CN111099681B - 一种集热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集热系统,包括太阳能集热板与电热板,太阳能集热板与电热板分布在板式CPL毛细泵的两侧,其中电热板设置在背光侧,热量来源以太阳能集热为主,必要时电热板提供电辅助加热,CPL毛细泵内导热介质相变换热至散热片式扰流蒸发器放置在罐体内部以蒸发海水。本发明提供了一种新的集热系统,能够使得集热与电热相互补充,进一步提高加热效果。

Description

一种集热系统
本发明是申请日2018年10月29日、申请号2018112674770、发明名称“一种管板式换热装置及其海水淡化系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及环路热管、太阳能和海水淡化领域,尤其涉及一种利用太阳能的环路热管及其海水淡化系统。
背景技术
热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业,自从被引入散热器制造行业,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式,采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果,开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备,其中包括太阳能、海水淡化领域,例如太阳能的利用等。
通常换热装置是管式或者板式,都存在问题,管式存在换热面积小的特点,而板式存在流动阻力大的特点,本发明将两者结合,开发了新式的管板式换热装置。
发明内容
本发明提供了一种新式的换热装置,管板式结合,能够进一步减少阻力,扩大散热面积,提高散热效率,从而解决前面出现的技术问题。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种管板式换热装置,所述管板式换热装置包括进口集管、出口集管、进口换热管、出口换热管和板组,所述进口集管连接进口换热管,所述进口换热管连接对应的板组,所述板组是由两块板组合在一起形成的换热通道,所述板组连接出口换热管,出口换热管连接出口集箱,来自蒸发端的流体通过进口集管进入进口换热管,然后通过进口换热管进入板组,然后通过板组再进入出口换热管,然后通过出口集管排出。
作为优选,进口换热管为多根,每根进口换热管对应一个板组。
作为优选,所述出口换热管为多根,每根出口换热管对应一个板组。
作为优选,板组是竖向分布。
作为优选,进口集管和出口集管位于板组的同一侧。
作为优选,相邻板组之间的间距为S1,板组的长度为H1,板组的流通面积为V1,进口换热管和出口换热管的流通面积相同,进口换热管的流通面积为V2,则满足如下要求:
(S1/H1)*10=a+b*LN(V2/V1*10);LN是对数函数,
其中a,b为参数,2.67<a<2.68;1.99<b<2;
其中0.099<V2/V1<0.13;0.04<S1/H1<0.05;
相邻板组之间的间距为S1是相邻板组相对的壁面之间的距离。
板组的长度为H1是平行于板组内流体流动方向的板组的长度。
作为优选,a=2.674,b=1.996;
作为优选,随着V2/V1的增加,a 逐渐增加,b逐渐增加。
一种海水淡化系统,所述系统包括蒸发系统、冷凝系统和淡水收集系统,海水在蒸发系统进行蒸发产生蒸汽,然后蒸汽在冷凝系统进行冷凝变成淡水,然后淡水通过淡水收集系统进行收集,
所述蒸发系统是前面所述的换热装置。
作为优选,所述海水淡化系统,所述系统包括蒸发系统、冷凝系统和淡水收集系统,海水在蒸发系统进行蒸发产生蒸汽,然后蒸汽在冷凝系统进行冷凝变成淡水,然后淡水通过淡水收集系统进行收集,
所述蒸发系统包括太阳能集热器和环路热管,所述环路热管蒸发端吸收太阳能,然后在冷凝端与海水进行换热,使海水蒸发;
所述冷凝系统包括冷凝器,所述冷凝器包括冷水入口、冷水出口、均温板、板式冷凝部件,所述板式冷凝部件包括多个平行的隔离横板,相邻的格式横板之间形成冷水流道,所述冷水流道内设置扰流板,所述扰流板是弯曲板,所述扰流板设置在冷水流道中间且距离隔离横板一定距离,所述扰流板延伸方向与隔离横板平行;所述均温板的一端设置在板式冷凝部件的上部和下部,所述均温板的远离板式冷凝部件的另一端设置翅片;均温板内部设置封闭空腔,空腔内侧设置毛细结构;冷水入口、冷水出口分别设置在板式冷凝部件相对的侧部;
所述淡水收集系统包括上接水盘和下接水盘,所述上接水盘位于冷凝器下部,位于下接水盘上部,上接水盘中间开孔,最外端的端部设置向上的竖直部,与竖直部相连的是水平部,以及沿着水平部向内部延伸的向上的倾斜部;所述水平部设置孔,以供淡水流入到下接水盘;所述下接水盘包括中部的孔部,所述孔部连接淡水收集箱;
所述海水淡化系统还包括真空系统,所述冷凝器、上接水盘、下接水盘和环路热管的冷凝端设置在真空系统中。
冷凝器、上接水盘、下接水盘和环路热管的冷凝端从上到下依次布置。
