CN102976540A

CN102976540A - 塔式太阳能-风能海水汽化制水设备

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Publication number: CN102976540A
Application number: CN2012103558190A
Authority: CN
Inventors: 赵贵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102976540B

Abstract

塔式太阳能-风能海水汽化制水设备是由预处理池、浓盐水池、低温加热室、汽化室、冷凝室、凝结室、冷水箱自下而上逐层组建并装配U型气液换热器、喷头、泵、风机等配套产品而组成的塔式紧凑结构，太阳能和风能作为能源动力，综合采用低温加热、海水雾化、涡旋和真空技术，高效能量回收，重复循环利用，海水汽化效率高，产水率大，淡水纯度高，适合于无水、无电和无人居环海岛屿的淡水和电力供应，产品可实现大型化、微型化，进而形成型谱系列化，可通用于沿海、沿江和沿湖内陆的干旱地区，还可安装在舰船上随时制取淡水，节省淡水舱，设备投资小、不耗常规能源、制水成本低，与城市自来水有可比性，生态环境效益好，有利于解决水资源危机问题。

Description

塔式太阳能-风能海水汽化制水设备

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，尤其是涉及一种环海岛屿的海水淡化供水、供电工程，可以推广应用于沿海城市、农村的海水淡化以及内陆地区沿江、沿湖的污水净化，属于海水淡化技术领域和污水净化技术领域。

背景技术

半个多世纪以来，公知的国内外海水淡化技术主要有高温闪蒸蒸馏法、中温多效蒸馏法和反渗透膜法等多种，制水成本高、售水价格贵是共同存在的最大瓶颈性问题，根本无法与现有用水价格相竞争，只能适用于极少数富裕和极端缺水沿海城市中的补充性饮用水和部分工业补水工程，不能用于全部解决沿海城市的生活用水、工业用水、生态环境用水和农业灌溉用水等缺水问题，更不能解决多数经济欠发达大规模缺水的沿海城市和农村的水资源危机，对于沿江、沿河、沿湖等广袤内陆地区严重的干旱缺水问题无法推广应用，特别是对于海域中许多无水、无电、无人居的环海岛屿更无法安装使用。常规海水淡化技术的主要特点是：用城市电网中的电力作为能源动力，驱动蒸汽锅炉或高压水泵，产生中高温蒸汽或高压，通过海水蒸馏或反渗透膜而实现从脱盐制取淡水。其结果是：各海水淡化工艺设备布置分散，占用土地面积多，工程投资大；中高温蒸汽或高压技术，对于设备材料的防腐蚀和承压要求较高，设备投资增大；大量耗用市电网中的电力能源，能耗成本大、制水成本高、售水价格贵，还严重污染沿海城市和海洋的生态环境；常规海水淡化工程的制水纯度差、产水率低、淡水产量小；从根本上制约了其商业化市场的推广应用。

我国各水系中的许多江河湖泊及地下水均受到了不同程度的水质性污染，是导致水资源匮乏的主要原因之一，也是污染和破坏生态环境的根源之一，然而，国内外至今还没有一种理想的技术设备适用于低成本、高效率、大规模的污水净化处理。

发明内容

要解决的技术问题本发明塔式太阳能-风能海水汽化制水设备要解决以下技术问题：

1、现有海水淡化技术只能用于少数沿海城市，不能推广应用于所有沿海城市和农村，无法应用于无水、无电的环海岛屿上，更不能应用于沿江、沿河、沿湖等广袤内陆的干旱缺水地区；

2、现有海水淡化技术的运行动力完全依赖于城市电网中的电力能源，是一个耗电大户，加剧我国的能源危机，运行成本太高，售水价格昂贵，与现有城市自来水价格根本不具备可比性；

3、现有海水淡化技术大量消耗污染性常规能源，对于陆地和海洋的生态环境污染破坏严重；

4、现有海水淡化工程中的各种设备安装在地面上，大量的占用土地，致使工程投资增大，；

5、现有海水淡化技术中，对于电力和锅炉蒸汽的能源利用率很低，而且很难回收和再利用；

6、现有海水淡化采用单一的锅炉高温加热、中温加热或高压反渗透技术，产水率低、淡水产量小、纯度差，很难形成大规模制水，不能全面的解决城市农村的生活用水、工业用水、农业灌溉用水、生态环境用水问题，而且无法远距离输送，不能根本解决我国的干旱缺水问题；

7、现有海水淡化设备规格分级凌乱不清，很难实现性能型谱化、规格系列化和产品通用化；

8、现有海水淡化技术从根本上说，是不符合水运行的自然规律，因而不具有发展前景。

技术方案

以礁滩式环海岛屿上应用的直立型塔式制水设备为代表实例，来说明本发明的技术方案。

本发明的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，简称塔式制水设备，是由塔基中的预处理池、浓盐水池、承重支柱、环形平台，塔身中的低温加热室、正四棱柱筒形冷凝室、汽化室、锥型冷凝室，塔顶中的冷水箱，共三个部分9个主要功能部件自下而上逐层组建而形成的一体化塔式结构，为了不占或少占土地，整体设备选址建筑在环海岛屿的滩涂浅水区，塔基的预处理池在海水面以下，池顶盖板及以上部分在海水面以上；在塔身内部装配U型气液换热器、电辅助加热器、雾化喷头，塔身外部安装水泵、风机、排气阀、检测探头、显示控制器和管路系统；在塔式制水设备的两侧安装配置磁浮风力发电机的风力发电系统，南侧安装窗式孔板太阳能空气集热器矩阵的循环式太阳能加热系统，便组成了塔式太阳能-风能海水汽化制水工程，简称塔式制水工程。

