CN104528854A - 一种植入风电杆塔的海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植入风电杆塔的海水淡化装置，属于海水淡化领域。包括蒸发器，多孔隔板将蒸发器分隔成上部的蒸汽腔和下部的海水腔，所述多孔隔板是亲水性隔热多孔介质，其内部孔径为微米孔，且多孔隔板上侧涂有吸热涂层；蒸汽腔依次与冷凝器、冷凝罐和淡水罐通过管路相连，海水腔一端与海水管线相连进水，另一端与盐水管线相连出水，海水管线和盐水管线经过热交换器换热，盐水管线出口连接活塞式抽水机抽出盐水；其中多孔隔板和冷凝罐中心距离海平面高度为10米。本发明不依靠外部动力和电力的输入便可实现稳定、长时间的海水淡化，热利用效率高，为远洋作业、求援等应急用水，或规模化产水提供了一条有效途径。

Description

一种植入风电杆塔的海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种植入风电杆塔的海水淡化装置，属于海水淡化技术领域。

背景技术

随着社会的高速发展和城市化水平的不断提高，当今整个世界都面临严重的淡水资源短缺的局面。水资源问题已成为全球问题。

传统的热法海水淡化，包括闪蒸法和蒸馏法，其浓缩比一般约为2，即产生1Kg淡水同时需排放1Kg盐水。此类方法中，海水在蒸发器中受热沸腾产生蒸汽，而浓盐水以近蒸汽温度排放掉，浓盐水的排放带走了大量的显热。在70℃沸腾温度时，盐水排放温度也在70℃，单是盐水排放带走的显热损失已占到需求热量的16％。尽管实际处理中，可通过热交换器回收盐水排放的显热损失，但终究显热损失已存在，通过回收盐水显热的方法治标不治本。另外传统热法技术中，利用真空泵建立蒸发腔室内真空度，并且海水的补给和盐水排放都是通过水泵输运，消耗大量的电力资源。这些是传统热法海水淡化耗能大、成本高的主要原因。

海水淡化与新能源技术相结合，利用清洁可持续能源进行海水淡化具有重要战略意义。太阳能蒸馏法又是该领域研究的亮点。典型的太阳能蒸馏法，就是直接利用太阳辐射加热蒸发腔中海水至沸点。这种方法，需要将整个蒸发腔中海水同时加热至沸点，整个容器中海水显热巨大，而一天的太阳能是有限的，导致这种方法产水量极低。伊朗俾路支斯坦大学的Farshad等设计了一套级联太阳能蒸馏器，海水进入蒸馏器后依次沿着阶梯往下流，每一级阶梯水平和竖直壁上涂有吸收性材料吸收太阳辐照，由于在每级阶梯上总是一层相对较薄的海水，减小了海水的热容量，促进了海水的蒸发，但浓盐水的排放仍然携带了较大的显热，并且在海水补给上需要输入泵功。希腊清洁能源研究中心的K.Voropoulos等通过在蒸发腔室中铺设沙子，在太阳能辐射下让海水在沙子表面蒸发沸腾，增强了淡水产量，但在盐水排放上却没有解决办法。

在酒精灯中，酒精不断燃烧消耗，而瓶中的酒精却持续不断地向燃烧处迁移，且酒精的补给速度始终等于燃烧掉的酒精，不论火焰的强弱。此过程中灯芯提供了“智能泵”的作用，能自动调节酒精的补给速率，其实质是一种多孔介质。利用该原理进行海水淡化，太阳辐射热只需加热多孔介质表面上的薄层海水，避开了传统技术中需要加热整个腔室中海水造成效率低的弊端，使用低导热系数的多孔介质，减少热量从多孔介质蒸发表面向蒸发腔中海水的导热，进而减少盐水排放带走的显热。

中国专利申请号201410178303.2公开了一种毛细蒸发海水淡化膜，充入气体使整个装置浮在海面，但其产生的淡水吸附在多孔材料中，需要二次做功才能取出淡水。同时中国专利申请号200410020624.6公开了一种利用太阳能的毛细蒸发海水淡化器，该专利通过布置冲洗补水管定期喷淋淡水来解决此盐水排放问题，一方面消耗了宝贵的淡水，另外需要泵来抽吸水源实现喷淋。且这些专利都是直接利用太阳能辐射到毛细多孔介质表面，蒸发腔中压力为大气压强，沸点到100℃，易结垢，且运行温度高对环境散热损失大，其热效率很低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以实现低温蒸发、高产淡水的海水淡化装置。使用该装置，不依靠外部动力和电力的输入便可实现长时间稳定的低温蒸发，自适应太阳光强变化达到“日出而作、日落而息”的运作方式，并始终为海水蒸发提供稳定气液界面的海水淡化系统。

