CN110372056A - 利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置及蒸发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置及蒸发系统，涉及淡化水制备技术领域，包括蒸发层、疏水隔热层和供电装置，所述蒸发层包括加热层和亲水层，所述加热层用于将电能和/或光能转化为热能，所述亲水层与所述加热层一侧面贴合，所述亲水层用于延伸至待处理水中，并将待处理水传导至与所述加热层接触的位置，所述疏水隔热层与蒸发层底部固定，且所述疏水隔热层位于加热层下方，所述供电装置与所述加热层连接，所述蒸发系统是将蒸发装置置于负压环境中，并包含冷凝换热装置，本发明能够提高海水淡化的蒸发速率。

Description

利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置及蒸发系统
技术领域
本发明涉及淡化水制备技术领域，具体涉及一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置及蒸发系统。
背景技术
淡水资源的短缺是人类面临的严峻和急迫的问题。人类赖以生存的淡水不到地表水总量的3％，而且随着人口的增加，以及环境的污染，淡水资源越来越紧缺。对于海水、苦咸水淡化和污水的治理净化显得尤为迫切，这也是解决淡水资源，保护环境的长久可持续的重要途径。
目前海水淡化技术主要分为热法和膜法两大类。其中热法中的低温多效和多级闪蒸以及膜法中的反渗透技术，这三种技术的市场占有率最高，应用最为广泛。其中低温多效和多级闪蒸属于蒸馏法，将海水加热蒸发成蒸汽，最后冷凝得到淡水，此方法受限制较小，淡化后水纯度高，适用面广。低温多效的方法比较节能且对水的预处理要求低、淡化水品质高，但是设备结构复杂，成本较高。多级闪蒸法技术比较成熟，运行可靠且产量大，但能耗偏高。反渗透膜法属于膜分离技术，该技术对海水预处理要求比较高且能耗较高、存在化学和热的稳定性问题。
进行海水淡化的技术时，其利用的能源主要包括可再生的清洁能源和传统能源，其中，可再生的清洁能源一直是人们日益渴求的能量来源。由于传统能源的消耗殆尽，以及对环境影响的加剧，使得人们对清洁能源的渴望更加强烈。清洁能源，如太阳能，风能，地热能，生物能等绿色可再生能源具有非常高的利用价值，且取之不尽用之不竭。
太阳能和风能发电的技术日益成熟，成本日益降低。据推测，太阳能、风能发电将逐渐实现全面替代传统供电手段。因此利用清洁电能耦合太阳能光热等进一步高速实现水净化的方法非常值得研究和推广，实现绿色可再生资源的充分利用，提高效率和速率，解决海水、苦咸水的淡化及部分污水的净化，这是一个非常有价值且符合可持续发展的重要方式。
目前，在利用清洁能源进行海水淡化的技术时，采用太阳能光热方法将海水转化为蒸汽的材料已经研究了许多，但是仅研究将海水转化为蒸汽的材料，往往耐候性差，不够稳定，在太阳能光热转化效率较高的情况下，依然蒸发速率很低，不能满足需求，且需要很大的面积覆盖，占用场地大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置及蒸发系统，能够提高海水淡化的蒸发速率。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，包括：
蒸发层，所述蒸发层被配置为具备加热和亲水特性，且所述蒸发层用于延伸至待处理水中；
疏水隔热层，所述疏水隔热层设于所述蒸发层底部；
供电装置，所述供电装置与所述蒸发层连接。
在上述技术方案的基础上，所述蒸发层包括加热层和亲水层，所述加热层为具有一定电阻率和/或具有光热转化能力的材料，所述亲水层与所述加热层一侧面贴合，所述亲水层用于延伸至待处理水中，并将待处理水传导至与所述加热层接触的位置，且所述疏水隔热层位于加热层下方。
在上述技术方案的基础上，所述加热层为碳、石墨烯膜、碳纳米管薄膜、碳布、碳纤维、导电橡胶、导电陶瓷或金属丝。
在上述技术方案的基础上，所述亲水层为亲水性多孔沸石、棉麻、水凝胶、粘胶纤维或碳纤维。
在上述技术方案的基础上，所述亲水层包覆于所述疏水隔热层外。
在上述技术方案的基础上，所述蒸发层为亲水改性的碳、亲水改性的石墨烯膜、亲水改性的碳纳米管薄膜、亲水改性的碳布或亲水改性的碳纤维。
