CN104478025A - 无电耗太阳能压汽沸腾蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，包括主机模块、发电模块、聚光加热模块、动力控制模块和压缩模块，主机模块包括蒸发器、电加热器和换热器，电加热器与动力控制模块电性连接，发电模块包括光伏发电模块，其与动力控制模块电性连接，聚光加热模块采用开放式循环管道结构与蒸发器连通以交换溶液，压缩模块包括由动力控制模块供电的压缩机、蒸汽管道和收集管道，蒸发器连接后压缩机，压缩机依次连通蒸汽管道、换热器和收集管道。本发明由太阳能以及风能提供运行全部能耗，使用跟踪型聚光集热器加热，及压汽蒸馏的高效制水途径，适用于偏远地区或者海岛等电力难以到达地区或者能源贫乏地区、季节性缺水、水污染地区或者行业。

Description

无电耗太阳能压汽沸腾蒸馏系统

技术领域

本发明属于可再生能源利用及水净化领域，具体涉及一种太阳能压汽沸腾蒸馏系统。

背景技术

水是世界上最普遍的物质之一，总体积为14.1亿立方公里，其中只有2％是淡水。淡水的87％又被封冻在两极及高山的冰层和冰川中，难以利用。便于人类利用的淡水资源只有21000立方公里左右。这些资源在时空上分布不均，加上人类的不合理利用，使世界上许多地区面临着严重的水资源危机。

据有关国际组织预测，到2050年，预测生活在缺水国家中的人口将增加到10.6亿和24.3亿之间，约占全球预测人口的13％-20％。

水污染有三个主要来源，生活废水、工业废水和含有农业污染物的地面径流。中国是世界13个缺水国家之一，全国600多个城市中目前大约一半的城市缺水，水污染尤其严重，更使水短缺雪上加霜。我国江河湖泊普遍遭受污染，全国75％的湖泊出现了不同程度的富营养化；90％的城市水域污染严重，南方城市总缺水量的60％-70％是由于水污染造成的；对我国118个大中城市的地下水调查显示，有115个城市地下水受到污染，其中重度污染约占40％。水污染降低了水体的使用功能，加剧了水资源短缺，对我国可持续发展战略的实施带来了负面影响。

有些工业领域生产过程中会排出废液，其直接排放不但严重污染环境，而且浪费了其中的可回收物质或者原料，同时国家和地方政府法规具有严格排放标准和惩罚措施，如果采用常规浓缩处理其成本过高，很多企业陷入进退两难地步。

压汽蒸馏是一种高效的水净化方式，压汽蒸馏又称MVR，是机械蒸汽再压缩技术(mechanical vapor recompression)的简称，是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。早在60年代，德国和法国已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理等领域。其单位电耗产水量大，经济性高，一度电可以蒸发15-40kg水。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种采用模块化的太阳能高温沸腾蒸发系统，采用模块化设计，便于拆卸安装转移作业，具有产品率高、投资少、维护少的优点。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，包括主机模块、发电模块、聚光加热模块、动力控制模块和压缩模块，采用模块化方式，便于拆卸安装和运输，可根据时间、地域要求进行方便的转移作业。主机模块包括蒸发器、电加热器和换热器，换热器和电加热器位于蒸发器内靠近底部的侧壁上，蒸发器具有位于顶部的第一排气口、靠近顶部侧壁上的第二排气口和位于底部的第一溶液出口，第一排气口连接有可控制排气的第一阀门，电加热器与动力控制模块电性连接；发电模块包括光伏发电模块，其与动力控制模块电性连接；聚光加热模块采用开放式循环管道结构与蒸发器连通以交换溶液；压缩模块包括由动力控制模块供电的压缩机、蒸汽管道和收集管道，蒸发器的第二排气口连接后压缩机，压缩机依次连通蒸汽管道、换热器和收集管道。

进一步，所述蒸馏系统还包括有热回收模块，第一溶液出口通过管道经过热回收模块，收集管道经过热回收模块，待处理溶液通过管道经过热回收模块后进入聚光加热模块。

进一步，所述聚光加热模块或者采用自循环管道结构与蒸发器连通以交换溶液。

所述采用开放式循环管道结构的聚光加热模块包括有太阳能聚光集热器、泵和第三阀门，太阳能聚光集热器的入口分为两路管道，一路管道与蒸发器具有的第二溶液出口连通，另一路管道依次经过第三阀门和热回收模块后，接入待处理溶液，太阳能聚光集热器的出口经过泵后进入蒸发器的第一溶液入口。

