CN104591327B - 回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置，它包括圆筒型多效蒸馏器、聚光槽、回路热管。回路热管的蒸发管作为太阳能集热管，冷凝管作为蒸馏器的加热管，具有传热性能好，整体效率高等特点。本发明在绝热圆筒内腔紧密布置加热管、传热管、半圆槽、带喷嘴组的布料管等构成预热室、蒸馏室、海水槽、淡水槽，使蒸馏器结构非常紧凑，容易加工和标准化生产。另外，蒸馏器不仅具有重复利用汽化潜热、强化内部的传热传质过程、提高装置运行温度等特点，而且由内向外各效蒸馏室的传热面积增加，有利于维持较小的传热温差，提高整个蒸馏器的效数，进一步提高浓缩比和产水率。本发明适合低成本模块化生产，可被广泛应用于太阳能海水淡化领域中。
Description
技术领域
本发明属于海水或苦咸水淡化技术领域，特别是涉及一种回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置。
背景技术
海水或苦咸水淡化是解决淡水资源短缺问题的有效的战略途径，而利用太阳能从海水或苦咸水中制取淡水，是解决淡水缺乏或供应不足的重要途径之一。目前太阳能蒸馏装置分为被动式系统和主动式系统。被动式系统具有结构简单、运行费用低等优点，但是运行温度不高、淡水产量低，限制了它的推广应用。综合分析被动式系统淡水产量低主要有3点原因：一是水蒸汽的汽化潜热未被重新利用；二是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；三是待蒸发的海水热容量过大，限制了运行温度的提高，从而减弱了蒸发的驱动力。因此太阳能蒸馏器性能的改进和产水率的提高应主要从以下3个方面考虑：一是最大限度利用水蒸汽的汽化潜热以及各种高温水的显热，用来预热海水和加热待蒸发海水，以降低系统的能耗；二是由自然对流换热向强制对流换热方向发展，以提高对流换热的传热效果；三是由大容器沸腾向流动液膜沸腾方向发展，同时保证液膜均匀分配，以减少热容量对蒸发换热的影响。如能将上述的几点解决方案结合在一起，无疑是对太阳能蒸馏器的重大改进，这种蒸馏器不仅多次利用了蒸汽的凝结潜热，而且强化了其内部的传热传质过程，相对提高了其运行温度，因此必然具有较高的产水率。主动式系统与被动式系统相比，由于配备其他的附属设备例如水泵、风机、太阳能集热器等，使它的运行温度得以大幅度提高，其内部的传热传质过程得到改善，而且一般能够主动回收水蒸汽的汽化潜热，因此这种蒸馏器产水量必然大为增加，从而成为太阳能海水淡化技术的重点发展方向。
另外，对于中大型太阳能海水淡化装置来说，需要进一步开发廉价高效的热源系统，主要是开发和完善相应的太阳能集热系统，克服海水淡化热源系统的腐蚀、结垢、微生物滋生以及换热效率低等问题，综合提升热源效率和使用寿命；除此之外，还需考虑综合提升装置效率，设备模块化，系统简单化这几个方面，以适应太阳能蒸馏器在大中型用户的不同需求。
目前国内多所高校加入到了太阳能海水淡化技术研究的行列，提出了一系列新颖的太阳能海水淡化装置实验机型。比较有代表意义的有西北工业大学提出的“新型、高效太阳能海水淡化装置”；天津大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器”；中国科学技术大学提出的“降膜蒸发-气流吸附太阳能蒸馏器”；西安交通大学、北京理工大学等提出了“横管降膜蒸发多效回热的太阳能海水淡化系统”等等，这些研究使太阳能海水淡化技术有了较大的进步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与回路热管相耦合的、传热性能好、蒸馏性能好、整体效率高、结构简单紧凑、制造成本低的太阳能海水淡化装置。
为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案是：