本系统的特点是依附在海上的风电杆塔、信号灯塔等建筑物，利用海水管路、盐水管路和淡水管路悬挂的水柱高度在蒸发器和冷凝罐中建立真空，进而降低海水在蒸发器中的沸点以实现低温蒸发，提高产水量的功能。多孔隔板将蒸发器分隔为上下两层，上层空间为蒸汽腔，下层为海水腔。多孔隔板下侧直接与海水腔中海水接触，利用毛细作用抽吸海水到多孔隔板上侧，多孔隔板上侧涂有吸热性良好的涂层。太阳辐射光透过蒸汽腔外壳直接照射到多孔隔板上侧，加热多孔隔板上表面中的薄层海水，直接避免了加热较多海水造成的显热损失，促进海水蒸发。蒸汽沿管路到空冷式冷凝器中冷凝成淡水。其中，盐水排放利用海洋波浪能活塞式抽水机。选取的多孔隔板导热性很差，只有小部分热量通过多孔板加热了海水腔中海水，大量太阳辐射的能量都能用于海水的蒸发，由于多孔隔板的热屏障作用使得盐水排放带走的显热可以忽略。

本发明采用的技术方案如下：

一种植入风电杆塔的海水淡化装置，包括蒸发器，多孔隔板将蒸发器分隔成上部的蒸汽腔和下部的海水腔，蒸汽腔外壳为透光材料制成，海水腔外壳为保温材料制成,所述多孔隔板是亲水性隔热多孔介质，其内部孔径为微米孔，且多孔隔板上侧涂有吸热涂层；

蒸汽腔依次与冷凝器、冷凝罐和淡水罐通过管路相连，海水腔一端与海水管线相连进水，另一端与盐水管线相连出水，海水管线和盐水管线经过热交换器换热，盐水管线出口连接活塞式抽水机抽出盐水；

所述蒸发器、冷凝器、冷凝罐、热交换器和淡水罐都依附在海上风电杆塔上，其中多孔隔板和冷凝罐中心距离海平面高度为10米。

所述蒸发腔外壳采用透光性好的材料，可以让太阳能尽可能多的透过蒸发器壳体加热多孔介质表面海水，其材料可以是玻璃，有机玻璃，ABS、PS塑料等；

所述海水腔外壳导热性较差，减少腔室与环境间的对流热损失，其材料可以是PE，POM，或使用钢板做成的夹层壳体。

所述在多孔隔板上表面涂有吸热性较好的涂层，其涂层材料可以是黑铬、黑镍或黑钴等，可以使用磁控溅射、化学气相沉积等方法。

所述活塞式抽水机固定在风电杆塔海水平面高度，与活塞式抽水机相连的浮子，漂浮在海平面上，浮子在波浪能作用做往复运动带动抽水机抽取盐水。

多孔隔板是一种亲水性多孔介质，具体可以是多孔陶瓷、塑料多孔体等。其内部孔径为微米孔，一般可取1-100微米。针对本发明专利，推荐多孔介质使用导热系数小于2W/(m²·K)的材料，能起到热屏障的作用，减少通过多孔材料导热给海水腔而造成的热泄露。

多孔隔板与蒸发器外壳接触处密封。由于太阳光是辐射到多孔隔板表面，其表面对平整度要求低，这也大大降低了多孔隔板的制造难度，利于大面积的生产。

所述冷凝罐用于存储冷凝器中冷凝形成的淡水，淡水在冷凝罐中形成较稳定的气液界面，设置冷凝罐可以缓冲冷凝过程中两相流不稳定造成的压力波动和调节冷凝器出口压力，利于系统稳定运行。

其中，蒸发腔、冷凝器、冷凝罐、淡水箱、热交换器和活塞式抽水机都固定在风电杆塔上。利用海水管线、盐水管线和淡水管线中水柱高度在蒸发器、冷凝器和冷凝罐中建立了真空环境，海水可以在30℃-40℃在多孔隔板上表面发生沸腾产生淡水，而不必像传统海水淡化技术中使用真空泵建立真空。借助海水中蕴藏着巨大的波浪能，在盐水管路出口设立浮子式活塞式抽水机，利用波浪能将蒸发器中盐水抽离系统。海水在多孔隔板上表面形成稳定的气液界面，太阳光辐射到多孔隔板上表面，加热表层海水就可产生淡水蒸汽，避免了传统太阳能海淡技术中需加热整个蒸发腔室中海水至沸点而造成的热损失。运行过程中，蒸发器多孔隔板上表面形成的气液界面和冷凝罐中淡水汇聚形成的气液界面距离海平面大约为10米。

本发明由于特有的毛细结构，可自适应一天中日照变化，为蒸发器中海水蒸发提供了稳定的气液界面。避开了传统太阳能海水淡化技术直接照射，海水蒸发温度高；或抽真空后运行，需消耗机械能；抑或利用水柱高度实现真空，但对于太阳能等不稳定的热源无法形成稳定气液界面，几乎不能运行。

