CN107606593A - 一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置 - Google Patents

一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，该装置由下而上包括带盖的盛水容器和固定在盛水容器的盖子上面的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的顶部设有凹槽，凹槽底部设有基底输水材料层，基底输水材料层上方设有吸光材料层，此外还包括输水通道，本发明利用廉价的隔热泡沫板作为热阻材料，实现高效利用太阳能转换而来的热能，并将热能用于“界面光热蒸汽”的产生，提高太阳能光热蒸汽转化的效率，光热蒸汽效率可达91.2％，并产生高效的蒸汽，蒸发速率为1.33kg m‑2h‑1，最终可用于污水纯化、海水淡化等。

Description

一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置
技术领域：
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，具体涉及一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置。
背景技术：
太阳能光热转换技术作为太阳能利用的技术之一，其具有高效、绿色、可持续等优点，得到新能源领域广泛的关注。太阳能光热蒸汽的利用存在两大技术上的困难，一是如何将光能高效地转换为热能，二是如何有效利用收集到的热能。
传统的太阳能光热利用技术主要应用光收集器(集热管、集热腔)将光能转换给热能，板身发热将热能传导给工质以达到加热工质的效果，最终收集到热能加以利用。目前，利用纳米等离子体或黑色材料作为吸光材料实现表面局部蒸汽产生的技术逐渐得到关注，但保温技术并未得到深入研究。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，利用廉价的隔热泡沫板作为热阻材料，实现高效利用太阳能转换而来的热能，并将热能用于“界面光热蒸汽”的产生，提高太阳能光热蒸汽转化的效率，并产生高效的蒸汽，最终可用于污水纯化、海水淡化等。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，该装置由下而上包括带盖的盛水容器和固定在盛水容器的盖子上面的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的顶部设有凹槽，凹槽底部设有基底输水材料层，基底输水材料层上方设有吸光材料层，此外还包括输水通道，所述输水通道下端浸没在带盖的盛水容器液面以下，且输水通道上端自下而上依次贯穿盛水容器的盖子和泡沫隔热板然后连通泡沫隔热板的顶部凹槽的基底输水材料层，为基底输水材料层上方的吸光材料层提供水分。
泡沫隔热板顶部的凹槽深度为5-15mm。
带盖的盛水容器中盛有蒸馏水、海水或污水等液体。
所述泡沫隔热板的材料为聚苯乙烯泡沫或聚乙烯发泡棉等具有优异的隔热性能(导热系数≤0.030W/(m·k))的材料，泡沫隔热板厚度为3～5cm。
所述吸光材料层的吸光材料为具有优异光吸收性能的薄膜材料，如纸基吸光材料、多孔块体木炭等。
所述多孔块体木炭的制备方法，包括以下步骤：
1)将木块于60～100℃中干燥；然后放入石英管式炉中，氮气氛围保护下300～900℃高温热解碳化，获得碳化的整块木炭；石英管式炉中升温速率为1～5℃；
2)将步骤1)获得的碳化的整块木炭沿垂直木炭孔道方向切割或打磨，获得厚度为1～3mm的木炭片；
3)将步骤2)制备的木炭片用去离子水超声清洗干净，60～100℃下烘干获得多孔块体木炭。
所述多孔块体木炭具有规则的孔道，有益于蒸汽的流动，同时和水具有良好的粘附性，能够保证热量传递给水；对250～2500nm范围内光吸收率可达95％以上，在1kw·m-2光强下，光热蒸汽效率最高可达91.2％。
吸光材料层设在泡沫隔热板的顶部凹槽内，较少空气热对流而引起热损失，同时泡沫隔热板的优异的隔热性能，可阻隔吸光材料层的热量向下传导，提高热量的利用效率。
输水通道和基底输水材料层的材料为具有优异亲水性能的材料，如滤纸、无尘纸或棉布等材料。
基底输水材料层将水均匀的分布在凹槽内。
本发明还保护所述装置的应用，用于太阳能光热蒸汽转化，特别地用于污水纯化、海水淡化等。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用表面局部加热原理，与传统的整体加热方式相比可有效的减少热量的损失。
(2)本发明采用廉价的泡沫板作为隔热材料，可有效的阻隔热量的向下传导，实现热量的高效利用。
(3)本发明利用亲水性极好的无尘纸、棉布或滤纸作为输水材料，能够及时的给吸光材料补充水分，将吸光材料转换的热能传给水分而蒸发，实现表面局域加热水和自补给水分一体化，整个系统可稳定运行。
总之，本发明利用廉价的隔热泡沫板作为热阻材料，实现高效利用太阳能转换而来的热能，并将热能用于“界面光热蒸汽”的产生，提高太阳能光热蒸汽转化的效率，光热蒸汽效率可达91.2％，并产生高效的蒸汽，蒸发速率为1.33kg m-2h-1，最终可用于污水纯化、海水淡化等。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
