CN107651720B - 一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，其包括空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统。其中，空气流动系统由一个空气泵提供动力，空气流路通过空气过滤器、空气泵、第1级冷凝除湿器、第2级冷凝除湿器、第1级蒸发增湿器、第2级蒸发增湿器、太阳能空气加热器、海水箱内冷凝器及末级自然对流空冷除湿器，海水流路通过高位海水箱、第1级蒸发增湿器及第2级蒸发增湿器；太阳能蒸汽加热系统由热管式太阳能集热管、汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管组成，本发明中，运行过程中仅存在一个空气泵需要消耗少量电能，具有低能耗，高热利用效率和高制水率的特点。

Description

一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化 装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能海水淡化设备，具体涉及一种用于海水淡化和净水处理的一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，属于太阳能技术领域。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，然而随着人类文明的不断发展和社会的不断进步，水资源短缺已成为21世纪人类面临的重大问题。地球表面积约为5.1亿平方公里，其中海洋面积就占据了70.8％，由此看来地球上水资源是十分丰富的，但是由于含盐度太高而不能直接饮用或者灌溉的海水占据了地球上总水量的97％以上，在不到3％的淡水中，3/4被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中；我国的水资源形势更加不容乐观，作为世界上13个缺水国家之一，人均水资源年占有量只相当于世界平均水平的1/4,缺水城市占全国城市的2/3。发展海水淡化事业，是解决我国淡水紧缺的重要战略途径。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其储量丰富，取用方便，将太阳能应用于海水淡化技术，通过集热器收集太阳能，蒸馏海水获得淡水，这种不受电力条件限制，无污染、低能耗的技术，在能源及淡水资源紧缺的未来具有很强的竞争优势。

目前已公开的利用太阳能热能，采用增湿除湿技术进行海水淡化的专利已经比较多。增湿除湿技术专利一般采用喷雾蒸发空气加湿除湿式(例如中国发明专利201010509740.X)，此类装置利用空气冷凝作用，但冷却效果差，海水没有预热且与空气温差大以及需另外布置冷凝换热器导致装置结构复杂；增湿除湿技术专利部分采用串列式多级等温加热多效回热式(例如中国发明专利201310411226.6)，此类装置一般需要多个动力泵进行海水输送及多个风机进行空气输送，需要大量消耗电能，而太阳能海水淡化器最有应用期望的场所如海岛、渔船恰恰是电力紧缺的场所，因此尚未见中小型太阳能海水淡化装置投入到商业化使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，其包括空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统；空气流动系统由一个空气泵提供动力，海水流动系统由高位海水箱内海水自身重力提供动力，通过太阳能空气加热系统对空气进行加热，通过太阳能蒸汽加热系统为海水进行加热，同时，通过水蒸气的多级冷凝多次加热空气。装置可在常压下运行，除了一个泵需要消耗少量电能外，其余单元不需要任何动力装置；本发明各功能区模块化，结构紧凑，占地面积少，装置成本及运行成本低，运输安装方便，太阳能有效利用率高。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，其包括空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统。其中，空气流动系统由一个空气泵提供动力，空气流路通过空气过滤器、空气泵、第1级冷凝除湿器、第2级冷凝除湿器、第2级蒸发增湿器内的空气喷嘴、第2级蒸发增湿器内的空气集管、第1级冷凝除湿器、第2级蒸发增湿器内的空气预热器、太阳能空气加热器、第1级蒸发增湿器内的空气喷嘴、第1级蒸发增湿器内的空气集管、第2级蒸发增湿器内的螺旋盘管、第2级冷凝除湿器、海水箱内冷凝盘管及末级自然对流空冷除湿器，空气流动系统消耗少量电能，可实现开式循环，也可实现闭式循环；海水流动系统由高位海水箱内海水自身重力提供动力，海水流路通过海水箱、第1级蒸发增湿器及第2级蒸发增湿器，其中海水箱内布置螺旋盘管，既可预热海水(管外)，也可对湿空气进行冷凝除湿(管内)，海水流动过程不需要额外提供动力；太阳能空气加热系统由热管式太阳能集热管、汽包、蒸汽软管、回液软管及空气加热器组成；太阳能蒸汽加热系统由热管式太阳能集热管、汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管组成；第1级冷凝除湿器、第2级冷凝除湿器及末级自然对流空冷除湿器均接有淡水集液箱用于收集储存制得淡水。