本发明是一种回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置，它包括圆筒型多效蒸馏器、聚光槽、回路热管。所述的圆筒型多效蒸馏器卧式放置并位于聚光槽的背光面；所述的聚光槽按东西方向水平布置，沿南北方向单轴跟踪；所述的回路热管由蒸发管、蒸汽管线、冷凝管、液体管线组成并形成回路，蒸发管水平布置于聚光槽的聚焦线上，冷凝管水平布置于圆筒型多效蒸馏器的中心轴线上。
所述的圆筒型多效蒸馏器包括绝热圆筒、中心加热管、多根传热管、多个半圆槽、多根带喷嘴组的布料管、海水槽、淡水槽、原海水管道、排污水管道、淡水管道。所述的中心加热管与回路热管的冷凝管为同一管道，安装在圆筒型多效蒸馏器的中心轴线上并贯穿于绝热圆筒的两底面。所述的多根传热管由小到大逐根相套并且同心布置在绝热圆筒的内腔，它们的中心线都与中心加热管的中心线保持一致，每根传热管的两边端缘都与绝热圆筒的两底面内壁密封连接。中心加热管、最小传热管与绝热圆筒的两底面之间的密封空间构成了第一效蒸馏室，由内向外相邻的两个传热管与绝热圆筒的两底面之间的密封空间分别构成了第二效蒸馏室、…、第n效蒸馏室，各效蒸馏室皆在绝热圆筒的底面开设抽真空口。最大传热管与绝热圆筒的内表面及两底面之间的密封空间构成了海水预热室，海水预热室与原海水管道相连通。各效蒸馏室的下方位置皆布置一个半圆槽,每个半圆槽的两边端缘与绝热圆筒的两底面内壁连接且与相邻的两个传热管都保持一定的间距。各效蒸馏室的半圆槽内表面与相邻的内侧传热管下半部外表面及绝热圆筒的两底面构成了该效的海水槽，并在绝热圆筒的底面开设浓海水出口与该效的海水槽相通，各效蒸馏室的半圆槽外表面与相邻的外侧传热管下半部内表面及绝热圆筒的两底面构成了该效的淡水槽，并在绝热圆筒的底面开设淡水出口与该效的淡水槽相通。各效蒸馏室的正上方位置沿轴向方向皆安装一根底部设置一列或多列喷嘴组的布料管。第一效蒸馏室的布料管的一侧从绝热圆筒的底面穿出并通过预热海水管与预热海水室连通；从第二效至末效的各效蒸馏室的布料管的一侧从绝热圆筒的底面穿出并通过效间送料管与上一效蒸馏室的浓海水出口连通。末效蒸馏室的浓海水出口与排污水管道连通，并在排污水管道上设置排污泵。各效蒸馏室的淡水出口皆与淡水管道连通，并在淡水管道上设置淡水泵。
采用上述方案后，本发明具有以下几个特点：
一、传热性能好，整体效率高。本发明中回路热管作为聚光槽和蒸馏器之间的高效传热元件，具有热管本身传热量大、传热热阻小、传热温差小的优点，具有良好的传热性能。与此同时，回路热管还具有传热距离大、传热管路布置灵活、反重力能力强等独特优势，使蒸馏器的布置不受场地限制，甚至可布置于低处，因此系统的整体效率较高。
二、蒸馏性能好。本发明中太阳能蒸馏器不仅重复利用水蒸汽的汽化潜热降低了系统的能耗，而且采用喷淋降膜负压蒸馏的方法强化了内部的传热传质过程，另外海水液膜流动沸腾所需热容量很小提高了运行温度，因此整个蒸馏器的综合性能好，产水率高。除上述的特点之外，本发明还具有另一独特优势：由于海水蒸发过程中必然伴随发生海水浓度增大黏度变大从而引起传热系数降低的问题，本发明中从内向外各效蒸馏室的传热面积逐渐增加，有效弥补了传热系数降低造成的影响，因此各效蒸馏室都可以维持较小的传热温差，从而提高整个蒸馏器的效数，进一步提高浓缩比和产水率。
三、结构简单紧凑，制造成本低。本发明中回路热管的蒸发管替代太阳能集热管，回路热管的冷凝管替代蒸馏器的加热管，使整个系统高度集成化、整体效率高。另外，太阳能蒸馏器所有的附件包括预热室、蒸发室、海水槽、淡水槽等有规则的紧密布置在圆筒体内，使整个蒸馏器结构非常紧凑，容易加工和标准化生产，制造成本低。