在上述技术方案的基础上，所述疏水隔热层为聚苯乙烯泡沫、发泡聚氨酯、疏水性气凝胶、石棉、岩棉、真空板或聚四氟乙烯。
第二方面，本发明还提供一种蒸发系统，包括：
蒸发室，所述蒸发室内设有上述蒸发装置和透光区域，所述透光区域与所述蒸发装置正对设置，且所述透光区域用于透过太阳光；
第一储水箱，所述第一储水箱与所述蒸发室连通，且所述第一储水箱用于存储待处理水；
冷凝换热室，所述冷凝换热室与所述蒸发室连通；
第二储水箱，所述第二储水箱与所述冷凝换热室底部连通；
负压发生装置，所述负压发生装置用于调节所述蒸发室内的压强。
在上述技术方案的基础上，所述第一储水箱通过一换热管与所述蒸发室连通，且所述换热管部分位于所述冷凝换热室内。
在上述技术方案的基础上，所述负压发生装置为真空泵。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，能够对加热层施加电场或者太阳光产生热量，并通过设置在加热层下方的疏水隔热层，能够将加热层产生的热量限制在蒸发区域内，避免热量传递到整个水体和周围环境中，从而实现热控制，降低热损失，进而实现水的快速蒸发，从而提高海水淡化的蒸发效率。
(2)本发明加热层采用的发热材料廉价环保，无二次污染，可利用低压电能提供热能，也可以吸收大量的太阳光转化为热能。
(3)本发明亲水层采用的多孔亲水材料廉价环保，无污染，导热率低，机械强度高，吸水性好。
附图说明
图1为本发明实施例中加热层无通孔结构的蒸发装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中加热层有通孔结构的蒸发装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中蒸发系统的结构示意图.
图中：11-加热层，12-亲水层，2-疏水隔热层，3-供电装置，4-蒸发室，5-第一储水箱，51-换热管，6-冷凝换热室，7-第二储水箱，8-负压发生装置，9-蒸发装置。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，包括蒸发层、疏水隔热层2和供电装置3，蒸发层被配置为具备加热和亲水特性，且蒸发层用于延伸至待处理水中，疏水隔热层2设于蒸发层底部，供电装置3与蒸发层连接，进一步的，蒸发层包括加热层11和亲水层12，加热层11用于将电能和/或光能转化为热能，亲水层12与加热层11一侧面贴合，亲水层12用于延伸至待处理水中，并将待处理水传导至与加热层11接触的位置，且疏水隔热层2位于加热层11下方，供电装置3与加热层11连接，优选地，供电装置3由清洁能源进行供电。
在进行海水或苦咸水的淡化时，将亲水层12放置于海水或苦咸水中，并通过供电装置3位加热层提供电能并产生热量，或通过对加热层11进行太阳光照射，使该加热层11将太阳能转化为热能，通过加热层11的加热作用对亲水层12中的海水或苦咸水进行加热，使亲水层12中的海水或苦咸水进行蒸发，以完成的对亲水层12中的海水或苦咸水的淡化处理，其中，通过设置在加热层下方的疏水隔热层2，能够将加热层11产生的热量限制在蒸发区域内，避免热量传递到整个水体和周围环境中，从而实现热控制，降低热损失，进而实现水的快速蒸发，从而提高海水淡化的蒸发效率。
其中，蒸发层为亲水改性的碳、亲水改性的石墨烯膜、亲水改性的碳纳米管薄膜、亲水改性的碳布或亲水改性的碳纤维，该蒸发层采用的材料廉价环保，无二次污染，可利用低压电能提供热能，且该蒸发层能够对待处理水进行传导，使待处理水在蒸发层吸热蒸发，从而完成对待处理水的淡化处理。
优选地，加热层11为碳、石墨烯膜、碳纳米管薄膜、碳布、碳纤维、导电橡胶、导电陶瓷或金属丝等，该加热层11采用的发热材料廉价环保，无二次污染，可利用低压电能提供热能，也可以吸收大量的太阳光转化为热能；进一步的，参见图2所示，加热层11为具有多孔的材料，即加热层11具有若干通孔，加热层11可选的材料为多孔碳、介孔碳和活性炭等，能够加速亲水层12内的水蒸发，且此时加热层11位于最上方，即加热层11与疏水隔热层2间设有亲水层12；参见图1所示，当加热层11为不具有多孔的材料时，即加热层11没有通孔的结构，此时的加热层11位于中间层，即亲水层12和疏水隔热层2间设有该加热层11，通过加热层11有无通孔结构时选择对应的层结构，能够提高加热层11对亲水层12加热时，亲水层12内水的蒸发，从而提高了该蒸发装置9的蒸发效率。
