CN107226504A - 一种用于光热水处理的自动输水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于光热水处理的自动输水装置，其中，包括悬浮在水面上的固定底座、具有吸水作用的多根支撑柱以及位于所述多根支撑柱顶端的光热转换层，所述支撑柱底端穿插在所述固定底座上并与水接触，所述光热转换层在光照作用下产生能量用于蒸发支撑柱自下而上持续运输上来的水；本发明将光热转换层和水隔开，并通过亲水支撑柱建立水分运输通道，从而实现在不需要额外耗费能量的情况下，水分就能自上而下持续补充至光热转换层；同时，本发明还能够进一步减少转换的能量损失在热传导上，使转换的能量更加集中用于蒸发水，从而提升能量利用率。

Description

一种用于光热水处理的自动输水装置
技术领域
本发明涉及输水领域，尤其涉及一种用于光热水处理的自动输水装置。
背景技术
利用太阳能光热转换进行各种水处理可有效缓解淡水资源缺乏，水体污染、能源短缺等问题、然而，由于现有太阳能光热转换采用的是直接对水体进行加热的方法，这种加热方法能量利用效率很低，限制了这类装置的实际应用。近来，人们提出一种局部加热的方式，即将产生的热量限制在蒸发表面附近，通过加热蒸发表面附近少量液体而迅速产生蒸汽。这种方式相较于加热整个水体的方法大大提升了能量利用效率。
然而，这种方式需要将水源源不断地运送至蒸发表层，目前主流的局部加热方式是通过亲水隔热材料不断吸水补充至蒸发表层，同时起一定的隔热作用，但由于这种局部加热方式中，光热材料主体仍然和水体直接接触，热量不可避免地会损失在水体中，降低了能量利用效率。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于光热水处理的自动输水装置，旨在解决现有局部加热方式仍会有部分热量损失在待加热水体中的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于光热水处理的自动输水装置，其中，包括悬浮在水面上的固定底座、具有吸水作用的多根支撑柱以及位于所述多根支撑柱顶端的光热转换层，所述支撑柱底端穿插在所述固定底座上并与水接触，所述光热转换层在光照作用下产生能量用于蒸发支撑柱自下而上持续运输上来的水。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述光热转化层由基底材料和光热材料组成。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述基底材料为滤纸、无尘纸、细菌纳米纤维素或阳极氧化铝中的一种。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述光热材料为纳米金、纳米银、纳米铂、纳米铝、石墨烯、氧化石墨烯、碳粉、碳纳米管、硫化铜、普鲁士蓝、纳米金包银、纳米银包金、硅核金壳或硅核银壳中的一种。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述支撑柱为毛细管、亲水海绵柱、亲水树脂柱、纸柱、布柱中的一种。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述玻璃毛细管内设置有辅助吸水的脱脂棉集束，所述脱脂棉集束一端与水接触，另一端与光热转换层接触。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述玻璃毛细管的高度为2-3cm，内径为0.9-1.1mm。
较佳地，所述的用于光热水处理的自动输水装置，其中，所述固定底座的材料为泡沫塑料、海绵、橡胶、树脂或木材中的一种。
有益效果：本发明的光热转换层不与水直接接触，通过固定底座与光热转换层之间的空气阻隔热量流失，因此能够进一步减少转换的能量损失在热传导上；同时，本发明并通过支撑柱建立水分运输通道，借助支撑柱内部毛细作用以及光热转换层蒸发时的蒸腾拉力，实现在不需要额外耗费能量的情况下，使水分可自下而上持续补充至光热转换层，并且可自动调整补水速度与蒸发速度相平衡，不让多余的液滴消耗转换的热量。这两个优势使得该装置能使转换的能量更加集中用于表层的蒸发或者光催化，提升能量利用率。
附图说明
图1为本发明一种用于光热水处理的自动输水装置较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种用于光热水处理的自动输水装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种用于光热水处理的自动输水装置较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括悬浮在水面10上的固定底座20、具有吸水作用的多根支撑柱30以及位于所述多根支撑柱30顶端的光热转换层40；所述支撑柱30底端穿插在所述固定底座上并与水接触，所述光热转换层40在光照作用下产生能量用于蒸发支撑柱30自下而上持续运输上来的水10。
较佳地，如图1所示，在本发明中，所述支撑柱30可以为毛细管、亲水海绵柱、亲水树脂柱、纸柱、布柱中的一种，优选玻璃毛细管作为支撑柱；进一步，所述玻璃毛细管内还设置有辅助吸水的脱脂棉集束，所述脱脂棉集束一端与水10接触，另一端与光热转换层40接触；所述脱脂棉集束主要起辅助吸水以及通过末端将水导出的作用，同时还可防止玻璃毛细管因管口不平导致的光热转换层无法与管内水柱接触而中断水分运输的问题。
