CN106006808A - 一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，属于太阳能集热和海水淡化技术领域。本发明包括上中下三层透明薄膜，蒸馏膜，黑色毛细管和耐温防水密封胶层。上中层透明薄膜充入海水，形成大小双凸透镜结构。垂直入射的光线依次经上层大凸透镜和中层小凸透镜，汇聚光线穿透下层透明薄膜，最终在底层蒸馏膜处形成焦点。膜下部的海水被持续加热，下侧温度不断升高而上侧温度较低。在膜两侧蒸汽压差作用下，水蒸汽形式通过膜孔，从膜热侧扩散到冷侧。进入该空间内的蒸汽将气化热传递给黑色毛细管壁面，进一步重复利用。斜入射光线会从焦点处向周边黑色毛细管壁面移动，受热毛细管上端蒸发出的淡水在中下层透明薄膜间冷凝收集。

Description

一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜

所属技术领域

本发明涉及利用太阳能聚光直接加热蒸馏膜表层，使膜另一侧海水温度不断升高，气态水分子穿过蒸馏膜冷凝出淡水的装置。属于太阳能热利用和海水淡化及水处理技术领域。具体涉及一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化装置。

背景技术

自航海时代来临后，人类就发明了不同形式用于海上自救的小型漂浮式海水淡化器。全世界每年有很多船只在海上由于各种原因而沉没，在膜技术不是很发达的过去，在海上直接利用太阳能进行海水淡化成为获取淡水唯一可行的方法。

自上世纪60年代膜蒸馏技术出现以后，膜蒸馏技术获得了飞速的发展。在太阳能与膜蒸馏技术结合方面，欧美等发达国家相关专利早已破百，而我国却为数不多。如公开的CN102060340A装置，虽自动补偿海水并利用蒸馏膜提取淡水，但装置部件较多运行繁琐效率较低。而且装置整体结构并没有单元化，不能复制扩大使用。公开的CN103964526A装置采用了聚光直接进行海水淡化的薄膜结构，但装置空间利用率低，蒸汽的冷凝潜热未得到充分利用,淡水产量不高。

许多海水淡化器被世界各国研究者们设计出了，其中利用盘式蒸馏器漂浮在海上来获取淡水的装置比较常见，电影《少年派的奇幻漂流》热映时，一个类似水母的锥形透明物体被拴在救生艇旁，它被认为是利用太阳能收集淡水的工具。实际上远洋船上配有专门的造水机以提供淡水，一般救生艇上存有桶装水，而电影里该装置获取的淡水流量可能微乎其微。还有一种叫watercone的淡水收集器,可以将盐分从咸水里分离出来而产生淡水的巧妙装置，是由宝马设计师StephanAugustin设计。这个装置的构造简单，只要有阳光就能使这个小装置工作起来，将海水注入后在高热下将水蒸气集结，并可过滤海水中的盐分，因此一天下来可获得约1.6升的饮用水。制造它是非常的容易，价格仅30美元。

总结现有太阳能海上淡化装置存在下面缺陷：

(1)现有装置携带不方便，海水存量不大。

(2)没有将太阳能聚光和海水淡化结合使用，整体能量利用率低。

(3)未能单元化，组成庞大的海上淡水收集器，从而无法实现低成本和规模化，不适合现代海洋农业对淡水的巨大需求量。

尽管有许多太阳能海水淡化技术及装备已经成规模地在陆地上得到很好的实际应用，但因结构复杂、体积庞大、操作繁琐而不适合于在海上直接利用。为了解决这些矛盾，可设计一种海上漂浮式太阳能海水淡化膜的结构单元，期待利用薄膜中微孔聚光，直接蒸发海水实现太阳能淡化过程。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜装置，能够完全利用天然能量在海面上直接生产淡水。

一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，包括上中下三层透明薄膜、底层蒸馏膜、底层透明薄膜、黑色毛细管和两个以上的海水淡化单元，海水淡化单元包括大小双聚光透镜、透明薄膜形成的隔层、黑色毛细管和底层蒸馏膜；其中大小双聚光透镜结构是由海水进行填充的，所以上部的大凸透镜朝上，下部的小凸透镜朝下。底层蒸馏膜位于凸透镜的正下方中央位置，结构为上凸状，这样利于其下部的海水升温。黑色毛细管穿过下层和底层透明薄膜膜，两者将毛细管固定住。底层的高温防水密封胶层是为了使黑色毛细管贯穿底层是不发生海水渗入。