在塔基中，浓盐水池、承重支柱和环形平台均为正方形钢筋混凝土结构，多个承重支柱均匀的同心布置在浓盐水池外围，环形平台建筑在浓盐水池和承重支柱的顶面上，环形平台的外缘周圈均匀的预埋螺栓群。

塔身内部中心的低温加热室和汽化室依次建筑和装配在环形平台的内缘上，而塔身外部结构的正四棱柱筒形冷凝室和锥形冷凝室同心装配在环形平台的外缘上，从而实现了内外两部分的套装结构，内外两部分中间的净空间便形成了凝结室；正四棱柱筒形冷凝室和锥形冷凝室是由复合保温外筒和金属内筒通过底缘和顶缘翻边上的螺栓孔结构同心装配成一体的中空结构，内外两筒之间的净空间通过底缘和顶缘上的大孔口便形成了整个冷凝室内上下贯通的海水流道。

塔顶中的冷水箱安装在冷凝室的顶缘上，顶面设有铅直向的排气管，排气管为金属管时，还兼有避雷针的作用；冷水箱的底板为预先加工好的金属板，中心部分为上凹的曲面，该曲面可以是半球面，也可以是抛物面和圆柱面，在靠近曲面的外环平面上设有周圈的大孔口，以保证冷水箱中的冷水流经大孔口进入锥形冷凝室、正四棱柱筒形冷凝室，并通过管路返回到低温加热室；冷水箱的金属底板和锥形冷凝室及正四棱柱筒形冷凝室中内筒的金属壁面，构成了外侧冷凝室中的冷水和内侧凝结室中的汽化蒸汽之间大面积的换热桥结构，当冷水箱中的冷水均匀的流经冷水箱金属底板、锥形冷凝室和正四棱柱筒形冷凝室中的金属内筒壁面时，大量回收凝结室内的热能，并通过环形管和喷嘴返回低温加热室内重复利用，一方面凝结室的蒸汽高效率凝结成淡水，另一方面凝结室释放出的热能又得到了高效回收和循环利用，对于提高能源利用率、减少太阳能集热器的安装量和降低工程投资十分有利。

低温加热室内上出口断面为设计水位，在设计水位及以下，依次装配海水雾化压力喷头铅直向上的喷射系统、环形管和喷嘴淹没射流的涡流系统和循环式太阳能低温加热系统中的U型气液换热器；安装在低温加热室内表层低温海水中的压力喷头海水雾化系统，通过露出设计水位的压力喷头，将表层低温热水喷射到上面的汽化室内，实现海水的充分雾化；在低温加热室内U型气液换热器和海水雾化系统的中间位置水平布置安装的环形管，环形管顶面均匀安装周圈的多个喷嘴，形成环形管和喷嘴淹没射流的涡流系统，喷嘴射流的仰角θ₁和水平向心偏角θ₂均各自保持一致，射流仰角θ₁＝15°～45°，水平向心偏角θ₂＝15°～30°，大流量的淹没射流产生强烈的涡旋流动，增大低温加热室内海水的紊流度，提高U型气液换热器的换热效率和海水汽化的效率。

在低温加热室的中部安装U型气液换热器是循环式太阳能低温加热系统中的核心产品，一般采用多台并联的连接方式，每台U型气液换热器均以中间的分流板为对称形成上下两个换热单元，每个换热单元中的所有金属板均压型成均匀布置的双向流线型压鼓，各金属板按相背方向相互焊接成一体，形成中间多孔的流线型流道，风电驱动风机将太阳能集热器矩阵内所产生的热能输送到U型气液换热器中，对海水进行循环式高效的低温加热，为了综合提高该产品的性能价格比，低温加热的设计温度T_d≤55℃。

低温加热室的设计水位到环形平台顶面的垂直高度H₁≥10米，以便于在水泵向外抽出淡水时低温加热室内海水液面上产生较大真空度，显著增大海水的汽化效率和淡水产量。

汽化室的剖面形状为方变圆锥形，也可以是方变圆抛物线型或方变圆流线型管嘴型，汽化室的壁面为复合保温结构，汽化室的高度H₀是顶口内径D₀的3-4倍，方形底口的宽度B₀与顶口直径D₀的比值为(2～4)。

山体式环海岛屿上的倾斜型塔式制水设备是礁滩式环海岛屿的直立型塔式制水设备的一种变沿，制水原理和主体构造基本相同，将直立型塔式制水设备沿北侧面的铅垂中心线半径方向剖开并展平，两侧面封闭，形成一个三层结构的复合体，再倾斜的安装在坡面上。