作为优选,还包括海水循环喷淋系统,所述海水循环喷淋系统设置在真空系统中,所述海水循环喷淋系统包括循环喷淋泵、雾化喷淋头以及循环管路,雾化喷淋头设置在冷凝端的上部;循环喷淋泵将真空系统中的海水泵入到雾化喷淋头,然后在喷淋到冷凝端。
作为优选,所述蒸发端是板式结构,所述太阳能集热器包括太阳能集热板,所述蒸发端的上表面贴在在太阳能集热板的下表面。
作为优选,所述蒸发端是板式结构,所述蒸发端的上表面就是太阳能集热板。
作为优选,还包括真空系统,所述真空系统包括真空罐,所述冷凝器、上接水盘和下接水盘、冷凝端设置在真空罐内。
作为优选,罐体内设置海水浓度检测装置,用于检测海水的浓度,控制器根据检测的海水浓度自动控制排海水。
与现有技术相比较,本发明具有如下的优点:
1)本发明提供了一种新的管板式换热结构,通过管板式结合,能够进一步减少阻力,扩大散热面积,提高散热效率。尤其是作为海水淡化喷淋作用的换热器,能够提高海水淡化效果;对换热结构进行了实验和数值模拟进行的优化,达到了最佳的换热效果。
2)本发明研发了新式的淡水收集装置,通过设置上下的接水盘,能够实现淡水的快速收集,避免淡水浪费。
3)将CPL技术与海水淡化相结合。根据相变换热原理,创新性地将在很小温差下可远距离传递很大的热量的CPL毛细泵与海水淡化设备相结合,并采用板式设计,使得传热效率较传统对流换热模式提高4倍左右,大幅提高传热效率。
4)创新型结构的冷凝器与降膜蒸发器。冷凝器采用片式结构设计,结合均温板与翅片,VC腔内附着烧结网状结构,实现相变换热,使热量在平面内快速均匀扩散,并通过翅片结构大幅增加与水蒸汽接触面积,提高换热效率,较传统翅片结构增加约15%传热效率。此外,自设计新型散热片式扰流蒸发器,多片式结构并联排列,大幅增加了与雾化喷淋海水的接触面积,经实测增加了20%的传热效率。
5)文丘里管实现废水抽真空。将冷凝器导出的废水引流至文丘里管再导出,文丘里管一端与主罐体相通,利用文丘里原理将空气抽出,维持低温蒸馏所需真空度,有效地减少能耗。本设计将冷凝部分与抽真空部分巧妙结合,简化了设备,无需再额外接真空泵抽真空,提高了设备综合使用性能,显著降低了使用能耗。
6)本发明采用新式结构稳流装置,通过正方形和正八边形,使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度,从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置,避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳流装置将两相流体分离成液相和气相,将液相分割成小液团,将气相分割成小气泡,抑制液相的回流,促使气相顺畅流动,起到稳定流量的作用,具有减振降噪的效果。相对于现有技术中的稳流装置,进一步提高稳流效果,而且制造简单。
本发明具有广泛的应用前景。
1)产品极大地降低能耗,有显著地运行成本优势。本设备运行能耗约9000千焦每吨,约为传统多级闪蒸、多级蒸馏模式运行能耗的1/4,节能优势显著,较其他海水淡化方式每年能节省约42万元。
2)设备占地仅1.2㎡,是现有普通海水淡化装置的五分之一。目前市面上的海水淡化设备主要以日产千吨淡水的大型、超大型设备为主,不能应用在渔船、小海岛等面积狭小场所。而本设备创新采用新型技术,极大地减小了占地面积,弥补了市场空白。
3)使用稳定清洁能源。我国海岛主要分布在南海,该地带光照时间长、辐射强烈,适合发展和推广太阳能海水淡化装置,应用太阳能清洁能源无污染,符合国家环保政策方针。
本发明节能减排效益分析
1)在装置能源获取方面。小型海水淡化装置消耗能源主要来自于太阳能,据资料可知地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369W/m2,在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2,在我国南海海岛等赤道附近区域辐射强度更大,太阳能资源非常丰富,相比消耗日趋匮乏的石油资源本装置采用太阳能补给能源成功实现了环保新能源的有效利用。
2)在淡水生产效益及二次污染方面。本装置淡水日产量为120升,相当于饮用矿泉水240瓶,可以供给约50个成年人日常饮用,这不仅省去了受天气因素影响的船运淡水的麻烦,更能每年节省约512吨柴油,减少81000万升二氧化碳排放,完美实现节能减排的效果。
本装置还可解决盐碱湖周围居民淡水饮用问题,相比一路上要大量排放各种污染尾气的车运淡水,本装置可实现零排放的盐水淡化且无二次污染,节约燃油资源保护生态环境的同时也有效减少了有害气体的排放。
3)在装置运行效率方面。从装置机械构造来看本装置采用的CPL毛细泵利用相变换热原理,与现有对流换热相比,传热效率提升了4倍左右;原创设计一体化VC板翅片冷凝器,显著地增大了传热接触表面积,较传统翅片结构增加了15%传热效率;选用新型散热片式扰流蒸发器,并联排列大幅增加了传热面积,增加了20%的传热效率。效率的增加即意味着单位能耗的减少,据有效测算本装置吨水耗能仅为9000KJ,占同等条件下反渗透法淡化方式能耗的62.5%、多效蒸馏淡化方式能耗的20%、多效蒸馏淡化方式能耗的18%,节能效果显著。
