CN109231325B - 太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，包括：热聚焦装置，包含：壳体，顶部开透明天窗，底端中心开通洞；导热芯，分为两个部分，上部分为盘状集热器，盘上镀高吸收低发射率的吸光涂层，盘底接导热棒，导热棒穿过外壳底部，超出壳体的导热棒包裹毛细补水材料；多级蒸发冷凝集成腔体装置，包含：多级冷凝蒸发集成壁面、海水补偿腔、冷凝水输送管道、冷凝水收集腔、以及热沉模块。本发明通过热聚焦法实现太阳能产生的低品位蒸汽回收利用，蒸汽凝结潜热的多级回收大大提高了系统的能量转化效率和产水量，设计了多级嵌套的蒸汽相变潜热回收系统；同时，采用竖直结构和逐级扩大冷凝面的方式，大大加强了蒸汽冷凝速率和冷凝水回收。

Description

太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统。

背景技术

清洁淡水资源的严重短缺已成为最为普遍的全球性问题之一。过去的几十年，海水淡化技术得到了很大的发展，其中多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透法在工程上都有较大规模的应用。然而传统的海水淡化技术投资高，能源消耗大，而且所消耗能量主要来自石油和煤炭等化石燃料，在此过程中又造成了新的污染。

目前太阳能是地球上最易得、最环保的清洁能源。在标准条件下，地球表面接收到的太阳光功率为1000W/㎡。这些能量往往由于空气的对流换热、对外辐射等因素，使得被极大浪费，充分捕捉太阳能实现海水淡化既可以解决水资源短缺问题，也能进一步强化太阳能的高效利用，达到了节能目的。同时，由于太阳能产生的热蒸汽品位过低难以得到有效利用。现有的太阳能海水淡化收集淡水采用的措施都是直接将产生的低品位蒸汽与环境换热冷凝获得，造成严重的能量浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多次利用蒸汽凝结潜热的太阳能海水淡化系统，能够多级利用由太阳能产生低品位废热，特别是蒸汽凝结潜热，极大地提高能源利用率和海水淡化效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于，包括：

太阳能热聚焦装置，包含：第一外壳、顶部透明盖板和导热芯，所述壳体和顶部透明盖板形成真空腔，真空腔侧壁上设有连接真空泵的管道，导热芯包含上部分的集热器和固定在集热器底部的导热棒，集热器设置在所述真空腔中部，导热棒穿过第一外壳底部，超出壳体的导热棒包裹毛细补水材料；

毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置，包含：第二壳体、多级与导热棒同轴设置的冷凝蒸发集成壁面、海水补偿腔、冷凝水输送管道，其中，冷凝蒸发集成壁面内壁为冷凝壁面，外壁面覆盖毛细补水材料形成毛细补水蒸发面，所述冷凝壁面与毛细补水蒸发面之间形成蒸发冷凝腔，导热棒及毛细补水蒸发面覆盖的毛细补水材料伸入海水补偿腔中，所述海水补偿腔的侧壁上设有海水补偿腔进水口，所述冷凝壁面下部设置液滴收集槽，所述液滴收集槽底部接有冷凝水输送管道；

淡水收集装置，包含淡水收集腔和淡水排出管道，所述冷凝水输送管道与淡水收集腔相连，淡水排出管道用于排出淡水收集腔中冷凝成的淡水。

进一步，本发明还可以包括热沉装置，所述热沉装置包含金属套筒、热沉进水口、热沉出水口，所述金属套筒包裹在毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置外部，金属套筒外壁两侧上下开孔，上孔为热沉进水口，下孔为热沉出水口。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：集热器为盘状结构，集热器上镀吸光涂层，该涂层太阳光波段吸收率高于90％，远红外波段发射率低于10％，所述集热器和导热棒采用导热系数高于200W/(m﹒K)的金属材料。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：真空腔的真空度不超过3kpa。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：毛细补水材料采用吸水性强的海绵或者棉布。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：热沉装置中的金属套筒采用导热系数高于150W/(m﹒K)的金属材料。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：毛细蒸发面的高度低于70mm。

进一步，本发明还可以具有这样的特征：第一壳体和第二壳体采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的POM塑料或尼龙塑料制成。

进一步，本发明还可以包括检测部，检测海水补偿腔内水位；

阀门部，包含：设置在海水补偿腔进水口的补水阀门，设置在淡水排出管道上的排水阀门，设置在热沉进水口和热沉出水口的两个阀门以及连接真空泵管道上的阀门；

控制部，与检测部和阀门部相通信相连，在检测部检测到水位达标或不足的情况下，控制阀门部控制系统内部补水及排水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过热聚焦法实现太阳能产生的低品位蒸汽回收利用，提高了能源利用率，避免了太阳能产生的低品位蒸汽的能源浪费，拓展了这种能源的回收利用途径。

2.本发明中蒸汽凝结潜热的多级回收大大提高了系统的能量转化效率和产水量，本发明充分考虑到了蒸汽凝结潜热的回收利用环节，解决了目前太阳能海水淡化方法中常常忽略的环节和难以解决的难题。