在塔式制水设备的南向安装窗式孔板太阳能空气集热器矩阵，组成循环式太阳能加热系统，两侧安装磁浮风力发电机，组成风力发电系统，为塔式制水设备的海水汽化制取淡水提供可靠的能源动力保证。

运行原理海风推动磁浮风力发电机运转发电，海水在自然压力下，经滤水网滤清和引水管自流进入海水预处理池，经过各级预处理后形成清水，进入末端清水池；风电驱动水泵①抽送清水到塔式制水设备顶部的冷水箱，在重力作用下冷水流经锥形冷凝室和正四棱柱筒形冷凝室，再通过环形管和喷嘴，以射流的方式进入低温加热室内，形成强烈的海水涡旋紊动；当低温加热室内的水位淹没U型气液换热器时，风电驱动风机运转，将窗式孔板太阳能空气集热器矩阵所产生的热空气输送到U型气液换热器内对海水进行循环式低温加热；风电驱动水泵②抽取低温加热室内被加热后的表层热水经雾化喷头喷射，在汽化室内雾化；汽化室的结构实质上是一个管嘴式太阳能烟囱，在低温加热、喷头雾化、喷嘴涡旋和烟囱效应联合技术的作用下，低温加热室内的海水汽化蒸发，并形成蒸汽在汽化室内向上浮升流动，并进入凝结室；蒸汽流经过冷水箱的金属底板和冷凝室内，通过冷水流经的金属板释放热能、降温、凝结而形成淡水，逐渐积存在凝结室底部，凝结室内的水位逐渐升高；此时，安装在凝结室中部的排气阀经检测探头和显示控制器的指令被自动打开，汽化室和凝结室内原有的空气在汽化室内蒸汽流的推力和凝结室内上升水位的挤压下，逐渐从排气阀排出；当凝结室内的淡水水位上升到排气阀内口时，表明汽化室和凝结室内原有的空气已经排净，检测探头和显示控制器指令排气阀关闭；打开水泵④和水泵③的压力管道阀门，风电驱动水泵④抽取凝结室底部的淡水输送到供水系统中的水塔，同时，风电驱动水泵③抽取浓盐水池内的浓盐水到岛上加工厂，凝结室和汽化室内的压强同时急速下降，形成汽化室内的较大真空度，低温加热室内的海水在低温加热、雾化喷头、喷嘴涡旋、烟囱效应和真空技术的共同作用下，急速高效的汽化蒸发，形成高速蒸汽流动，连续高效的热交换，遇冷、降温、升压、凝结成淡水；蒸汽凝结所释放出的热能被冷凝室的冷水高效率吸收，并随水流返回到低温加热室内循环利用；使塔式制水设备进入设计制水量工况下的稳定高效运行。

有益效果

1、将海水预处理、低温加热、雾化喷头、真空、烟囱效应、汽化蒸发、冷凝、凝结各工艺部件沿铅直向组合，设备结构紧凑，组建在浅水区，不占用土地，减小制水工程的总投资。

2、塔式制水设备各工艺的铅垂向组合，巧妙地实现了能量的高效回收和循环利用，使工程系统的运行效率大大提高，太阳能集热器产品的安装面积显著减少，使工程总投资明显降低。

3、采用太阳能和风能替代市电网的电力，显著降低制水成本，售水价格低，保护生态环境。

4、利用海水作为制水原料，可以稳定的获得廉价、高纯度和大流量的淡水，具有与城市自来水价格的竞争性，从制水后的浓盐水中制取海盐、提炼贵重的化学元素，综合经济意义显著。

5、塔式制水设备应用于环海岛屿，能为我国6000多个无水、无电、无人居的三无岛屿有效提供充足的淡水和电力，为居住和驻守海岛、开发海洋资源和保护领海权益提供可靠保证。6、塔式制水设备还可以通用于我国沿海地区和内陆沿江、沿湖地区，为众多城市和广大农村提供生活用水、工业用水、生态环境用水和农业灌溉用水等，有效解决水资源危机问题。

7、塔式制水设备有利于实现大型化和微型化生产，从而可实现不同规格产品的型谱化和系列化，以满足环海岛屿、沿海地区和沿江沿湖地区的城市、农村及舰船等各种市场需要。

8、塔式制水设备还可用于污染的江河湖泊，进行污水净化，解决生态环境污染破坏的根源。

9、塔式太阳能-风能海水汽化制水设备同样也适用于世界各国，具有广泛的市场推广价值。

附图说明

本发明的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备有直立型和倾斜型两种，但结构原理相同，以直立型塔式制水设备的技术方案为实施例结合附图对本发明进一步说明。

图1、图2、图3和图4分别是塔式制水设备的预处理池的建筑平面示意图、池顶面俯视图、A-A剖面图和C-C剖面图。

图5、图6、图7、图8、图9和图10分别是在浓盐水池、低温加热室南墙中7个预埋管件的示意图，7个预埋管件包括水泵③的吸水管、带法兰盘的上下短风管、左右水平粗水管、水泵②的吸水管和压水管。

