CN103288158A - 一种高效太阳能海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效太阳能海水淡化装置，包括具有线聚焦功能的碟式聚光器、带有真空夹层的圆柱型蒸汽发生器、具有核壳双层结构的纳米粒子和套管式换热器；碟式聚光器的聚焦轴与圆柱型蒸汽发生器的中心轴重合；圆柱型蒸汽发生器内部容纳待处理海水，纳米粒子散布于圆柱型蒸汽发生器内的海水中；套管式换热器的套管侧壁的上部具有海水入口，套管侧壁的下部具有海水出口，该海水出口通过密封管道与圆柱型蒸汽发生器侧壁的底部连通；套管式换热器的内管上端连通于圆柱型蒸汽发生器的顶部，下端开口作为淡水出口。利用本发明，借助于散布在海水中的纳米粒子实现了直接流体内部加热的方式，减少了反射和热阻损失，提高了加热效率。

Description

一种高效太阳能海水淡化装置
技术领域
本发明属于太阳能光-热利用技术领域，具体涉及一种高效太阳能海水淡化装置。
背景技术
海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量。目前，全球海水淡化日产量约3500万立方米左右，其中80％用于饮用水。海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视。目前主要的海水淡化方法有基于蒸馏过程的多级闪蒸法、多效蒸馏法、压气蒸馏法等和基于膜处理过程的反渗透法、电透析法等。这两类方法各自有优缺点：蒸馏法对海水预处理要求低，产出淡水即为蒸馏水因而水质较高，但该方法能耗很高因而常与电厂、化工厂的余热利用相配合。膜法虽然能耗低但渗透膜寿命较短且换膜费用高，而且产出淡水品质相对较低。
除了以上两类主要的方法外，利用太阳能进行海水淡化具有低能耗、低运行成本、洁净无污染的显著优点。另外，其装置可独立运行，不受蒸汽、电力等条件限制，对能源紧缺、环保要求高的地区和场合更有突出的应用价值，因而逐渐受到人们重视并被越来越多地采用。
太阳能海水淡化主要利用太阳能加热蒸馏，所以该类装置一般都称为太阳能蒸馏器。然而，对于传统的太阳能蒸馏器，光照辐射经聚焦器聚焦后穿过吸热器玻璃套管最终被吸热器内管外表面吸收产生热量，热量经管壁通过导热方式传递给管内被加热流体(海水)，而在流体内部热量的传递仍然依靠导热方式。鉴于这种热量传递方式，传统的太阳能蒸馏器性能改进思路主要依靠材料的选取、各种热性能的改善以及将它与更高效的太阳能集热器配合使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种高效太阳能海水淡化装置，该装置一改传统装置中热量传递依靠从容器边壁到海水内部的导热方式，而借助于散布在海水中的纳米粒子实现了直接流体内部加热的方式，因而减少了反射和热阻损失，提高了加热效率。同时，由于不再需要价格昂贵的吸热器，因而简化了装置结构，降低了产品成本。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种高效太阳能海水淡化装置，该装置包括具有线聚焦功能的碟式聚光器1、带有真空夹层的圆柱型蒸汽发生器2、具有核壳双层结构的纳米粒子3和套管式换热器4，其中：碟式聚光器1的聚焦轴与圆柱型蒸汽发生器2的中心轴重合；圆柱型蒸汽发生器2内部容纳待处理海水，纳米粒子3散布于圆柱型蒸汽发生器2内的海水中；套管式换热器4具有套管和内管，套管式换热器4的套管侧壁的上部具有海水入口，套管侧壁的下部具有海水出口，该海水出口通过密封管道与圆柱型蒸汽发生器2侧壁的底部连通；套管式换热器4的内管上端连通于圆柱型蒸汽发生器2的顶部，下端开口作为淡水出口。
上述方案中，所述碟式聚光器1用于收集光照辐射并将其聚焦于圆柱型蒸汽发生器2内含有纳米粒子的待处理海水中。所述碟式聚光器1还包括光照辐射追踪系统，以提高日平均效率。
上述方案中，所述圆柱型蒸汽发生器2为玻璃套管结构，夹层经过真空处理，中心轴与碟式聚焦器1的聚焦轴重合，圆柱型蒸汽发生器2内部容纳待处理海水，海水中散布有纳米粒子3，在聚焦光照辐射条件下实现高效加热，快速产生蒸汽。
上述方案中，所述纳米粒子3散布在待处理海水内部，用于在聚焦光照辐射条件下通过表面等离子共振作用实现对粒子周围液体的快速加热。所述纳米粒子3具有核壳双层结构，由金属颗粒11和包裹在外面的陶瓷减反层12构成。所述金属颗粒11为Au、Ag、Ni、Cr、Co等，所述包裹在外面的陶瓷减反层12为Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等。
上述方案中，所述纳米粒子3尺寸为100～120nm，能有效吸收光照辐射并减小反射。
上述方案中，所述套管式换热器4用于海水与蒸汽之间的热交换，同时实现对海水的预热处理和对蒸汽的冷凝处理。
