CN102849813A - 太阳能多效蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能多效蒸馏系统：它包括海水淡化装置、太阳能集热板和聚光反射槽；所述的海水淡化装置安装在聚光反射槽的正中间，太阳能集热板布置在海水淡化装置的顶面。本发明利用太阳能集热板预热海水，再利用聚光反射槽加热海水使之沸腾等技术提高了新系统的能量利用率；本发明通过在海水淡化装置内布置多个换热罩促其内壁发生凝结过程而外壁发生流动液膜蒸馏过程的方法，实现了低温多效蒸馏技术在单个装置中的新应用，不仅降低了装置成本，而且提高了单机的产水量；同时采用给水循环的新流程有效地回收了热浓海水的余热，提高了装置的热效率。该系统有能量利用率高，淡化水产量大，装置费用低等特点，特别适合低成本大规模生产。

Description

太阳能多效蒸馏系统

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，特别是涉及一种太阳能多效蒸馏系统。

背景技术

水是生命的源泉，是人类不可替代的宝贵自然资源，但随着人类文明不断发展和社会不断进步，水资源短缺已成为21 世纪人类面临的重大问题。地球上的海水资源非常丰富，97 %的水都在海洋里，而其中蕴含着大量的淡水。发展海水淡化事业，向海洋索取淡水已经成为世界各国的共同发展趋势。

太阳能海水淡化技术是一条合理利用海水资源、解决淡水资源短缺的有力途径。目前国内多所高校加入到了太阳能海水淡化技术研究的行列，提出了一系列新颖的太阳能海水淡化装置实验机型。比较有代表意义的有西北工业大学提出的“新型、高效太阳能海水淡化装置”；天津大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器”；中国科学技术大学提出的“降膜蒸发-气流吸附太阳能蒸馏器”；西安交通大学、北京理工大学等提出了“横管降膜蒸发多效回热的太阳能海水淡化系统”等等，使太阳能海水淡化技术有了较大进步。

目前太阳能海水淡化技术不能得到广泛应用的主要制约因素是系统成本高，淡水产量低。传统太阳能蒸馏器产水量过低主要有3点原因：一是水蒸汽的汽化潜热未被重新利用 ；二是传统太阳能蒸馏器中自然对流的换热模式大大限制了蒸馏器热性能的提高 ；三是待蒸发的海水热容量太大，限制了运行温度的提高，从而减弱了蒸发的驱动力。 因此太阳能蒸馏器性能的改进和产水率的提高应主要从以下3个方面考虑：一是最大限度利用水蒸汽的汽化潜热以及各种高温水的显热，用来预热海水和加热待蒸发海水，以降低系统的能耗；二是由自然对流换热向强制对流换热方向发展，以提高对流换热的传热效果。三是由大容器沸腾向流动液膜沸腾方向发展，同时保证液膜均匀分配，以减少热容量对蒸发换热的影响。另外，努力提高蒸馏器对太阳能的利用效率和注重太阳能和其他余热资源耦合利用以构建全天候运行的海水淡化装置是今后发展的重要方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量利用率高、淡化水产量高、结构简洁、操作方便的太阳能多效蒸馏系统，以适合于建设大型的太阳能海水淡化工程的需要。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种太阳能多效蒸馏系统；它包括海水淡化装置、太阳能集热板和聚光反射槽；所述的海水淡化装置是一个槽式密闭容器，安装在聚光反射槽的正中间并保持竖直放置；所述的太阳能集热板布置在海水淡化装置的顶面，它是由玻璃盖板和吸热板构成，玻璃盖板和吸热板上下布置；所述的聚光反射槽是由安装反射镜组的弧形反射面和保温底层构成，保温底层紧密贴合在弧形反射面的底面外壁上，聚光反射槽可通过机械传动机构进行小范围的角度调整。