图11、图12、图13和图14分别是U型气液换热器连接管件的俯视图、正视图、A-A剖面图和B-B剖面图。

图15、图16和图17分别是U型气液换热器的俯视图、A-A剖面图和B-B剖面图。

图18、图19和图20分别是环形管和喷嘴的俯视图、侧视图和A-A剖面图。

图21和图22分别是雾化喷头的装配示意图和剖面示意图。

图23是直岔管、检测探头和排气阀的装配结构示意图。

图24、图25、图26、图27和图28分别是在低温加热室内部装配好U型气液换热器连接管、U型气液换热器、环形管、喷嘴、雾化喷头产品以后浓盐水池和低温加热室的俯视图、正视图、A-A剖面图、B-B剖面图和C-C剖面图。

图29、图30、图31和图32分别是汽化室的俯视图和三种汽化室形式的剖面图。

图33、图34、图35和图36分别是正四棱柱筒形冷凝室的俯视图、正视图、A-A剖面图和B-B剖面图。

图37和图38分别是方变圆锥形冷凝室的俯视图和A-A剖面图。

图39和图40分别是冷水箱的俯视图和A-A剖面图。

图41、图42、图43、图44、图45、图46、图47、图48、图49、图50、图51、图52、图53、图54和图55分别是水泵①、水泵②、水泵③、水泵④、风机、药液投料搅拌器、电辅助加热器和显示控制器产品的结构示意图和简图符号。

图56、图57、图58和图59分别是安装水泵①、水泵③、水泵④、风机、药液投料搅拌器、电辅助加热器和显示控制器产品以后塔式制水设备俯视图、A-A剖面图、B-B剖面图和C-C剖面图。

图60和图61分别是磁浮风力发电机的结构示意图和简图符号。

图62和图63分别是窗式孔板太阳能空气集热器产品和集热器矩阵示意图。

图64、图65和图66分别是塔式制水工程的俯视图、正视图和侧视图。

图67和图68是山体式环海岛屿上倾斜型塔式制水设备的正视图和A-A剖面结构示意图。

附图中，1、环海岛屿，2、岛岸线，3、南向滩涂浅水区，4、磁浮风力发电机，5、窗式孔板太阳能空气集热器，6、塔式制水设备，7、预处理池，8、浓盐水池，9、低温加热室，10、汽化室，11、冷凝室，12、凝结室，13、冷水箱，14、静水池，15、I级处理池，16、II级处理池，17、清水池，18、海平面，19、海底面，20、预处理池南围护墙，21、短引水管，22、长引水管，23、滤水网，24、溢流口，25、池顶盖板，26、正方形ABCD塔基底面，27、水泵①，28、水泵③，29、水泵④，30、风机，31、药剂投料搅拌器，32、显示控制器，33、承重支柱，34、环形平台，35、螺栓群②，36、低温加热室顶面，37、螺栓群①，38、水泵③吸水管，39、水泵③压水管，40、岛岸加工厂，41、带法兰盘的短风管，42、U型气液换热器连接管，43、U型气液换热器，44、电辅助加热器，45、热风管，46、冷风管，47、水泵②吸水管，48、水泵②压水管，49、水泵②，50、铅直短管，51、雾化喷头，52、低温加热室内设计水位，53、水平粗水管，54、环形管，55、喷嘴，56、铅垂粗水管，57、钢筋混凝土n字形门洞，58、门洞侧墙，59、门洞侧墙底部，60、门洞侧墙底部的外侧管孔，61、门洞侧墙底部的内侧淡水管，62、水泵④吸水管，63、水泵④压水管，64、蓄水塔，65、门洞侧墙顶部，66、预埋直岔管，67、排气阀，68、检测探头，69、汽化室壁面，70、汽化室底缘，71、汽化室底缘螺栓孔①，72、汽化室顶口，73、正四棱柱筒形冷凝室，74、正四棱筒形冷凝室柱复合保温外筒，75、正四棱柱筒形冷凝室金属内筒，76、正四棱柱筒形冷凝室顶缘，77、正四棱柱筒形冷凝室底缘，78、正四棱柱筒形冷凝室顶缘和底缘上的螺栓孔②，79、正四棱柱筒形冷凝室顶缘上的大孔口②，80、n字形窗口，81、n字形窗口侧面板，82、管箍，83、方变圆锥形冷凝室，84、方变圆锥型冷凝室复合保温外筒，85、方变圆锥型冷凝室金属内筒，86、方变圆锥型冷凝室顶缘，87、方变圆锥型冷凝室底缘，88、锥形冷凝室顶缘和底缘上的螺栓孔③，89、锥形冷凝室顶缘和底缘上的大孔口①，90、冷水箱顶面，91、冷水箱圆柱侧壁面，92、冷水箱顶面铅直金属排气管，93、冷水箱圆柱筒底缘，94、冷水箱圆柱筒底缘螺栓孔④，95、冷水箱给水弯管，96、冷水箱金属底板，97、冷水箱底板的上凹曲面，98、冷水箱底板的外环平面，99、冷水箱大孔口③，100、冷水箱底板螺栓孔⑤，101、上凹曲面空间，102、锥型筒空间，103、正四棱柱筒形空间，104、水泵①压水管，105、山体式环海岛屿，106、倾斜型塔式制水设备，107、水泥坡面，108、水泥侧墙，109、流线型支墩，110、横梁，111、第一层复合保温板，112、一层空间，113、压型金属板，114、下金属导流柱，115、上金属导流柱，116、二层空间，117、第二层复合保温板，118、三层空间，119、平行六面体冷水箱，120、复合六面体，121、倾斜型塔式制水工程。