高位海水箱内海水通过一个海水泵间歇性打入，利用海水箱内安装的高低位水位仪控制海水泵开闭。

所述第1级蒸发增湿器包括一个竖立的金属圆筒、一个圆板式布液器，一个螺旋盘管、一个空气喷嘴及一个空气集管；金属圆筒内上部布置布液器用于喷淋海水，中部布置螺旋盘管中通过高温蒸汽用于加热蒸发海水，加热蒸发海水的热量来自于太阳能蒸汽加热系统中提供的高温蒸汽，被第2级蒸发增湿器中的预热盘管预热及太阳能空气加热系统加热的热空气作为载体与海水进行传热传质完成增湿过程，金属圆筒底部作为海水收集箱用于收集未蒸发海水。

所述第2级蒸发增湿器包括一个竖立的金属圆筒、一个布液器、一个螺旋盘管、一个空气预热器、一个空气喷嘴及一个空气集管；金属圆筒内上部布置布液器用于喷淋海水，中部布置螺旋盘管中通过高温湿空气用于加热蒸发海水，高温湿空气来自于第1级蒸发增湿器中增湿后的湿空气，湿空气在螺旋盘管内冷凝除湿放热，海水在螺旋盘管外吸热蒸发，被第1级及第2级冷凝除湿器预热的新鲜干空气作为载体与海水进行传热传质完成增湿过程，金属圆筒底部作为海水收集箱用于收集未蒸发海水，空气预热器布置在金属圆筒底部并被海水淹没。

所述太阳能蒸汽加热系统中热管式太阳能集热管作为集热单元，汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管构成的回路型重力热管结构作为热量传递单元；其中汽包作为回路型重力热管结构的蒸发端，第1级蒸发盘管作为回路型重力热管结构的冷凝端，第1级蒸发盘管位置要高于汽包位置，整个集热及热量传递过程不需要提供动力。

所述太阳能空气加热系统中热管式太阳能集热管作为集热单元，汽包、蒸汽软管、空气加热器、回液软管构成的回路型重力热管结构作为热量传递单元；其中汽包作为回路型重力热管结构的蒸发端，空气加热器作为回路型重力热管结构的冷凝端，空气加热器位置要高于汽包位置，整个集热及热量传递过程不需要提供动力。

所述第1级冷凝除湿器及第2及冷凝除湿器由螺旋盘管和圆柱桶组成，既是冷凝除湿器(湿空气管外冷凝除湿)，又是预热器(干空气管内预热)。

所述空气加热器包括一个管束型换热器和一个金属圆柱桶，管束型换热器由两个平行圆柱形扁盒式封头之间焊接数根圆管加工而成，圆管上装有环肋，管束型换热器安装在金属圆柱桶内，蒸汽在管内冷凝放热，空气在管外对流吸热。

本发明利用了热管工质通过相变换热可进行高效热传递及介质间存在温度梯度能进行热量交换的传热学原理；利用了饱和空气的含湿量与温度成正比的热力学原理；利用了流体在压差和重力驱动下能自发流动的流体动力学原理；与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1.整个装置分为空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统，各个功能区模块化，结构紧凑，安装方便，占地面积小。

2.太阳能空气加热系统中，汽包、蒸汽软管、空气加热器、回液软管构成的回路型重力热管结构进行热量和质量传递，将集热器与空气加热器巧妙连接；类似的，太阳能蒸汽加热系统中，汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管构成的回路型重力热管结构进行热量和质量传递，将集热器与第1级蒸发增湿器巧妙连接；太阳能空气加热系统及太阳能蒸汽加热系统工作过程中热工质流动不需要动力泵。