综上所述，本发明很好地将回路热管与太阳能蒸馏器进行耦合，具有传热性能好、蒸馏性能好、整体效率高、结构简单紧凑、制造成本低等特点，适合于低成本模块化生产，可被广泛应用于太阳能海水淡化领域中。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的太阳能蒸馏器剖面图；
图3是本发明的太阳能蒸馏器主视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置，它包括圆筒型多效蒸馏器1、聚光槽2、回路热管3。所述的圆筒型多效蒸馏器1卧式放置并位于聚光槽2的背光面；所述的聚光槽2按东西方向水平布置，沿南北方向单轴跟踪；所述的回路热管3由蒸发管31、蒸汽管线32、冷凝管33、液体管线34组成并形成回路，蒸发管31水平布置于聚光槽2的聚焦线上，冷凝管33水平布置于圆筒型多效蒸馏器1的中心轴线上。
如图2、图3所示。所述的圆筒型多效蒸馏器1包括绝热圆筒10、中心加热管11、多根传热管12、多个半圆槽13、多根带喷嘴组的布料管14、海水槽15、淡水槽16、原海水管道17、排污水管道18、淡水管道19。在本实施例中，圆筒型多效蒸馏器1是一个两效蒸馏器，它包括第一效蒸馏室A1与第二效蒸馏室A2。
所述的中心加热管11与回路热管3的冷凝管33为同一管道，安装在圆筒型多效蒸馏器1的中心轴线上并贯穿于绝热圆筒10的两底面。所述的传热管12包括第一效传热管121和第二效传热管122，它们同心相套布置在绝热圆筒10的内腔，且中心线都与中心加热管11的中心线保持一致，每根传热管12的两边端缘都与绝热圆筒10的两底面内壁密封连接。中心加热管11、第一效传热管121与绝热圆筒10的两底面之间的密封空间构成了第一效蒸馏室A1；第一效传热管121、第二效传热管122与绝热圆筒10的两底面之间的密封空间构成了第二效蒸馏室A2；第二效传热管122与绝热圆筒10的内表面及两底面之间的密封空间构成了海水预热室AO，海水预热室AO与原海水管道17相连通。各效蒸馏室的下方位置皆布置一个半圆槽13,每个半圆槽13的两边端缘与绝热圆筒10的两底面内壁连接且与相邻的两个传热管12之间都保持一定的间距。第一效蒸馏室A1的半圆槽131内表面与中心加热管11下半部外表面及绝热圆筒10的两底面构成第一效海水槽151，并在绝热圆筒10的底面开设浓海水出口1511与海水槽151相通。第一效蒸馏室A1的半圆槽131外表面与第一效传热管121下半部内表面及绝热圆筒10的两底面构成淡水槽161，并在绝热圆筒10的底面开设淡水出口1611与淡水槽161相通；第二效蒸馏室A2的半圆槽132内表面与第一效传热管121下半部外表面及绝热圆筒10的两底面构成第二效海水槽152，并在绝热圆筒10的底面开设浓海水出口1521与海水槽152相通，第二效蒸馏室A2的半圆槽132外表面与第二效传热管122下半部内表面及绝热圆筒10的两底面构成淡水槽162，并在绝热圆筒10的底面开设淡水出口1621与淡水槽162相通。各效蒸馏室的正上方位置沿轴向方向皆安装一根底部设置一列或多列喷嘴组的布料管14。第一效蒸馏室A1的布料管141的一侧从绝热圆筒10的底面穿出并通过预热海水管1411与预热海水室A0连通；第二效蒸馏室A2的布料管142的一侧从绝热圆筒11的底面穿出并通过效间送料管1421与第一效蒸馏室A1的浓海水出口1511连通；第二效蒸馏室A2的浓海水出口1521与排污水管道18连通，并在排污水管道18上设置排污泵181。第一效蒸馏器A1的淡水出口1611和第二效蒸馏器A2的淡水出口1621皆与淡水管道19连通，并在淡水管道19上设置淡水泵191。
本发明的工作原理：
如图1所示，太阳光经过聚光槽2反射到聚焦线上，太阳能加热回路热管3蒸发管31内的工质液，工质液受热蒸发形成蒸汽通过蒸汽管线32到达回路热管3冷凝管33内，冷凝管33内的蒸汽与冷凝管33外的海水水膜之间进行换热过程，蒸汽被冷凝成工质液通过液体管线34重新返回回路热管3蒸发管31内完成一个工质循环。
