CN103626247B - 一种太阳能海水蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能海水蒸发器，其包括依次相连的海水预处理单元（1）、海水箱（3）、提升泵（5）和换热水箱（8），换热水箱（8）内设有螺旋换热管（9），螺旋换热管（9）的下端设有淡水收集出口；换热水箱（8）的下侧出口接至太阳能热管式集热器（14）的一端入水口，太阳能热管式集热器（14）的另一端出水口接至太阳能蒸馏器（21），太阳能蒸馏器（21）两侧的冷凝管路通过气泵（20）接至螺旋换热管（9）的上端接口处；太阳能蒸馏器（21）尾部设有淡水收集出口、浓盐水收集出口。本发明采用太阳能海水淡化核心技术，成倍提高太阳能海水淡化的产水率。
Description
技术领域
本发明涉及高效节能的海水淡化装置，特别是涉及一种太阳能海水蒸发器。
背景技术
目前世界海水淡化装置容量增长迅速，正以10%～30%的速度增长，且增长幅度仍在逐渐增大。全世界有130多个国家正在进行海水淡化，淡化能力一半以上集中在中东海湾国家，占中东淡水来源70%。国内外工程化的海水淡化工艺路线主要为热法和膜法两种。但这两种方法都存在预处理复杂、设备国产化低、能源消耗较大、处理费用较高的问题。海水淡化每吨水综合成本在8元人民币左右。对生活、生产用户大规模的使用比较困难。鉴于环境压力大且面临化石能源枯竭问题，利用新能源进行海水淡化已刻不容缓，其中核能海水淡化和太阳能海水淡化研究最多。此外，将不同的海水淡化常规工艺进行结合，把淡化后的浓盐水加以利用，也是未来海水淡化发展的一个重要趋势。利用太阳能进行海水淡化的方式有两种：一是利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程；二是利用太阳能获得电能驱动渗析过程。目前太阳能海水淡化的研究和应用以蒸馏法为主，传统太阳能蒸馏器单位面积产量过低（在晴好天气下，每平方米采光面积的产淡水量在3.5-4.0kg左右。）是其难以得到大规模推广的主要原因。现有的太阳能蒸馏器存在三个严重缺陷，其一是蒸汽的凝结潜热未被重新利用，而是通过盖板散失到大气中去了；其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；其三是传统太阳能蒸馏器中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。
为了提高太阳能海水淡化蒸馏器的产水率，国内外的学者设计出了很多类型的太阳能蒸馏器。现代的太阳能海水淡化大多采用主动式，如多效回热式太阳能海水淡化装置，产水率高，但也消耗不少电能；一些国外学者提出利用空气的增湿除湿来实现太阳能海水淡化，该法不需高温和低压，装置简单；此外，蒸汽热量的回收也引起的学者的关注，如在太阳能蒸馏器四周安装循环冷却水管强化冷凝，冷凝潜热得到利用，并分别以淡水、海水及工业废水为样品进行了性能试验，发现最大的日产水量大约1.4L·m-2·d-1，水质与雨水和矿物质水相当，大大提高了太阳能蒸馏器的效率；还有使用复合抛物型太阳能集热器的低温多效蒸馏器，研究内部动态过程并建立了低复杂度的太阳能场用蓄热系统模型和蒸馏器产水量模型，仿真数据与实验结果一致等。国内已有学者研制出一种新型闭式太阳能海水淡化装置，该装置采用双塔式结构，由于回收了高温浓海水和冷却海水，且可昼夜不间断地运行，在西安地区进行性能模拟实验月平均产水量可达4.6kg/m2·d；还有结合太阳能空气集热器和太阳能热管、利用空气增湿除湿来实现海水淡化的方法，以电吹风模拟太阳能空气集热器的蒸发器实验，计算出系统的产水率为12.4%；采用涡旋式真空泵实现海水负压蒸发，热泵供热循环充分回收水蒸气的凝结潜热，组合式蒸发冷凝器用来减小海水热容，带冷热水箱的新型太阳能集热器以提高海水的集热温度，得到了优化的蒸发温度为Te=57℃。由此可见，高效节能的太阳能海水淡化系统已在环保行业出现。