所述采用自循环管道结构的聚光加热模块包括太阳能聚光集热器、泵、第四阀门和第五阀门，太阳能聚光集热器的入口分两路管道，一路管道依次接通热回收模块和第四阀门后，接入待处理溶液，另一路接第五阀门后分为两路后，一路接入蒸发器的第一溶液入口，另一路通过泵后接入太阳能聚光集热器的出口。

所述光伏发电模块包括太阳能聚光光伏发电器、第一传动结构、第一支架支撑结构和第一跟踪系统，第一跟踪系统由动力控制模块供电，第一支架支撑结构支撑在太阳能聚光光伏发电器两端，第一传动结构设置于太阳能聚光光伏发电器的转动轴上。

所述聚光集热模块还包括第二传动结构、第二支架支撑结构和第二跟踪系统，第二跟踪系统由动力控制模块供电，第二支架支撑结构支撑在太阳能聚光集热器两端，第二传动结构设置于太阳能聚光集热器的转动轴上。

太阳能聚光光伏发电器和太阳能聚光集热器均是采用主动跟踪传动聚光方式，以沸腾蒸发及压气蒸馏方式对工业废液、污水、废水进行净化或者浓缩处理，实现环保、制取淡水的直接目标，为人民生产生活服务。

所述光伏发电模块或者为非聚光的光伏发电器。

所述发电模块还包括为动力控制模块提供电力的风力发电模块。

传统的采用电力作为动力的MVR消耗一度电最高可以产净水近15-50公斤。理想状态下溶液浓缩或者水净化经过以下几个过程：

0：沸腾饱和液态；

1：饱和蒸汽；

2：绝热等熵压缩过热蒸汽；

4：饱和液态。

2状态为理想状态不能实现，因此以理论状态3代替。各个状态点的参数如表1所示。

则可以计算本产品沸腾蒸发-凝结放热循环后的蒸汽理论热损失为H4-H0＝28kJ/kg；压缩功耗为H3-H1＝51.1kJ/kg。理论上1㎡聚光集热器每个小时可以生产淡水35-65kg(规模化产品，电力供应充足)。

如果设计为可移动小型化产品，其设计直径为1m的圆筒，高度为0.6m，保温层厚度为0.1m，导热系数为0.04W/m.℃，环境温度为25℃。则蒸发器理论导热散热速率为124W，理论上需要10平方米光伏发电板和2平方米槽式等聚光集热器，其理论产水率为每小时70-130kg。

表1各个状态点的参数

	0点	1点	2点	3点	4点
						压力P MPa	0.1434	0.1434	0.1779	0.1779	0.1779
温度t℃	110	110	130	136.13	116.54
						比焓H kJ/kg	461.36	2691.07	2729.41	2742.19	489.1
比熵S kJ/(kg.℃)	1.4187	7.238	7.238	7.2695	1.4904
						比容V m/kg	0.00105	1.20939	1.02629	1.04330	0.00106
干度X	0	1			0

对比其他被动式太阳能加热和低温非聚光式均需要真空设备或者负压蒸发，本发明采用正压沸腾无需真空设备且溶液处理量大。因为采用沸腾方式进行蒸发，其换热系数以量级梯度增加，对比其他产品的低压状态的换热器，其换热系数增加10倍以上，因此大大减少了防腐换热器的使用量，产品尺寸大大减少，产品的成本也大幅度降低，有利于产品推广使用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的一种无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，不需要电力供应，采用沸腾蒸馏方式制取淡水量大速度快，无需真空泵，属于运行无费用有高收益的一种方式。使用跟踪型聚光集热器加热并保持溶液沸腾，溶液处理量大，无需锅炉结构，根据溶液浓缩要求或者水净化要求对原料输入进行控制。

附图说明

图1为本发明实施例1的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统的示意图。

图2为本发明实施例2的带有风力发电的主动聚光型太阳能压汽沸腾蒸馏系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

实施例1

请参阅图1，本发明的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统的实施例，该无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统包括动力控制模块1、主机模块、压缩模块、热回收模块6，聚光集热模块3和发电模块2。

主机模块包括蒸发器41、电加热器42和换热器43，换热器43和电加热器42位于蒸发器41内靠近底部的侧壁上，蒸发器41具有位于顶部的第一排气口44、靠近顶部侧壁上的第二排气口45和位于底部的第一溶液出口46，第一排气口44连接有可控制排气的第一阀门48，电加热器42与动力控制模块1电性连接；

