CN105923677B - 抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置。该装置由复合抛物面聚光器，凸面透明材料，布水器，热接收器和半透膜组成。光线进入复合抛物面聚光器后，经其内表面反射和竖壁面二次反射后聚焦到热接收器上，热接收器不断升温并加热海水。底层腔体类似细胞膜结构，海水不断蒸发，腔内压力上升，使底层热海水从导管内脉动泵入最高层布水器，后在凸面上表面形成降膜流动。紧靠下层腔内的蒸汽在凸面下面冷凝，热量传递给上表面的降膜水体，使之蒸发。海水重力作用逐级向下流动。底层腔体内海水浓度上升，在腔底侧半透膜作用下，外面海水对腔内减少的纯水，进行补给。安置在各层蒸发腔反射面上的淡水槽，收集淡水输出使用。

Description

抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置

所属技术领域

本发明属于太阳能聚光与淡化利用技术领域。具体地说是一种复合抛物面聚光与脉动泵水多级降膜海水淡化结合组成的新型结构。

背景技术

地球上绝大部分的水几乎都存储在海洋中。地球上的水收到太阳光的照射后，就变成水蒸气被蒸发到空气中去了，水蒸气在高空遇到冷空气便冷凝成小水滴，小水滴形成云，最终落到陆地上的淡水被人类使用。太阳能淡化是大自然产生淡水的一种基本方式。利用太阳能淡化能够较好地兼顾能源与水源需求，节约能源、保护环境，形成巨大的经济和环境效益，有助于解决我国农村苦咸水地区、孤岛等地区饮用水问题，有助于推动我国淡化技术的发展。但目前该技术依然存在回热差、产水率低等缺点，可以依据分级回热和多级增湿的基本原理，将分级回热方法用于太阳能淡化装置，以改善系统的回热特性和产水性能。

植物细胞主要依靠渗透作用吸水，渗透作用的发生需要两个条件，一是半透膜，另一是膜两边有水势差。成熟的细胞含有大液泡，液泡中有一定浓度的细胞液，液泡外是原生质层，在细胞吸水时，常把它当作一半透膜。这样一个细胞放在水或溶液中时，如果原生质层两边有水势差，就具备了进行渗透作用的条件。当外界溶液水势高于细胞液的水势时，细胞就通过渗透作用吸水。

公开专利CN1583583A利用具有较大比表面积的多孔性纤维来增大传热面积，提高单位体积蒸发器的蒸发负荷，使海水蒸发形成立体蒸发，实现淡化。低品位太阳能完全被动吸收，装置热能利用率低。公开专利CN103964526A与CN103964524A利用毛细现象将毛细管底部的海水提升到顶端，再将微聚光器聚光后的光斑与毛细管束顶端重合，使之蒸发出淡水并收集使用。该装置空间利用率低，热蒸汽的凝结潜热并未回收，产水量低。

为了解决这些矛盾，设计一种利用复合抛物面聚光与细胞膜脉动原理的多级降膜淡化装置。依据分级回热和多级增湿的基本原理，并结合植物细胞渗透作用应用于太阳能淡化装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用复合抛物面聚光与细胞膜脉动泵水结合的多级降膜淡化装置，利用太阳能直接产生淡水。该装置能将太阳光能，经顺向反射聚光产生高温的热能，而且由于该装置采用半透膜类似细胞膜脉动泵水，整个装置完全自动产生淡水。因而具有集热效率高，产水量大的优点。

一种利用细胞膜脉动泵水与复合抛物面聚光的多级降膜淡化装置，包括复合抛物面聚光器，布水器，二次反射聚焦器，半透膜，热接收器和凸面透明材料组成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明装置由复合抛物面聚光器、二次反射聚焦器、凸面透明材料和热接收器组成。其中复合抛物面聚光器的对称轴与二次反射聚焦器及下层高温腔体内的热接收器的对称轴在同一条直线上。复合抛物面聚光器的出光口与二次反射聚焦器的进光口相连，二次反射聚焦器竖直位于底层高温腔体两侧，热接收器漂浮在底层高温腔体内浓海水之上。倾斜入射或平行与复合抛物面聚光器对称轴的光线经复合抛物面聚光器和二次反射聚焦器的反射后形成镜像焦斑，而热接收器的中心被置于镜像焦斑上。

工作原理是：复合抛物面聚光器和紧密连接的二次反射聚焦器组成一个可以太阳光反射后实现顺向聚焦的聚光装置，而高温热接收器内置于底层高温腔体。因此当太阳光入射进入装置底层高温腔体后在热接收器上形成聚焦，热接收器表层温度不断上升。高温的热接收器加热四周的浓海水，底层高温腔体产生的蒸汽不断增多，腔体内部压力不断增大。蒸汽压将热海水压入输水导管内送入最高层布水器，降膜布水器位于最上腔内凸面透明材料中央上部。