与此同时，太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分，得到了众多国家政府的大力支持。20世纪70年代以来，美国、德国、日本等国政府陆续出台相关政策，加大太阳能光伏发电产业的发展力度，使得世界光伏发电产业高速发展。2007年，中国大陆太阳能电池产量达到1088MW，占全世界太阳能电池产量的27.2%，从产量看，我国已经成为太阳能电池的第一生产国。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的问题和局限，提供一种太阳能海水蒸发器。该设备从提高采集太阳能的热值效率、回收蒸汽热量、降低海水热容量出发，集主动式、多级芯型、聚光型蒸馏器优点为一体，降低能量损失的同时提高产水率，建立高效节能的太阳能海水蒸发器。
本发明的技术方案是：一种太阳能海水蒸发器，包括依次相连的海水预处理单元、海水箱、提升泵和换热水箱，换热水箱内设有螺旋换热管，螺旋换热管的下端设有淡水收集出口；换热水箱的下侧出口接至太阳能热管式集热器的一端入水口，太阳能热管式集热器的另一端出水口接至太阳能蒸馏器，太阳能蒸馏器两侧的冷凝管路通过气泵接至螺旋换热管的上端接口处；太阳能蒸馏器尾部设有淡水收集出口、浓盐水收集出口。
所述的设备，太阳能蒸馏器包括带海水凹槽的箱体，该箱体下侧从外层到内层依次设有底面双层玻璃、磁控喷溅蓝膜吸热铝板、黑色羊毛毛毡和单向聚四氟乙烯薄膜。
所述的设备，太阳能蒸馏器的箱体上侧设有盖板双层玻璃。
所述的设备，太阳能蒸馏器的箱体尾部内侧分别通过冷凝水收集槽接至淡水收集出口，通过浓盐水收集槽接至浓盐水收集出口。
所述的设备，所述太阳能蒸馏器的外部还配有反光镜。
所述的设备，提升泵与气泵的电源输入端通过配电箱与独立的太阳能电池板相连。
所述的设备，海水箱与提升泵之间接有第一温度计，提升泵与换热水箱之间接有第一流量计，换热水箱的侧面带有液位仪，换热水箱的下侧出口依次通过第二温度计、第二阀门、第二流量计接至太阳能热管式集热器，太阳能热管式集热器通过第四温度计、第三阀门接至太阳能蒸馏器，螺旋换热管的淡水收集出口接有第三温度计，气泵与螺旋换热管之间还接有蒸汽流量计和第五温度计。
本发明的优点是：本发明采用太阳能海水淡化核心技术，成倍提高太阳能海水淡化的产水率；由于织物的吸水方式减小了蒸发过程中海水的热容量，盖板透光与底板聚光增提高了吸光效率，主动地抽出蒸汽进一步提高了海水淡化效率，充分利用蒸汽冷凝潜热预热海水，蒸汽与热管式太阳能集热器的二次预热进一步保确保了海水蒸发所需的温度，降低能量损失的同时成倍地提高海水淡化的产水率。本发明利用独立的太阳能光伏发电单元为提升泵和气泵提供动力来源，使高效的太阳能海水蒸发器变得清洁环保，也降低了运行成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中太阳能蒸馏器（21）的俯视图。
图3是图1中太阳能蒸馏器（21）的主视图。
图中：1.海水预处理单元；2.第一阀门；3.海水箱；4.第一温度计；5.提升泵；6.第一流量计；7.液位仪；8.换热水箱；9.螺旋换热管；10.第三温度计；11.第二温度计；12.第二阀门；13.第二流量计；14.太阳能热管式集热器；15.第四温度计；16.第三阀门；17.反光镜；18.第五温度计；19.蒸汽流量计；20.气泵；21.太阳能蒸馏器；22.第四阀门；23.第五阀门；24.太阳能电池板；25.配电箱；26.蒸馏器海水槽；27.蒸馏器底面双层玻璃；28.磁控喷溅蓝膜吸热铝板；29.黑色羊毛毛毡；30.单向聚四氟乙烯薄膜；31.浓盐水槽；32.盖板冷凝水槽；33.盖板双层玻璃。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的一种太阳能海水蒸发器，包括海水预处理单元、海水箱、提升泵、换热水箱、螺旋换热管、冷凝水收集处、太阳能热管式集热器、太阳能蒸馏器、气泵、淡水收集处、浓盐水收集处、反光镜、太阳能电池板、配电箱、液位仪、温度计、流量计、蒸汽流量计。