所述的海水淡化装置包括预热槽、隔热壁、多个换热罩、汇水槽、淡水收集槽、加热槽、烟气管道、水管道、逆止阀及水泵；所述的预热槽为V形槽，V形槽是由两块导热材料制成的薄板呈V形连接而成，它布置在海水淡化装置内部空间最上方的位置；预热槽的端缘与海水淡化装置的隔热壁连接，在预热槽、隔热壁和太阳能集热板之间形成了一个内封闭空间；设于隔热壁侧面上的进料海水进口、给水出口和循环回水进口皆与预热槽相通；预热槽的薄板底面开出纵槽，底部正下方的位置设置淡水收集槽，淡水收集槽侧面设有淡水出口；所述的换热罩为导热材料制成的弧形薄层，换热罩内壁为刨光面，外壁为布满凸点的粗糙面，多个换热罩的端缘与海水淡化装置的隔热壁连接，在多个换热罩、隔热壁和预热槽的薄板之间形成了多个内封闭空间，隔热壁侧面设有抽气口与该空间相通，换热罩顶部设置了凹槽，隔热壁侧面设有进水口通往换热罩顶部的凹槽，换热罩与隔热壁之间构成了汇水槽，汇水槽底部侧面设有出水口，换热罩两侧下端缘向内延伸的弧形槽构成了淡水收集槽，淡水收集槽侧面设有淡水出口；所述的加热槽为U形槽，U形槽是由导热材料制成的弧形面，弧形面构成了海水淡化装置的底部，加热槽的端缘与海水淡化装置的隔热壁下端缘连接，在加热槽、隔热壁和最低位置的换热罩之间形成了一个内封闭空间，隔热壁侧面设有抽气口和进水口与该空间相通，加热槽内布置烟气管道和水位调节器，并在底部设有排污口；所述的水管道包括进料海水管、给水管、循环回水管、淡水收集管，所述的进料海水管连接预热槽的进料海水进口；给水管的一端连接预热槽的给水出口，另一端分成多路支管，分别连接通往换热罩顶部凹槽的各个进水口和加热槽的进水口，通往换热罩顶部凹槽进水口的管道上设置水泵；循环回水管的一端连接预热槽的循环回水进口，另一端分成多路支管，分别连接各个汇水槽的出水口，并且各支管上设置逆止阀，循环回水管道上设置水泵；淡水收集管分别连接各个淡水收集槽的淡水出口，并且各支管上设置逆止阀。

所述的加热槽的内壁敷有金属多孔层，外壁镀有太阳能吸收涂层。

采用上述方案后，本发明在考虑能量利用时注重海水淡化装置对太阳光的辐射能量尽可能地加以收集和有效利用，先通过海水淡化装置顶面的太阳能集热板吸收太阳辐射能用来预热海水预热槽内的海水，实现了对太阳能的初级利用；再通过聚光反射槽提高太阳辐射能的能流密度用来加热海水加热槽内的海水从而使之沸腾蒸发，实现了对太阳能的最终利用。因此新系统对太阳能的利用程度比较高。同时海水加热槽内布置了烟气管道，当无采光时可以利用烟气加热海水，合理利用了余热资源，实现全天候运行的高效太阳能蒸馏系统，提高淡水的生产效率。

本发明在考虑海水淡化效果时，在海水淡化装置内布置多个换热罩促其内壁发生凝结过程而外壁发生流动液膜蒸馏过程，由此采用了目前先进的负压低温多效蒸发海水淡化方法，使得水蒸汽的汽化潜热得到了多次重复利用，提高了淡化水产量。本发明利用海水加热槽的封闭空间构成第一效蒸发室，上下换热罩之间的多个封闭空间构成后几效的蒸发室，海水预热槽的封闭空间构成冷凝室，从而实现了低温多效蒸发海水淡化技术的全套设备高度集成为单个装置的特点，有效地改善了低温多效蒸发海水淡化方法其单机容量小、装置费用高的缺点。另外，本发明采用热浓海水通过循环回水管返回预热槽进行循环再利用的方法，不仅有效地回收和利用了热浓海水的余热，而且大幅度减少了原海水的用水量。

本发明与常用的多级迭盘式太阳能蒸馏器相比，具有三个方面的优越性。一、多级迭盘式太阳能蒸馏器为大容器沸腾换热模式，盘中的海水具有一定的液位，待蒸发的海水热容量较大，而本发明的蒸馏器除第一效蒸发室外皆为流动液膜蒸发换热模式，待蒸发的海水热容量很小。二、多级迭盘式太阳能蒸馏器盘中的海水处于自然对流传热过程，而本发明的蒸馏器除第一效蒸发室外，待蒸发的海水皆为强制对流传热过程，并且其强制对流换热系数可根据水泵的功率变化进行调节。三、多级迭盘式太阳能蒸馏器其蒸发空间的正压不利于海水的蒸发，而本发明的蒸发空间皆通过抽气维持负压更有利于海水的低温蒸发。

