CN107487925A - 利用纳米流体的水处理及水电联产系统 - Google Patents

利用纳米流体的水处理及水电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用纳米流体的水处理及水电联产系统,其中水处理系统包括:水处理设备,用于将原水处理为淡水;热能循环设备,通过内设有填充纳米流体的循环管道与所述水处理设备连接,所述纳米流体用于吸收可再生热量,通过在所述循环管道内循环为所述水处理设备提供热能。可以减小通过表面材料吸收热能再传递至管道加热流体过程中的热损耗,热损耗包括表面材料吸收热能效率低,热能传递过程中,通过管壁加热流体的热损耗,可以高效的利用可再生热能,提高了再生热能的利用率。

Description

利用纳米流体的水处理及水电联产系统
技术领域
[0001]本发明涉及可再生能源技术领域,具体涉及到一种利用纳米流体的水处理及水电 联产系统。
背景技术
[0002]水资源是人类社会生产、生活的物质基础。我国淡水人均占有量只有世界平均水 平的25%,水资源压力巨大。特别是在沿海地区,由于经济发达,水资源的消耗量巨大。目 前,我国己有300多个沿海城市出现缺水的问题。水资源短缺不仅限制了当地经济发展速度 和人民生活品质进一步提高,而且过度开采地下水引起了海水倒灌、地面下陷等问题。因 此,利用海水淡化技术从海洋中获取淡水是解决沿海城市缺水问题的有效途径。
[0003]水处理是能量密集型产业,目前比较成熟的是反渗透技术和蒸发技术(包含多级 闪蒸技术和多效蒸馏技术)。反渗透技术利用增加原水压力的方法克服反渗透膜的渗透压, 从而使海水和溶质得到分离。蒸发技术采用加热海水,逐级降低压力的方法使原水蒸发得 到淡水。在己经规模化应用的技术中,无论是蒸馏法还是反渗透法,都需要消耗大量的热能 和电能,这些能源主要来自不可再生的化石燃料,使海水淡化在缓解淡水资源短缺的同时, 也给能源与环境治理带来了巨大的压力,给环境带来了巨大的威胁。
[0004]太阳能、风能等可再生能源蕴藏丰富,具有无污染、可再生的特点,非常适合作为 水处理系统的动力和热能来源。太阳能作为一种蕴藏着巨大能量的可再生清洁能源,资源 十分丰富。太阳能热利用是太阳能利用基本方式之一。在水处理中引入太阳能热利用为海 水淡化设备提供热能,可以在海水淡化的同时减少环境的污染。在现有技术中,太阳能光热 系统主要依赖于其表面的涂层吸收太阳光并传递给管内的流体,通过流体将热量传递至海 水淡化设备。目前的太阳能光热系统仍存在效率低、成本高的问题,主要为一下两方面,第 一,依赖于表面涂层吸收太阳光热辐射,吸收辐射能量密度;第二,在将热量通过管道壁传 递至管内流体的过程中,使得壁面温度高,产生大量的辐射散热,传热效率低下。吸收辐射 能量密度和传热效率低下导致关键的蒸发环节和反渗透温控环节效率低下。
[0005]如何在水处理设备中提高可在生能源的利用率成为亟待解决的问题。
发明内容
[0006]本发明要解决的技术问题在于在海水淡化设备中提高可在生能源的利用率。
[0007]根据第一方面,本发明实施例提供了一种利用纳米流体的水处理系统,该系统包 括:水处理设备,用于将原水处理为淡水,原水包括:海水、工业水、电厂水中的任意一种或 任意组合;热能循环设备,通过内设有填充纳米流体的循环管道与水处理设备连接,纳米流 体用于吸收可再生热量,通过在循环管道内循环为水处理设备提供热能。
[0008]可选地,水处理设备包括:反渗透模块,用于对原水进行反渗透处理得到淡水;和/ 或,蒸发模块,用于对原水进行蒸发得到淡水。
[0009]可选地,反渗透模块与蒸发模块串联或并联。
[0010]可选地,反渗透模块包括:第一余水输出端,第一余水输出端输出反渗透装模块反 渗透处理原水后的余水;蒸发模块包括:第二余水输出端,第二余水输出端输出蒸发模块蒸 发处理原水后的余水;第一余水输出端接入蒸发模块的输入端;或者,第二余水输出端接I 反渗透模块的输入端。
[0011 ]可选地,纳米流体用于吸收太阳能热福射升温,通过循环管道流经反渗透模块控 制反渗透模块的反渗透膜的温度。 ’ /
[0012]可选地,热能循环设备包括蒸汽发生模块,设置在循环管道中,用于吸收太阳能热 福射将纳米流体生成蒸汽,蒸汽通过循环管道进入蒸发模块,为蒸发模块提供热能。
[0013]可选地,热能循环设备还包括:动力模块,设置在管道中,用于为纳米流体循环提 供动力。
[0014]可选地,纳米流体为纳米或微米尺度的固体颗粒分散在基液内形成的稳定的乳化 液或悬浮液。