结构相同且独立的单元进行水平阵列，组成整张膜结构。单个膜单元四周竖隔膜和水平透明薄膜将整张膜分隔成无数个独立腔室。上中下三层透明薄膜之间构成两个独立的腔室，分别为海水腔，上层淡水腔。下层透明薄膜和底层蒸馏膜之间，形成下层淡水腔。独立海水腔之间利用海水连通孔进行连通，上层淡水腔同下层淡水腔一样，有淡水连通孔进行连通。这样由单元组成的膜结构，单元结构紧凑且相互关联，使得膜在制作和使用上方便简易。

该淡化膜的工作原理：装置整体置于海面上，当太阳光高度角较高，光线竖直向下射入表层透明薄膜，穿过充满海水的上层形成的大小双凸透结构，最终汇聚在蒸馏膜上表面。膜上凸结构表面温度持续增加，使得其包围腔内海水温度不断上升。由于蒸馏膜下层暖侧海水与膜界面的水蒸汽压高于上层冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧，在蒸馏膜上部源源不断生成水蒸气。产生的蒸汽进入下腔体内，遇到充满较冷海水毛细管的壁面，冷凝出淡水。同时毛细管吸收了蒸汽的凝结潜热，起到了回热的作用。

当太阳高度角较低，光线斜入射进入表层透明薄膜，在通过大小双凸透镜后，光线不再汇聚到蒸馏膜焦点处。形成的光斑会移动到下层与底层透明薄膜之间的黑色毛细管侧壁面上，并加热毛细管上端的海水，在中层与下层透明薄膜之间的中间腔内形成蒸汽，并冷凝出淡水。底层耐温防水密封胶层使黑色毛细管贯穿底层薄膜而不发生海水渗入。同时毛细管的虹吸作用使海水不断向上流动，毛细管下端浸没在海水中，不断吸取低浓度的海水进行补充。同时上端高浓度海水向下流动，自然稀释上端蒸发面，使毛细管上部不易结垢。

当中层和下层淡水腔内的水蒸气冷凝出淡水，可通过中层和下层腔体连通孔，汇集的淡水通过淡水出口，输出装置。

进一步的，黑色毛细管均布在下层与底层透明薄膜之间的底层腔内，并位于蒸馏膜周围。黑色毛细管上端高于下层透明薄膜并伸入中间腔内，下端低于底层透明薄膜并伸入海水之中。

进一步的，耐温防水密封胶层紧压在底层透明薄膜上，使毛细管穿过底层透明薄膜形成的孔洞，不发生海水渗入。

进一步的，底层蒸馏膜具有向上凸起的结构，这种结构底层内的海水接收蒸馏膜上层传递过来的热量，在该结构所形成的腔内持续升温，最大程度的减少了能量的耗散。

有益效果：

(1)采用用海水填注的大小双凸透镜结构进行聚光，太阳光直接照射到底层蒸馏膜和黑色的毛细管上。间接加热了海水，省略了复杂的换热结构，减少了传热环节，提高了聚热效率。

(2)黑色壁面的毛细管，吸收斜入射的部分太阳光外，还能够最大程度回收热蒸汽的凝结潜热，提高装置能量利用效率。

(3)由于装置可以组合使用，可以用非金属制造，减低了装置造价，有利于推广应用。采用轻质柔软的透明薄膜作为海水淡化膜的主体材料，打开淡水阀即可使用淡水，便于在海水作业的人员使用和收集淡水。在不使用时，便于卷起存放。

(4)海水的表面张力，使得水对的膜体材料有一定的粘性。而且海水淡化膜非常薄，能够抗拒较小风浪。

(5)地球上70％的表面都被海水覆盖，太阳能资源在一些大洋地区极为丰富。本发明可以将单个结构排列组合，在海上形成大规模太阳能海水淡化系统，从而满足海上生产和生活需求。

附图说明

图1为本发明运行原理示意图；

图2为本发明的网格结构示意图；

图3为本发明将网格腔体结构改为长方体腔的一个实施例的示意图。

其中，1—入射光线；2—上层腔体连通孔；3—大凸透镜；4—小凸透镜；5—透明薄膜；6—底层蒸馏膜；7—黑色毛细管；8—耐温防水密封胶层；9—中层腔体连通孔；10—下层腔体连通孔；11—淡水连通孔；12—竖隔膜；13—上层海水腔；14—中层淡水腔；15—下层淡水腔；16—海水入口；17—淡水出口。