5)在装置控制方式方面。从操作方式来看,本装置为全自动运行、一键启停,免去了对人工操作的依赖,且全年只需维护一次,极大的减少了人工能耗,节省了为控制和维护装置而产生的多种非必要能耗。
6)在装置获取淡水水质方面。本装置产水经威海市质监局检验,达生活饮用水标准。减少了获取淡水所需要的能源开支,且取得淡水水质好,不需要二次净化,节约成本的同时也节省了净水过程中的能源消耗。
附图说明
图1为本发明的太阳能海水淡化系统结构示意图。
图2为本发明的淡水冷凝装置结构的视意图。
图3为图2的均温板底部视图。
图4是图2的板式冷凝部件内部结构示意图。
图5-1是太阳能蒸发系统结构图。
图5-2是太阳能电能结合蒸发系统结构图。
图6为环路热管工作原理图。
图7-1为热管蒸发器结构示意图。
图7-2为图7-1的切面示意图。
图8-1是热管冷凝端结构示意图。
图8-2是图8-1不同方向结构示意图。
图9是抽真空结构示意图。
图10是循环喷淋原理图。
图11是淡水收集系统结构示意图。
图12本发明分隔装置横截面结构示意图。
图13本发明分隔装置另一个横截面结构示意图。
图14是本发明分隔装置在上升管内布置示意图。
图15是是本发明分隔装置在上升管内布置横截面示意图。
图16下接水盘结构示意图。
图17上接水盘结构示意图。
附图标记如下:1太阳能集热板,2环路热管, 3电热板,4冷水入口,5冷凝器,6接水盘,7喷淋头,8蒸发器,9冷水出口,10文丘里管,11废水出口,12真空罐;13淡水收集箱,14稳流装置;
21上盖板外壁,22蒸汽槽道,23毛细芯,24液体槽道,25底座外壁,26垫片,27蒸汽汇集箱;
51上翅片,52上均温板,521空腔,522毛细结构,523翅片,53冷水入口,54冷水出口,55板式冷凝部件,551隔离横板,552扰流板,56下均温板,57下翅片;
61下接水盘,611孔部,62上接水盘,621孔,622竖直部,623水平部,624倾斜部
81进口管,82进口集管,83进口换热管,84板组,85出口换热管,86出口集管,87出口管,88 淡水收集管道,89淡水收集桶,90,部分海水入口,91离心泵,92循环喷淋管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本文中,如果没有特殊说明,涉及公式的,“/”表示除法,“×”、“*”表示乘法。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示的一种海水淡化系统,所述海水淡化系统包括蒸发系统、冷凝系统和淡水收集系统,海水在蒸发系统进行蒸发产生蒸汽,然后蒸汽在冷凝系统进行冷凝变成淡水,然后淡水通过淡水收集系统进行收集。
所述蒸发系统包括太阳能集热器1和环路热管2,所述环路热管2蒸发端吸收太阳能,然后在冷凝端8与海水进行换热,使海水蒸发;
所述冷凝系统包括冷凝器5,所述冷凝器5冷凝海水蒸发产生的水蒸气;
所述淡水收集系统包括接水盘,所述接水盘位于冷凝器5的下部,用于收集冷凝器冷凝产生的冷凝水;
冷凝器5、接水盘和环路热管的冷凝端从上到下依次布置。
作为优选,所述冷凝系统包括冷凝器5,所述冷凝器5包括冷水入口53、冷水出口54、均温板52,56、板式冷凝部件55,所述板式冷凝部件55包括多个平行的隔离横板551,相邻的隔离横板551之间形成冷水流道,所述冷水流道内设置扰流板552,所述扰流板552是弯曲板,优选呈V字形弯曲结构。所述扰流板552设置在冷水流道中且距离隔离横板一定距离,所述扰流板552延伸方向与隔离横板平行;所述均温板包括上均温板52和下均温板56,所述上均温板52的一端设置在板式冷凝部件55的上部,下均温板56的一端设置在板式冷凝部件的下部,所述均温板的远离板式冷凝部件的另一端设置翅片523;均温板内部设置封闭空腔521,空腔521内侧设置毛细结构552;所述毛细结构552环绕空腔521的内壁设置;冷水入口53、冷水出口54分别设置在板式冷凝部件相对的侧部;
VC板即均温板52,56,工作示意如图3,腔体内侧附有烧结网状结构,上下优选各5-9层,进一步优选7层,层间距优选180-220微米,进一步优选200微米,有助于流体吸附,实现均温板内的相变换热。工作时,真空腔底部的液体介质在吸收VC板底部来自水蒸气传给翅片的热量后,蒸发扩散至真空腔内,将热量传导至冷凝管道中,随后冷凝的液体通过附着在VC板内壁的具有毛细力的烧结网回流。从原理上来讲,VC板类似于热管,但在传导方式上有所区别,热管为一维线性热传导,而VC板中的热量则是在一个二维的面上传导,因此效率更高,也更节能。均温板相当于一个二维的热管,它的存在可以帮助热量在平面范围内快速扩散,提高换热效率;翅片结构的设置大幅增加了水蒸气与冷凝器间的换热面积,换热量增加,产水率提高。
作为优选,所述扰流板552设置在冷水流道中间且距离两侧的隔离横板的距离相同。且与两侧板之间有多个焊接点,通过设置多个焊接点,一方面可以增加两侧板之间的固定连接,另一方面可以用于进一步扰流,提高换热效果。
作为优选,所述扰流板552上设置通孔。通过通孔可以进一步降低扰流板552带来的流动阻力,同时还能保证更多的流体流经扰流板552的内部,进一步强化传热。