具体来说，本发明的设计原理如下：首先，在本发明提供的这个自动输水装置中，所述光热转换层不与水体直接接触，固定底座和光热转换层中间热导率很低的空气可以起到很好的隔热作用，因此能将转换的热量很好地限制在蒸发表面。当光热转换层接收到太阳光辐射开始蒸发时，依靠支撑柱的毛细作用，水可以迅速自下而上运输至光热转换层；此外，该系统的光热蒸发表层的吸水速度可以自动调整至于蒸发速度相平衡，使得表层既能实现充分的补水，又不会有多余的水分导致热量损失。相对于传统的局部加热模型，本发明的装置能够进一步减少转换的能量损失在热传导上，使转换的能量更加集中用于蒸发水，从而提升能量利用率。
进一步，在本发明中，所述光热转换层40作为水蒸发表面，应具有较强的吸水能力以及较高的光热转换效率；具体地，所述光热转化层40由基底材料和光热材料组成，所述基底材料可以为滤纸、无尘纸、细菌纳米纤维素或阳极氧化铝中的一种；所述光热材料为光热材料为纳米金、纳米银、纳米铂、纳米铝、石墨烯、氧化石墨烯、碳粉、碳纳米管、硫化铜、普鲁士蓝、纳米金包银、纳米银包金、硅核金壳或硅核银壳中的一种。
较佳地，本发明提供的节能输水装置可用于海水淡化、光热精馏、光催化产生氢气等多种领域。
较佳地，本发明优选滤纸基纳米金作为光热转换层40，因为纳米金的吸收光谱在太阳能能量主要分布的可见光及近红外区域，并且滤纸具有很强的吸水性能，非常适合毛细作用往上快速补水；因此，滤纸基纳米金作为光热转换层具有较高的光热转换效率以及较强的吸水性能，非常适用于海水淡化装置，能够显著提高装置的海水淡化效率。
进一步，在本发明中，所述固定底座主要作用时用于固定玻璃毛细管，并保证装置在正常运行时始终悬浮于水面上；较佳地，本发明提供的固定底座的材料可以为泡沫塑料、疏水海绵、橡胶、树脂或木材中的一种；优选疏水海绵，因为疏水海绵不会与水中的主要成分发生化学反应；并且海绵的耐酸碱能力较强，能够使用多种水体的净化应用，从而适用于更大范围的水处理领域。
更进一步，所述玻璃毛细管的高度应小于其毛细作用的最大吸水上升高度，这样才能保证毛细玻璃管能够自动吸水并向上运输至顶端的功能；较佳地，本发明优选所述玻璃毛细管的高度为2-3cm，内径为0.9-1.1mm。
下面通过具体实验数据说明本发明装置对能量利用的增益效果：
以氙灯光源模拟太阳辐射，测量本发明提供的输水装置在辐射强度为10 kW m–2下的蒸发速度及温度变化，实验表明，使用该输水装置的蒸发速率可以达到12.8 kg m–2 h–1，蒸发效率最高达到90%。同时，此装置的光热表层在接受照射40s内即升高至平衡温度（82℃），而其水体在接受900s照射后温度变化仅2℃。这说明，本发明装置的输水方式能很好地将转换的热量限制在光热转换层附近，极大地降低了热量损失，提高了热量利用效率。
最后本发明测试了该装置在自然太阳光下实际水处理能力，采用3.5wt%的氯化钠溶液作为被处理水。实验表明，在约0.9 kW·m-2的太阳辐射下，被处理水蒸发速度可以达到0.97 kg·m-2·h-1，处理后所收集的水盐度均在10ppm以下，优于饮用水盐度指标。这些说明，本发明提供的输水装置可被大规模运用于太阳能水水处理领域。
综上所述，本发明将光热转换层和水隔开，并通过亲水支撑柱建立水分运输通道，通过支撑柱内部毛细作用和表层蒸发拉力实现向表层自动输水。该发明能在不需要额外耗费能量的情况下，实现水分自上而下持续补充至光热转换层，并且能根据水分蒸发速度自动调整输水速度。因此该发明可极大地将转换的热量限制于光热转换层附近，减少转换的能量损失在热传导上，从而提升能量利用率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，包括悬浮在水面上的固定底座、具有吸水作用的多根支撑柱以及位于所述多根支撑柱顶端的光热转换层，所述支撑柱底端穿插在所述固定底座上并与水接触，所述光热转换层在光照作用下产生能量用于蒸发支撑柱自下而上持续运输上来的水。
2.根据权利要求1所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述光热转化层由基底材料和光热材料组成。
3.根据权利要求1所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述基底材料为滤纸、无尘纸、细菌纳米纤维素或阳极氧化铝中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述光热材料为纳米金、纳米银、纳米铂、纳米铝、石墨烯、氧化石墨烯、碳粉、碳纳米管、硫化铜、普鲁士蓝、纳米金包银、纳米银包金、硅核金壳或硅核银壳中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述支撑柱为毛细管、亲水海绵柱、亲水树脂柱、纸柱、布柱中的一种。
6.根据权利要求5所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述玻璃毛细管内设置有辅助吸水的脱脂棉集束，所述脱脂棉集束一端与水接触，另一端与光热转换层接触。
7.根据权利要求5所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述玻璃毛细管的高度为2-3cm，内径为0.9-1.1mm。
8.根据权利要求1所述的用于光热水处理的自动输水装置，其特征在于，所述固定底座的材料为泡沫塑料、海绵、橡胶、树脂或木材中的一种。
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