CN111453802A - 一种高效热蒸发海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能应用领域，具体涉及一种高效热蒸发海水淡化装置。包括同心双层容器和锥形顶盖；同心双层容器包括外层蒸发腔和内层淡水腔；外层蒸发腔内设有光热转化膜；海水淡化装置闭合时，顶盖的锥状一端对准淡水腔。本发明通过对自驱动类热蒸发海水淡化装置整体结构和分布的重新设计，大大优化了水蒸汽和水的移动路径，改善装置内部热交换和利用，提高淡水收集效率；具有清洁能源利用，可持续淡水资源生成，效率高、成本低的优点。

Description

一种高效热蒸发海水淡化装置
技术领域
本发明属于太阳能应用领域，具体一种高效热蒸发海水淡化装置。
背景技术
部分沿海地区及海岛由于地理环境及气候等原因，淡水资源匮乏，难以适于人类长期生存居住。此外，沿海和海岛分散式的用水需求难以通过建设大规模海水淡化厂或铺设长距离输水管道实现。
对于低纬度地区，往往拥有稳定的光照时间，太阳能资源丰富。通过太阳光照加热海水，并对产生的水蒸汽收集冷凝能够得到淡水。但自然蒸发效率极低，为解决这个问题，近些年已发展了大量能够将太阳光能捕获并转化成热能的光热转化材料(即光热转化膜)。利用光热转化材料，在蒸发界面进行集中限域加热能够显著提高蒸发界面温度，从而加快水蒸发。
水蒸汽的冷凝收集效率是评价热蒸发海水淡化装置性能的关键。目前自驱动的热蒸发海水淡化装置主要包括两类：一类为锥形顶盖，锥形尖端向上，主体为双层腔体，其中海水位于内腔，冷凝收集得到的淡水位于外腔；另一类为斜面顶盖，主体为沿斜面分为两部分的腔体，其中海水置于斜面顶端对应腔体，冷凝收集得到的淡水位于斜面底端对应腔体。这两类热蒸发海水淡化装置的水蒸汽冷凝收集效率均较低，平均在0.3-0.5kg m-2h-1，主要是原因包括：1.较大的淡水腔造成淡水同时蒸发造成蒸发和收集效率均被降低；2.部分水蒸汽冷凝回流至海水；3.体系缺少热交换造成废热等热能浪费。
因此，基于高性能光热转化材料强化的海水蒸发过程，通过热蒸发海水淡化装置的重新开发设计，提高水蒸汽冷凝收集效率，对于热蒸发海水淡化装置的应用至关重要，适合于沿海及海岛、海上钻井平台等地区，满足日常淡水需求。
发明内容
针对热蒸发海水淡化装置淡水收集效率低，热利用不合理的问题，本发明旨在提供一种高效、自发、可持续的利用太阳光能的热蒸发海水淡化装置。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种热蒸发海水淡化装置，包括同心双层容器和锥形顶盖；所述同心双层容器包括外层蒸发腔和内层淡水腔；所述外层蒸发腔内设有光热转化膜；所述海水淡化装置闭合时，所述顶盖的锥状一端对准淡水腔。
上述技术方案中，进一步地，所述同心双层容器下部设有海水进水管和淡水出水管，上部设有海水出水管；所述海水进水管和海水出水管与所述外层蒸发腔相连通，所述淡水出水管与所述淡水腔相连通；所述淡水腔的腔体高度高于海水出水管。
上述技术方案中，进一步地，所述淡水出水管出口位置装有阀门。
上述技术方案中，进一步地，所述淡水腔容积为1～200升，蒸发腔容积为10-2000升。
上述技术方案中，进一步地，所述淡水腔容积为10～50升，蒸发腔容积为90-500升。
上述技术方案中，进一步地，所述顶盖的锥状部分的表面刻有凹槽，所述凹槽的方向从锥形边缘延伸至尖端；所述凹槽的深度和宽度均为微米级。
上述技术方案中，进一步地，所述顶盖的材质为玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯或聚乙烯材料。
上述技术方案中，进一步地，所述同心双层容器的外壁为玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯材料。
上述技术方案中，进一步地，所述淡水腔的材质为不锈钢。