在数值模拟和试验中发现,扰流板552的V字形夹角不能太小,太小会导致流动阻力增加,同时也不能太大,太大会导致扰流效果不好;隔离横板之间的间距也不能太大或者太小,也会导致流动阻力或者扰流效果不好,而扰流板552与隔离横板之间的间隙也不能太小,太小会导致流动阻力增加,同时也不能太大,太大会导致扰流效果不好。本发明经过大量的数值模拟和实验研究,在满足流动阻力为50KPa情况下,找到最优的换热效果的最佳的结构关系。
扰流板位于两块隔离横板之间的中间位置,扰流板552的V字形夹角为A,扰流板的高度为H,隔离横板之间的间距为S,则满足如下要求:
Sin(A)=a*(S/H)-b*(S/H)2-c;
其中a,b,c为参数,23.62<a<23.63,8.68<b<8.69,15.06<c<15.08;
如果计算的Sin(A)>1,则Sin(A)=1;
30°<a<150°,1.10<S/H<1.61;
进一步优选,60°<a<110°,1.2<S/H<1.4;
进一步优选,a=23.627,b=8.6875,c=15.07;
隔离横板之间的间距为S是以相邻横板的相对的壁面的距离。
扰流板的高度为H为绕流板波峰和波谷之间的距离。
进一步优选,随着S/H的增加,a 逐渐减小,b,c逐渐增加。通过如此设置,能够使得优化的关系式进一步接近实际的数值模拟和实验结果,进一步提高换热效果。
作为优选,S取值范围20<S<100mm,H取值范围18<H<90mm;
作为优选,所述V字形夹角为圆弧过渡结构,如图3所示。从而进一步减轻阻力。
圆弧过渡结构时,V字形夹角为A是以形成夹角的两条直线的延长线之间形成的夹角。
作为优选,冷水入口53和冷水出口54分别是都是两个,从而形成两个并联的冷水流道。水从两个入口分别进入冷凝器中,提高冷凝器内冷水流速,加强换热。
作为优选,两个冷水入口53分别位于板式冷凝部件的两侧的边部位置,两个冷水出口54位于板式冷凝部件中间位置。两个冷水入口53之间的间距大于两个冷水出口54之间的间距,从而使冷水在冷凝器内由外侧向内侧流动,流动区域可覆盖整个冷凝器。
作为优选,所述板式冷凝部件55为圆形结构,采用圆形结构的设计可提高其在圆柱形罐体内的空间利用率,尽可能提高蒸汽与冷凝器的接触面积。冷凝装置自上到下由翅片、均温板、冷水通道、均温板、翅片五层组成,每层在冷凝过程中均发挥之前所述的各自作用,且层状设计方便加工。
作为优选,板式冷凝部件由外壁管路、5个隔离横板以及6个扰流板构成,具体结构如图4所示。5个隔离横板平行均匀分布,6个扰流板穿插在隔离横板之间,以此达到绕流的目的,实现通入扰流管路内部的冷海水与上、下VC板的充分接触,增大换热效率。
作为优选,上均温板52的下壁面和下均温板56的上壁面分别就是板式冷凝部件55的上下端盖。
所述的冷凝器5与水平面倾斜设置,作为优选,倾斜角为14-16度,进一步优选15度。倾角过小时,蒸汽在冷凝器上表面凝结后,易覆盖在其上表面而不随倾角流下,影响水蒸汽与冷凝器接触,降低冷凝效率;倾角过大时,其在竖直方向上占用空间较大,且在水平方向上投影面积较小,水蒸汽上升后不利于与其接触,降低冷凝效率。
翅片结构的设计,许多长度不同的条状板垂直连接与圆形底平板上,条状板的侧面极大增加了冷凝器与水蒸气的接触面积,提高换热速度,冷凝液化后的水蒸气附着在翅片表面,后在重力作用下滴落。
作为优选,翅片523就是翅片51和57。
作为优选,所述扰流板552上设置通孔。通过设置通孔,可以进一步缓解流动阻力,而且保证流体在扰流板之间互通,避免扰流板局部短路。
所述淡水收集系统包括上(外)接水盘62和下(内)接水盘61,所述上接水盘62位于冷凝器5下部,位于下接水盘62上部,上接水盘62中间开孔621,下接水盘61位于孔621下部,通过中间开孔能够保证冷凝器冷凝的淡水通过孔进入下接水盘61。上接水盘62最外端的端部设置向上的竖直部622,与竖直部622相连的是向内延伸的水平部623,以及沿着水平部623向内部延伸的向上的倾斜部624;所述水平部623设置通道625,以供淡水流入到下接水盘或者直接连接管道将淡水输送到淡水收集箱13;
所述下接水盘61位于上接水盘开孔621的下部,所述下接水盘61包括位于所述下接水盘61包括最外端的端部设置向上的竖直部612,与竖直部622相连的是向内延伸的向下倾斜的倾斜部613,以及位于中心位置的通道611,所述通道611连接淡水收集箱。
本发明通过设置新式的淡水收集系统,通过设置内外接水盘,外盘高度略高于内盘,可使淡水收集覆盖面积达到整个真空罐界面,同时内盘与外盘间空隙可起到引流的作用。通过上述结构,可以全面的实现淡水收集,进一步提高了海水淡水的能力和效果。
淡水收集系统由内外环接水盘、淡水收集桶和淡水管路构成,淡水产出后在重力作用下流入淡水收集桶。罐体内部与淡水收集桶通过淡水管路相连,保证二者内部压强一致,使装置工作更加稳定。如图11,工作时,雾状喷淋的海水遇到散热片式扰流蒸发器吸热汽化,蒸汽上升,与不间断通冷海水的一体化均温板翅片冷凝器接触,蒸汽遇冷液化,凝结成液滴,在重力的作用下滴落至内外环接水盘,经由淡水管路流至淡水收集桶,实现淡水的收集。