压缩模块包括压缩机51、蒸汽管道53和收集管道54。

所述发电模块2包括有太阳能聚光光伏发电器21、第一传动结构213、第一支架支撑结构214和第一跟踪系统215，动力控制模块1为第一跟踪系统215供电，第一支架支撑结构214支撑在太阳能聚光光伏发电器21两端，第一传动结构213设置于太阳能聚光光伏发电器21的转动轴上，使得太阳能聚光光伏发电器21适应日照角度，发电模块2的太阳能聚光光伏发电器21产生的电能输送到动力控制模块1；

所述聚光集热模块3包括有太阳能聚光集热器31、第二传动结构313、第二支架支撑结构314和第二跟踪系统315，动力控制模块1为第二跟踪系统315供电，第二支架支撑结构314支撑在太阳能聚光集热器31两端，第二传动结构313设置于太阳能聚光集热器31的转动轴上，使得太阳能聚光集热器31适应日照角度，该太阳能聚光集热器31采取开放式循环管道结构与蒸发器41连通，通过管道和泵36与主机模块的蒸发器41交换溶液，蒸发器41内的溶液经过太阳能聚光集热器31加热后回到蒸发器41中；

动力控制模块1还为主机模块的电加热器42和压缩模块的压缩机51供电；

压缩机51与蒸发器41的第二排气口45连通，压缩机51的出口通过管道53与换热器43入口连通，换热器43的出口通过管道54连接热回收模块6；

电加热器42工作使得蒸发器41内的溶液升温而加快蒸发；

蒸发器41的第一溶液出口46外接经过热回收模块6的管道，并由第二阀门410控制溶液排出，蒸发器41靠近底部的侧壁上设有第二溶液出口47和第一溶液入口49；

太阳能聚光集热器31的入口分为两路管道，一路管道与上述第二溶液出口47连通，另一路管道依次经过第三阀门33和热回收模块6后，接入待处理溶液；

太阳能聚光集热器31的出口经管道通过泵36后，通过管道进入蒸发器41的第一溶液入口49；

在系统启动初期，动力控制模块1将太阳能聚光光伏发电器21所发电力输送到电加热模块42，使得的电加热模块42工作制热，同时供电太阳能聚光光伏发电器的第一跟踪系统215和太阳能聚光集热器31的第二跟踪系统315，使得太阳能聚光光伏发电器21、太阳能聚光集热器31跟踪太阳光照角度，此时第三阀门33关闭，蒸发器41与太阳能聚光集热器31中的溶液获得循环加热，从而加速蒸发器41中的溶液温度提升；控制第一阀门48在短时间内打开第二排气口44以排放内部空气；

在温度压力达到设计参数时，动力控制模块1停止为电加热模块42的供电，并开始为压缩机51供电，对从第二排气口45进入压缩机的蒸汽进行压缩，压缩后的高温高压蒸汽进入蒸发器41的换热器43而放热凝结，从而加热换热器43外面的液体，凝结后的液态水由管道54排放到容器中进行收集。

当蒸发器41中需要增加待处理溶液时，打开第二阀门410，由第一溶液出口46排出的浓溶液经过热回收模块6并换热，其热量被热回收模块6中温度较低的待处理溶液吸收；同时打开第三阀门33，则待处理溶液经过热回收模块6获得一定温升后进入太阳能聚光集热器31和蒸发器41。

实施例2

请参阅图2，为本发明实施例2的带有风力发电的主动聚光型太阳能压汽沸腾蒸馏系统的示意图。该蒸馏系统采用光伏发电和风力发电相结合的模式，其包括有非聚光式的光伏发电器22、风力发电模块23和动力控制模块1，光伏发电器22与风力发电模块23产生的电力输送到动力控制模块1；

该实施例2的蒸馏系统同样包括带有跟踪传动的聚光集热模块、主机模块、压缩模块和热回收模块6；

动力控制模块1再将电力分别向主机模块的电加热模块42和压缩模块的风机58供电。

该实施例2的系统工作原理与实施例1基本一致，不同在于，实施例2采用光伏发电和风力发电为动力控制模块1提供电力，以及采用风机58从位于蒸发器41顶部的第一排气口45压缩进入该口的蒸汽，蒸发器41靠近底部的侧壁上只有一个双向的溶液出入口411。聚光集热模块包括有串联形式的太阳能聚光集热器71、第三传动结构713、第三支架支撑结构714和第三跟踪系统715，太阳能聚光集热器71采取自循环管道结构与蒸发器41连通，即太阳能聚光集热器71的入口分两路管道，一路管道依次接通热回收模块6和第四阀门75后，接入待处理溶液，另一路接第五阀门74后分为两路后，一路接入蒸发器41溶液出入口411，另一路通过泵76后接入太阳能聚光集热器71的出口。