综上所述，本发明的优点是：能量利用率高，淡化水产量高，装置费用低、能耗低、结构简洁、操作方便，易于控制，特别适合低成本大规模生产，可被广泛应用于太阳能海水淡化领域中。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构立体示意图；

图2是本发明的前视轴测图；

图3是本发明的后视轴测图；

图4是本发明的工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种太阳能多效蒸馏系统，它包括海水淡化装置1、太阳能集热板2和聚光反射槽3。

所述的海水淡化装置1是一个槽式密闭容器，安装在聚光反射槽3的正中间；所述的太阳能集热板2布置在海水淡化装置1的顶面，它是由玻璃盖板和吸热平板构成，玻璃盖板和吸热板上下布置；所述的聚光反射槽3是由安装反射镜组的弧形反射面和保温底层上下紧密布置构成。 

如图2、图3所示，所述的海水淡化装置1包括预热槽11、隔热壁12、多个换热罩13、汇水槽14、淡水收集槽15、加热槽16、烟气管道17、水管道18、逆止阀191和水泵192（如图4所示）等。

所述的预热槽11为V形槽，V形槽是由两块导热材料制成的薄板呈V形连接而成，它布置在海水淡化装置1内部空间最上方的位置。预热槽11的端缘与海水淡化装置1的隔热壁12连接，在预热槽11、隔热壁12和太阳能集热板2之间形成了一个内封闭空间。设于隔热壁12侧面上的进料海水进口111、给水出口112和循环回水进口113皆与预热槽11相通。预热槽11的薄板底面开出纵槽，底部正下方的位置设置淡水收集槽15，淡水收集槽15侧面设有淡水出口151。

所述的换热罩13为导热材料制成的弧形薄层，换热罩13内壁为刨光面，外壁为布满凸点的粗糙面。换热罩13可有多个，本发明采用两个换热罩13，该换热罩13依次间隔设置在预热槽11的下方，两个换热罩13的端缘与海水淡化装置1的隔热壁12连接，在二个换热罩13、隔热壁12和预热槽11的薄板之间形成了二个内封闭空间，隔热壁12侧面设有抽气口131与该空间相通。换热罩13顶部设置了凹槽132，隔热壁12侧面设有进水口133通往换热罩顶部凹槽132。换热罩13与隔热壁12之间构成了汇水槽14，汇水槽14底部侧面设有出水口141，换热罩13两边下端缘向内延伸的弧形槽构成了淡水收集槽15，淡水收集槽15侧面设有淡水出口151。

所述的加热槽16为U形槽，U形槽是由导热材料制成的弧形面，弧形面构成了海水淡化装置1的底部。加热槽16的内壁敷有金属多孔层，外壁镀有太阳能吸收涂层。加热槽16的端缘与海水淡化装置1的隔热壁12下端缘连接，在加热槽16、隔热壁12和最低位置的换热罩13之间形成了一个内封闭空间，隔热壁12侧面设有抽气口161和进水口162与该空间相通。加热槽16内布置烟气管道17和水位调节器163(如图4所示)，并在底部设有排污口164。

如图2、图4所示，所述的水管道18包括进料海水管181、给水管182、循环回水管183、淡水收集管184。所述的进料海水管181连接预热槽11的进料海水进口111；所述的给水管182的一端连接预热槽11的给水出口112，另一端分成多路支管，分别连接通往换热罩13顶部凹槽132的各个进水口133和加热槽16的进水口162，通往换热罩13顶部凹槽进水口的管道上设置水泵192；循环回水管183的一端连接预热槽11的循环回水进口113，另一端分成多路支管，分别连接各个汇水槽14的出水口141，并且各支管上设置逆止阀191，循环回水管道上设置水泵192；淡水收集管184分别连接各个淡水收集槽15的淡水出口151，并且各支管上设置逆止阀191。

本发明的工作原理：

如图4所示，原海水H通过进料海水管181流入预热槽11并充满预热槽11所在空间，预热槽11内的海水吸收太阳能集热板2传递的热量和一部分水蒸汽的汽化潜热变成预热海水。

预热海水通过给水管182后分成两路：

一路预热海水在水位调节器163的控制下依靠重力作用流入加热槽16内进行补水。加热槽16内的海水吸收聚光反射槽3反射到达的太阳辐射能或烟气管道17的烟气放热量发生沸腾过程产生水蒸汽。当加热槽16内的海水盐度过高时由排污口164排出。