作为优选,所述海水淡化系统还包括真空系统,所述真空系统包括真空罐12,所述冷凝器5、上接水盘62、下接水盘61和环路热管2的冷凝端8设置在真空系统中。
需要说明的是,淡水收集系统图17的标注尺寸仅仅是最优的尺寸。
作为优选,真空系统包括真空维持装置,装置采用密封结构,以维持装置内部压力,利用文丘里原理抽真空,使装置内部压力降低从而降低海水蒸发时的沸点。文丘里管放置在海水出口处,海水消耗量较大,一部分经过处理后进入罐体内用于淡化,占多数的另一部分直接排出,在排出的过程中通过文丘里管,利用冷水流动时,横截面突然缩小导致流速增大而产生的压差带走罐内的空气,维持罐体内低压状态,如图9所示。A口是液体进口,C口是液体出口,B处截面积缩小,会使B处流速增加,D口与B处连通,D口压力减小,从而将空气从D口排走。利用从排出的海水接A口,D口与罐体相连,C口排水,以达到把真空罐抽真空的目的。A口与冷凝端废水出口相连,D口与淡水收集罐相连,通过文丘里管后的废弃海水由C口连接的废水管道直接排出。D与淡水收集罐相连,而淡水收集罐与真空罐12整体气体相通,将装置内空气带出,维持真空环境。
作为优选,真空罐12内海水淡化后的废水也经过A口排出。从而进一步形成真空。
作为优选,为利用未蒸发海水中所吸收的蒸发器热量,设计出循环喷淋系统,多次循环喷淋未蒸发海水以充分利用热量。如图10所示,所述海水淡化系统还包括海水循环喷淋系统,所述海水循环喷淋系统设置在真空系统中,所述海水循环喷淋系统包括循环喷淋泵、喷淋头7以及循环管路,喷淋头7设置在冷凝端8的上部;循环喷淋泵将真空系统中的海水泵入到喷淋头7,然后在喷淋到冷凝端。
作为优选,所述喷淋头7连接回水管。工作时,首先由海水进出口的阀门控制进行罐12内喷淋补水,当罐12内的海水高度达到一定时,开启循环喷淋泵进行循环喷淋,当蒸发后的废盐水达到一定浓度时,循环喷淋泵停止工作,罐体下部的废水出口打开,浓盐水经由废水出口排出,待废弃浓盐水排尽后,废水出口处阀门关闭,再次进行补水和循环喷淋。
通过设置喷淋结构,能够利用未蒸发海水中所吸收的蒸发器热量,实现海水最大程度上转化为淡水,实现最大的利用效果。
所述喷淋头7是雾化喷头。
作为优选,罐体内设置海水浓度检测装置,用于检测海水的浓度,控制器根据检测的海水浓度自动控制排海水。如果测量的海水浓度超过一定数值,则控制器控制循环喷淋泵停止工作,罐体下部的废水出口打开,浓盐水经由废水出口排出。
作为优选,罐体内设置水位检测装置,用于检测真空罐内的水位高度。当水位低于一定数据时,则控制器控制循环喷淋泵停止工作,补水管阀门打开,进行补水。当水位达到一定高度时,则补水管阀门关闭,循环喷淋泵开始工作。
作为优选,当水位高度超过一定数据时,例如水位高度过高,例如接近喷淋头高度,则循环喷淋泵停止工作,罐体下部的废水出口打开,海水经由废水出口排出。当水位达到一定高度时,则废水出口处阀门关闭,再次循环喷淋。
作为优选,喷淋头7是环形的圆管结构,圆管上分布多个喷头。
通过上述喷淋结构及其设置,能够实现智能化操作,同时提高了海水淡化的效率。
作为优选,如图6所示,所述环路热管是板式CPL毛细泵,优选选择用于蒸发海水的横管降膜蒸发器(图8-1,8-2结构)在板式CPL毛细泵中充当冷凝器,太阳能集热板在板式CPL毛细泵中充当蒸发器,由毛细芯管路将二者相连接,液体工质在板式CPL集热蒸发器里吸收热量蒸发,利用毛细力驱动液体工质流动,不需要外界对其提供额外驱动力;液体工质流入、吸热、蒸发成蒸汽、蒸汽再排出,如此往复完成循环。
作为优选,如图7-1,7-2所示,所述蒸发端是板式结构,由带蒸汽槽道的上盖板、液体回流腔底座、毛细芯层以及液体联箱和蒸汽联箱等组成。上盖板由金属外壁211和蒸汽槽道212组成,液体回流腔底座由底座外壁215和液体槽道214组成,毛细芯层213位于上盖板和液体回流腔底座之间。毛细芯层置于液体回流腔底座上部,并由上盖板将其压紧,从而将液体回流槽道和蒸汽槽道分离开;带蒸汽槽道的上盖板和液体回流腔之间利用四氟垫片216和D05密封胶进行密封,并用螺栓进行连接,从而使平板集热蒸发器可拆卸。
液体槽道内的至少一部分液体通过毛细芯进入蒸汽槽道。工作时蒸发器吸收热量,蒸汽槽道内的液体蒸发,液体槽道214内部的液体介质也蒸发,蒸发后的气体通过毛细芯213上的细小孔扩散至蒸汽槽道212,汇聚在蒸汽汇集箱217内,通过蒸发回路来到冷凝端,蒸汽在冷凝端散热液化,液化后的介质通过毛细芯的毛细力回流到液体槽道214内部,完成一个循环,实现热量的传递。与传统单相换热相比,双相换热可以提高传热效率,减少换热过程中的热量损耗。
所述太阳能集热器包括太阳能集热板,所述蒸发端的上表面贴在在太阳能集热板1的下表面。
作为优选,所述蒸发端的上表面就是太阳能集热板1。
作为优选,蒸发系统由板式CPL毛细泵、太阳能集热板、电热板以及散热片式扰流蒸发器构成,具体结构如图5-1,5-2所示。
作为优选,太阳能集热板与电热板构成集热系统,太阳能集热板与电热板分布在板式CPL毛细泵的两侧,其中电热板设置在背光侧,热量来源以太阳能集热为主,必要时电热板提供电辅助加热,CPL毛细泵内导热介质相变换热至散热片式扰流蒸发器放置在罐体内部以蒸发海水。