海水管道依次连接海水预处理单元、阀门、海水箱、温度计、提升泵、流量计、换热水箱的上下端、温度计、阀门、流量计、太阳能热管式集热器、温度计、阀门、太阳能蒸馏器的海水槽。蒸汽管道依次连接在太阳能蒸馏器的两侧贴近盖板处、气泵、蒸汽流量计、温度计、螺旋换热管上端。蒸汽冷凝管道出口处接温度计，出口处用于收集蒸汽冷凝水。太阳能蒸馏器尾部分别设有带阀门的管路，用于收集浓盐水和盖板处冷凝水。太阳能蒸馏器底部设有反光镜，反光镜为2m×1m尺寸的方形平面镜，反光镜的摆放位置及其倾斜角度可依照日照角度进行调节。提升泵、气泵的电源输入口通过配电箱与太阳能电池板相连，由此构成太阳能供电部分。
所述的太阳能海水蒸发器，采用以微滤单元为主体，结合混凝、沉淀、砂滤过程对原料海水进行预处理。
所述的太阳能海水蒸发器，包括底面双层玻璃、磁控喷溅蓝膜吸热铝板、黑色羊毛毛毡、单向聚四氟乙烯薄膜和盖板双层玻璃。太阳能蒸发器为1m×1.5m×0.15m的带方形海水凹槽的方形箱体，上下均为3mm+4mm+3mm中空双层透明玻璃板，蒸发器向南倾斜30℃角度，1m×0.1m×0.1m的海水凹槽设在顶端，1m×1.2m、厚5mm的黑色羊毛毛毡作为多孔吸热蒸发织物，一端浸在海水凹槽中，另一端一直延伸至底部。织物下部依次为长宽分别为1m×1.2m、0.4mm厚的蓝膜吸热铝板，3mm+4mm+3mm中空双层玻璃底板，织物的上部为单向聚四氟乙烯薄膜，在织物的毛细作用下海水被吸至斜面，通过玻璃盖板透光及玻璃底板聚光升温，由于单向聚四氟乙烯薄膜的单向透过性进一步促进织物中水分的升温。蒸发器的侧面靠近玻璃盖板处设有φ40mm的蒸汽抽风孔，蒸汽管道通过依次与气泵、蒸汽流量计、温度计、螺旋换热管上端入口相连。
所述的太阳能海水蒸发器，气泵的抽气口与太阳能蒸馏器两侧相连，及时地抽出海水受热产生的蒸汽。抽出的蒸汽被输送至螺旋换热管，用来预热螺旋换热管外的海水，蒸汽的热量由此被气泵主动的回收。
所述的太阳能海水蒸发器，底面双层玻璃外设有反光镜，将太阳光反射至底部的吸热铝板的蓝膜面，从而使铝板升温，由此将蒸馏器内的海水加热。双层盖板通过透光，从盖板面使海水受热升温。
所述的太阳能海水蒸发器，海水经过预处理，储存在海水箱中，经提升泵抽至换热水箱，在换热水箱内经过一次预热，在太阳能热管式集热器内经过二次预热，在太阳能蒸发器中经过三次加热，海水蒸发，淡水蒸汽冷凝成为淡水产物。
所述的太阳能海水蒸发器，太阳能电池板通过带有控制器和断路器的配电箱分别与气泵、提升泵的电源输入口相连，以此提供动力。
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提供的太阳能海水资源化及其共生产业设备，其结构如图1和图2所示：包括海水预处理单元1；第一阀门2；海水箱3；第一温度计4；提升泵5；第一流量计6；液位仪7；换热水箱8；螺旋换热管9；第三温度计10；第二温度计11；第二阀门12；第二流量计13；太阳能热管式集热器14；第四温度计15；第三阀门16；反光镜17；第五温度计18；蒸汽流量计19；气泵20；太阳能蒸馏器21；第四阀门22；第五阀门23；太阳能电池板24；配电箱25；蒸馏器海水槽26；蒸馏器底面双层玻璃27；磁控喷溅蓝膜吸热铝板28；黑色羊毛毛毡29；单向聚四氟乙烯薄膜30；浓盐水槽31；盖板冷凝水槽32；盖板双层玻璃33。海水管道依次连接海水预处理单元1、第一阀门2、海水箱3、第一温度计4、提升泵5、第一流量计6、换热水箱8的上下端、第二温度计11、第二阀门12、第二流量计13、太阳能热管式集热器14、第四温度计15、第三阀门16、太阳能蒸馏器海水槽26。蒸汽管道依次连接在太阳能蒸馏器21的两侧贴近盖板处、气泵20、蒸汽流量计19、第五温度计18以及螺旋换热管9上端。蒸汽冷凝管道接第三温度计10，开口处用于收集蒸汽冷凝水。太阳能蒸馏器21尾部分别设有带阀门的管路，用于收集浓盐水和盖板处冷凝水。提升泵5、气泵20的电源输入口通过配电箱25与太阳能电池板24相连。