优选地，亲水层12为亲水性多孔沸石、棉麻、水凝胶、粘胶纤维或碳纤维，该亲水层12采用的多孔亲水材料廉价环保，无污染，导热率低，机械强度高，吸水性好；疏水隔热层2为聚苯乙烯泡沫、发泡聚氨酯、疏水性气凝胶、石棉、岩棉、真空板或聚四氟乙烯，进一步的，疏水隔热层2为低成本聚苯乙烯泡沫的隔热保温材料，能够进一步降低热量对水体的散失。
亲水层12包覆于疏水隔热层2外，能够提高亲水层12与待处理水的接触面积，从而提高亲水层12中待处理水传导至与加热层11接触面的速率。
实施例2
参见图3所示，本发明实施例提供一种蒸发系统，包括：
蒸发室4，蒸发室4内设有上述实施例1的蒸发装置9和透光区域31，透光区域与蒸发装置9正对设置，且透光区域用于透过太阳光；
第一储水箱5，第一储水箱5与蒸发室4连通，且第一储水箱5用于存储待处理水；
冷凝换热室6，冷凝换热室6与蒸发室4连通；
第二储水箱7，第二储水箱7与冷凝换热室6底部连通；
负压发生装置8，负压发生装置8用于调节蒸发室4内的压强，优选地，负压发生装置8为真空泵。
在进行对待处理水(海水、苦咸水或污水等)的淡化时，将蒸发装置9放置于蒸发室4内，并通过第一储水箱5向蒸发室4内注入待处理水，此时，待处理水浸没亲水层12，通过供电装置3对加热层11进行通电，在加热层11通过电能发热的同时，可以使太阳光透过透光区域照射于加热层11上，使该加热层11能够将太阳能转化为热能，通过该蒸发装置9对待处理水进行蒸发水操作后，水蒸气进入冷凝换热室6进行冷却，冷却后的水蒸气被收集至第二储水箱7内，通过冷凝换热室6的作用，能够将蒸汽的热量回收利用，降低能耗，冷凝换热室6包括各种冷凝管、冷凝器等，其中，在采用蒸发装置9进行蒸发水的操作时，还可以通过负压发生装置8对蒸发室4内进行降压操作，使待处理水的饱和温度降低，从而加快待处理水的增发；即通过对蒸发装置9施加太阳能、电能等提供热量，并耦合负压环境实现利用清洁能源进行高速率的海水、苦咸水淡化及污水处理。
第一储水箱5通过一换热管51与蒸发室4连通，且换热管51部分位于冷凝换热室6内，通过将换热管51充当冷凝换热室6的冷凝管，能够将蒸汽的热量进行回收利用，提高蒸发室4内待处理水的温度，从而进一步提高待处理水的蒸发速率。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例中加热层11为碳布，亲水层12为亲水性纤维布，疏水隔热层2为聚苯乙烯泡沫，其中，亲水性纤维布包覆疏水隔热的聚苯乙烯泡沫，将碳布两端采用铂电极与供电装置3连接，通过粘接方式使得碳布加热部分与亲水性纤维布紧密接触，并保持碳布面朝上，将其置于待处理海水中。
在通过蒸发系统进行海水淡化时，在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，无电场和负压情况下(供电装置3不供电，且负压发生装置8无作用)，海水的淡化速率可以达到1.5kg m-2h-1；在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，对加热层11两端通过供电装置3施加3V电压，且无负压的情况下，淡化速率提高到47kg m-2h-1；在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，对加热层11两端通过供电装置3施加3V电压，增加负压情况下(负压范围为101kPa-1×10-6Pa)，待处理海水的淡化速率进一步提高到51kg m-2h-1。
实施例4
在实施例2的基础上，本实施例中加热层11为多孔碳，亲水层12为亲水性棉布，疏水隔热层2为聚氨酯泡沫，其中，将亲水性棉布包覆疏水隔热的聚氨酯泡沫，将成型多孔碳两端采用石墨电极连接，通过螺栓连接方式使得成型多孔碳与亲水性棉布紧密接触。保持成型多孔碳面朝上，将其置于待处理海水中。