3.本发明将应用一种具有高吸收率低发射率的吸光涂层，极大地捕捉了太阳能并加以利用。

4.本发明避免吸光涂层与环境之间的对流换热，采用真空密闭系统隔离空气换热，降低了空气对流换热能量损失，使得更多的热量被用于蒸发，从而进一步提高系统效率。

5.本发明在蒸发阶段，采用的是局部加热法，所有热量被集中蒸发一个二维的毛细蒸发面，没有传导至大水域。

6.本发明设计了多级嵌套的蒸汽相变潜热回收系统；同时，采用竖直结构和逐级扩大冷凝面的方式，大大加强了蒸汽冷凝速率和冷凝水回收。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

其中，10.太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统：20.热聚焦装置、30.毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置、40.热沉装置、50.淡水收集装置；

21.透明盖板、22.密封垫圈、23.涂层、24.导热芯、241-集热器、242-导热棒、25.第一外壳、26.连接真空泵管道、27.真空腔；

31.第二外壳、32.毛细补水蒸发面、33.蒸发冷凝腔、34.液滴、35.液滴收集槽、36.海水补偿腔进水口、37.海水补偿腔、38.冷凝水输送管道、39.冷凝壁面；41.金属套筒、42.热沉进水口、43.热沉出水口；

51.淡水收集腔、52.淡水排出管道。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统做进一步说明。

如图1所示，太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统10包括:热聚焦装置20、毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置30、热沉装置40、淡水收集装置50。

热聚焦装置20包含：透明盖板21、密封垫圈22、涂层23、导热芯24、第一外壳25、连接真空泵管道26、真空腔27；

第一外壳25和顶部透明盖板21形成真空腔27，真空腔27侧壁上设有连接真空泵的管道26，导热芯24包含上部分的集热器241和固定在集热器241底部的导热棒242，集热器241设置在所述真空腔27中部，导热棒242穿过第一外壳25底部，超出壳体的导热棒242包裹毛细补水材料；

在上述实施例中，顶部透明盖板21与第一壳体连接处设有密封垫圈22形成密封，保证腔体内形成真空。集热器241为盘状结构，集热器241上镀吸光涂层23，该涂层太阳光波段吸收率高于90％，远红外波段发射率低于10％，所述集热器241和导热棒242采用导热系数高于200W/(m﹒K)的金属材料。

毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置30包含：第二壳体31、毛细补水蒸发面32、蒸发冷凝腔33、液滴34、液滴收集槽35、海水补偿腔进水口36、海水补偿腔37、冷凝水输送管道38、冷凝壁面39；

冷凝蒸发集成壁面内壁为冷凝壁面39，外壁面覆盖毛细补水材料形成毛细补水蒸发面32，所述冷凝壁面39与毛细补水蒸发面之间形成蒸发冷凝腔33，导热棒242及毛细补水蒸发面32覆盖的毛细补水材料伸入海水补偿腔37中，所述海水补偿腔37的侧壁上设有海水补偿腔进水口36，所述冷凝壁面39下部设置液滴收集槽35，所述液滴收集槽35底部接有冷凝水输送管道38。

热沉装置40包含：金属套筒41、热沉进水口42、热沉出水口43；

金属套筒41包裹在毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置30外部，金属套筒41外壁两侧上下开孔，上孔为热沉进水口42，下孔为热沉出水口43。

淡水收集装置50，包含淡水收集腔51和淡水排出管道52，所述冷凝水输送管道38与淡水收集腔51相连，淡水排出管道52用于排出淡水收集腔51中冷凝成的淡水。

在上述实施例中，透明盖板21可采用石英玻璃。壳体25采用尼龙材料或者导热系数低于0.3W/(m﹒K)并且耐海水腐蚀的POM塑料制成，具备良好的保温密封效果，可以有效防止热量散失和蒸汽冷凝。太阳光透过透明盖板21被具有高吸收低发射率的涂层23吸收，存储的热量沿着导热芯24，热聚焦模块20通过导热芯24与毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置30装配。太阳能热聚焦装置中采用抽真空法去除壳体内部空气，防止由于空气对流换热而导致的能量损失。本实施例中，通过对壳体开5.5mm孔，安装接头连接真空泵，将壳体内部抽至3kpa。

导热芯24上的热量用于加热包裹在外壁的毛补水细蒸发面32所吸收的海水，产生的蒸汽存储在由每一级冷凝壁面39和毛细补水蒸发面32紧密粘合组成的蒸发冷凝腔33内，毛细蒸发面32产生的蒸汽由于温度差的推动力作用下，在下一级冷凝壁面39冷凝。每一级毛细补水蒸发面32与冷凝壁面39贴合的同时，其底部浸润在海水补偿腔37内的海水中。