3.装置运行过程中，海水流动系统以海水自身重力作为驱动力，空气流动系统仅存在一个空气泵提供动力，空气泵仅需消耗少量电能，有效的降低了运行能耗。

4.装置工作过程中，海水经过预热并进行多效蒸发，空气进行多级预热并进行多级增湿除湿，空气出口温度可接近环境温度，空气及海水在进行传热传质过程中温度梯度较小，提高了热利用效率。

本发明所述的一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，结构简单，占地面积少，安装运输方便，仅消耗少量电力，生产成本运行成本低，热利用效率和制水率高。

附图说明

图1是本发明的运行原理图；

图2是第1级蒸发增湿器结构示意图；

图3是第2级蒸发增湿器结构示意图；

图4是太阳能蒸汽加热系统集热单元结构示意图；

图5是太阳能空气加热系统结构示意图；

图中：1空气过滤器、2空气泵、3第1级冷凝除湿器、4第2级冷凝除湿器、5空气喷嘴、6空气集管、7第2级蒸发增湿器内空气预热器、8太阳能空气加热器、9空气喷嘴、10空气集管、11第2级蒸发盘管、12海水箱内冷凝盘管、13空气排出口、14第2级淡水集液箱、15第1级淡水集液箱、16热管式太阳能集热管、17汽包、18蒸汽软管、19第1级蒸发盘管、20回液软管、21热管式太阳能集热管、22汽包、23蒸汽软管、24管束型换热器、25回液软管、26海水箱、27海水、28第1级布液器、29第1级蒸发增湿器、30第1级海水收集箱、31第2级布液器、32第2级蒸发增湿器、33第2级海水收集箱、34排液阀门、35第3级淡水集液箱、36末级自然对流空冷除湿器、37支架、38纯净水、39保温材料、40肋片、41管束、42空气域、43空气入口、44空气出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，该实施例以本发明的技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例

请参阅图1，一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置包括空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统；空气流动系统起始于空气过滤器1，依靠空气泵2的驱动力依次通过第1级冷凝除湿器3(管内流动)、第2级冷凝除湿器4、空气喷嘴5、空气集管6、第1级冷凝除湿器3(管外流动)、第2级蒸发增湿器内空气预热器7、太阳能空气加热器8、空气喷嘴9、空气集管10、第2级蒸发盘管11、第2级冷凝除湿器4(管外流动)、海水箱内冷凝盘管12、末级自然对流空冷除湿器36，由空气排出口13排出；海水流动系统起始于海水箱26，依靠海水自身重力依次通过第1级布液器28、第1级海水收集箱30、第2级布液器31、第2级海水收集箱33，浓盐水通过排液阀门34排出；其中空气流动系统需要消耗少量电能，海水流动系统不需要提供动力。

请参阅图1和图2，所述第1级蒸发增湿器29包括第1级布液器28、第1级蒸发盘管19、第1级海水收集箱30、空气喷嘴9及空气集管10，蒸发增湿器外壁通过发泡填充保温材料39；第1级布液器28由一块圆板上开小孔加工而成，海水通过布液器28喷淋到第1级蒸发盘管19上受热蒸发，与空气进行传热传质完成增湿过程，未蒸发的海水收集到第1级海水收集箱30后继续流入第2级蒸发增湿器32，其中第1级蒸发盘管19用于加热海水的热量来源于太阳能蒸汽加热系统。

请参阅图1、图2和图3，所述第2级蒸发增湿器32包括第2级布液器31、第2级蒸发盘管11、空气预热器7、第2级海水收集箱33、空气喷嘴5、空气集管6及排液阀门34，蒸发增湿器外壁通过发泡填充保温材料39；第2级布液器31与第1级布液器28结构相同，空气预热器7为一阿基米德螺旋线结构的盘管；来自第1级蒸发增湿器29的海水通过第2级布液器31后喷淋到第2级蒸发盘管11上受热蒸发，与空气进行传热传质完成增湿过程，未蒸发海水收集到第2级海水收集箱33，对空气预热器7内空气进行加热，最后通过排液阀门34排出。