相比于传统技术，本系统的优越性在与：

(1)基于减小海水热容量，促进海水蒸发的思想，利用多孔隔板特有的毛细现象将海水抽吸到多孔隔板表层，而此时只需加热表层海水至沸点，不必加热整个海水腔中海水，减少了显热损失，缩短了淡水产生的响应时间。

(2)传统海淡技术中，盐水排放温度一般约等于海水蒸发温度，盐水的排放带走了大量的显热。本系统使用导热系数差的多孔材料，阻挡蒸发侧热量通过多孔隔板加热海水腔中海水，多孔隔板起到热屏障功能，提高淡水产量。

(3)利用海洋本身优势，包括海上的风电杆塔、海水波浪能等。海水淡化系统依附在海上自有的风电杆塔、信号灯等建筑物，不必花费巨额投资用于搭建平台，减少了投资，并且在海上求生、救援过程中，找到信号灯塔就可获取淡水，具有重要意义。波浪能作为海洋另一个自身能源，利用海水波浪往复能抽吸盐水排放，避开使用机械泵的缺陷。

(4)利用水柱高度在蒸发腔中建立真空，使海水可以在30-40℃下蒸发产生淡水，避开传统技术需要使用真空泵实现的缺陷。通过设立冷凝罐调节蒸汽冷凝过程中两相不稳定性，稳定了海水蒸发腔中压力波动，进一步地稳定了海水蒸发温度。

附图说明

图1，本发明系统结构示意图。1-蒸发器，2-多孔隔板，3-蒸汽腔，4-海水腔，5-蒸汽管线，6-海水管线，7-盐水管线，8-热交换器，9-冷凝器，10-冷凝罐，11-淡水管线，12-淡水罐，13-活塞式抽水机，14-浮子，15-风电杆塔，16-太阳光。

图2，多孔隔板毛细力产生示意图。

具体实施方式

参阅图1，一种植入风电杆塔的海水淡化装置，包括蒸发器1，多孔隔板2将蒸发器1分隔成上部的蒸汽腔3和下部的海水腔4，蒸汽腔3外壳为透光材料制成，海水腔4外壳为保温材料制成,所述多孔隔板2是亲水性隔热多孔介质，其内部孔径为微米孔，且多孔隔板2上侧涂有吸热涂层；

蒸汽腔3依次与冷凝器9、冷凝罐10和淡水罐12通过管路相连，海水腔4一端与海水管线6相连进水，另一端与盐水管线7相连出水，海水管线6和盐水管线7经过热交换器8换热，盐水管线7出口连接活塞式抽水机13抽出盐水；

所述蒸发器1、冷凝器9、冷凝罐10、热交换器8和淡水罐12都依附在海上风电杆塔15上，其中多孔隔板2和冷凝罐10中心距离海平面高度为10米。

本发明一种植入风电杆塔的海水淡化装置，通过以下过程完成系统的启动和运行:将系统各组成部件，蒸发器、冷凝器、冷凝罐、淡水箱和活塞式抽水机安装在海水风电杆塔的相应高度，其中蒸发器、冷凝器距离海平面10米，冷凝罐紧接着冷凝器出口，淡水箱和活塞式抽水机安装在海平面高度。其中，淡水箱中先灌入部分淡水，其淡水量至少大于淡水管线的容积。

将淡水管线出口放入淡水箱内淡水中；将海水管线植入海水中，一般来说为保证进水质量，海水管线进口处会连接一过滤装置；将盐水管线出口与活塞式抽水机相连，活塞式抽水机通过连杆与海面上浮子连接，浮子上下波动带动活塞式抽水机。

启动过程:启动前各部件及管路中无水，利用浮子的上下波动带动活塞抽水机，前期抽水机开始抽取管路和海水腔室中空气。由于多孔介质内部有较多的微孔道，冷凝器、冷凝罐及蒸发腔中空气透过多孔介质中微孔道同时被抽出，导致装置内部空气的逐渐减少，由于淡水管线和海水管线出口都浸入水中，此时预先放置在淡水箱中水将沿着淡水管线逐渐上升，托里拆利真空试验确定了真空下，水最高只能上升到10米，所以最后淡水管线侧水将在冷凝罐中某个高度形成一个气液界面；而冷凝器、蒸发腔及连接管线不会有水柱，形成真空环境。同样地，在蒸发器中，海水会沿着海水管线逐渐上升，并充满整个海水腔，此时多孔介质将被海水浸润，随着活塞式抽水机继续工作，盐水管线空气进一步被抽出，海水腔中海水将沿着盐水管线被抽出，直至海水管线和盐水管线中充满海水，而此时海水腔中海水仍在不停的被抽出。系统只在投入使用前启动会经历此过程。