在进行淡化的时候，最下级产生的蒸汽在该级凸面透明材料下表面冷凝成淡水，同时放出的潜热加热上一层凸面透明材料上表面的均匀海水膜，生成的淡水从背面滑落到两端的淡水槽内，最终输出到淡水箱内。按照这样的步骤蒸汽过程逐级往上进行，从而完成整个蒸发与冷凝过程，各层蒸汽加热海水膜，在各层凸面透明材料下表面凝结的淡水，滑落到两端的淡水槽经淡水输出管汇集至储水箱中供用户取用。布水器将海水水膜均匀布置在凸面透明材料上表面，蒸发后剩余海水滑落到凸面透明材料两旁的最低处，自然滑落到下层布水器中，浓海水逐级向下。

底层腔体类似细胞结构，底部的半透膜如同细胞膜一般。当腔体内的浓海水不断蒸发，当腔内浓度大于外部海水浓度时，海水中的水分子就能够透过半透膜进入腔体内，补充不断损失的水分子，保证底层腔体的蒸发过程顺利进行。

有益效果：

(1)蒸馏性能好，效率高。本发明结构紧凑，多次重复利用了水蒸气的凝结潜热，而且采用降膜蒸发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。另外，海水在蒸发过程中必然伴随发生海水浓度增大黏度增大，从而引起传热系数降低。结构中由内向外各效蒸馏腔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，因此各效蒸馏腔都可以维持较小的传热温差，从而提高整个蒸馏腔的效数，进一步提高浓缩比和产水率。

(2)本发明可以将低能流密度的太阳光束汇聚成高能流密度的焦点，并使该焦点在聚光装置的下方，实现了反射式顺向聚焦，这样热接收器就可以安装在反射面下方，从而不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，有利于接收器对该太阳光的接收和转化，从而实现高温聚能，也使此类接收装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。

(3)结构简单紧凑，能规模使用。整个装置所以部件包括各级蒸馏腔、热接收器、布水器等有规则的布置在复合抛物面聚光器和二次反射聚光器的内部，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。可以将本装置通过排列组合，形成大规模的太阳能淡化系统，从而实现太阳能淡化系统大规模、低成本普及应用。

附图说明

图1为本发明运行原理示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为本发明的光路运行原理图；

图4为本发明将顶层凸面透明材料上增加曲面菲涅尔聚光器；

图5为本发明装置串联或并联的方式组成多级槽式淡化膜的实施例图；

图6为本发明将顺向聚光与多级盘式蒸馏器相结合的实施例图。

其中，1—入射光线；2—复合抛物面聚光器；3—布水器；4—输水导管；5—淡水槽；6—二次反射聚焦器；7—半透膜；8—海水进入；9—海水；10—浓海水；11—热接收器；12—高温腔体；13—排气阀；14—淡水导管；15—淡水箱；16—凸面透明材料；17—对称轴；18—曲面菲涅尔聚光器；19—水泵；20—黑色底层；21-外沿入射光线；22-内沿入射光线；f1—左侧抛物面焦点；f2—右侧抛物面焦点。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种利用细胞膜脉动泵水与复合抛物面聚光的多级降膜淡化装置，装置主要包括复合抛物面聚光器2、二次反射聚焦器6、布水器3、凸面透明材料16和热接收器11。其中复合抛物面聚光器2的对称轴17与二次反射聚焦器6及底层高温腔体12内热接收器11的对称轴17在同一条直线上。复合抛物面聚光器2的出光口与二次反射聚焦器6的进光口相连，二次反射聚焦器6位于底层高温腔体12两侧。平行于复合抛物面聚光器2对称轴17的光线经复合抛物面聚光器2和二次反射聚焦器6的反射后形成的焦斑，而热接收器11的中心被置于焦斑处。本发明装置可以通过串联或并联的方式组成两级以上系统使用。本发明可以设计成三维的旋转体结构，形成点状焦斑。也可以设计成二维的槽式结构，形成线状焦斑。

如附图1和2所示，装置的运行原理可分布解释如下：

平行的入射光线1沿对称轴17方向入射，大部分将入射到复合抛物面聚光器2的内表面上，经反射后都会入射到二次反射聚焦器6内表面上，经二次反射聚焦器6内表面反射后汇聚成焦斑，焦斑落在底层高温腔体12内热接收器11上。因此热接收器11表层温度不断上升。热接收器11加热四周的浓海水10，底层高温腔体12产生的蒸汽不断增多，内压力不断增大。排气阀13位于底层高温腔体12的二次反射聚焦器6壁面上，维持腔体内的最大压力。蒸汽压将热海水压入输水导管4内送入最高层布水器3，降膜布水器3位于最上层腔体内的凸面透明材料16中央上部。

在进行淡化的时候，最下层高温腔体12产生的蒸汽在该级凸面透明材料16下表面冷凝成淡水，同时放出潜热加热上一层凸面透明材料16上表面的均匀海水膜，生成的淡水从背面滑落到两端的淡水槽5内。按照这样的步骤蒸汽过程逐级往上进行，从而完成整个蒸发与冷凝过程，各层蒸汽加热海水膜，在各层凸面透明材料16下表面凝结的淡水，滑落到两端的淡水槽5经淡水输出管汇集至淡水箱15中供用户取用。布水器3将海水水膜均匀布置在凸面透明材料16上表面，蒸发后剩余海水滑落到凸面透明材料16两旁的最低处，自然滑落到下层布水器3中，浓海水逐级向下布水降膜。

