CN111087044B - 一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,包括太阳光收集转换组件和空气隙膜蒸馏组件;所述太阳光收集转换组件用于吸收太阳光产生红外热辐射;所述空气隙膜蒸馏组件包括膜组件料液侧流道和淡水流道;所述膜组件料液侧流道与海水供给系统连通;所述膜组件料液侧流道吸收所述太阳光收集转换组件产生的红外热辐射;所述蒸汽透过膜与冷凝板之间的流道为淡水流道;所述膜组件料液侧流道内的蒸汽可通过蒸汽透过膜进入所述淡水流道。本发明太阳能吸收装置与海水不直接接触,太阳能吸收装置的温度可以达到更高,且可以使太阳光收集及转换组件不被海水污染,具有蒸发效率高、抗污染能力强的优势。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能海水淡化技术领域,具体涉及一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置。
背景技术
水资源短缺问题是21世纪人类面临的重大挑战之一,海水淡化技术在解决全球淡水资源的缺乏问题上被寄予厚望。太阳能是一种取之不尽且获取方便的绿色能源,应用于海水淡化可大大减少海水淡化过程中所需的电能消耗。
膜蒸馏(MD)技术是一种将传统蒸馏法和膜法结合起来的新型淡化技术。该技术主要依据汽液平衡原理,以蒸发潜热实现相变,同时膜作为两相间的选择性屏障,从而实现盐水分离。太阳能空气隙膜蒸馏技术(SP-AGMD)是利用太阳能集热装置加热膜蒸馏组件料液侧的海水实现膜蒸馏的技术,具有能耗低,不产生二次污染且运行费用低的优点,对分散式、小规模的淡水供应模式尤其适用。因此,积极开发该技术对缓解当前水资源短缺和能源供给紧张的现状具有重要意义。
目前大多数太阳能空气隙膜蒸馏系统中的太阳能集热装置和膜蒸馏装置单独设置,太阳能集热装置通过换热装置加热膜蒸馏装置料液侧的海水,存在装置结构复杂、效率低和热损失大等问题。且目前太阳能集热装置主要通过与海水直接接触进行换热,较难在一个太阳下获得较高的温度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,太阳光收集转换组件将太阳辐射转变为可被海水直接吸收的红外辐射,膜蒸馏装置料液侧的海水直接吸收红外辐射加热蒸发,可以解决因太阳能集热装置和膜蒸馏装置单独设置而产生的装置结构复杂、效率低和热损失大等问题。同时鉴于海水对红外辐射的高效吸收,本装置可以在一个太阳下就能实现较高的温度。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,包括太阳光收集转换组件和空气隙膜蒸馏组件;所述太阳光收集及转换组件包括高透光玻璃、选择性吸收涂层、基板和高红外发射涂层:所述选择性吸收涂层用于将穿过高透光玻璃的太阳光转化为热量,所述基板用于将所述选择性吸收涂层吸收的热量传导至高红外发射涂层,所述高红外发射涂层用于向外产生红外热辐射。
所述空气隙膜蒸馏组件包括膜组件料液侧流道和淡水流道;所述膜组件料液侧流道为蒸汽透过膜与高红外透过玻璃之间的流道,所述膜组件料液侧流道与海水供给系统连通;所述膜组件料液侧流道吸收所述太阳光收集转换组件产生的红外热辐射,用于加热所述膜组件料液侧流道内的海水;所述蒸汽透过膜与冷凝板之间的流道为淡水流道,用于凝结蒸汽产生淡水;所述膜组件料液侧流道内的蒸汽可通过蒸汽透过膜进入所述淡水流道。
进一步,所述高红外透过玻璃与所述太阳光收集转换组件之间设有空气间隔,用于增大导热热阻。
进一步,还包括冷凝流道,所述冷凝流道为冷凝板与背板之间的流道,用于使蒸汽冷凝的同时对流过冷凝流道的海水进行预热;所述冷凝流道与膜组件料液侧流道连通。
进一步,所述冷凝流道与膜组件料液侧流道之间设有加热器,用于加热海水。
进一步,所述高红外透过玻璃为石英玻璃;所述蒸汽透过膜为聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。
进一步,所述蒸汽透过膜通过网栅隔板支撑,所述网栅隔板的空隙面积高于50%,材质为聚丙烯。
进一步,所述高透光玻璃为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃;所述高透光玻璃上设有减反射膜;所述基板为铜板;所述选择性吸收涂层为金属陶瓷复合型涂层;所述高红外发射涂层为碳纳米管涂层。
进一步,所述冷凝流道的进口通过泵与海水储罐相连,所述膜组件料液侧流道出口通过针孔阀与浓盐水储罐连接;所述淡水流道与淡水收集箱连接。
本发明的有益效果在于:
1.本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,通过太阳光收集转换组件把太阳光谱变为红外热辐射,而水对红外辐射的吸收特别强,可以在一个太阳下就实现较高的温度。