作为优选,可以只利用太阳能集热板或者只利用电热板。仅仅利用电热板时,电热板设置在环路热管的蒸发端的上部和/或下部。
作为优选,如图8-1,8-2所示,所述冷凝端8(即海水蒸发器)是管板式换热结构,包括进口集管82、出口集管86、进口换热管83、出口换热管85和板组84,所述进口集管82连接进口换热管83,所述进口换热管83连接对应的板组84,所述板组84是由两块板组合在一起形成的换热通道,所述板组84连接出口换热管85,出口换热管85连接出口集管86,来自蒸发端的蒸汽通过进口集管82进入进口换热管83,然后通过进口换热管83进入板组84,然后通过板组84进行换热后再进入出口换热管85,然后通过出口集管86排出。所述进口换热管83、出口换热管85和板组84是换热的主要部件,作为优选,所述进口集管82和出口集管86也参与换热。所述冷凝端8浸泡在海水中或者通过喷淋装置将海水喷淋到冷凝端进行换热。
本发明提供了一种新的管板式换热结构,通过管板式结合,能够进一步减少阻力,扩大散热面积,提高散热效率。尤其是作为海水淡化喷淋作用的换热器,能够提高海水淡化效果。
作为优选,所述进口换热管83为多根,每根进口换热83管对应一个板组84。所述多个板组是平行的间隔开的结构。作为优选,所述出口换热管85为多根,每根出口换热管85对应一个板组84。
作为优选,板组是竖向分布。这样使得喷淋水能够与板组尽心充分换热。
作为优选,进口集管82和出口集管86位于板组的同一侧。
所述进口换热管、出口换热管和板组是换热的主要部件,作为优选,所述进口集管和出口集管也参与换热。所述冷凝端浸泡在海水中或者通过喷淋装置将海水喷淋到冷凝端进行换热。
在数值模拟和试验中发现,板组之间的间距不能太小,太小会导致喷淋水流动阻力增加,而且会导致无法进行很好的分布到整个换热板上,换热效果不好,同时也不能太大,太大会导致喷淋水没有进行换热就流下,造成换热短路,造成换热效果不好,同理,换热板组的流通通道面积不能过大,也不能过小,过小导致换热量不足,多大导致换热量过多;换热板组的高度也不能够过大或者过小,过大或者过小都会导致换热效果不好。进口换热管和出口换热管的流通面积也与换热板组的内部流通面积相对应,不能过大或者过小,过大或者过小都会导致换热效果的恶劣。本发明经过大量的数值模拟和实验研究,找到最优的换热效果的最佳的结构关系,保证热量的充分利用。
相邻板组之间的间距为S1,板组的长度为H1,板组的流通面积为V1,进口换热管和出口换热管的流通面积相同,进口换热管的流通面积为V2,则满足如下要求:
(S1/H1)*10=a+b*LN(V2/V1*10);LN是对数函数,
其中a,b为参数,2.67<a<2.68;1.99<b<2;
进一步优选,a=2.674,b=1.996;
其中0.099<V2/V1<0.13;0.04<S1/H1<0.05;
相邻板组之间的间距为S1是相邻板组相对的壁面之间的距离。
板组的长度为H1是平行于板组内流体流动方向的长度,参见图8-1,8-2。
进一步优选,随着V2/V1的增加,a 逐渐增加,b逐渐增加。通过如此设置,能够使得优化的关系式进一步接近实际的数值模拟和实验结果,进一步提高换热效果。
作为优选,蒸发系统中(即热管冷凝端),蒸发器8采用15片单片散热片等间距平行放置,由集管并联在一起,最后由散热片架固定成组,结构如图8-1,8-2所示。
作为优选,热管冷凝端到热管蒸发端(太阳能集热器)的管路上设置动力装置,用于驱动冷凝端的换热后的流体传输到蒸发端进行吸热。
进一步优选,所述动力装置是驱动泵。
蒸发器8由激光焊接和胀形技术加工而成,蒸发器中流体流动路径呈U型结构,U型路径上分布有小质点,以达到扰流的目的,使蒸发器内壁与流体导热介质充分接触,提高传热效率。
进口集管82和出口集管86分别连接蒸汽入口管81和冷凝水出口管87。作为优选,进口集管的蒸汽(流体)入口管81内设置稳流装置,所述稳流装置14的结构如图12、13所示。所述稳流装置14是片状结构,所述片状结构在蒸汽入口管81的横截面上设置;所述稳流装置14为正方形和正八边形结构组成,从而形成正方形通孔141和正八边形通孔142。如图1所述正方形通孔141的边长等于正八边形通孔142的边长,所述正方形通孔的四个边143分别是四个不同的正八边形通孔的边143,正八变形通孔的四个互相间隔的边143分别是四个不同的正方形通孔的边143。
两相流动及不稳定现象广泛地存在于换热装置中,例如环路热管中,因为存在汽相同时带动液相进行流动。而两相流体进入换热设备会产生空间扩大导致的水锤现象,同是因为大量的产生,还会恶化换热。当两相工质的汽液相没有均匀混合且不连续流动时,大尺寸的液团会高速地占据汽团空间,导致两相流动不稳定,从而剧烈地冲击设备与管道,产生强烈震动和噪声,严重地威胁热管设备运行安全。
本发明采用新式结构的稳流装置,就是将环路热管中的稳流装置进行了领域转移,将其应用于环路热管蒸发端的入口管。因为蒸汽入口管81连接进口集管82,因此使得汽水混合物进入进口集管82的时候会产生空间扩大导致的水锤现象。本发明采用新式结构稳流装置,具有如下优点:
1)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的稳流装置,通过正方形和正八边形,使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度,从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置,避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳流装置将两相流体分离成液相和气相,将液相分割成小液团,将气相分割成小气泡,抑制液相的回流,促使气相顺畅流动,起到稳定流量的作用,具有减振降噪的效果。相对于现有技术中的稳流装置,进一步提高稳流效果,而且制造简单。
2)本发明通过合理的布局,使得正方形和正八边形通孔分布均匀,从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀,避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。
3)本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布,从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀,而且通过相邻的稳流装置的大孔和小孔的位置变化,使得分隔效果更好。
4)本发明通过设置稳流装置为片状结构,使得稳流装置结构简单,成本降低。
本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割,从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动,大大的降低了噪音和震动,还能够使进入进口集管82的流体与海水进行充分换热,强化了传热。
作为优选,所述稳流装置包括两种类型,如图12,13所示,第一种类型是正方形中心稳流装置,正方形位于蒸汽入口管或者冷凝管的中心,如图13所示。第二种是正八边形中心稳流装置,正八边形位于蒸汽入口管或者冷凝管的中心,如图12所示。作为一个优选,上述两种类型的稳流装置相邻设置,即相邻设置的稳流装置类型不同。即与正方形中心稳流装置相邻的是正八边形中心稳流装置,与正八边形中心稳流装置相邻的是正方形中心稳流装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布,从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀,而且通过相邻的稳流装置的大孔和小孔的位置变化,使得通过大孔的流体接下来通过小孔,通过小孔的流体接下来通过大孔,进一步进行分隔,促进汽液的混合,使得分隔减震降噪效果更好。
作为优选,所述蒸汽入口管81的横截面是正方形。
作为优选,沿着流体流动的方向,蒸汽入口管81的管径不断的增加。主要原因如下:1)通过增加蒸汽入口管的管径,可以减少流动的阻力,使得蒸汽入口管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动,从而进一步促进环路热管的循环流动。2)通过蒸汽入口管的管径的增加,可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。
作为优选,沿着流体流动的方向,蒸汽入口管81的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果,通过上述的设置,能够进一步的促进环路热管的循环流动,达到压力整体均匀,减少冲击现象。
作为优选,蒸汽入口管81内设置多个稳流装置,距离进口集管82越近,稳流装置之间的间距越小。设距离进口集管82的距离为H,相邻稳流装置之间的间距为S,S=F1(H),即S是以高度H为变量的函数,S’是S的一次导数,满足如下要求:
S’>0;
主要原因是因为越靠近进口集管82,震动及其噪音也会不断的增加,也越来越需要进一步缓解振动和噪音。因此需要设置的相邻稳流装置之间的距离越来越短。
从蒸汽入口管出口到进口集管这一段,因为这一段的空间突然变大,空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集,因此空间变化会导致聚集的汽相(汽团)从蒸汽入口管位置进入冷凝集管,由于气(汽)液密度差,气团离开接管位置将迅速向上运动,而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面,形成撞击现象。气(汽)液相越不连续,气团聚集越大,水锤能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击,对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生,此时设置的相邻稳流装置之间的距离越来越短,从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相,从而最大程度上减少震动和噪音。
通过实验发现,通过上述的设置,既可以最大程度上减少震动和噪音,同时可以提高换热效果。