[0015]根据第二方面,本发明实施例提供了 一种利用纳米流体的水电联产系统,包括:上 述第一方面任意一项描述的水处理系统,以及,光伏发电设备,用于为水处理系统的用电装 置提供电力,用电装置包括动力模块、反渗透模块的第一动力装置、蒸发模块的真空泵以及 为原水进入水处理设备的第二动力装置中的任意一种或任意组合。
[0016]可选地,光伏发电设备所产生的电力还用于输送至电网。
[0017]可选地,纳米流体还用于流经水处理设备后,循环至光伏发电设备对光伏发电设 备进行降温。
[0018] 本发明实施例提供的利用纳米流体的水处理及水电联产系统系统,通过热能循环 设备中的纳米流体直接吸收可再生热能后再通过循环管道为原水淡化设备提供热能,可以 减小通过表面材料吸收热能再传递至管道加热流体过程中的热损耗,热损耗包括表面材料 吸收热能效率低,热能传递过程中,通过管壁加热流体的热损耗,可以高效的利用可再生热 能,提高了再生热能的利用率。
附图说明
[0019] 图1示出了本发明实施例利用纳米流体的水处理系统的模块示意图;
[0020]图2示出了本发明实施例利用纳米流体的水处理系统的示意图;
[0021]图3示出了本发明实施例水处理设备中反渗透模块与蒸发模块耦合示意图;
[0022]图4示出了本发明实施例水处理设备中反渗透模块与蒸发模块耦合示意图;
[0023]图5示出了本发明实施例水处理设备中反渗透模块与蒸发模块耦合示意图;
[0024]图6示出了本发明实施例水处理设备中反渗透模块与蒸发模块耦合示意图;
[0025]图7示出了本发明实施例水电联产系统耦合示意图。
具体实施方式
[0026]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施 例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027]本发明实施例提供了一种利用纳米流体的水处理系统,该系统可以应用在水电联 产,海水淡化,工业水处理,电厂水脱盐等领域,具体地,如图1所示,该系统包括:
[0028]水处理设备10,用于将原水处理为淡水。在具体的实施例中,所称水处理设备10所 用的淡化技术可以为多种,在本实施例中水处理技术为消耗热能的技术,例如可以为反渗 透方法和/或蒸发方法,其中,蒸发方法包括多级闪蒸和多效蒸馏。所称水处理设备10为消 耗热能的设备,在本实施例中,可以以反渗透淡化设备和蒸馏设备为例进行说明。其它消耗 热能的水处理设备在本实施例中同样适用。
[00291热能循环设备20,通过内设有填充纳米流体a的循环管道22与水处理设备连接,纳 米流体a用于吸收可再生热量,通过在循环管道22内循环为水处理设备提供热能。在本实施 例中,所称纳米流体a可以为直接吸收光谱的流体,可以为吸收周围热辐射的流体,例如,地 热、电厂余热等。在本实施例中,以纳米流体a为直接吸收光谱的流体为例进行说明,例如, 可以直接吸收太阳光辐射被加热,可以将传统的覆在太阳能热系统表面的光吸收材料实现 的表面吸收热量变为容积吸收,其最高温度由管壁表面转到中间流体,其管壁表面为最低 温度区域,可以提高太阳能吸收和转化的效率。所称纳米流体a在管道内直接吸收太阳光辐 射后,成为高温流体,纳米流体a随着管道的路径,可以在循环管道22中流动,在流经至水处 理设备10时,为水处理设备10提供需要的热量,例如,在流经蒸发设备时,可以为蒸发设备 提供用于原水蒸发的热量,原水在经过蒸发设备内的循环管道的加热下产生蒸汽,经冷凝 产生淡水。在流经反渗透设备时,可以为反渗透设备的反渗透膜提供其恒定的最高效温度, 所称纳米流体为纳米或微米尺度的固体颗粒分散在基液内形成的稳定的乳化液或悬浮液, 所称基液可以包括:有机极性或非极性溶剂,例如可以包括水、导热油、甲醇、乙醇或乙二醇 中的任意一种。
[0030]通过热能循环设备中的纳米流体直接吸收可再生热能后再通过循环管道为水处 理设备提供热能,可以减小通过表面材料吸收热能再传递至管道加热流体过程中的热损 耗,热损耗包括表面材料吸收热能效率低,热能传递过程中,通过管壁加热流体的热损耗, 可以高效的利用可再生热能,提高了再生热能的利用率。