具体实施方式

在礁滩式环海岛屿1的岛岸线2选址一个适宜的南向滩涂浅水区3建设塔式太阳能-风能海水汽化制水工程，该工程是由多台磁浮风力发电机4所组成的风力发电系统、窗式孔板太阳能空气集热器5矩阵所组成的循环式太阳能加热系统和塔式制水设备6三大部分共同组成。塔式太阳能-风能海水汽化制水设备是整体工程中的主体，由海水预处理池7、浓盐水池8、低温加热室9、汽化室10、冷凝室11、凝结室12和冷水箱13七个主要部件自下而上逐层组建和装配而成，同时，在塔式制水设备上装配动力设备、电辅助加热设备、显示调控器、输气管路、输水管路、输电线路等。

如图1、图2、图3和图4所示的钢筋混凝土预处理池，是塔式太阳能-风能海水汽化制水设备的基础，由静水池14、I级处理池15、II级处理池16和清水池17四个主要功能水池紧凑的围合成一个矩形面积，总长度为a₀，总宽度为b₀；预处理池池墙的墙基建筑在海平面18以下的海底面19上，各墙的顶面高程齐平且高于海平面；在静水池的南围护墙20底部预埋一根短引水管21，短引水管的外口接一根长引水管22，沿海底坡面铺设，进入深海区的表层海水以下，长引水管的进水口装配有滤水网23，以便于在自然水压下温度较低、污染较轻的海水自流进入静水池；在预处理池隔墙的墙顶上，按对角线的布置方式预留好一定宽度和深度的矩形断面海水溢流口24；在池墙顶平面上建筑钢筋混凝土池顶盖板25，其中，正方形ABCD的池顶盖板为塔式制水设备的塔基底面26；在池顶盖板的预定位置上，预留有水泵①27、水泵③28、水泵④29、风机30、药剂投料搅拌器31和显示控制器32的底座和预留孔。

图5、图6、图7、图8、图9和图10是预先加工制作好预埋在塔式制水设备中浓盐水池和低温加热室南墙内的5种7个管件，包括：水泵③的吸水管、上下两个带法兰盘的短风管、左右两个水平粗水管和水泵②的吸水管和压水管。

图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22和图23是预先加工生产和购置好准备安装在塔式制水设备内的U型气液换热器连接件、U型气液换热器、环形管、喷嘴、雾化喷头、预埋直岔管、排气阀和检测探头8个产品的示意图。

如图24、图25、图26、图27和图28所示，是在塔内安装7个预埋管件和8个配套产品以后的浓盐水池、承重支柱、环形平台和低温加热室的俯视图、正视图和A-A、B-B、C-C三个剖面图，在预处理池池顶盖板上边长为B₄的ABCD正方形面积中心处，建筑钢筋混凝土结构的浓盐水池，浓盐水池为正方形，内边长为B₀，外边长为B₁，高度为H₂，沿四个周边均匀布置建筑承重支柱33，支柱数量为4根或以上，高度与浓盐水池相同，在浓盐水池池顶和承重支柱的顶面上建筑环形平台34，环形平台及其以下的浓盐水池、承重支柱和预处理池统称为塔式制水设备的基础，简称为塔基；在环形平台的内缘周圈上建筑正方形的低温加热室，低温加热室的内墙面和外墙面与浓盐水池的相应墙面一致，即，低温加热室的内边长为B₀，外边长为B₁，高度为H₁，低温加热室建筑后的环形平台剩余宽度为b＝(B₄-B₁)/2，设计要求低温加热室的高度H₁≥10米；在环形平台的外缘周圈均匀预埋螺栓群②35，在低温加热室的顶面36上预埋螺栓群①37；沿浓盐水池和低温加热室南墙的铅垂中心线自下而上预埋各管件，其中，水泵③的吸水管38预埋在浓盐水池南墙的底部，吸水管内口直通浓盐水池，外口与水泵③和压水管39连接，直通岛岸上的加工厂40，以便于抽送浓盐水池中的浓盐水到加工厂制盐和化学元素提炼；将低温加热室南墙的铅垂中心线段，分为上中下三个区段，中区段南墙的上下位置预埋上下两个带法兰盘的短风管41，两个短风管的内口分别通过上下两个U型气液换热器连接管42与U型气液换热器43的进出口接通，上短风管外口依次向外连接电辅助加热器44、热风管45和窗式孔板太阳能空气集热器矩阵的出口接通，下短风管外口依次向外连接冷风管46、风机和窗式孔板太阳能空气集热器矩阵的进口连通，从而形成一个循环式太阳能低温加热系统；在上区段南墙的顶部，上面预埋水泵②吸水管47，下面预埋水泵②压水管48，吸水管的内口直通低温加热室，外口通过管道向下与水泵②49和压水管外口连接，压水管沿水平方向直通低温加热室中心，内口安装开口向上的90°弯头、铅直短管50和雾化喷头51，并使雾化喷头露出低温加热室内的设计水位52，以便于水泵③抽取低温加热室内被加热的表层海水经喷头喷射至汽化室内充分雾化；在水泵②压水管和带法兰盘的上短风管中间点的两侧，对称的预埋左右两根水平粗水管53，两个内口与环形管54连通，在环形管的顶面上均匀布置着周圈的低压喷嘴55，喷嘴的射流仰角θ₁和射流的水平向心偏角θ₂均各自保持一致，θ₁＝15°～45°，θ₂＝15°～30°，两个水平粗水管的外口通过弯头向下安装铅垂粗水管56；为便于低温加热室南墙上各预埋管件外口的连接装配、调试和维修，在低温加热室南墙面预埋各管件的条形区域外围，建筑一个钢筋混凝土的n字形门洞57，门洞深度为b，门洞的左右两个侧墙58坐落在环形平台上，门洞的顶面略低于低温加热室顶面；在门洞两个侧墙底部59均预留出左右两个管孔，靠外侧的两个粗管孔60用以安装粗水管，靠内侧的两个管孔内预埋好内侧淡水管61，淡水管的外口与一个水平向的Y形三通管件连接，三通的汇流出口再安装水泵④的吸水管62、水泵④和压水管63，压水管直通淡水供应系统的蓄水塔64；在n字形门洞的一个侧墙顶部65靠近低温加热室外墙面的位置，预埋一个直岔管66，以便于安装排气阀67和检测探头68，随时在系统运行中检测凝结室内流体流动的温度、压力和水位变化值。