底层高温腔体12类似细胞结构，底部的半透膜7如同细胞膜一般。当腔体内的浓海水不断蒸发，当腔内浓度大于外部海水浓度时，海水中的水分子就能够透过半透膜7进入高温腔体12内，补充不断损失的水分子，保证底层高温腔体12的蒸发过程顺利进行。

图3是复合抛物面聚光器与二次反射聚焦器的聚光原理图。利用光路对其运行原理做进一步的说明如下：抛物面外沿入射光线21是入射到抛物反射面外沿的边界光线，抛物面内沿入射光线22是入射到抛物反射面内沿的边界光线，抛物面外沿入射光线21和抛物面内沿入射光线22之间的入射光线沿对称轴17入射并且都能照射到抛物反射面上，并被反射到二次反射聚焦器表面6上，光线再次被6反射汇集到热接收器11上，热接收器11在抛物反射面11的焦点上方，轴向尺寸与反射光线形成的光斑一致，使得反射光线都能均匀汇集到热接收器11上。

焦点f1和焦点f2是两个虚焦点，经复合抛物面聚光器2的光线应该会聚在虚焦点f1和f2上。但由于二次反射聚焦器6的镜像反射，实际会聚在镜像焦点f1上。如装置为三维旋转体结构，在热接收器上11则对应的虚焦点为一条环状焦线，该环状焦线是一个以对称轴17为中心的圆。

当入射光线1与对称轴17有一定夹角，即入射光线1斜入射进入复合抛物面聚光器2中。遇到复合抛物面聚光器2和二次反射聚焦器6的多次反射，入射光线1最终落到热接收器11上。

图4是本发明聚光系统与曲面菲涅尔聚光器18结合的实施例。平行于对称轴17的入射光线经过曲面菲涅尔聚光器18，光线穿过数层凸面透明材料16，最终在热接收器11形成焦斑。

图5为本发明装置由串联或并联的方式组成多级实施例图。装置可以设计成三维的槽式结构，形成线性聚焦，这时复合抛物面聚光器2与二次反射聚焦器6就组成一个槽式聚光器，镜像焦点就是一条镜像焦线。长条形的热接收器11位于焦线的位置。装置上层由凸面透明材料16组成，下层有透明薄膜之间连接。淡水槽5内的淡水统一输出到聚光器之间的间隙内。底层高温腔体12将腔内浓海水通过细胞膜原理和输水导管4泵水进入上面几级布水器3。输水导管4和排气阀13位于侧面壁面上。水平排列的该装置可以在海上直接利用。

图6为本发明将顺向聚光与多级盘式蒸馏器相结合的实施例图。复合抛物面聚光器2与二次反射聚焦器6就组成一个槽式聚光器，将入射光线1聚集在底层高温腔体12层底的黑色底层20上。底层高温腔体12的侧壁面上开有海水出口，连接输水导管4的水泵19将水泵入最上层布水器3中，逐级向下。该槽式装置可放置在水平地面上，收集淡水使用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，该海水淡化装置包括复合抛物面聚光器(2)，布水器(3)，二次反射聚焦器(6)，半透膜(7)，热接收器(11)和凸面透明材料(16)组成；其中，所述的复合抛物面聚光器(2)的对称轴(17)与二次反射聚焦器(6)及热接收器(11)的对称轴在同一条直线上；复合抛物面聚光器(2)、最上层凸面透明材料(16)、底部的半透膜(7)和二次反射聚焦器(6)的竖壁面组成装置内的大腔体，数个凸面透明材料(16)将大腔体分隔成数个独立腔体。

2.如权利要求1所述的抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，二次反射聚焦器(6)的进光口与复合抛物面聚光器(2)的出光口相连，并内置于底层高温腔体(12)两侧竖壁面。

3.如权利要求1所述的抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，底层高温腔体(12)顶部为凸面透明材料(16)，底部为半透膜(7)，而二次反射聚焦器(6)组成四周竖壁面。

4.如权利要求1所述的抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，热接收器(11)漂浮在底层高温腔体(12)中部的浓海水(10)上，上表面有太阳能选择性吸收涂层。

5.如权利要求1所述的抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，底层高温腔体(12)的二次发射聚焦器(6)竖壁面上安装有排气阀(13)，腔体的输水导管(4)连通最上层布水器(3)形成降膜流动；上层凸面透明材料(16)的上表面两端最低处串接输水导管(4)连通紧靠的下层布水器(3)；下面各层腔体，布水器(3)按照相同方式从上到下依次串接。

6.如权利要求1所述的抛物面聚光与热蒸汽脉动复合的多级降膜海水淡化装置，其特征在于，逐级腔体内复合抛物面聚光器(2)反射面上有淡水槽(5)，可将淡水收集并输出装置。