至淡水储槽。最上面一级的蒸发室中不设置曝气头，其中的海水主要起冷凝载湿空气的作用。本发明为了减少耗能元件，将空气直接排空，而不是使其循环流通。令载湿空气排空前途径海水储槽中冷凝管7的目的是：最大化的冷凝载湿空气，增加淡水产量。
当装置运行一段时间后，关闭电加热管13、引风机10、气泵21，开启蒸发室的浓海水引出口(1-4、2-4、3-4、4-4)上的三角阀，将浓缩后的海水排出，待浓海水排净后，将其关闭。重新向装置中注入海水，重复上述操作步骤。

Claims (1)

1.一种太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置,包括主设备和附属设备，其特征在于：
主设备包括四级和顶部装置，第一级至第四级由下至上串联而成；
第一级具体包括热管式太阳能集热器、电热管、第一级蒸发室、第一级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口、第一级蒸发室曝气头和第一级蒸发室浓海水排出口；热管式太阳能集热器的冷凝端插入第一级蒸发室下部，电热管设置在第一级蒸发室内，位于第一级蒸发室中部，第一级蒸发室曝气头设置在第一级蒸发室内，固定在第一级蒸发室底部热管式太阳能集热器冷凝端附近，第一级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口和第一级蒸发室浓海水排出口设置在第一级蒸发室内，第一级蒸发室浓海水排出口设置第一级蒸发室底部，第一级蒸发室海水入口位于第一级蒸发室海水出口上端；
第二级具体包括第二级冷凝翅片、第二级冷凝室、第二级蒸发室、第二级多孔隔板、第二级淡水承接槽、第二级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水出口、第二级蒸发室曝气头、第二级蒸发室浓海水排出口和第二级淡水承接槽引出口；第二级冷凝室中设置有多个第二级冷凝翅片，第二级冷凝翅片上开有多个小孔，第二级蒸发室中设置有多层第二级多孔隔板，第二级蒸发室曝气头设置在第二级蒸发室底部；第二级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水出口和第二级蒸发室浓海水排出口设置在第二级蒸发室侧壁上，第二级淡水承接槽设置在第二级冷凝室下方侧壁上，第二级淡水承接槽的底部开有第二级淡水承接槽引出口，第二级冷凝室设置在第二级蒸发室下方；
第三级具体包括第三级冷凝翅片、第三级冷凝室、第三级蒸发室、第三级多孔隔板、第三级淡水承接槽、第三级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水出口、第三级蒸发室曝气头、第三级蒸发室浓海水排出口和第三级淡水承接槽引出口；第三级冷凝室中设置有多个第三级冷凝翅片，第三级冷凝翅片上开有多个小孔，第三级蒸发室中设置有多层第三级多孔隔板，第三级蒸发室曝气头设置在第三级蒸发室底部，第三级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水出口和第三级蒸发室浓海水排出口设置在第三级蒸发室侧壁上，第三级淡水承接槽设置在第三级冷凝室下方侧壁上，第三级淡水承接槽的底部开有第三级淡水承接槽引出口；第三级冷凝室设置在第三级蒸发室下方；
第四级具体包括第四级冷凝翅片、第四级冷凝室、第四级蒸发室、第四级多孔隔板、第四级淡水承接槽、第四级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水出口、第四级蒸发室浓海水排出口和第四级淡水承接槽引出口；第四级冷凝室中设置有多个第四级冷凝翅片，第四级冷凝翅片上开有多个小孔；第四级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水出口和第四级蒸发室浓海水排出口设置在第四级蒸发室侧壁上，第四级淡水承接槽设置在第四级冷凝室下方侧壁上，第四级淡水承接槽的底部开有第四级淡水承接槽引出口；第四级冷凝室设置在第四级蒸发室下方；
顶部装置内设置有引风机；
附属设备包括海水储槽、冷凝管、淡水储槽、蓄电池、风力发电机、调气阀、空气泵、螺栓和硅胶垫片；
风力发电机与蓄电池相连接，海水储槽中设置有冷凝管，冷凝管的入口与顶部装置空气排出管相连接，冷凝管出口导入至淡水储槽中，海水储槽侧壁设置有海水引出口，该海水引出口与第四级蒸发室海水入口相连，第四级蒸发室海水出口与第三级蒸发室海水入口相连，第三级蒸发室海水出口与第二级蒸发室海水入口相连，第二级蒸发室海水出口与第一级蒸发室海水入口相连，空气泵通过调气阀与第一级蒸发室曝气头、第二级蒸发室曝气头和第三级蒸发室曝气头口相连接；
太阳能-风能互补驱动多级鼓泡蒸发海水淡化装置主设备第一级与第二级、第二级与第三极、第三级与第四级均由螺栓连接并由硅胶垫片密封；
第一级蒸发室海水入口、第二级蒸发室海水入口、第三级蒸发室海水入口、第四级蒸发室海水入口、第一级蒸发室海水出口、第二级蒸发室海水出口、第三级蒸发室海水出口、第四级蒸发室海水出口、第一级蒸发室浓海水排出口、第二级蒸发室浓海水排出口、第三级蒸发室浓海水排出口和第四级蒸发室浓海水排出口均设置有三角阀。
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