CN106241926A - 一种太阳能双级加热海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能双级加热海水淡化装置，本发明将海水通过海水输入到晒水池内部，海水输出到一级加热机构内进行一级加热，经由喷洒机构喷洒到二级加热机构上进行二级加热，加热后的海水形成的水蒸气由冷凝机构冷凝形成淡水，被淡水收集装置收集。本发明设置两级加热机构，大幅度的提高了海水温度；与此同时，被加热后的海水经喷洒机构反复雾化，增强海水与周围空气的热湿交换过程，有利于提高海水的蒸发速率。

Description

一种太阳能双级加热海水淡化装置

技术领域

本发明属于可再生能源的热能利用领域，涉及一种太阳能双级加热海水淡化装置。

背景技术

在我国一些沿海地区和孤立的岛礁上，存在淡水资源稀缺的问题,但该地区海水资源丰富，为海水淡化技术的实施提供了有利条件。

目前，已有的海水淡化技术中，常见的有膜过滤式海水淡化技术与常规蒸馏式海水淡化技术。其中，利用膜过滤式海水淡化技术虽然可以得到较纯净的淡水，但存在投资高、设备复杂等缺点；常规蒸馏式海水淡化系统需要结合外部热源加热，工作过程会消耗较多能量，增加运行成本；传统的太阳能海水淡化装置，晒水池底部为吸热材料，太阳辐射投射到晒水池中，从而使海水吸热蒸发，但该系统运行时，海水升温慢，蒸发速率小，导致海水淡化效率低下。

综上所述，如何在投资较低、设备较为简单的条件下，解决海水淡化时海水升温慢、蒸发效率低问题，以确保海水淡化系统的高效运行，是本领域技术人员所关注的焦点问题之一。

发明内容

针对上述初投资高、设备复杂、海水升温慢、蒸发效率低的问题，本发明目的在于，提供一种太阳能双级加热海水淡化装置，该装置结构简单、生产方便、节约常规能源，不仅可以实现对海水“双级加热”使海水升温快，而且还具有较高的海水的淡化效率。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种太阳能双级加热海水淡化装置，包括补水机构，补水机构连接晒水池，所述晒水池连接一级加热机构，晒水池内部设置有二级加热机构和喷洒机构，一级加热机构连接喷洒机构；晒水池还连接冷凝机构，冷凝机构连接淡水收集装置；

海水通过补水机构输入到晒水池内部，海水输出到一级加热机构内进行一级加热，经由喷洒机构喷洒到二级加热机构上进行二级加热，加热后的海水形成的水蒸气由冷凝机构冷凝形成淡水，被淡水收集装置收集。

具体地，所述一级加热机构包括太阳能集热器和循环水泵，所述晒水池内的海水经由循环水泵流入太阳能集热器内。

具体地，所述二级加热机构包括吸热板和透光板，吸热板设置在所述晒水池内部，吸热板包括阶梯板和竖直板，阶梯板将所述晒水池分成上下两部分，竖直板与所述晒水池的一侧侧壁之间留有间隙，形成水流通道；透光板设置在所述晒水池的顶部。

具体地，所述透光板为玻璃板，透光板为弧形结构。

具体地，所述阶梯板的每一个阶梯面相对于水平面的倾斜角度为15°。

具体地，所述喷洒机构设置在所述吸热板和透光板之间，喷洒机构包括圆环形喷淋管和T形喷淋管，T形喷淋管设置在圆环形喷淋管的端部；T形喷淋管所在平面平行于所述晒水池的侧壁。

具体地，所述冷凝机构设置在所述晒水池的外壁上，冷凝机构包括第一冷凝管道和第二冷凝管道，第一冷凝管道与所述晒水池内的吸热板的上方空间连通，第二冷凝管道与所述晒水池内的吸热板的下方空间连通。

具体地，补水机构包括全热交换器、补水泵和阀门，海水依次经过全热交换器、补水泵和阀门流入所述晒水池内；所述补水机构还包括压力传感器,；所述第一冷凝管道道的末端和第二冷凝管道的末端均穿过全热交换器连接所述淡水收集装置。