如图29、图30、图31和图32所示，是预先加工好的汽化室部件示意图，汽化室为方变圆的锥形，剖面形状是直锥型，也可以是抛物线型和标准流线管嘴型，汽化室的壁面69为复合保温的三层结构，内外层为非金属复合材料板加工而成，中间为保温层，将汽化室底缘70上的螺栓孔①71和低温加热室顶面上的螺栓群①对齐套入并密封固定安装；汽化室顶口72的内径为D₀，底口的内边长为B₀，汽化室的设计值：B₀＝(2～4)D₀，高度H₀＝(3～4)D₀。

如图33、图34、图35和图36所示，是预先加工生产好的一个正四棱柱筒形冷凝室73，属于整个冷凝室的下半部分，由正四棱柱筒形冷凝室复合保温外筒74同心套装在正四棱柱筒形冷凝室金属内筒75的外面，内外两个筒间的净空间距离均保持一定尺寸b₂，该空间是正四棱柱筒形冷凝室内的海水流动通道；内外两个筒的顶口和底口均加工成90°的内外翻边，翻边相互搭接装配后形成正四棱柱筒形冷凝室的顶缘76和底缘77，在顶缘和底缘的悬臂外缘周圈上，均设有螺栓孔②78，孔径、间距和数量与环形平台上的预埋螺栓群一致，在正四棱柱筒形冷凝室流体通道正上方的顶缘周圈设有均匀布置的大孔口②79，以便于海水的畅通流动；在正四棱柱筒形冷凝室南侧面顶缘以下，沿铅垂中心线预留一个n字形窗口80，窗口的顶面和左右两个侧面均采用顶面板和侧面板81牢靠封死，窗口的内宽度和高度与低温加热室南墙壁面上的钢筋混凝土n字形门洞尺寸相应一致，以便于在与低温加热室同心套装时配合安装和密封固定，正四棱柱筒形冷凝室的底面密封固定在环形平台的螺栓群②上，n字形窗口上面的顶缘则通过螺栓孔与n字形门洞上的螺栓群密封固定，n字形窗口的两个内侧面和n字形门洞的外侧面采用不锈钢角钢牢靠的密封固定；在n字形窗口两个内侧面板的底部，均预留有对称的两个管孔，两个管孔内安装固定管箍82，管箍的外口与n字形门洞底部的外侧管孔相对；当正四棱柱筒形冷凝室同心套装并密封固定在低温加热室的外面以后，正四棱柱筒形冷凝室的顶口与低温加热室的顶口齐平，即高度为H₁，内边长为B₂，外边长为B₄，内壁面和低温加热室外壁面之间的净空间间距为b₃，b₃＝(B₂-B₁)/2，该空间即为凝结室。

如图37和图38所示的方变圆锥形冷凝室83，和正四棱柱筒形冷凝室的结构相似，由锥形冷凝室复合保温外筒84和锥形冷凝室金属内筒85同心套装而成的中空结构，内外筒的顶口和底口同样是加工成90°的内外翻边，翻边相互搭接装配后形成方变圆锥形冷凝室的顶缘86和底缘87，在顶缘和底缘的悬臂外缘周圈上，均设有螺栓孔③88，底缘上的螺栓孔孔径、间距和数量与正四棱柱筒形冷凝室顶缘上的螺栓孔相应一致，在锥型冷凝室的顶缘和底缘周圈均设有均匀布置的大孔口①89，以便于海水的畅通流动；锥形冷凝室的高度为H₀，顶口内径为D₁，底口内边长为B₂，外边长为B₄；将整体的方变圆锥形冷凝室同心的套装在方变圆锥形汽化室的外侧面，底缘上的螺栓孔与正四棱柱筒形冷凝室顶缘上的螺栓孔对正并使用螺栓密封固定，装配后的锥形冷凝室顶面与里面的汽化室顶口齐平。