如图2、图3所示，预处理海水通过原海水管道17进入圆筒型多效蒸馏器1的海水预热室A0内，海水通过壁面吸收末效蒸馏室An内水蒸汽的汽化潜热使自身温度升高，升温后海水通过预热海水管1411进入第一效蒸馏室A1的布料管141，并从布料管141底部的喷嘴组向下喷淋，喷淋的海水在中心加热管11上半部外表面形成水膜向下流动，海水水膜通过壁面与加热管11内的工质蒸汽进行换热过程，部分海水受热蒸发形成水蒸汽向上流动到达第一效传热管121上半部内表面并通过壁面与第一效传热管121外表面的海水水膜进行换热过程，水蒸汽被冷凝成淡水并沿内壁流下汇集到淡水槽161内，而剩余的海水则汇集到海水槽151内并在压差的作用下通过效间送料管1421进入第二效蒸馏室A2的布料管142继续喷淋，在第一效传热管121上半部外表面形成水膜。第二效至末效蒸馏室的汽水流动过程重复上述相同的过程。最终末效蒸馏室An海水槽内的浓海水从排污水管道18排弃，各效蒸馏室淡水槽内的淡水汇集后从淡水管道19作为产品排出。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (2)
1.一种回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置，其特征在于：它包括圆筒型多效蒸馏器、聚光槽、回路热管；所述的圆筒型多效蒸馏器卧式放置并位于聚光槽的背光面；所述的聚光槽按东西方向水平布置，沿南北方向单轴跟踪；所述的回路热管由蒸发管、蒸汽管线、冷凝管、液体管线组成并形成回路，蒸发管水平布置于聚光槽的聚焦线上，冷凝管水平布置于圆筒型多效蒸馏器的中心轴线上；所述的圆筒型多效蒸馏器包括绝热圆筒、中心加热管、多根传热管、多个半圆槽、多根带喷嘴组的布料管、海水槽、淡水槽、原海水管道、排污水管道、淡水管道；所述的圆筒型多效蒸馏器的中心加热管与回路热管的冷凝管为同一管道，安装在圆筒型多效蒸馏器的中心轴线上并贯穿于绝热圆筒的两底面；所述的圆筒型多效蒸馏器的多根传热管由小到大逐根相套并且同心布置在绝热圆筒的内腔，它们的中心线都与中心加热管的中心线保持一致，每根传热管的两边端缘都与绝热圆筒的两底面内壁密封连接；中心加热管、最小传热管与绝热圆筒的两底面之间的密封空间构成了第一效蒸馏室，由内向外相邻的两个传热管与绝热圆筒的两底面之间的密封空间分别构成了第二效蒸馏室、…、第n效蒸馏室，各效蒸馏室皆在绝热圆筒的底面开设抽真空口；最大传热管与绝热圆筒的内表面及两底面之间的密封空间构成了海水预热室，海水预热室与原海水管道相连通；各效蒸馏室的正上方位置沿轴向方向皆安装一根底部设置一列或多列喷嘴组的布料管；第一效蒸馏室的布料管的一侧从绝热圆筒的底面穿出并通过预热海水管与预热海水室的海水出口连通；从第二效至末效的各效蒸馏室的布料管的一侧从绝热圆筒的底面穿出并通过效间送料管与上一效蒸馏室的浓海水出口连通；末效蒸馏室的浓海水出口与排污水管道连通，并在排污水管道上设置排污泵；各效蒸馏室的淡水出口皆与淡水管道连通，并在淡水管道上设置淡水泵。
2.根据权利要求1所述的回路热管式圆筒型太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述的圆筒型多效蒸馏器的各效蒸馏室的下方位置皆布置一个半圆槽,每个半圆槽的两边端缘与绝热圆筒的两底面内壁连接且与相邻的两个传热管都保持一定的间距；各效蒸馏室的半圆槽内表面与相邻的内侧传热管下半部外表面及绝热圆筒的两底面构成了该效的海水槽，并在绝热圆筒的底面开设浓海水出口与该效的海水槽相通；各效蒸馏室的半圆槽外表面与相邻的外侧传热管下半部内表面及绝热圆筒的两底面构成了该效的淡水槽，并在绝热圆筒的底面开设淡水出口与该效的淡水槽相通。
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