具体地，所述晒水池的底部设置有排水漏斗，排水漏斗下方设置有排水阀门。

具体地，所述圆环形喷淋管的一周设置有多个雾化喷嘴，所述T形喷淋管的管壁上设置有多个雾化喷嘴。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、解决海水淡化时海水升温慢、蒸发速率低的问题

本发明将海水通过海水输入到晒水池内部，海水输出到一级加热机构内进行一级加热，经由喷洒机构喷洒到二级加热机构上进行二级加热，大幅度的提高了海水温度。与此同时，被加热后的海水经喷洒机构反复雾化，增强海水与周围空气的热湿交换过程，有利于提高海水的蒸发速率。

2、具有良好的节能效果

第一，与传统动力源和热源相比，本发明具有不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点；第二，海水在蒸馏装置内被加热蒸发后，形成热负压，在其作用下使水蒸气具有较高的流动速度，在冷凝机构中完全可以节约相应送风装置；第三，末端设有全热交换器，使海水与蒸汽进行热量交换，即有利于蒸汽凝结成淡水，又对海水起预热作用。

3、运行成本低，结构简单，操作性强

本发明初投资及运行成本低，结构简单，易于制作和安装，几乎无需外界动力。另外，配备有较为完善的自动补水装置，当晒水池内海水低于设定水位时，补水泵自动开启向晒水池补水；当水位达到设定位置时，阀门关闭，补水泵自动关闭停止向晒水池补水，从而保证了系统的正常运行。对于节省人力、物力具有积极意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是圆环形喷淋管的示意图；

图3是T型喷淋管的示意图；

图4是阶梯板的示意图；

图5是排水漏斗的示意图；

图6是吸热板上部蒸发速率模拟图；

图7是晒水池底部蒸发速率模拟图；

图中的标号分别表示：1—补水机构，101—全热交换器，102—补水泵，103—阀门，104—压力传感器，2—晒水池，3—一级加热机构，301—太阳能集热器，302—循环水泵，4—二级加热机构，401—吸热板，40101—阶梯板，40102—竖直板，402—透光板，5—排水阀门，6—喷洒机构，601—圆环形喷淋管，602—T形喷淋管，7—冷凝机构，701—第一冷凝管道，702—第二冷凝管道，8—淡水收集装置，9—水流通道，10—排水漏斗，11—雾化喷嘴，12—冷凝总管。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

本发明的太阳能双级加热海水淡化装置，参见图1，包括补水机构1，补水机构1连接晒水池2，所述晒水池2连接一级加热机构3，晒水池2内部设置有二级加热机构4和喷洒机构6，一级加热机构3连接喷洒机构6；晒水池2还连接冷凝机构7，冷凝机构7连接淡水收集装置8。

具体工作过程如下：海水通过补水机构1输入到晒水池2内部，海水输出到一级加热机构3内进行一级加热，经由喷洒机构6喷洒到二级加热机构4上进行二级加热，加热后的海水形成的水蒸气由冷凝机构7冷凝形成淡水，被淡水收集装置8收集。本发明设置两级加热机构，大幅度的提高了海水温度；与此同时，被加热后的海水经喷洒机构6反复雾化，增强海水与周围空气的热湿交换过程，有利于提高海水的蒸发速率。

所述一级加热机构3包括太阳能集热器301和循环水泵302，晒水池2内的海水经由循环水泵302流入太阳能集热器301内。一级加热机构3中的各个部件均通过水管连接，循环水泵302通过水管安装在晒水池2的底部；太阳能集热器301对海水进行加热，加热后的海水经由镀锌钢管进入喷洒机构6内部。

参见图4，所述二级加热机构4包括吸热板401和透光板402，吸热板401设置在晒水池2内部，吸热板401包括阶梯板40101和竖直板40102，阶梯板40101将晒水池2分成上下两部分，竖直板40102与所述晒水池2的一侧侧壁之间留有空心，形成水流通道9；透光板402设置在晒水池2的顶部，用于密封晒水池2。