系统启动时，首先聚光集热模块的第五阀门74打开，当太阳能聚光集热器71内部溶液温度达到要求后关闭第五阀门74，打开第四阀门75以通入待处理溶液，在蒸发器41的溶液出入口411处温度降低后关闭第四阀门74，并重新打开第五阀门74进行太阳能聚光集热器71内溶液的循环加热，保证新进入的待处理溶液的温度到达要求。

实施例1和实施例2所述的太阳能聚光集热器71，为槽式、菲涅尔透过或者反射、碟式、凸透镜方式等。

实施例1和实施例2的蒸馏系统均是采用模块化组成，便于进行连接和运输、拆卸组装，可以根据需要运输到需要的地区投入运行使用，提高了产品利用率，有利于缓解分时、分区使用的问题。

本发明主要特点在于采用主动跟踪传动聚光方式，采用沸腾蒸发-压汽蒸馏方式对工业废液、污水、废水进行净化或者浓缩处理，实现环保、制取淡水的直接目标，为人民生产生活服务。

本发明不需要电力供应，采用沸腾蒸馏方式制取淡水量大速度快，无需真空泵，属于运行无费用有高收益的一种方式。使用跟踪型聚光集热器加热并保持溶液沸腾，溶液处理量大，无需锅炉等结构，根据溶液浓缩要求或者水净化要求对原料输入进行控制。

地球上淡水资源分布不均匀，随着工农业的快速发展，人类对自然的影响加大，水污染问题突出；同时在一些工业行业，其废液污染性强，传统处理方式费用高昂。本专利基于单机独立进行水净化的目标，由太阳能提供运行全部能耗(包括电耗和热耗)，采用压汽蒸馏的高效制水途径，适用于偏远地区或者海岛等电力难以到达地区或者能源贫乏地区，或者区域性、季节性缺水或者水污染地区或者行业。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：包括主机模块、发电模块、聚光加热模块、动力控制模块和压缩模块，主机模块包括蒸发器、电加热器和换热器，换热器和电加热器位于蒸发器内靠近底部的侧壁上，蒸发器具有位于顶部的第一排气口、靠近顶部侧壁上的第二排气口和位于底部的第一溶液出口，第一排气口连接有可控制排气的第一阀门，电加热器与动力控制模块电性连接；发电模块包括光伏发电模块，其与动力控制模块电性连接；聚光加热模块采用开放式循环管道结构与蒸发器连通以交换溶液；压缩模块包括由动力控制模块供电的压缩机、蒸汽管道和收集管道，蒸发器的第二排气口连接后压缩机，压缩机依次连通蒸汽管道、换热器和收集管道。

2.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：还包括有热回收模块，第一溶液出口通过管道经过热回收模块，收集管道经过热回收模块，待处理溶液通过管道经过热回收模块后进入聚光加热模块。

3.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述聚光加热模块或者采用自循环管道结构与蒸发器连通以交换溶液。

4.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述采用开放式循环管道结构的聚光加热模块包括有太阳能聚光集热器、泵和第三阀门，太阳能聚光集热器的入口分为两路管道，一路管道与蒸发器具有的第二溶液出口连通，另一路管道依次经过第三阀门和热回收模块后，接入待处理溶液，太阳能聚光集热器的出口经过泵后进入蒸发器的第一溶液入口。

5.根据权利要求3所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述采用自循环管道结构的聚光加热模块包括太阳能聚光集热器、泵、第四阀门和第五阀门，太阳能聚光集热器的入口分两路管道，一路管道依次接通热回收模块和第四阀门后，接入待处理溶液，另一路接第五阀门后分为两路后，一路接入蒸发器具有的溶液出入口，另一路通过泵后接入太阳能聚光集热器的出口。

6.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述光伏发电模块包括太阳能聚光光伏发电器、第一传动结构、第一支架支撑结构和第一跟踪系统，第一跟踪系统由动力控制模块供电，第一支架支撑结构支撑在太阳能聚光光伏发电器两端，第一传动结构设置于太阳能聚光光伏发电器的转动轴上。

7.根据权利要求4所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述聚光集热模块还包括第二传动结构、第二支架支撑结构和第二跟踪系统，第二跟踪系统由动力控制模块供电，第二支架支撑结构支撑在太阳能聚光集热器两端，第二传动结构设置于太阳能聚光集热器的转动轴上。

8.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述光伏发电模块或者为非聚光的光伏发电器。

9.根据权利要求1所述的无电耗聚光太阳能中高温压汽沸腾蒸馏系统，其特征在于：所述发电模块还包括为动力控制模块提供电力的风力发电模块。