本发明提供的太阳能海水蒸发器，其工作过程是：以微滤单元为主体，结合混凝、沉淀、砂滤对原料海水进行预处理。经过预处理后的原料海水被提升泵5抽至换热水箱8内，经气泵20主动回收的蒸汽预热后，再被输送至太阳能热管式集热器14内被二次预热，随后被输送至太阳能蒸馏器21的海水槽26中，黑色羊毛毛毡29一端浸在水槽中，一端平铺于吸热铝板28上，延伸至蒸馏器21底端。水槽中的海水由于毛毡的亲水性及毛细作用被吸至斜面，太阳能通过双层玻璃盖板33将能量传递至吸水毛毡中薄薄的海水层，同时反光镜17将太阳光反射至蒸馏器底面集热板28，集热板受热升温将板背面承载海水的织物层加热，蒸馏器盖板和底板同时对海水层进行加热，黑色羊毛毛毡中吸收的海水层逐渐升温直至蒸发。由于黑色羊毛毛毡与其上层单向聚四氟乙烯薄膜的双重作用，加上气泵20的抽气作用使蒸馏器内形成微弱的负压，使得海水蒸发所需温度降低，蒸发速率有一定程度的提高。海水蒸发残留的浓盐水于蒸馏器尾部水管收集。螺旋换热管9内的蒸汽将热量传递给海水，降温冷凝为淡水产品，蒸馏器内双层玻璃盖板处冷凝水也经过尾部管路收集为淡水产品。这样不仅充分利用了蒸汽的余热，大大增强了蒸发器对于太阳能的热值采集能力，而且明显降低了海水的热容量，如此增强了海水的淡化速率，提高了日淡水产量。整个管路中，分别设置了温度计、海水流量计、蒸汽流量计用来测得相关参数，液位仪用来观测换热水箱中的海水体积。
经过本发明太阳能海水蒸发器运行过程中，太阳能电池板24通过带有控制器和断路器的配电箱25提供气泵20、提升泵5的直接电力来源，有效节省了设备投资成本，提高太阳能海水蒸发器产水量的同时起到了清洁环保的作用。
Claims (6)
1.一种太阳能海水蒸发器，其特征在于：包括依次相连的海水预处理单元(1)、海水箱(3)、提升泵(5)和换热水箱(8)，换热水箱(8)内设有螺旋换热管(9)，螺旋换热管(9)的下端设有淡水收集出口；换热水箱(8)的下侧出口接至太阳能热管式集热器(14)的一端入水口，太阳能热管式集热器(14)的另一端出水口接至太阳能蒸馏器(21)，太阳能蒸馏器(21)两侧的冷凝管路通过气泵(20)接至螺旋换热管(9)的上端接口处；太阳能蒸馏器(21)尾部设有淡水收集出口、浓盐水收集出口；
太阳能蒸馏器(21)包括带海水凹槽(26)的箱体，该箱体下侧从外层到内层依次设有底面双层玻璃(27)、磁控喷溅蓝膜吸热铝板(28)、黑色羊毛毛毡(29)和单向聚四氟乙烯薄膜(30)。
2.根据权利要求1所述的太阳能海水蒸发器，其特征在于：太阳能蒸馏器(21)的箱体上侧设有盖板双层玻璃(33)。
3.根据权利要求1所述的太阳能海水蒸发器，其特征在于：太阳能蒸馏器(21)的箱体尾部内侧分别通过冷凝水收集槽(32)接至淡水收集出口，通过浓盐水收集槽(31)接至浓盐水收集出口。
4.根据权利要求1所述的太阳能海水蒸发器，其特征在于：所述太阳能蒸馏器(21)的外部还配有反光镜(17)。
5.根据权利要求1所述的太阳能海水蒸发器，其特征在于：提升泵(5)与气泵(20)的电源输入端通过配电箱(25)与独立的太阳能电池板(24)相连。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的太阳能海水蒸发器，其特征在于：海水箱(3)与提升泵(5)之间接有第一温度计(4)，提升泵(5)与换热水箱(8)之间接有第一流量计(6)，换热水箱(8)的侧面带有液位仪(7)，换热水箱(8)的下侧出口依次通过第二温度计(11)、第二阀门(12)、第二流量计(13)接至太阳能热管式集热器(14)，太阳能热管式集热器(14)通过第四温度计(15)、第三阀门(16)接至太阳能蒸馏器(21)，螺旋换热管(9)的淡水收集出口接有第三温度计(10)，气泵(20)与螺旋换热管(9)之间还接有蒸汽流量计(19)和第五温度计(18)。
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