参见图2和图3，所述喷洒机构6设置在所述吸热板401和透光板402之间，喷洒机构6包括圆环形喷淋管601和T形喷淋管602，T形喷淋管602设置在圆环形喷淋管601的端部；T形喷淋管602所在平面平行于所述晒水池2的侧壁。圆环形喷淋管601的一周设置有多个雾化喷嘴11，T形喷淋管602的管壁上也设置有多个雾化喷嘴11，由一级加热机构3输送来的经过一级加热的海水经过喷洒机构6的圆环形喷淋管601和T形喷淋管602在吸热板401的上方空间进行喷洒；经由雾化喷嘴11喷洒出来的海水充分雾化，增大了海水与周围空气的接触面积，有利于海水与周围空气的热湿交换，促进海水的蒸发。

经雾化喷嘴11喷洒出来的海水一部分蒸发到上方空间，大部分落在了吸热板401上，吸热板401接收透过透光板402照射进晒水池2内的光，温度升高，落在吸热板401上的海水被二次加热后，经由水流通道9流回到晒水池2底部。

所述透光板402为玻璃板，为弧形结构，其接收阳光的有效面积较大，能够透过较多的阳光。

所述阶梯板40101的每一个阶梯面相对于水平面的倾斜角度为15°。阶梯板40101的设置保证落到吸热板401上的海水能够沿阶梯板40101的倾斜面流入回晒水池2底部。阶梯板40101的向阳面附着有吸热层，背阳面附着有保温层。

蒸发形成的水蒸气经由冷凝机构7冷凝输出，所述冷凝机构7设置在所述晒水池2的外壁上，冷凝机构7包括第一冷凝管道道701和第二冷凝管道702，第一冷凝管道道701与所述晒水池2内的吸热板401的上方空间连通，第二冷凝管道702与所述晒水池2内的吸热板401的下方空间连通。

喷洒机构6在喷洒过程中会形成水蒸气，此部分水蒸气进入第一冷凝管道701内部；流回晒水池2内部的海水由于被加热，温度较高，在回流到晒水池2内后，蒸发形成水蒸气，此部分水蒸气进入第二冷凝管道702内部。

第一冷凝管道701和第二冷凝管道702在出口处交汇形成一个冷凝总管12，两个冷凝管道中的水蒸气均进入到冷凝总管12内，冷凝总管12的末端连接淡水收集装置8。

所述补水机构1包括全热交换器101、补水泵102和阀门103，海水依次经过全热交换器101、补水泵102和阀门103流入所述晒水池2内；为了对海水进行预热，所述冷凝总管12穿过全热交换器101，此处，全热交换器101的设置，利用冷凝总管12内的水蒸气的较高温度对温度较低的海水进行预热，同时，利用海水的较低温度对冷凝总管12内的水蒸气进行冷却，加快淡水的生成。

所述补水机构1还包括压力传感器104，当水位低于设定压力时，补水泵102自动进补水，压力传感器104设置在晒水池2的底部，用于测得晒水池2底部的水压，并将水压信号传递到补水泵102，控制补水泵102的开启和关闭，若水压较小，说明晒水池2内的海水较少，开启补水泵2；若水压较大，说明晒水池2内的海水较多，关闭补水泵2。利用自动控制原理，保证补水机构1的正常运行。

参见图5，当本发明的装置运行一段时间后，晒水池2的海水盐度过高时，需将晒水池2底部的海水排出，因此，在晒水池2的底部设置排水漏斗10，排水漏斗10下方设置有排水阀门5。通过开启排水阀门5，将海水排出。

本发明的装置与传统动力源和热源相比，具有不消耗常规能源、无污染，且获取的淡水纯度较高的优点；其次，海水在蒸馏过程中被加热蒸发后，形成热负压，在其作用下时水蒸气具有较高的流动速度，在凝水管道中完全可以节约相应的送风装置。

实施例

本实施例中，晒水池为圆柱体，底部半径为r＝2m，内部海水的液位高度h＝1.5m；

太阳能集热器的平均集热效率为η₁＝0.6；透光板的面积A₁＝πr²≈12.56m²，穿透率为α＝0.8；阶梯板的平均集热效率η₂＝0.2，有效利用率为75％，有效吸热面积A₂≈A₁×75％＝9m²；全热交换器的换热系数300w/(k m²)，全热交换器的入口海水温度t_in＝28℃，出口海水温度t_out＝48℃。