如图39和图40所示，是一个圆柱体的冷水箱，冷水箱的圆形顶面90和圆柱侧壁面91是由非金属复合材料加工制造而成的圆柱筒，顶面上预先设有一个内螺扣管孔，在管孔内安装一根铅直向上的金属排气管92，排气管兼有避雷针的功能，圆柱筒底缘93是预先加工好的90°外翻边，底缘的中心圆周上设有螺栓孔④94；圆柱筒的侧面底部预留有一管孔，圆孔内安装一个开口向下的给水弯管95；与圆柱筒装配的冷水箱底板96是一个预先加工好的金属板，底板中心处是一个向上凹起的曲面97，曲面可以是半球面或旋转抛物面，半球面的直径为D₁，底板的外环平面98上设有内外两排周圈的孔口，内排孔口为流体流通的大孔口③99，大孔口的孔径、间距和数量与锥型冷凝室顶缘的大孔口对应一致，外排孔口为螺栓孔⑤100，与锥型冷凝室顶缘的螺栓孔对应一致；将冷水箱圆柱筒、冷水箱金属板和锥型冷凝室顶缘的螺栓孔、大孔口对齐，使用螺栓将三者密封固定，此时，塔式制水设备的主体安装完成；汽化室顶口和冷水箱底板之间的上凹曲面空间101、锥型冷凝室与汽化室之间的锥型筒空间102、四棱柱冷凝室与低温加热室和钢筋混凝土n字型窗口外侧面围合的正四棱柱筒形空间103共同组成了一个整体的凝结室。

如图41、图42、图43、图44、图45、图46、图47、图48、图49、图50、图51、图52、图53、图54和图55所示，是在塔式制水设备主体外部需要装配的8种产品结构图和简图符号，产品包括：水泵①、水泵②、水泵③、水泵④、风机、药剂给料搅拌器、电辅助加热器、排气阀、检测探头和显示控制器。

图56、图57、图58和图59是在上述8种产品安装以后塔式制水设备的俯视图和A-A、B-B、C-C三个剖面的装配结构示意图，从冷水箱给水弯管的管口向下铺设水泵①的压水管104；与预处理池池顶盖板上的水泵①连通；在正四棱柱筒形冷凝室窗口侧面板底部的两个预留管箍上对称安装短管道，穿过n字形门洞侧墙底部的外管孔，通过向上的90°弯头和两个铅垂粗水管的下管孔连通，至此，直立型塔式太阳能-风能海水汽化制水设备组建完成。

图60和图61分别是磁浮风力发电机的产品结构示意图和简图符号；图62和图63分别是窗式孔板太阳能空气集热器和集热器矩阵的示意图；磁浮风力发电机安装在塔式制水设备的两侧，对于多台塔式制水设备的制水工程，则在塔式制水设备的中间，按风电场的设计要求安装多台磁浮风力发电机，配套安装输电设备和线路，形成一个独立的风电网，为塔式制水设备中的所有动力设备运行和环海岛屿上的其它功能应用提供全部电力；由多台窗式孔板太阳能空气集热器组成的集热器矩阵安装在塔式制水设备南侧预处理池顶面盖板上，集热器矩阵的进出口分别与热风管、冷风管、风机、电辅助加热器、带法兰的短风管和U型气液换热器连接，从而形成了一个循环式太阳能低温加热系统，用于对低温加热室内的海水进行低温加热。