另一路预热海水被水泵192抽送到各个换热罩13顶部的凹槽132内，凹槽132内的海水溢流出并在换热罩13外壁形成流动水膜，水膜吸收换热罩13内壁传递的热量发生膜状蒸发过程产生水蒸汽。未蒸发的热浓海水到达汇水槽14后通过循环回水管183被水泵192抽送到预热槽11内完成一次循环。

上述两种情形生成的水蒸汽上升到达各个换热罩13的内壁和预热槽11的薄板底面发生凝结换热过程被冷凝成水珠。水珠在重力作用下流到淡水收集槽15，所得淡水通过淡水收集管184排出。水蒸汽凝结放出的汽化潜热传递到各个换热罩13的外壁和预热槽11的薄板顶面进行换热过程，传递到换热罩13外壁的热量加热流动水膜产生新的水蒸汽，传递到预热槽11薄板顶面的热量加热预热槽11内的海水。

水蒸汽中的不凝结气体通过抽气口131和抽气口161被抽出，使海水淡化装置1内的各个封闭空间皆维持一定的真空度。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各水管管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种太阳能多效蒸馏系统，其特征在于：它包括海水淡化装置、太阳能集热板和聚光反射槽；所述的海水淡化装置是一个槽式密闭容器，安装在聚光反射槽的正中间；所述的太阳能集热板布置在海水淡化装置的顶面，它是由玻璃盖板和吸热板构成，玻璃盖板和吸热板上下布置；所述的聚光反射槽是由安装反射镜组的弧形反射面和保温底层构成，保温底层紧密贴合在弧形反射面的底面外壁上。

2.根据权利要求1所述的太阳能多效蒸馏系统，其特征在于：所述的海水淡化装置包括预热槽、隔热壁、多个换热罩、汇水槽、淡水收集槽、加热槽、烟气管道、水管道、逆止阀及水泵；所述的预热槽为V形槽，V形槽是由两块导热材料制成的薄板呈V形连接而成，它布置在海水淡化装置内部空间最上方的位置；预热槽的端缘与海水淡化装置的隔热壁连接，在预热槽、隔热壁和太阳能集热板之间形成了一个内封闭空间；设于隔热壁侧面上的进料海水进口、给水出口和循环回水进口皆与预热槽相通；预热槽的薄板底面开出纵槽，底部正下方的位置设置淡水收集槽，淡水收集槽侧面设有淡水出口；所述的换热罩为导热材料制成的弧形薄层，换热罩内壁为刨光面，外壁为布满凸点的粗糙面，多个换热罩的端缘与海水淡化装置的隔热壁连接，在多个换热罩、隔热壁和预热槽的薄板之间形成了多个内封闭空间，隔热壁侧面设有抽气口与该空间相通，换热罩顶部设置了凹槽，隔热壁侧面设有进水口通往换热罩顶部的凹槽，换热罩与隔热壁之间构成了汇水槽，汇水槽底部侧面设有出水口，换热罩两侧下端缘向内延伸的弧形槽构成了淡水收集槽，淡水收集槽侧面设有淡水出口；所述的加热槽为U形槽，U形槽是由导热材料制成的弧形面，弧形面构成了海水淡化装置的底部，加热槽的端缘与海水淡化装置的隔热壁下端缘连接，在加热槽、隔热壁和最低位置的换热罩之间形成了一个内封闭空间，隔热壁侧面设有抽气口和进水口与该空间相通，加热槽内布置烟气管道和水位调节器，并在底部设有排污口；所述的水管道包括进料海水管、给水管、循环回水管、淡水收集管，所述的进料海水管连接预热槽的进料海水进口；给水管的一端连接预热槽的给水出口，另一端分成多路支管，分别连接通往换热罩顶部凹槽的各个进水口和加热槽的进水口，通往换热罩顶部凹槽进水口的管道上设置水泵；循环回水管的一端连接预热槽的循环回水进口，另一端分成多路支管，分别连接各个汇水槽的出水口，并且各支管上设置逆止阀，循环回水管道上设置水泵；淡水收集管分别连接各个淡水收集槽的淡水出口，并且各支管上设置逆止阀。

3.根据权利要求1所述的太阳能多效蒸馏系统，其特征在于：所述的加热槽的内壁敷有金属多孔层，外壁镀有太阳能吸收涂层。

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