补水机构中的供水管流速v＝2m/s.供水管管径为DN32mm，断面面积第一冷凝管道和第二冷凝管道的截面面积A₃＝0.2×0.2＝0.04m²。

海水密度ρ＝1.025kg/m³，海水温度t₀＝28℃,海水盐度s＝30，海水比热为c＝4200j/(kg℃)。

40℃时，水蒸气密度ρ₁＝0.05kg/m³；122℃时，水蒸气密度ρ₂＝1.12kg/m³，r＝2202kj/kg；125℃时，水蒸气密度ρ₃＝1.2kg/m³。

沿海地区例如广州-汕头，由中国气象资料知八月份日平均太阳辐射强度约为I＝220w，大气压力约为100743pa，水蒸气分压力约为3700pa。

根据上述参数设置，进行如下计算：

(1)太阳能集热器的选型

供水管流量 Q＝ρ·v·A₀

其中，ρ＝1.025kg/m³为海水密度，v＝2m/s为供水管流速，为供水管的断面面积；

代入数据得 Q＝6kg/h

海水初温t₀＝28℃，1小时后圆环形喷淋管和T型喷淋管额定出口水温为t₁＝80℃。经太阳能集热器加热后，海水温升Δt＝t₁-t₀＝52℃

太阳能集热器集热面积为A，根据能量守恒定律

cQΔt＝3600IAη₁

其中，c＝4200j/(kg℃)为海水比热，η₁＝0.6为太阳能集热器的平均集热效率，I＝220w为太阳辐射强度；

代入数据得 A＝2.53(m²)

由上述计算可知：若使圆环形喷淋管和T型喷淋管额定出口水温为t₁＝80℃，则需要太阳能集热器的面积为2.6m²。

(2)计算混合后晒水池内海水水温

海水经喷洒机构雾化后，喷洒在阶梯板上，被阶梯板加热。在热水输运过程中，热损失忽略不计。圆环形喷淋管和T型喷淋管的额定出口水温为t₁＝80℃。设海水经阶梯板加热后温度为t₃，Δt′＝t₃-t₁

根据能量守恒定律 cQΔt′＝3600IA₂αη₂

A₂≈A₁×75％＝9m²为太阳能集热器的有效吸热面积，η₂＝0.2为阶梯板的平均集热效率，代入数据得t₃＝125℃。

阶梯板对海水进行二次加热后，在1小时内能海水温度由80℃提高到125℃；底部海水经全热交换器预热后海水温度为48℃，两者进行混合后，设混合水温为t₄，晒水池内总水量m＝ρπr²h＝19.3kg

根据能量守恒定律cm(t₄-t_out)＝cQ(t₃-t₄)，得t₄＝66℃，即混合后晒水池内海水水温为66℃。

(3)计算海水蒸发速率及凝水管道出口流速模拟

吸热板蒸发速率ν计算公式

v＝0.0022t₃-0.0012s-0.02

其中，s＝30为海水盐度，代入数据得v＝0.22m/s

经过对第一冷凝管道出口流速模拟(如图6所示)，第一冷凝管道出口处蒸汽最大流速为v₁＝3.13m/s；

晒水池蒸发速率ν计算公式

v＝0.0022t₃-0.0012s-0.02

代入数据 v＝0.09m/s

同理，经过对第二冷凝管道出口流速模拟(如图7所示)，第二冷凝管道出口处蒸汽最大流速为v₂＝1.17m/s。

(4)计算凝结水量

第一冷凝管道质量流量 Q₁＝ρ₁A₀ν₁＝0.15kg/s＝540kg/h

第二冷凝管道质量流量 Q₂＝ρ₂A₀ν₂＝3.84×10^-3kg/s＝13.8kg/h

根据质量守恒定律 Q₁+Q₂＝Q

得 Q＝554kg/h

蒸汽混合后，设混合后的温度为t，

则由方程 cQ₁(t₃-t)＝cQ₂(t-t₄)

得 t＝122℃

水蒸汽在t＝122℃进行等温凝结时，水蒸气的凝结热r＝2202kj/kg。则蒸汽与海水进行全热交换时，其对数传热温差为：

${\mathrm{\Δt}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_{max}-{\mathrm{\Δt}}_{\min }}{ln\left({\mathrm{\Δt}}_{max}\right)-ln\left({\mathrm{\Δt}}_{\min }\right)}$

