CN111439803A - 一种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，包括水源、隔热材料、毛细纤维网络、光热转化材料和光源；隔热材料固定或漂浮于水源上方，毛细纤维穿过隔热材料编织形成毛细纤维网络，毛细纤维网络下端接触水源，毛细纤维网络上端与光热转化材料接触，光热转化材料上方为光源；水源中的液体通过毛细纤维网络进入光热转化材料的蒸发界面，在光源照射下蒸发。本发明的有益效果是：本发明将毛细纤维通过编织的方式，嵌入隔热材料中，在隔热材料上下形成三维毛细导水网络，为光热转化材料供水，同时实现良好的汲水和隔热效果，实现高效的光‑热界面蒸发，获得更高的太阳能利用效率。

Description

一种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构和方法
技术领域
本发明涉及海水淡化、光热蒸发领域，尤其涉及一种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构和方法。
背景技术
太阳能海水淡化热法技术主要利用太阳能的光热资源，加热海水发生相变蒸发后，通过冷凝收集得到淡水。光-热太阳能海水淡化技术具有效率高、成本低廉且维护简单等优势，是目前主流的太阳能海水淡化技术。传统多级蒸发等热法海水淡化或是太阳能蒸馏器，吸热介质包括海水和基底，不仅对蒸发部分的水进行加热，还加热了最后排出的浓水。尽管在大型海水淡化设施里，被加热的浓水可以通过换热器进行热量回收，或是利用冷凝潜热对水体进行预热，但是不可避免会存在浓水热量损失的问题；在小型的海水淡化设备中，这部分直接排放浓水带去的热量损失比例几乎与浓水-蒸发流量比例相当。而界面蒸发方法则是在海水和空气界面处布置吸光材料，加热界面处的薄液层使其蒸发，利用吸水芯或是漂浮吸水材料将海水不断地汲取至加热界面，使光热蒸发过程不断进行下去。这种加热方式将太阳光转化的热能有效地应用在界面处的薄液层，可以大幅减少蒸发过程的热量损失，从而提高蒸发温度和效率。相关文献有：张学镭,卜跃刚,刘强等在电力科学与工程,2017,33(12):1-8.上刊载的《太阳能海水淡化的新技术发展现状[J]》；Tao,P.,Ni,G.,Song,C.等在Nat Energy3,1031–1041(2018).上刊载的《Solar-driven interfacialevaporation》。
光-热界面蒸发技术主要特点和优势在于减少了蒸发加热过程中的热损失，特别是减少向海水的漏热损失。因此该技术需要将光-热材料与海水通过隔热材料分隔开，利用尽量小面积的导水通道，将水从海水中汲取至加热界面。但是，该技术也需要综合平衡供水-热损失的关系：若导水通道面积过小，或是导水效率不高，虽然可以减少光热材料的漏热损失，但这样不仅会使得蒸发界面供水不足，降低光-热蒸发效率，还会导致严重的“积盐”现象，减少受光面积，从而进一步降低了光-热蒸发效率。现有的技术均采用棉布、纱布等纤维布作为吸水单元，存在着汲水效率低、热损失率高、吸水通道面积调节不可控等缺点。相关文献有：Ni,G.,Zandavi,SH.,等在Energy Environ.Sci.,2018,11,1510-1519.上刊载的《A salt-rejecting floating solar still for low-cost desalination》。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构和方法，将毛细纤维通过编织的方式，嵌入隔热材料中，在隔热材料上下形成三维毛细导水网络，为光热转化材料供水，实现太阳能光热界面蒸发。
这种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，包括水源、隔热材料、毛细纤维网络、光热转化材料和光源；隔热材料固定或漂浮于水源上方，毛细纤维穿过隔热材料编织形成毛细纤维网络(即三维导水网络)，毛细纤维网络下端接触水源，毛细纤维网络上端与光热转化材料接触，光热转化材料上方为光源；水源中的液体通过毛细纤维网络进入光热转化材料的蒸发界面，在光源照射下蒸发。
作为优选：水源包括无悬浮颗粒物的海水、淡水、非腐蚀性的工业废水或非腐蚀性的有机试剂。
作为优选：隔热材料包括热导系数≤0.1W/(m·K)的聚苯乙烯、聚氨酯疏水白色泡沫或气溶胶；隔热材料厚度为1-6cm。