请参阅图1和图4，所述太阳能蒸汽加热系统包括热管式太阳能集热管16、汽包17、支架37、纯净水38、蒸汽软管18、第1级蒸发盘管19及回液管20；热管式太阳能集热管16中热管冷凝端嵌入式安装在汽包17内，热管冷凝端与汽包之间填充导热硅脂，汽包17内一次性注入纯净水38并抽真空，汽包17包有保温材料39，汽包17、蒸汽软管18、第1级蒸发盘管19及回液管20共同构成回路型重力热管结构进行热量传递，为第1级蒸发增湿器29内海水蒸发提供热量，热量传递过程中不需要提供动力。

请参阅图1和图5，所述太阳能空气加热系统包括热管式太阳能集热管21、汽包22、蒸汽软管23、太阳能空气加热器8、回液管25及支架37；热管式太阳能集热管21中热管冷凝端嵌入式安装在汽包22内，热管冷凝端与汽包之间填充导热硅脂，汽包22内一次性注入纯净水38并抽真空，汽包22包有保温材料39；太阳能空气加热器8由一金属圆柱桶及管束换热器24组成，管束上装有肋片40，管内蒸汽冷凝放热，管外空气对流吸热；汽包22、蒸汽软管23、太阳能空气加热器8、回液管25共同构成回路型重力热管结构进行热量传递，热量传递过程中不需要提供动力。

以下为本发明的一实施例

实施例

本实施例中，热管式太阳能集热管与地面成30°倾斜摆放。所述太阳能空气加热系统及太阳能蒸汽加热系统的集热单元各含有2个汽包，每个汽包直径为300mm，长为2000mm，每个汽包对应插入24根商品化的金属热管式全真空玻璃集热管，其中全真空玻璃集热管外径为58mm，内径为47mm，有效长度为1600mm；安装在玻璃集热管内的金属热管冷凝端外径为28mm，长为200mm；太阳能空气加热系统中空气加热器是金属圆筒结构，直径为300mm，长为2000mm；海水箱、第1级蒸发增湿器及第2级蒸发增湿器均为金属圆筒结构，并且尺寸相同，直径为500mm，高为500mm；第1级冷凝除湿器及第2级冷凝除湿器均为金属圆筒结构，且尺寸相同，直径为180mm，长为1000mm。

本实例中，太阳能空气加热系统及太阳能蒸汽加热系统总采光面积均为2.03m²，装置工作过程中空气流速为8m/s，按夏天6小时工作时间内，太阳能平均辐射强度740W/m²,装置全天制水量可达到74kg。

本发明的工作过程如下所述：

请参阅图1，空气泵2为空气流动提供动力，空气经空气过滤器1过滤后，分别进入第1级冷凝除湿器3和第2级冷凝除湿器4进行预热，热空气进入第2级蒸发增湿器32内与海水进行传热传质，完成第一次增湿过程，然后进入第1级冷凝除湿器3冷凝除湿，水蒸气凝结后收集储存到第1级淡水集液箱15内，完成第一次除湿过程，除湿后的空气继续流动进入第2级蒸发除湿器内的空气预热器7进行预热，然后进入太阳能空气加热器8，被太阳能空气集热系统加热后进入第1级蒸发增湿器29，与被太阳能蒸汽集热系统加热蒸发的海水进行传热传质，完成第二次增湿过程，增湿后的湿空气进入第2级蒸发增湿器内的蒸发盘管11，为第一次增湿过程中的海水蒸发提供热量，同时进行第二次除湿过程，湿空气冷却后变为气液混合物一起进入第2级冷凝除湿器4冷凝除湿，水蒸气凝结后收集储存到第2级淡水集液箱14内，完成第三次除湿过程，除湿后的空气流入海水箱内的冷凝盘管12对海水进行预热，同时进行第四次除湿过程，形成气液混合物，然后一同进入末级自然对流空冷除湿器36进行充分冷凝除湿，水蒸气凝结后收集储存在第3级淡水集液箱35内，湿空气被冷却到环境温度后排出系统，完成一个工作周期。