在通过蒸发系统进行海水淡化时，在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，无电场和负压情况下，海水的淡化速率可以达到1.6kg m-2h-1；在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，对加热层11两端施加9V电压，无负压情况下，海水的淡化速率提高到99kg m-2h-1；在正常光照AM 1.5G即辐照强度为1kW/m2光照条件下，对加热层11两端施加9V电压，并增加负压情况下(负压范围为101kPa-1×10-6Pa)，淡化速率进一步提高到106kg m-2h-1。
实施例5
在实施例2的基础上，本实施例中加热层11为电加热陶瓷片，亲水层12为亲水性纤维布，疏水隔热层2为疏水性气凝胶，其中，将电加热陶瓷片置于隔热材料疏水性气凝胶上，并利用亲水性纤维布包覆该电加热陶瓷片和疏水性气凝胶。亲水性纤维布与电加热陶瓷片通过粘接紧密接触，保证热量可以传递给亲水性纤维布。电加热陶瓷的导线连接电源，将有电加热陶瓷的一端朝上，并将其置于待处理海水中。
在通过蒸发系统进行海水淡化时，当电加热陶瓷的电阻为10欧姆，尺寸为1*5，施加7V电压时，无负压情况下，海水淡化速率提高到50.7kg m-2h-1；电加热陶瓷的电阻为10欧姆，尺寸为1*5，施加7V电压，且增加负压情况下(负压范围为101kPa-1×10-6Pa)，海水的淡化速率进一步提高到59kg m-2h-1。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于，包括：
蒸发层，所述蒸发层被配置为具备加热和亲水特性，且所述蒸发层用于延伸至待处理水中；
疏水隔热层(2)，所述疏水隔热层(2)设于所述蒸发层底部；
供电装置(3)，所述供电装置(3)与所述蒸发层连接。
2.如权利要求1所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发层包括加热层(11)和亲水层(12)，所述加热层(11)为具有一定电阻率和/或具有光热转化能力的材料，所述亲水层(12)与所述加热层(11)一侧面贴合，所述亲水层(12)用于延伸至待处理水中，并将待处理水传导至与所述加热层(11)接触的位置，所述疏水隔热层(2)位于加热层(11)下方，且所述供电装置(3)与所述加热层(11)连接。
3.如权利要求2所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述加热层(11)为碳、石墨烯膜、碳纳米管薄膜、碳布、碳纤维、导电橡胶、导电陶瓷或金属丝。
4.如权利要求2所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述亲水层(12)为亲水性多孔沸石、棉麻、水凝胶、粘胶纤维或碳纤维。
5.如权利要求2所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述亲水层(12)包覆于所述疏水隔热层(2)外。
6.如权利要求1所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发层为亲水改性的碳、亲水改性的石墨烯膜、亲水改性的碳纳米管薄膜、亲水改性的碳布或亲水改性的碳纤维。
7.如权利要求1所述的一种利用多种物理场进行高速蒸发的蒸发装置，其特征在于：所述疏水隔热层(2)为聚苯乙烯泡沫、发泡聚氨酯、疏水性气凝胶、石棉、岩棉、真空板或聚四氟乙烯。
8.一种蒸发系统，其特征在于，包括：
蒸发室(4)，所述蒸发室(4)内设有如权利要求1至6任一项的所述蒸发装置(9)和透光区域(31)，所述透光区域与所述蒸发装置(9)正对设置，且所述透光区域用于透过太阳光；
第一储水箱(5)，所述第一储水箱(5)与所述蒸发室(4)连通，且所述第一储水箱(5)用于存储待处理水；
冷凝换热室(6)，所述冷凝换热室(6)与所述蒸发室(4)连通；
第二储水箱(7)，所述第二储水箱(7)与所述冷凝换热室(6)底部连通；
负压发生装置(8)，所述负压发生装置(8)用于调节所述蒸发室(4)内的压强。
9.如权利要求8所述的蒸发系统，其特征在于：所述第一储水箱(5)通过一换热管(51)与所述蒸发室(4)连通，且所述换热管(51)部分位于所述冷凝换热室(6)内。
10.如权利要求8所述的蒸发系统，其特征在于：所述负压发生装置(8)为真空泵。
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