运行过程:由于海水侵润了整个多孔体，随着早上太阳升起，阳光透过蒸发腔外壳直接照射在多孔介质上表面，其表面吸热材料吸取大量的太阳能，加热表层海水，产生蒸汽；由于多孔体孔径是微米孔道，可以提供较大的毛细抽吸力，表层海水被蒸发掉后，多孔介质会从海水腔中源源不断的抽取海水至多孔体上表面，进而在上表面形成稳定的蒸发界面。产生的淡水蒸汽流入冷凝器中冷凝成淡水，淡水流入与冷凝器紧接着的冷凝罐，淡水在冷凝罐中汇聚后沿淡水管线流入淡水箱中存储。由于冷凝过程的两相流剧烈不稳定性，冷凝过程波动大，会影响到蒸发腔中压力进而影响蒸发温度，本发明中设置冷凝罐可以起到对冷凝器出口压力缓冲和调节，稳定运行。至于盐水排放方面，波浪能抽水机的不停工作，可以实现时时的盐水排放。随着日照加强抑或减弱，多孔介质提供的抽吸力都能时时达到自适应，始终为蒸发提供稳定气液界面，日照变强，淡水产量会增加。运行过程中，会实现“日出而作，日落而息”的运行方式。

不同于常规能量，太阳能的能量密度是十分不稳定的。假设蒸汽腔中压力P₁与海水腔中压力P₂之差，ΔP＝P₁-P₂，其中海水腔中压力P₂是由海水管线和盐水管线中水柱高度确定的，可认为P₂是不变的。当夜晚时，由于无相变产生，ΔP＝0，气液界面稳定在多孔隔板2的上表面。随着日照强度的逐渐增加，海水蒸发越来越强烈，蒸汽的在蒸汽腔中汇聚使得蒸汽腔中压力P₁增大，蒸汽腔中气液界面有向下移动趋势。由于多孔介质的存在，多孔隔板中毛细孔道内气液弯液面接触角自调节特性，可适应不同光强下蒸汽腔和海水腔两侧的压力差，从而维持蒸发室中海水蒸发界面的稳定性。

多孔隔板能产生的毛细驱动力ΔP_C与多孔隔板内有效毛细半径r有关，Young-Laplace表示为:式中θ为接触角，给定多孔隔板材料后，接触角一般变化不大。毛细力ΔP_C的大小与有效毛细半径密切相关，在施加给多孔板热负荷变化时，气液界面会自动调节改变以适应变负荷下所需的毛细力。如热负荷增加时，由于蒸汽腔与海水腔中压力差ΔP变大，需要更大毛细力以平衡此压力差，此时Young-Laplace方程决定了r有减小的趋势。如图2所示，气液界面半径减少以适应大辐射强度导致的压力波动。通过多孔隔板内毛细空隙中气液界面的自我扩张和收缩，来动态适应一天中太阳光强的变化，以维持稳定的海水沸腾时的气液界面始终稳定在多孔隔板上表面。

以上说明，该发明使得该方法在太阳能海水淡化系统中，特别是热源波动较大的环境中，表现出巨大的优势。

无多孔隔板的传统型海水淡化系统，热源不稳定下是系统失效的重要因素。密西西比州立大学Gude等人不得不在淡化系统中嵌入复杂的能量存储系统实现对蒸发器能量的均匀输入，以维持蒸发腔室中气液界面的稳定性。本发明通过在蒸发器中设置多孔隔板即可实现热负荷变化时，气液界面稳定不变。

Claims (5)

1.一种植入风电杆塔的海水淡化装置，包括蒸发器，多孔隔板将蒸发器分隔成上部的蒸汽腔和下部的海水腔，蒸汽腔外壳为透光材料制成，海水腔外壳为保温材料制成,所述多孔隔板是亲水性隔热多孔介质，其内部孔径为微米孔，且多孔隔板上侧涂有吸热涂层；

蒸汽腔依次与冷凝器、冷凝罐和淡水罐通过管路相连，海水腔一端与海水管线相连进水，另一端与盐水管线相连出水，海水管线和盐水管线经过热交换器换热，盐水管线出口连接活塞式抽水机抽出盐水；

所述蒸发器、冷凝器、冷凝罐、热交换器和淡水罐都依附在海上风电杆塔上，其中多孔隔板和冷凝罐中心距离海平面高度为10米。

2.根据权利要求1所述海水淡化装置，其特征在于，所述蒸发腔外壳材料采用玻璃，有机玻璃，ABS或PS塑料。

3.根据权利要求1所述海水淡化装置，其特征在于，所述海水腔外壳采用PE或POM材料。

4.根据权利要求1所述海水淡化装置，其特征在于，所述在多孔隔板上的吸热涂层，是黑铬、黑镍或黑钴。

5.根据权利要求1所述海水淡化装置，其特征在于，所述多孔隔板内部孔径为1-100微米。