2.本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,通过将太阳能吸收装置和膜蒸馏装置集成为带有太阳光收集转换组件的膜蒸馏一体装置,具有装置结构简单、效率高和热损小的优势。
3.本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,太阳能吸收装置与海水不直接接触,太阳能吸收装置的温度可以达到更高,且可以使太阳光收集及转换组件不被海水污染,具有蒸发效率高、抗污染能力强的优势。
4.本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,各部件均为板状,通过板边缘的螺栓进行层压紧固,方便安装、清洗和单独更换某一部件。
附图说明
图1为本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置结构示意图。
图2为本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置的系统原理图。
图3为本发明实施例中水的光谱透过率曲线图。
图中:
1-高透光玻璃;2-选择性吸收涂层;3-基板;4-高红外发射涂层;5-高红外透过玻璃;6-膜组件料液侧流道;7-蒸汽透过膜;8-网栅隔板;9-冷凝板;10-膜组件冷凝流道;11-背板;12-太阳光收集转换组件;13-空气隙膜蒸馏组件;14-海水储罐;15-泵;16-淡水流道;17-第一阀门;18-第二阀门;19-加热器;20-针孔阀;21-浓缩海水储罐;22-淡水储罐。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示,本发明所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,包括太阳光收集转换组件12和空气隙膜蒸馏组件13;所述太阳光收集转换组件12包括高透光玻璃1、选择性吸收涂层2、基板3和高红外发射涂层4:所述选择性吸收涂层2吸收穿过高透光玻璃1的太阳光将其转化为热量,基板3吸收热量并将热量传导至高红外发射涂层4,高红外发射涂层4向外产生热辐射,即可被海水直接吸收的红外辐射。
所述空气隙膜蒸馏组件13包括膜组件料液侧流道6和淡水流道16;所述膜组件料液侧流道6为蒸汽透过膜7与高红外透过玻璃5之间的流道,所述膜组件料液侧流道6与海水供给系统连通;所述膜组件料液侧流道6吸收高红外发射涂层4向外产生的红外热辐射,用于加热所述膜组件料液侧流道6内的海水;所述蒸汽透过膜7与冷凝板9之间的流道为淡水流道16,用于凝结蒸汽产生淡水;所述膜组件料液侧流道6内的蒸汽可通过蒸汽透过膜7进入所述淡水流道16。
所述高红外透过玻璃5与高红外发射涂层4之间设有空气间隔,其目的为增大导热热阻,使得太阳光收集及转换组件12达到更高的温度,提高蒸发效率。
为了实现加快冷凝板9上的蒸汽凝结,还包括冷凝流道10,所述冷凝流道10为冷凝板9与背板11之间的流道,用于使蒸汽冷凝的同时对流过冷凝流道10的海水进行预热;所述冷凝流道10与膜组件料液侧流道6连通。冷凝板9另一侧与冷凝流道10中的海水直接接触,蒸汽冷凝的同时会对冷凝流道10的海水进行预热。
所述的高透光玻璃1具有对太阳光全光谱的高透过率并贴有减反射膜,选用石英玻璃或硼硅酸盐玻璃;所述的基板3为选择性吸收涂层2和高红外发射涂层4的衬底,作用是高导热,选用铜板。所述的选择性吸收涂层2为同时具有高太阳光谱吸收率和低红外发射率,选用金属陶瓷复合型涂层。所述的高红外发射涂层4选用碳纳米管涂层。
所述的高红外透过玻璃5选用石英玻璃。所述的蒸汽透过膜7选用聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。所述的网栅隔板8对蒸汽透过膜7起支撑作用,具有高于50%的膜开口面积,即网栅隔板8的空隙面积高于50%,材质为聚丙烯。所述的冷凝板9特征为下端设有淡水引流槽,高导热,抗海水腐蚀,选用铜板。所述的高透光玻璃1和选择性吸收涂层2之间为空气间隔。所述淡水流道16内具有空的气隙。
如图2所示,冷流流道10的进口通过泵15与海水储罐14相连接,冷凝流道10的出口与膜组件料液侧流道6的进口直接相连或者通过加热器19相连,膜组件料液侧流道6的出口通过针孔阀20与浓缩海水储罐21相连,淡水流道16与淡水收集箱22相连。加热器19为辅助加热器,可在冬季或阴天等太阳辐照弱的情况下加热海水,使得膜蒸馏装置正常工作,提供稳定的淡水。第一阀门17和第二阀门18可控制是否使用加热器19。针孔阀20可保持膜组件料液侧流道6中的海水的压力和控制膜组件料液侧流道6中的海水的流速,提高蒸发效率。
工作原理:
选择性吸收涂层2吸收穿过高透光玻璃1的太阳光将其转化为热量,基板3吸收热量并将热量传导至高红外发射涂层4,高红外发射涂层4向外产生热辐射,即可被海水直接吸收的红外辐射。如图3所示,水对紫外光波段和可见光波段的吸收能力很差,对红外波段>750nm的吸收能力强。膜组件料液侧流道6中的海水直接吸收来自高红外发射涂层4的红外辐射而被加热并产生蒸汽,蒸汽依次穿过蒸汽透过膜7、网栅隔板8、到达淡水流道16的冷凝板9表面被冷凝为淡水。冷凝板9另一侧与冷凝流道10中的海水直接接触,蒸汽冷凝的同时会对冷凝流道10的海水进行预热。太阳光收集转换组件12的高红外发射涂层4与空气隙膜蒸馏组件13的高红外透过玻璃5存在空气间隔,其目的为增大导热热阻,使得太阳光收集及转换组件12达到更高的温度,提高蒸发效率。
冷流流道10的进口通过泵15与海水储罐14相连接,冷凝流道10的出口与膜组件料液侧流道6的进口直接相连或者通过加热器19相连,膜组件料液侧流道6的出口通过针孔阀20与浓缩海水储罐21相连,淡水流道16与淡水收集箱22相连。海水从海水储罐14中通过泵15进入膜蒸馏装置的冷凝流道10对蒸汽进行冷凝,同时海水被预热。然后冷凝流道10中的已经被预热的海水直接进入膜组件料液侧流道6,或者通过加热器19加热后再进入膜组件料液侧流道6。膜组件料液侧流道6的海水直接吸收红外辐射加热蒸发,产生的蒸汽通过膜到达空气隙侧,并在冷凝板9冷凝为淡水,淡水收集到淡水收集箱22,膜组件料液侧流道6的海水被蒸馏后进入到浓缩海水储罐21中。加热器19为辅助加热器,可在冬季或阴天等太阳辐照弱的情况下加热海水,使得膜蒸馏装置正常工作,提供稳定的淡水。针孔阀20可保持膜组件料液侧流道6中的海水的压力和控制膜组件料液侧流道6中的海水的流速,提高蒸发效率。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,包括太阳光收集转换组件(12)和空气隙膜蒸馏组件(13); 所述太阳光收集转换组件(12)包括高透光玻璃(1)、选择性吸收涂层(2)、基板(3)和高红外发射涂层(4):所述选择性吸收涂层(2)用于将穿过高透光玻璃(1)的太阳光转化为热量,所述基板(3)用于将所述选择性吸收涂层(2)吸收的热量传导至高红外发射涂层(4),所述高红外发射涂层(4)用于向外产生红外热辐射;
所述空气隙膜蒸馏组件(13)包括膜组件料液侧流道(6)和淡水流道(16);所述膜组件料液侧流道(6)为蒸汽透过膜(7)与高红外透过玻璃(5)之间的流道,所述膜组件料液侧流道(6)与海水供给系统连通;所述膜组件料液侧流道(6)吸收所述太阳光收集转换组件(12)产生的红外热辐射,用于加热所述膜组件料液侧流道(6)内的海水;所述蒸汽透过膜(7)与冷凝板(9)之间的流道为淡水流道(16),用于凝结蒸汽产生淡水;所述膜组件料液侧流道(6)内的蒸汽可通过蒸汽透过膜(7)进入所述淡水流道(16);
所述高红外透过玻璃(5)与所述太阳光收集转换组件(12)之间设有空气间隔,用于增大导热热阻。
2.根据权利要求1所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,还包括冷凝流道(10),所述冷凝流道(10)为冷凝板(9)与背板(11)之间的流道,用于使蒸汽冷凝的同时对流过冷凝流道(10)的海水进行预热;所述冷凝流道(10)与膜组件料液侧流道(6)连通。
3.根据权利要求2所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述冷凝流道(10)与膜组件料液侧流道(6)之间设有加热器(19),用于加热海水。
4.根据权利要求1所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述高红外透过玻璃(5)为石英玻璃;所述蒸汽透过膜(7)为聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。
5.根据权利要求1所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述蒸汽透过膜(7)通过网栅隔板(8)支撑,所述网栅隔板(8)的空隙面积高于50%,材质为聚丙烯。
6.根据权利要求1所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述高透光玻璃(1)为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃;所述高透光玻璃(1)上设有减反射膜;所述基板(3)为铜板;所述选择性吸收涂层(2)为金属陶瓷复合型涂层;所述高红外发射涂层(4)为碳纳米管涂层。
7.根据权利要求2所述的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述冷凝流道(10)的进口通过泵(15)与海水储罐(14)相连,所述膜组件料液侧流道(6)出口通过针孔阀(20)与浓盐水储罐(21)连接;所述淡水流道(16)与淡水收集箱(22)连接。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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