进一步优选,距离进口集管82越近,相邻稳流装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数,满足如下要求:
S”<0;
通过实验发现,通过如此设置,能够进一步降低7%左右的震动和噪音。
作为优选,蒸汽入口管内设置多个稳流装置,距离进口集管82越近,正方形的边长越来越小。距离进口集管82距离为H,正方形的边长为C,C=F2(H),C’是C的一次导数,满足如下要求:
C’>0;
进一步优选, 距离进口集管82越近,正方形的边长越来越小的幅度不断的增加。C”是C的二次导数,满足如下要求:
C”<0。
具体理由参见前面稳流装置间距变化。
作为优选,相邻稳流装置之间的距离保持不变。
作为优选,所述蒸汽入口管内壁设置缝隙,所述稳流装置的外端设置在缝隙内。
作为优选,蒸汽入口管为多段结构焊接而成,多段结构的连接处设置稳流装置。
通过分析以及实验得知,稳流装置之间的间距不能过大,过大的话导致减震降噪的效果不好,同时也不能过小,过小的话导致阻力过大,同理,正方形的边长也不能过大或者过小,也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大,因此本发明通过大量的实验,在优先满足正常的流动阻力(总承压为2.5Mpa以下,或者单根蒸汽入口管的沿程阻力小于等于5Pa/M)的情况下,使得减震降噪达到最优化,整理了各个参数最佳的关系。
作为优选,相邻稳流装置之间的距离为S1,正方形通孔的边长为L1,蒸汽入口管为正方形截面,蒸汽入口管正方形截面的边长为L2,满足如下要求:
S1/L2=a*(L1/L2)2+b*( L1/L2)-c
其中a,b,c是参数,其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21,0.43<c<0.44;
9<L2<58mm;
1.9<L1<3.4mm;
15<S1<31mm。
进一步优选,a=39.87,b=9.20.c=0.432
进一步优选,随着L1/L2的增加,a,b越来越大,c越来越小。
作为优选,正方形通孔的边长L1是正方形通孔内边长和外边长的平均值,蒸汽入口管正方形截面的边长L2是蒸汽入口管内边长和外边长的平均值。
作为优选,正方形通孔的外边长等于蒸汽入口管正方形截面的内边长。
作为优选,随着L2的增加,L1也不断增加。但是随着L2的增加,L1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的,通过上述规律的变化,能够进一步提高换热效果,降低噪音。
作为优选,随着L2的增加,S1不断减小。但是随着L2的增加,S1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的,通过上述规律的变化,能够进一步提高换热效果,降低噪音。
对于其他的参数,例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。
作为优选,热管内流体是水。
作为优选,所述蒸汽入口管的管径大于回流管的管径。主要是增加回流管的阻力,降低蒸汽入口管的阻力,使得蒸汽从蒸发部流动更容易,环路热管更好的形成循环。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种集热系统,包括太阳能集热板与电热板,太阳能集热板与电热板分布在板式CPL毛细泵的两侧,其中电热板设置在背光侧,热量来源以太阳能集热为主,必要时电热板提供电辅助加热,CPL毛细泵内导热介质相变换热至散热片式扰流蒸发器,扰流蒸发器放置在罐体内部以蒸发海水;所述扰流蒸发器包括进口集管、出口集管、进口换热管、出口换热管和板组,所述进口集管连接进口换热管,所述进口换热管连接对应的板组,所述板组是由两块板组合在一起形成的换热通道,所述板组连接出口换热管,出口换热管连接出口集箱,来自蒸发端的流体通过进口集管进入进口换热管,然后通过进口换热管进入板组,然后通过板组再进入出口换热管,然后通过出口集管排出;所述蒸发端是板式结构,所述蒸发端的上表面就是太阳能集热板;所述出口换热管为多根,每根出口换热管对应一个板组;进口换热管为多根,每根进口换热管对应一个板组;相邻板组之间的间距为S1,板组的长度为H1,板组的流通面积为V1,进口换热管和出口换热管的流通面积相同,进口换热管的流通面积为V2,则满足如下要求:
(S1/H1)*10=a+b*LN(V2/V1*10);LN是对数函数,
其中a,b为参数,2.67<a<2.68;1.99<b<2;
其中0.099<V2/V1<0.13;0.04<S1/H1<0.05;
相邻板组之间的间距为S1是相邻板组相对的壁面之间的距离;
板组的长度为H1是平行于板组内流体流动方向的板组的长度。
2.一种海水淡化系统,所述系统包括蒸发系统、冷凝系统和淡水收集系统,海水在蒸发系统进行蒸发产生蒸汽,然后蒸汽在冷凝系统进行冷凝变成淡水,然后淡水通过淡水收集系统进行收集, 所述蒸发系统包括权利要求1所述的集热系统。
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