[0031]为了提尚纳米流体a所携带的热量的利用率和水的利用率,如图2所示,以水处理 设备10包括反渗透模块11和蒸发模块12为例进行说明,在可选的实施例中,反渗透模块11 与蒸发模块12串联或并联。在具体的实施例中,如图2所示,反渗透模块丨丨包括第一原水输 入端111、第一淡水输出端112和第一余水输出端1 i 3,蒸发模块12包括第二原水输入端121、 第二淡水输出巧122和第二余水输出端I23。在本实施例中,反渗透模块^和蒸发模块12串 联时,如图3所示,第一原水输入端111输入原水至反渗透模块^中,第一余水输出端113输 出的余水输入至第二原水输入端121,第二余水输出端输出余水。第一淡水输出端i丨2和第 二淡水输出端122分别从反渗透模块u和蒸发模块12中输出淡水,其输出的淡水根据实际 情况需求,可以混合,也可以分别输出做不同用途。反渗透模块H和蒸发模块12并联时,如 图4所示,第一原水输入端111和第二原水输入端分别对反渗透模块丨i和蒸发模块12输入原 水,第一淡水输出端II2和第二淡水输出端U2分别输出淡水,第一余水输出端113和第二余 水输出端123分别输出余水。其输出的淡水根据实际情况需求,可以混合,也可以分别输出 ^不同用途。为提高水的利用率,在本实施例中,如图5所示,第一余水输出端113可以接入 第二原水输入端121,将反渗透模块U中的余水混合原水或反渗透模块丨丨中的余水直接输 人至蒸发模块12中,对反渗透模块11中的余水再次进行淡化处理。最终以第二余水输出端 123输出余水。可选地,如图6所示,第二余水输出端123可以接入第一原水输入端111,将蒸 发模块12中的余水混合原水或蒸发模块12中的余水直接输人至反渗透模块11中,对蒸发模 块12中的余水再次进行淡化处理。最终以第一余水输出端113输出余水。
[0032] 为提高纳米流体a自身热能的利用率,在可选的实施例中,热能循环设备20可以包 括蒸汽发生模块21,设置在循环管道22中,用于吸收太阳能热辐射将纳米流体a生成蒸汽, 蒸汽通过循环管道22进入蒸发模块,为蒸发模块12提供热量。在具体的实施例中,所称蒸汽 发生模块21接受太阳能辐射的照射,该模块可以在较低温度下将纳米流体a变为蒸汽,例如 在纳米流体a升温至50-60°C的状况下,将纳米流体a变为蒸汽,将太阳能辐射转化为纳米流 体a自身潜热。蒸汽随循环管道22路径流经蒸发模块12,为蒸发模块12提供热能。
[0033] 在可选的实施例中,纳米流体a用于吸收太阳能热辐射升温,通过循环管道22流经 反渗透模块11控制反渗透模块11的反渗透膜114的温度。在可选的实施例中,纳米流体a在 吸收太阳能辐射后,升温,将太能辐射转换为纳米流体a的显热,升温后的纳米流体a通过循 环管道22进入反渗透模块11,控制反渗透膜114的温度。在本实施例中,可以设置温度传感 器,实时采集流进反渗透模块11的纳米流体a的温度以及反渗透膜114的温度,可以根据反 渗透膜114的采集温度与预设温度的温度差,控制纳米流体a流进反渗透模块11中,在温差 较大时即反渗透膜114的采集温度低于预设温度较多时,控制增加纳米流体a的流量,在反 渗透膜114的采集温度低于预设温度较少时,控制减小纳米流体a的流量,从而可以较为精 确的控制反渗透膜114的温度。
[0034]为保证纳米流体a的在循环管道22中顺利的循环,在可选的实施例中,热能循环设 备还包括:动力模块23,设置在循环管道22中,用于为纳米流体a循环提供动力。在具体的实 施例中,动力模块23可以为泵,栗设置在循环管道22内,在栗开启时,可以为纳米流体a提供 循环动力,使得纳米流体a在循环管道22内顺利的循环。在本实施例中,可以根据纳米流体a 的升温速率即太阳能光辐射强度控制栗的转速,在升温较快时,可以控制泵转速加快,以加 快纳米流体a的循环,在升温较慢时,可以控制栗转速变低,以使纳米流体a更多的获取热 能。
[0035]由于系统需要消耗电能,本发明实施例还提供了一种利用纳米流体的水电联产系 统,在本实施例中可以增加发电设备,以满足自身电力需求,如图6所示,在可选的实施例 中,系统还可以包括:光伏发电设备30,用于为热能循环设备和水处理设备的用电装置40提 供电力,用电装置40包括动力模块23、反渗透模块11的第一动力装置、蒸发模块12的真空泵 以及为原水进入水处理设备的第二动力装置中的任意一种或任意组合。在本实施例中热能 循环设备2〇和水处理设备10的用电设备包括用于驱动纳米流体a在循环管道22中循环的动 力模块23,反渗透模块的第一动力装置,对反渗透模块11中增加原水压力克服反渗透膜114 的渗透压,从而使水和溶质分离。蒸发模块12的真空泵在蒸发模块12蒸发的过程中对其进 行抽真空,使水加速汽化。原水进入水处理设备10的第二动力装置为原水进入水处理设备 提供动力。上述的用电装置中的一种或任意组合所用电能可以通过光伏发电设备30提供, 同时,在光伏发电设备在发电量较大时,可以将多余的电力输送至电网。可以实现水电联 产,提高经济效益。