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。

如附图1和2所示，本发明提供了一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜装置，

装置主要包括大凸透镜3、小凸透镜4、底层蒸馏膜6和黑色毛细管7；其中，大小凸透镜采用在上中两层透明薄膜形成的上层海水腔13内注入海水形成。底层蒸馏膜6仅位于透镜正下方焦斑处，周围部分为底层透明薄膜5。

其整体关系为：四层透明薄膜和竖隔膜组成上中下三个相对封闭的腔室。底层蒸馏膜6仅位于透镜正下方焦斑处，周围部分为底层透明薄膜5。大凸透镜位于上层透明薄膜5，方向向上。小凸透镜位于中层透明薄膜5，方向向下。黑色毛细管7间隔分布在下层腔室中，位于下层和底层透明薄膜5之间，上端头伸出下层透明薄膜5，下端头低于底层透明薄膜5。

工作原理为：装置漂浮于海面上，底层耐温防水密封胶层8使黑色毛细管7贯穿底层透明薄膜5而不发生海水渗入。同时黑色毛细管7下端浸没在海水中，虹吸作用使管内海水不断向上流动。

光线竖直向下射入上层透明薄膜5，穿过充满海水的上层形成的大小双凸透结构，最终汇聚在底层蒸馏膜6上表面。膜上凸结构表面温度持续增加，使得其包围腔内海水温度不断上升。由于底层蒸馏膜6下层暖侧海水与膜界面的水蒸汽压高于上层冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧，在蒸馏膜上部源源不断生成水蒸气。产生的蒸汽进入下腔体内，遇到充满较冷海水毛细管的壁面，冷凝出淡水。同时黑色毛细管7吸收了蒸汽的凝结潜热，起到了回热的作用。

光线斜入射进入上层透明薄膜5，在通过大小双凸透镜后，光线不再汇聚到底层蒸馏膜6焦点处。形成的光斑会移动到下层与底层透明薄膜5之间黑色毛细管7侧的壁面上，并通过加热壁面，使管内海水升温，上端头部蒸发出水蒸气，在中层与下层透明薄膜5之间的中间腔内形成蒸汽，并冷凝出淡水。

黑色毛细管7下端不断吸取低浓度的海水进行补充。同时上端部高浓度海水向下流动，自然稀释上端蒸发面，使黑色毛细管7上端部不易结垢。

如附图3所示的一个实施例中，将正方形网格腔体结构改为长方形腔体。上方大小双凸透镜为也改为了长条形，其纵剖面仍为上层透明薄膜5向上凸起，下层薄膜向下凸起。上述改变使点聚光变为线聚光，提高膜体表面利用率，同时也提高海水淡化效率。

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 (5)

1.一种具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述结构包括四层透明薄膜(5)、底层蒸馏膜(6)、黑色毛细管(7)和耐温防水密封胶层(8)。

其中连接关系是：四层平行分布的透明薄膜(5)分别为上、中、下和底层透明薄膜(5)，和四周竖壁面薄膜组成淡化膜的内腔体；底层蒸馏膜(6)嵌入各独立底层腔体的下面透明薄膜(5)中部，小凸透镜(4)的正下方；黑色毛细管(7)位于下层腔体内，采用两层透明薄膜(5)将其固定住；所述耐温防水密封胶层(8)紧贴在底层透明薄膜(5)上。

2.如权利要求1所述的具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，将上中两层透明薄膜(5)间的上层海水腔(13)内充满海水，最终凸起，形成双凸透镜聚光结构；大凸透镜位于上层透明薄膜(5)，向上凸出；小凸透镜位于中层透明薄膜(5)，向下凸出。

3.如权利要求1所述的具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述蒸馏膜(6)位于凸透镜下方的焦点处，是一种耐温微孔疏水膜，其膜体疏水侧朝上，亲水侧朝下，作用之一是利用膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，其二是在暖侧水溶液与膜界面的水蒸气压高于冷侧，水蒸气会透过膜孔进入冷侧而冷凝。

4.如权利要求1所述的具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述的黑色毛细管(7)固定在下层和底层的透明薄膜(5)之间的底层腔体内，上端固定在下层透明薄膜(5)上,位于的中层淡水腔(14)内，下端被固定在底层透明薄膜(5)上，处于底层透明透明薄膜(5)下方的海水中。

5.如权利要求1所述的具有回热毛细管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，用轻质柔软的透明薄膜作为海水淡化膜的主体材料，膜内中下层淡水腔的淡水，通过壁面淡水出口(17)输出，便于在海水作业的人员使用和收集淡水。在不使用时，便于卷起存放。