图64、图65和图66是建设在礁滩式环海岛屿上的塔式制水设备装配风力发电系统和循环式太阳能低温加热系统以后的塔式制水工程的总体布置示意图。

如图67和图68所示，是山体式环海岛屿105的倾斜型塔式制水设备106的正视图和结构剖面示意图，具体施工方法是：首先，在预先选定好的山体式岛屿山坡面上，按山势的自然坡度平整成一个一定坡度的倾斜水泥坡面107，底缘与海水预处理池的池顶盖板衔接；沿倾斜水泥坡面的东西两个边线对称建筑水泥侧墙108，两个侧墙的底面与预处理池池顶盖板建筑成一体；沿侧墙的中心线方向，在墙体内自下而上的预埋水泵③吸水管、带法兰的上下短风管、短粗水管、水泵②吸水管和压水管；在倾斜水泥坡面上合理布置安装若干排流线型支墩109，使所有流线型支墩的顶面形成一个倾斜平面，在支墩的顶面上固定安装横梁110，横梁的两端固定在水泥侧墙内；在低温加热室区域内的各排流线型支墩的中间，自下而上的安装固定U型气液换热器连接管、U型气液换热器、环形管、喷嘴、雾化喷头，并与水泥侧墙内相应的预埋管件内口对应连接；在横梁上安装固定第一层复合保温板111，两侧与侧墙密封固定，使复合保温板与水泥坡面间形成一层空间112，该空间自下而上自然形成浓盐水池、低温加热室和汽化室，其中，低温加热室与汽化室的分界水平面便是设计水位；在第一层复合保温板上面安装一层压型的金属板113，金属板的两侧与侧墙密封固定，该金属板的下面预先焊接好一定数量的流线型下金属导流柱114，在金属板上面预先焊接好流线型上金属导流柱115，下金属导流柱底面与第一层复合保温板固定，使金属板和第一层复合保温板之间形成了二层空间116，该空间便是凝结室；上金属导流柱的顶面与侧墙顶面高程相同，在上金属导流柱的顶面和等高程的两个侧墙顶面上安装固定第二层复合保温板117，该保温板和金属板之间所形成的三层空间118便是冷凝室；在与凝结室空间底部相对应的侧墙内预埋水泵④的吸水管，中部侧墙预埋直岔管；在冷凝室底部相对应的两个侧墙内各预埋安装一根短粗水管，外管口通过管件与低温加热室侧墙外的短粗水管外口连通；在汽化室、凝结室和冷凝室的顶口平面上安装固定平行六面体的冷水箱119，冷水箱的构造原理和与汽化室、凝结室、冷凝室的装配方法，与直立型塔式制水设备完全相同，侧墙内预埋管件外口与塔体外需要装配的各水泵、压水管、风机、电辅助加热器、冷热风管、排气阀、检测探头、显示控制器等产品的安装方式也相同，待各产品安装完毕后，该三层空间的复合六面体120便是倾斜型塔式制水设备，配置磁浮风力发电机及其供电系统和窗式孔板太阳能空气集热器及其循环式太阳能低温加热系统，便组成了山体式环海岛屿供水、供电的倾斜型塔式制水工程121。

Claims

1.本发明所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备是由塔基中的预处理池、浓盐水池、承重支柱、环形平台，塔身中的低温加热室、正四棱柱筒形冷凝室、汽化室、锥型冷凝室，塔顶中的冷水箱，共三个部分9个主要功能部件自下而上逐层组建而形成的一体化塔式结构。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：在塔基中，预处理池池顶盖板以下的部分均建筑在海平面以下，池顶盖板以上的浓盐水池、承重支柱和环形平台均为正方形钢筋混凝土结构，多个承重支柱均匀的同心布置在浓盐水池外围，环形平台建筑在浓盐水池和承重支柱的顶面上，环形平台的外缘周圈均匀的预埋螺栓群。

3.根据权利要求1或2所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：塔身是由中心结构的低温加热室、汽化室与外围结构的正四棱柱筒形冷凝室、锥形冷凝室分别同心套装在一起，并分别组建装配在环形平台的内缘和外缘上，使套装后中心结构和外围结构之间的净空间形成了凝结室，其中，正四棱柱筒形冷凝室和锥形冷凝室是由复合保温外筒和金属内筒通过底缘和顶缘翻边上的螺栓孔结构同心装配成一体的中空结构，内外两筒之间的净空间通过底缘和顶缘上的大孔口形成了上下贯通的冷凝室。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：塔顶中的冷水箱金属底板中心部分为上凹的曲面，该曲面可以是半球面，也可以是抛物面和圆柱面，靠近曲面的外环平面上设有大孔口，以保证冷水箱中的冷水流经大孔口进入锥形冷凝室。

5.根据权利要求1或3所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：低温加热室内上出口断面为设计水位，在设计水位及以下，依次装配海水雾化压力喷头铅直向上的喷射系统、环形管和喷嘴的淹没射流涡流系统及循环式太阳能低温加热系统中的U型气液换热器。

6.根据权利要求1、3或5所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：环形管和喷嘴淹没射流的涡流系统中，喷嘴射流的仰角θ₁和水平向心偏角θ₂均各自保持一致，射流仰角θ₁＝15°～45°，水平向心偏角θ₂＝15°～30°。

7.根据权利要求1、3或5所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：循环式太阳能低温加热系统中的U型气液换热器为多台并联方式，每台U型气液换热器均以中间的分流板为对称形成上下两个换热单元，每个换热单元中的所有金属板均压型成均匀布置的双向流线型压鼓，各金属板按相背方向相互焊接成一体，形成中间多孔的流线型流道，低温加热的设计温度T_d≤55℃。

8.根据权利要求1、3或5所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：低温加热室的设计水位到环形平台顶面的垂直高度H₁≥10米。

9.根据权利要求1或3所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：汽化室的剖面形状为方变圆锥形，也可以是方变圆抛物线型或方变圆的管嘴型，汽化室的壁面为复合保温结构，汽化室的高度H₀是顶口内径D₀的2-4倍。

10.根据权利要求1、3、4、5或6所述的塔式太阳能-风能海水汽化制水设备，其特征是：冷水箱中的冷水在流经锥形冷凝室和正四棱柱筒形冷凝室的海水流道中的金属内筒壁面、由冷水箱底板的金属曲面和锥形冷凝室及正四棱柱筒形冷凝室中内筒的金属壁面构成了外侧冷凝室中的冷水和内侧凝结室中的汽化蒸汽之间大面积的换热桥结构，大量回收热能并通过环形管和喷嘴返回低温加热室内重复利用。