在本实例中，毛细力补水理想的高度为70mm，从节能和成本的角度考虑，毛细蒸发面的高度应低于毛细力补水的最佳高度；在本实施例中多级蒸发冷凝集成腔30是由每级的圆筒状冷凝蒸发集成壁面沿同一中心轴环环嵌套而成；本实施例中，毛细补水蒸发面32由强吸水能力的棉布制成，成本非常低，可以有效抑制热量向海水传导，其厚度不超过1毫米，保证可提供最充足的毛吸力不断补充海水，通过毛吸力将海水补偿室37里的低温海水输送至蒸发发生面，进行热量交换。

金属套筒可采用双层铝管或铜管，本实施例采用壁厚为3mm的铝管。包裹在多级蒸发冷凝集成腔体装置外部，筒外壁两侧上下开孔，上孔为热沉进水口41，下孔为热沉出水口42，套筒内不断填充海水以维持套筒内低温，形成温差，保证蒸汽持续稳定向冷凝蒸发集成壁面内壁冷凝。

毛细蒸发面产生的蒸汽在冷凝壁面39上冷凝，逐渐形成液滴34沿着壁面滑向液滴收集槽35，进而通过淡水输送管道38流至淡水收集腔50。

由于蒸发冷凝腔33内操作空间小，不超过7mm，因此淡水输送管道38尺寸有严格要求，误差须小于±0.05mm，且需保证在液滴收集槽35内冷凝液突破管道沿程阻力顺利流通至淡水收集腔51。本实施例中，采用外径4mm内径0.5mm的管道连通且液滴收集槽35设计有一定的倾斜度。

在工作时，太阳光透过透明盖板21被具有高吸收低发射率的涂层23吸收，存储的热量沿着导热芯24，热聚焦模块20通过导热芯24与毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置30装配。导热芯24上的热量用于加热包裹在外壁的毛补水细蒸发面32所吸收的海水，产生的蒸汽存储在由每一级冷凝壁面39和毛细补水蒸发面32紧密粘合组成的蒸发冷凝腔33内，毛细蒸发面32产生的蒸汽由于温度差的推动力作用下，在下一级冷凝壁面39冷凝。每一级毛细补水蒸发面32与冷凝壁面39贴合的同时，其底部浸润在海水补偿腔37内的海水中。毛细蒸发面产生的蒸汽在冷凝壁面39上冷凝，逐渐形成液滴34沿着壁面滑向液滴收集槽35，进而通过淡水输送管道38流至淡水收集腔51，淡水排出管道52用于排出淡水收集腔51中冷凝成的淡水。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于，包括：

太阳能热聚焦装置，包含：第一外壳、顶部透明盖板和导热芯，所述第一外壳和顶部透明盖板形成真空腔，真空腔侧壁上设有连接真空泵的管道，导热芯包含上部分的集热器和固定在集热器底部的导热棒，集热器设置在所述真空腔中部，导热棒穿过第一外壳底部，超出壳体的导热棒包裹毛细补水材料；

毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置，包含：第二外壳、多级与导热棒同轴设置的冷凝蒸发集成壁面、海水补偿腔、冷凝水输送管道，其中，冷凝蒸发集成壁面内壁为冷凝壁面，外壁面覆盖毛细补水材料形成毛细补水蒸发面，所述冷凝壁面与毛细补水蒸发面之间形成蒸发冷凝腔，导热棒及毛细补水蒸发面覆盖的毛细补水材料伸入海水补偿腔中，所述海水补偿腔的侧壁上设有海水补偿腔进水口，所述冷凝壁面下部设置液滴收集槽，所述液滴收集槽底部接有冷凝水输送管道；

淡水收集装置，包含淡水收集腔和淡水排出管道，所述冷凝水输送管道与淡水收集腔相连，淡水排出管道用于排出淡水收集腔中冷凝成的淡水；

还包括热沉装置，所述热沉装置包含金属套筒、热沉进水口、热沉出水口，所述金属套筒包裹在毛细驱动多级蒸发冷凝集成装置外部，金属套筒外壁两侧上下开孔，上孔为热沉进水口，下孔为热沉出水口。

2.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述集热器为盘状结构，集热器上镀吸光涂层，该涂层太阳光波段吸收率高于90%，远红外波段发射率低于10%，所述集热器和导热棒采用导热系数高于200 W/(m﹒K)的金属材料。

3.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述真空腔的真空度不超过3kpa。

4.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述毛细补水材料采用吸水性强的海绵或者棉布。

5.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述热沉装置中的金属套筒采用导热系数高于150 W/(m﹒K)的金属材料。

6.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述毛细补水蒸发面的高度低于70mm。

7.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：所述第一外壳和第二外壳采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的POM塑料或尼龙塑料制成。

8.根据权利要求1所述的太阳能热聚焦毛细驱动多级海水淡化系统，其特征在于：还包括：

检测部，检测海水补偿腔内水位；

阀门部，包含：设置在海水补偿腔进水口的补水阀门，设置在淡水排出管道上的排水阀门，设置在热沉进水口和热沉出水口的两个阀门以及连接真空泵管道上的阀门；

控制部，与检测部和阀门部相通信相连，在检测部检测到水位达标或不足的情况下，控制阀门部控制系统内部补水及排水。

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