上述方案中，在初始状态时，圆柱型蒸汽发生器2内的海水处于环境温度，海水内部散布有纳米粒子3；装置开始运行时，光照辐射经碟式聚光器1形成线聚焦，加热位于碟式聚光器1聚焦轴的圆柱型蒸汽发生器2，圆柱型蒸汽发生器2中散布于海水中的纳米粒子3在接受到聚焦辐射后，对海水进行局部加热并在数秒钟迅速即可形成蒸汽；蒸汽产生后流经套管式换热器4的内管与套管侧的海水进行热交换，冷凝成为淡水，套管侧海水经过预热后温度上升，进入圆柱型蒸汽发生器2。在装置运行过程中，调节海水供给流量以保证圆柱型蒸汽发生器2内的液位稳定。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，海水淡化过程所需能源全部来自于太阳能，清洁能源的使用满足了二氧化碳零排放和绿色环保的要求。
2、利用本发明，来自聚焦光照辐射的热量直接从内部对流体进行加热，较之传统的太阳能海水淡化装置中热量通过壁面导入流体内部的方式更加高效快捷，从而提高了太阳能热利用效率。
3、利用本发明，借助纳米技术实现流体内部加热，进而不再依赖价格昂贵的传统吸热器，因而可以简化装置结构，降低产品成本，便于推广。
4、利用本发明，借助套管式换热器对海水预加热的同时也对蒸汽进行了冷凝，实现了系统内能量的合理利用，提高了整体效率。
5、本发明对我国的海岛边防以及舰艇船只等特殊地区和环境具有更大优势。在这些条件下太阳能辐照资源良好且化石燃料资源相对缺乏，因而对海水淡化装置有便于安装携带，能耗低的要求。本发明装置具有显著的紧凑高效特点，尤其满足上述场合的需求。
附图说明
图1为本发明提供的高效太阳能海水淡化装置的结构示意图。其中各部件及相应标记为：1-碟式聚光器；2-圆柱形蒸汽发生器；3-纳米粒子；4-套管式换热器。
图2为本发明所涉及到的具有壳核双层结构纳米粒子及其加热产生蒸汽的过程示意图。其中各部件及相应标记为：11-金属纳米颗粒；12-陶瓷减反层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的高效太阳能海水淡化装置的结构示意图，该装置包括具有线聚焦功能的碟式聚光器1、带有真空夹层的圆柱型蒸汽发生器2、具有核壳双层结构的纳米粒子3和套管式换热器4。其中，碟式聚光器1的聚焦轴与圆柱型蒸汽发生器2的中心轴重合；圆柱型蒸汽发生器2内部容纳待处理海水，纳米粒子3散布于圆柱型蒸汽发生器2内的海水中；套管式换热器4具有套管和内管，套管式换热器4的套管侧壁的上部具有海水入口，套管侧壁的下部具有海水出口，该海水出口通过密封管道与圆柱型蒸汽发生器2侧壁的底部连通；套管式换热器4的内管上端连通于圆柱型蒸汽发生器2的顶部，下端开口作为淡水出口。
碟式聚光器1用于收集光照辐射并将其聚焦于圆柱型蒸汽发生器内含有纳米粒子的待处理海水中，由于蒸汽发生器为圆柱型，因而要求该碟式聚焦器1具备实现线聚焦的能力。另外，该碟式聚光器1可增加光照辐射追踪系统以提高日平均效率。
圆柱型蒸汽发生器2为玻璃套管结构，夹层经过真空处理，中心轴与碟式聚焦器的聚焦轴重合。发生器内部容纳待处理海水，海水中散布有纳米粒子3，在聚焦光照辐射条件下实现高效加热，快速产生蒸汽。
纳米粒子3散布在待处理海水内部，用于在聚焦光照辐射条件下通过表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)作用实现对粒子周围邻近液体(海水)的快速加热。纳米粒子具有核壳双层结构，由金属颗粒11(如Au、Ag、Ni、Cr、Co等)和包裹在外面的陶瓷减反层12(如Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等)构成，粒子尺寸为100～120nm，能有效吸收光照辐射并减小反射。
套管式换热器4用于海水与蒸汽之间的热交换，同时实现了对海水的预热处理和对蒸汽的冷凝处理，提高了系统效率并使整体结构更加紧凑。
初始状态时，圆柱型蒸汽发生器2内的海水处于环境温度，海水内部散布有纳米粒子3。装置开始运行时，光照辐射经碟式聚光器1形成线聚焦，加热位于碟式聚光器1聚焦轴的圆柱型蒸汽发生器2，圆柱型蒸汽发生器2中散布于海水中的纳米粒子3在接受到聚焦辐射后，对海水进行局部加热并在数秒钟后迅速产生蒸汽。如图2所示，该加热过程是处于微米量级的纳米粒子的金属颗粒11在聚焦光照辐射条件下发生表面等离子体共振作用，进而对其邻近范围内的液体(海水)进行局部加热。由于该加热过程发生迅速且作用在纳米尺度范围，热量来不及传递到液体内部而主要集中在纳米粒子邻近区域，该区域内液体迅速升温并气化形成微气泡，而形成的微气泡又会将纳米粒子邻近流体与周围液体隔绝并促使局部温度进一步上升。微气泡长大形成蒸汽气泡，期间或与周围气泡合并加速生长，蒸汽气泡在浮力作用下携带纳米粒子一同上升。最终，气泡在脱离液体表面时破裂，内部蒸汽逸出，纳米颗粒在重力作用下重新返回液体内部循环工作。随着圆柱型蒸汽发生器2内海水温度的整体上升，最终会达到沸腾状态，真空夹层的设置大大减少了热量损失。蒸汽产生后流经套管式换热器4的内管与套管侧的海水进行热交换，冷凝成为淡水，套管侧海水经过预热后温度上升，进入圆柱型蒸汽发生器2后能够更快地达到完全沸腾状态，加快了整体产生蒸汽速率。该过程中，应调节海水供给流量以保证圆柱型蒸汽发生器2内的液位稳定。