本发明提供了一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，利用了热管工质通过相变换热可进行高效热传递及介质间存在温度梯度能进行热量交换的传热学原理；利用了饱和空气的含湿量与温度成正比的热力学原理；利用了热管结构中流体在重力和压差驱动下能自发流动的流体力学原理；结构紧凑，占地面积少，降低了生产成本和运行成本，运输安装方便，在提供少量电力的条件下能够在常压下自动运行，并且具有较好的制水性能，具有较高的商业价值。

Claims (2)

1.一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化装置包括空气流动系统、海水流动系统、太阳能空气加热系统和太阳能蒸汽加热系统,其中，

空气流动系统由一个空气泵提供动力，空气流路通过空气过滤器、空气泵、第1级冷凝除湿器、第2级冷凝除湿器、第2级蒸发增湿器内的空气喷嘴、第2级蒸发增湿器内的空气集管、第1级冷凝除湿器、第2级蒸发增湿器内的空气预热器、太阳能空气加热器、第1级蒸发增湿器内的空气喷嘴、第1级蒸发增湿器内的空气集管、第2级蒸发增湿器内的螺旋盘管、第2级冷凝除湿器、海水箱内冷凝盘管及末级自然对流空冷除湿器，空气流动系统消耗少量电能，可实现开式循环，也可实现闭式循环；海水流动系统由海水自身重力提供动力，海水流路通过高位海水箱、第1级蒸发增湿器及第2级蒸发增湿器，海水流动过程不需要额外提供动力；太阳能空气加热系统由热管式太阳能集热管、汽包、蒸汽软管、回液软管及空气加热器组成；太阳能蒸汽加热系统由热管式太阳能集热管、汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管组成，蒸汽加热系统整体构成一个重力热管结构，不需要外部动力；第1级冷凝除湿器、第2级冷凝除湿器及末级自然对流空冷除湿器均接有淡水集液箱用于收集储存制得淡水；

所述太阳能空气加热系统中热管式太阳能集热管作为集热单元，汽包、蒸汽软管、空气加热器、回液软管构成的回路型重力热管结构作为热量传递单元，空气加热器位置要高于汽包位置，整个集热及热量传递过程不需要提供动力；

所述第1级蒸发增湿器包括一个金属圆筒、一个圆板式布液器，一个螺旋盘管、一个空气喷嘴及一个空气集管；金属圆筒内上部布置布液器用于喷淋海水，中部布置螺旋盘管用于加热蒸发海水，底部作为海水收集箱用于收集未蒸发海水；

所述第2级蒸发增湿器包括一个金属圆筒、一个布液器、一个螺旋盘管、一个空气预热器、一个空气喷嘴及一个空气集管；金属圆筒内上部布置布液器用于喷淋海水，中部布置螺旋盘管用于加热蒸发海水，底部作为海水收集箱用于收集未蒸发海水，空气预热器布置在金属圆筒底部并被海水淹没；

所述第1级冷凝除湿器及第2及冷凝除湿器由螺旋盘管和圆柱桶组成；

所述空气加热器包括一个管束型换热器和一个金属圆柱桶，管束型换热器安装在金属圆柱桶内，蒸汽在管内冷凝放热，空气在管外对流吸热。

2.根据权利要求1所述的一种带有回路型重力热管结构的多级增湿除湿型海水淡化装置，其特征在于：所述太阳能蒸汽加热系统中热管式太阳能集热管作为集热单元，汽包、蒸汽软管、第1级蒸发盘管及回液管构成的回路型重力热管结构作为热量传递单元，第1级蒸发盘管位置要高于汽包位置，整个集热及热量传递过程不需要提供动力。

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