[0036]如图6所示,纳米流体a在流经水处理设备10后,变为冷却的纳米流体a,冷却的纳 米流体a可以流经光伏发电设备3〇,对设备进行冷却,同时可以对纳米流体&进行初步加热, 在保证光伏发电设备30冷却的同时,充分利用太阳能热量,在可选的实施例中,纳米流体^ 还用于流经水处理设备后,循环至光伏发电设备30对光伏发电设备30进行降温。可以充分 的实现光伏发电与水处理系统的耦合。
[0037]通过在上述实施例描述的水处理系统中加入光伏发电设备,不仅可以满足水处理 系统自身的电能的需求,还可以将多余的电能输送至电网,同时,经反渗透模块和蒸发模块 冷却的纳米流体可以循环制光伏发电设备,为光伏发电设备降温,从而可以实现水电联产, 提尚经济效益。
[0038]虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。

Claims (11)

1. 一种利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,包括: 水处理设备,用于将原水处理为淡水,所述原水包括:海水、工业水、电厂水中的任意一 种或任意组合; 热能循环设备,通过内设有填充纳米流体的循环管道与所述水处理设备连接,所述纳 米流体用于吸收可再生热量,通过在所述循环管道内循环为所述水处理设备提供热能。
2. 如权利要求1所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,所述水处理设备包 括: 反渗透模块,用于对所述原水进行反渗透处理得到所述淡水; 和/或, 蒸发模块,用于对所述原水进行蒸发得到所述淡水。
3. 如权利要求2所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于, 所述反渗透模块与所述蒸发模块串联或并联。
4. 如权利要求3所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于, 所述反渗透模块包括:第一余水输出端,所述第一余水输出端输出所述反渗透装模块 反渗透处理所述原水后的余水; 所述蒸发模块包括:第二余水输出端,所述第二余水输出端输出所述蒸发模块蒸发处 理原水后的余水; 所述第一余水输出端接入所述蒸发模块的输入端; 或者, 所述第二余水输出端接入所述反渗透模块的输入端。
5. 如权利要求1所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,所述纳米流体用于吸 收太阳能热辐射升温,通过所述循环管道流经所述反渗透模块控制所述反渗透模块的反渗 透膜的温度。
6. 如权利要求1所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,所述热能循环设备包 括蒸汽发生模块,设置在所述循环管道中,用于吸收太阳能热辐射将所述纳米流体加热为 蒸汽,所述蒸汽通过所述循环管道进入所述蒸发模块,为所述蒸发模块提供热能。
7. 如权利要求1-6任意一项所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,所述热能 循环设备还包括:动力模块,设置在所述管道中,用于为所述纳米流体循环提供动力。
8. 如权利要求1-6任意一项所述的利用纳米流体的水处理系统,其特征在于,所述纳米 流体为纳米或微米尺度的固体颗粒分散在基液内形成的稳定的乳化液或悬浮液。
9. 一种利用纳米流体的水电联产系统,其特征在于,包括:如权利要求1-8任意一项所 述的水处理系统;以及, 光伏发电设备,用于为所述水处理系统的用电装置提供电力,所述用电装置包括所述 动力模块、反渗透模块的第一动力装置、蒸发模块的真空泵以及为所述原水进入所述水处 理设备的第二动力装置中的任意一种或任意组合。
10. 如权利要求9所述的利用纳米流体的水电联产系统,其特征在于,所述光伏发电设 备所产生的电力还用于输送至电网。
11. 如权利要求9所述的利用纳米流体的水电联产系统,其特征在于,所述纳米流体还 用于流经所述海水淡化设备后,循环至所述光伏发电设备对所述光伏发电设备进行降温。
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