求淡化水量m′：

γm′＝cmΔt′

代入数据 2202(kj/kg)×m′＝4200(j/kg·c)×554(kg/h)×83.6

m′＝88.3kg

故该双级加热海水淡化装置每小时淡化水量最高为88.3kg。

对于单级式海水淡化装置，在无预热装置情况下，太阳能集热器出口水温与晒水池混合后的水温为海水终温t₂。

则cm(t₂-28)＝cQ(80-28)代入数据得t₂≈40℃

蒸发速度v＝0.0022t₂-0.0012s-0.02代入数据得v≈0.032m/s

淡化水量γm″＝cm(40-28)得m″＝26.6kg

由此可以看出，本发明的双级加热海水淡化装置不仅解决了海水淡化时海水升温慢、蒸发速率低的问题，而且还具有很高的淡化效率。

Claims (10)

1.一种太阳能双级加热海水淡化装置，包括补水机构(1)，补水机构(1)连接晒水池(2)，其特征在于，所述晒水池(2)连接一级加热机构(3)，晒水池(2)内部设置有二级加热机构(4)和喷洒机构(6)，一级加热机构(3)连接喷洒机构(6)；晒水池(2)还连接冷凝机构(7)，冷凝机构(7)连接淡水收集装置(8)；

海水通过补水机构(1)输入到晒水池(2)内部，海水输出到一级加热机构(3)内进行一级加热，经由喷洒机构(6)喷洒到二级加热机构(4)上进行二级加热，加热后的海水形成的水蒸气由冷凝机构(7)冷凝形成淡水，被淡水收集装置(8)收集。

2.如权利要求1所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述一级加热机构(3)包括太阳能集热器(301)和循环水泵(302)，所述晒水池(2)内的海水经由循环水泵(302)流入太阳能集热器(301)内。

3.如权利要求1所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述二级加热机构(4)包括吸热板(401)和透光板(402)，吸热板(401)设置在所述晒水池(2)内部，吸热板(401)包括阶梯板(40101)和竖直板(40102)，阶梯板(40101)将所述晒水池(2)分成上下两部分，竖直板(40102)与所述晒水池(2)的一侧侧壁之间留有间隙，形成水流通道(9)；透光板(402)设置在所述晒水池(2)的顶部。

4.如权利要求3所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述透光板(402)为玻璃板，透光板(402)为弧形结构。

5.如权利要求3所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述阶梯板(40101)的每一个阶梯面相对于水平面的倾斜角度为15°。

6.如权利要求3所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述喷洒机构(6)设置在所述吸热板(401)和透光板(402)之间，喷洒机构(6)包括圆环形喷淋管(601)和T形喷淋管(602)，T形喷淋管(602)设置在圆环形喷淋管(601)的端部；T形喷淋管(602)所在平面平行于所述晒水池(2)的侧壁。

7.如权利要求3所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述冷凝机构(7)设置在所述晒水池(2)的外壁上，冷凝机构(7)包括第一冷凝管道(701)和第二冷凝管道(702)，第一冷凝管道(701)与所述晒水池(2)内的吸热板(401)的上方空间连通，第二冷凝管道(702)与所述晒水池(2)内的吸热板(401)的下方空间连通。

8.如权利要求7所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，补水机构(1)包括全热交换器(101)、补水泵(102)和阀门(103)，海水依次经过全热交换器(101)、补水泵(102)和阀门(103)流入所述晒水池(2)内；所述补水机构(1)还包括压力传感器(104)；所述第一冷凝管道道(701)的末端和第二冷凝管道(702)的末端均穿过全热交换器(101)连接所述淡水收集装置(8)。

9.如权利要求1至8任一权利要求所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述晒水池(2)的底部设置有排水漏斗(10)，排水漏斗(10)下方设置有排水阀门(5)。

10.如权利要求6所述的太阳能双级加热海水淡化装置，其特征在于，所述圆环形喷淋管(601)的一周设置有多个雾化喷嘴(11)，所述T形喷淋管(602)的管壁上设置有多个雾化喷嘴(11)。