作为优选：毛细纤维包括具有润湿毛细性能的棉、麻、毛、丝等天然纤维束，尼龙，玻璃纤维等化学纤维或混纺纤维；毛细纤维穿过隔热材料上下编织形成竖直和水平三维网络。
作为优选：光热转化材料包括吸光率≥80％的单层或多层黑色染色纤维布，活性炭、石墨烯、碳纳米管等碳基材料沉积布，纳米金、银等等离子体沉积布，碳基材料掺混凝胶。
作为优选：光源包括模拟太阳光、自然条件下的太阳光或通过聚光设备得到的聚光太阳光，其光照面积范围大于光热界面蒸发区域。
这种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构的毛细纤维网络构型设计及编织方法，包括以下步骤：
步骤1)、进行毛细纤维网络构型设计：毛细纤维竖直穿过隔热材料，其上表面与光热转化材料贴合，下表面接触水源，毛细纤维连续地在隔热材料上下表面分别形成水平网络结构，使得总体形成三维供水网络；水平网络结构根据光热界面蒸发平面形状，排布为相应的极坐标等距发散圆形或直角坐标等距矩形等形式；毛细纤维网络中毛细纤维数量与间距大小根据光热蒸发供水-热损失平衡进行设计：供水需求高则增加毛细纤维数量，减少间距；热损失过高则减少毛细纤维数量，增加间距；
步骤2)、进行毛细纤维编织：将毛细纤维竖直穿过隔热材料，在其上下形成毛细纤维网络，毛细纤维编织方法分为手动编织和自动编织；手动编织方法包括按照毛细纤维网络构型设计，采用单线或双线进行编织，针法根据导水网络间距需要采用平针、倒针等，以及边缘采用锁边针等方法；自动编织方法包括按照毛细纤维网络构型设计，采用缝纫机进行线圈链式编织，在隔热材料上下分别使用两条纤维线，通过针刺穿隔热材料使上线与下方线圈相扣，并沿着网络结构步进编织。
这种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构的蒸发方法，水源中的液体通过毛细纤维编织的导水网络汲取至光热转化材料中，在光源照射下发生光热界面蒸发。
本发明的有益效果是：本发明将毛细纤维通过编织的方式，嵌入隔热材料中，在隔热材料上下形成三维毛细导水网络，为光热转化材料供水，同时实现良好的汲水和隔热效果，实现高效的光-热界面蒸发，获得更高的太阳能利用效率。
附图说明
图1为基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构示意图；
图2为毛细纤维编织结构示意图；
图3为基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发流程示意图。
附图标记说明：水源1、隔热材料2、毛细纤维网络3、光热转化材料4、光源5。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明使用毛细纤维嵌入隔热材料中作为导水通道，并且利用编织方法将竖直导水纤维和水平导水纤维编织成三维的导水结构，可以利用“毛细现象”实现良好的汲水效果，实现高效的三维网络供水，在单位面积上具有较高的导水效率和相对较低的热损失率，具有更精确简单的供水-热损失平衡的调节性能，有望应用于光-热界面蒸发技术中，获得更高的太阳能利用效率。
如图1所示，所述基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，包括漂浮于海水上方的具有低热导率的隔热泡沫，毛细纤维网络3嵌入隔热泡沫中，毛细纤维网络3下端接触海水，毛细纤维网络3上端与光热转化材料4接触，海水通过毛细纤维网络竖直通道穿过隔热泡沫，在毛细纤维网络水平通道扩散并进入光热转化材料蒸发界面，在太阳光照射下蒸发。
隔热泡沫为：挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)，密度为30kg/m3，导热系数为0.03W/m·K，其厚度为1至2cm。
毛细纤维网络为：如图2所示，毛细纤维网络3包括具有亲水润湿毛细性能的棉线，间隔0.2cm穿过隔热材料2上下编织形成竖直和水平三维网络。
光热转化材料为：直径为4.6cm圆形的活性炭沉积纤维棉布，太阳光谱范围的吸光率为93％。
毛细纤维编织方式为：如图2所示，按照十字交叉间隔0.2cm的水平毛细纤维网络构型设计，采用单线平针方法进行往复编织，黑色0.5mm棉线竖直穿过隔热泡沫，在隔热泡沫上下组成三维纤维网络结构。