从上述实施例可以看出，本发明提供的高效太阳能海水淡化装置，将直接加热源纳米粒子散布在待处理海水中，并置于蒸汽发生器内，通过碟式聚光器将光照辐射聚焦在蒸汽发生器内，纳米粒子在聚焦光照辐射条件下直接对待处理海水加热产生蒸汽，经冷凝后得到淡水。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，该装置包括具有线聚焦功能的碟式聚光器(1)、带有真空夹层的圆柱型蒸汽发生器(2)、具有核壳双层结构的纳米粒子(3)和套管式换热器(4)，其中：碟式聚光器(1)的聚焦轴与圆柱型蒸汽发生器(2)的中心轴重合；圆柱型蒸汽发生器(2)内部容纳待处理海水，纳米粒子(3)散布于圆柱型蒸汽发生器(2)内的海水中；套管式换热器(4)具有套管和内管，套管式换热器(4)的套管侧壁的上部具有海水入口，套管侧壁的下部具有海水出口，该海水出口通过密封管道与圆柱型蒸汽发生器(2)侧壁的底部连通；套管式换热器(4)的内管上端连通于圆柱型蒸汽发生器(2)的顶部，下端开口作为淡水出口。
2.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述碟式聚光器(1)用于收集光照辐射并将其聚焦于圆柱型蒸汽发生器(2)内含有纳米粒子的待处理海水中。
3.根据权利要求2所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述碟式聚光器(1)还包括光照辐射追踪系统，以提高日平均效率。
4.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述圆柱型蒸汽发生器(2)为玻璃套管结构，夹层经过真空处理，中心轴与碟式聚焦器(1)的聚焦轴重合，圆柱型蒸汽发生器(2)内部容纳待处理海水，海水中散布有纳米粒子(3)，在聚焦光照辐射条件下实现高效加热，快速产生蒸汽。
5.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述纳米粒子(3)散布在待处理海水内部，用于在聚焦光照辐射条件下通过表面等离子共振作用实现对粒子周围液体的快速加热。
6.根据权利要求5所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述纳米粒子(3)具有核壳双层结构，由金属颗粒(11)和包裹在外面的陶瓷减反层(12)构成。
7.根据权利要求6所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述金属颗粒(11)为Au、Ag、Ni、Cr或Co，所述包裹在外面的陶瓷减反层(12)为Al2O3、SiO2、MgO或TiO2。
8.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述纳米粒子(3)尺寸为100～120nm，能有效吸收光照辐射并减小反射。
9.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述套管式换热器(4)用于海水与蒸汽之间的热交换，同时实现对海水的预热处理和对蒸汽的冷凝处理。
10.根据权利要求1所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，在初始状态时，圆柱型蒸汽发生器(2)内的海水处于环境温度，海水内部散布有纳米粒子(3)；装置开始运行时，光照辐射经碟式聚光器(1)形成线聚焦，加热位于碟式聚光器(1)聚焦轴的圆柱型蒸汽发生器(2)，圆柱型蒸汽发生器(2)中散布于海水中的纳米粒子(3)在接受到聚焦辐射后，对海水进行局部加热并在数秒钟迅速即可形成蒸汽；蒸汽产生后流经套管式换热器(4)的内管与套管侧的海水进行热交换，冷凝成为淡水，套管侧海水经过预热后温度上升，进入圆柱型蒸汽发生器(2)。
11.根据权利要求10所述的高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，在装置运行过程中，调节海水供给流量以保证圆柱型蒸汽发生器(2)内的液位稳定。
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