其中，1、吸光材料层，2、泡沫隔热板，3、盛水容器，4、输水通道，5、基底输水材料层。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示的一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，该装置由下而上包括带盖的盛水容器3和固定在盛水容器3的盖子上面的泡沫隔热板2，所述泡沫隔热板2的顶部设有凹槽，凹槽底部设有基底输水材料层5，基底输水材料层5上方设有吸光材料层1，此外还包括输水通道4，所述输水通道4下端浸没在带盖的盛水容器3液面以下，且输水通道4上端自下而上依次贯穿盛水容器3的盖子和泡沫隔热板2然后连通泡沫隔热板2的顶部凹槽的基底输水材料层5，为基底输水材料层5上方的吸光材料层1提供水分。盛水容器3装有待蒸发的蒸馏水；隔热泡沫板2中心和盛水容器3的瓶盖中心打孔构成孔道，入射光直接照射到吸光材料层5的表面。
所述的吸光材料层5的吸光材料为竖直孔道的多孔块体热解木炭，吸光率大于95％，尺寸为25×25×1mm。
所述的泡沫隔热板2的材料为6×6×4cm3聚乙烯发泡棉，其顶部凹槽为2.5×2.5×1cm3。
所述的输水通道4为条形无尘纸带，从泡沫隔热板2中心穿过到达盛水容器3的水面下端。
基底输水材料层5将水均匀的分布在凹槽内。
本发明的具体工作过程如下：
将该蒸汽发生装置放置于电子天平上，通过调整模拟光源使入射光的光强为1kwm-2，直接照射到吸光材料层表面，并把天平链接电脑实时记录装置的质量数据。吸光材料将太阳光光能转换为热能，加热吸光材料中的水而产生蒸汽，蒸汽的流走致使装置的质量减小，同时盛水容器3中的水通过无尘纸带输水通道4向上输送，补充给吸光材料。实现表面局域加热水和自补给水分一体化。泡沫隔热板具有优异的隔热性能，能够有效阻隔由光能转换而来的热能向外界传导，从而高效的利用热能。最终通过数据处理，本发明装置而产生的蒸发速率为1.33kg m-2h-1，光热蒸汽效率可达91.2％。
以上所述，本发明装置用于实验室内的光热蒸汽效率实验，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本方面的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，该装置由下而上包括带盖的盛水容器和固定在盛水容器的盖子上面的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的顶部设有凹槽，凹槽底部设有基底输水材料层，基底输水材料层上方设有吸光材料层，此外还包括输水通道，所述输水通道下端浸没在带盖的盛水容器液面以下，且输水通道上端自下而上依次贯穿盛水容器的盖子和泡沫隔热板然后连通泡沫隔热板的顶部凹槽的基底输水材料层，为基底输水材料层上方的吸光材料层提供水分。
2.根据权利要求1所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，泡沫隔热板顶部的凹槽深度为5-15mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，带盖的盛水容器中盛有蒸馏水或海水或污水。
4.根据权利要求1或2所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，所述泡沫隔热板的材料的导热系数≤0.030W/(m·k)，泡沫隔热板厚度为3～5cm。
5.根据权利要求4所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于所述泡沫隔热板的材料为聚苯乙烯泡沫或聚乙烯发泡棉。
6.根据权利要求1或2所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，所述吸光材料层的吸光材料为纸基吸光材料、多孔块体木炭。
7.根据权利要求6所述所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，所述多孔块体木炭的制备方法，包括以下步骤：
1)将木块于60～100℃中干燥；然后放入石英管式炉中，氮气氛围保护下300～900℃高温热解碳化，获得碳化的整块木炭；石英管式炉中升温速率为1～5℃；
2)将步骤1)获得的碳化的整块木炭沿垂直木炭孔道方向切割或打磨，获得厚度为1～3mm的木炭片；
3)将步骤2)制备的木炭片用去离子水超声清洗干净，60～100℃下烘干获得多孔块体木炭。
8.根据权利要求1或2所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置，其特征在于，所述输水通道和基底输水材料层的材料为滤纸或无尘纸或棉布。
9.权利要求1-8中任意一项权利要求所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置的应用，其特征在于，用于太阳能光热蒸汽转化。
10.根据权利要求9所述的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置的应用，其特征在于，用于污水纯化、海水淡化。
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