基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发的流程为：如图3所示，海水浸润毛细纤维网络3底部，被竖直汲取至毛细纤维网络3的上部，通过毛细纤维水平网络中的毛细通道扩散至整个蒸发界面；蒸发界面中的光热转化材料4将吸收的太阳光转化为热，加热材料中吸附的海水，使其升温并蒸发。
基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发实例如下：使用模具切出直径为4.6cm，厚度为2cm的圆形挤塑聚苯乙烯泡沫板隔热材料，采用手工单线平针方法，按图2所示的十字交叉图案间隔0.2cm在泡沫中间往复编织黑色棉线三维供水网络；棉线三维供水网络下部与含盐量3.5％的海水接触，将水运输至直径为4.6cm圆形的活性炭沉积纤维棉布，在其表面吸收太阳光加热水实现界面蒸发；实验结果表明在1kW/m2的标准太阳光照射条件下，活性炭沉积纤维棉布材料的蒸发速率为1.3kg/m2*h。

Claims (8)

1.一种基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：包括水源(1)、隔热材料(2)、毛细纤维网络(3)、光热转化材料(4)和光源(5)；隔热材料(2)固定或漂浮于水源(1)上方，毛细纤维穿过隔热材料(2)编织形成毛细纤维网络(3)，毛细纤维网络(3)下端接触水源(1)，毛细纤维网络(3)上端与光热转化材料(4)接触，光热转化材料(4)上方为光源(5)。
2.根据权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：水源(1)包括无悬浮颗粒物的海水、淡水、非腐蚀性的工业废水或非腐蚀性的有机试剂。
3.根据权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：隔热材料(2)包括聚苯乙烯、聚氨酯疏水白色泡沫或气溶胶；隔热材料(2)厚度为1-6cm。
4.根据权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：毛细纤维包括具有润湿毛细性能的天然纤维束、尼龙、化学纤维或混纺纤维；毛细纤维穿过隔热材料(2)上下编织形成竖直和水平三维网络。
5.根据权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：光热转化材料(4)包括吸光率≥80％的单层或多层黑色染色纤维布、碳基材料沉积布、等离子体沉积布或碳基材料掺混凝胶。
6.根据权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构，其特征在于：光源(5)包括模拟太阳光、自然条件下的太阳光或通过聚光设备得到的聚光太阳光，其光照面积范围大于光热界面蒸发区域。
7.一种如权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构的毛细纤维网络编织方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、进行毛细纤维网络构型设计：毛细纤维竖直穿过隔热材料(2)，其上表面与光热转化材料(4)贴合，下表面接触水源(1)，毛细纤维连续地在隔热材料(2)上下表面分别形成水平网络结构，使得总体形成三维供水网络；水平网络结构根据光热界面蒸发平面形状，排布为相应的极坐标等距发散圆形或直角坐标等距矩形；毛细纤维网络(3)中毛细纤维数量与间距大小根据光热蒸发供水-热损失平衡进行设计：供水需求高则增加毛细纤维数量，减少间距；热损失过高则减少毛细纤维数量，增加间距；
步骤2)、进行毛细纤维编织：将毛细纤维竖直穿过隔热材料(2)，在其上下形成毛细纤维网络(3)，毛细纤维编织方法分为手动编织和自动编织；手动编织方法包括按照毛细纤维网络构型设计，采用单线或双线进行编织，针法根据导水网络间距需要采用平针或倒针，以及边缘采用锁边针；自动编织方法包括按照毛细纤维网络构型设计，采用缝纫机进行线圈链式编织，在隔热材料(2)上下分别使用两条纤维线，通过针刺穿隔热材料(2)使上线与下方线圈相扣，并沿着网络结构步进编织。
8.一种如权利要求1所述的基于毛细纤维编织供水的光热界面蒸发结构的蒸发方法，其特征在于：水源(1)中的液体通过毛细纤维编织的导水网络汲取至光热转化材料(4)中，在光源(5)照射下发生光热界面蒸发。
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