上述技术方案中，进一步地，所述海水淡化装置单独使用或多个相连使用；当为多个相连时，所述海水进水管彼此相连通并连接同一个进水管，所述淡水出水管彼此相连通并连接同一个出水管。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过对自驱动类热蒸发海水淡化装置整体结构和分布的重新设计，大大优化了水蒸汽和水的移动路径，改善装置内部热交换和利用，提高淡水收集效率。
2.本发明通过将淡水腔置于蒸发腔内部，一方面可以有效减少淡水腔口面积，降低淡水的再蒸发；另一方面促进海水和淡水的有效热交换，实现淡水部分热能的再回收，提高热利用效率。
3.本发明利用尖端向下的锥形作为顶盖，一方面可以诱导水蒸汽向淡水腔部分聚集；另一方面诱导冷凝水滴汇聚于尖端，加速淡水收集。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图，a)为锥形顶盖关闭状态，b)为锥形顶盖打开状态；
图2为本发明的剖面结构视示意图；
图3本发明锥形顶盖结构示意图；
其中：1.顶盖，2.蒸发腔，3.淡水腔，4.海水进水管，5.海水出水管，6.淡水出水管，7.阀门，8.光热转化膜，9.凹槽。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
如图1和图2所示，一种海水淡化装置，可为落地式或台式，包括同心双层容器和锥形顶盖1；同心双层容器包括外层蒸发腔2和内层淡水腔3；外层蒸发腔内设有光热转化膜8，光热转化膜漂浮于海水表面；海水淡化装置闭合时，顶盖1的锥状一端对准淡水腔3。可选地，同心双层容器下部设有海水进水管4和淡水出水管6，上部设有海水出水管5；海水进水管4和海水出水管5与外层蒸发腔2相连通，淡水出水管6与淡水腔3相连通；淡水腔3的腔体高度高于海水出水管5，海水水位通过海水出水管5所在高度控制；蒸发腔与淡水腔上部空间相通。淡水出水管出口位置装有阀门7，用以控制水流。
淡水腔容积为1～200升，蒸发腔容积为10-2000升，优选为淡水腔容积为10～50升，蒸发腔容积为90-500升。在本实施例中淡水腔容积为1.3升，蒸发腔的容积为18升。
顶盖1的锥状部分的表面刻有凹槽，凹槽的方向从锥形边缘延伸至尖端，有利于通过表面张力和毛细作用加快冷凝水滴向尖端汇聚，诱导其流入淡水腔；凹槽深度和宽度均为微米级。顶盖的材质为透明的有机、无机或复合材料，优选为以玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯为材质，材料物理化学性质稳定，透光性高，易于加工，成本低廉。在本实施例中，顶盖使用玻璃材质。
同心双层容器的外壁为耐腐蚀透明材料，优选为玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯材料，有利于额外太阳光通过外壁直接照射海水对海水加热。在本实施例中，同心双层容器的外壁使用玻璃材质。
淡水腔的材质为导热性能良好的耐腐蚀金属材质，优选地，外表面具有高的反光率的不锈钢材质，一方面避免太阳光对淡水腔3的加热造成淡水腔3温度过高影响水蒸汽冷凝，另一方面通过淡水腔3与蒸发腔2的热交换，保证淡水腔3较低温度。在本实施例中，淡水腔使用不锈钢材质。
光热转化膜8能够将光能转化为热能，光热转化膜的材料可为碳材料、无机纳米材料、黑色高分子材料。
进水管4、海水出水管5、淡水出水管6采用塑料或金属材质管材，在本实施例中，优选食品级PVC管。
本发明的工作原理为：
光热转化膜8置于蒸发腔2内，海水经进水管4通入蒸发腔2，光热转化膜漂浮于海水表面。在太阳光照条件下，海水表面经光热转化膜8加热快速产生水蒸汽，水蒸汽上升接触到锥形顶盖1表面，一部分水蒸汽于顶盖1表面冷凝成水滴，水滴在重力作用下沿顶盖1表面向下部尖端汇聚流入淡水腔3；另一部分水蒸汽沿锥形顶盖1表面进入淡水腔3，并在淡水腔3壁冷凝成水滴。当打开淡水腔3底部阀门7，淡水腔3内收集的冷凝淡水经底部淡水出水管6流出。蒸发腔2内通入的过量海水经海水出水管5直接排出。
采用本实施例的装置与现有装置(锥形顶盖)进行测试，蒸发腔和淡水腔的体积以及初始海水的高度均采用与现有装置相同的参数，并且均使用聚吡咯改性无尘纸基光热转化膜；海水放入蒸发腔后，将光热转化膜放置于海水表面。盖上顶盖后置于屋顶阳光照射处。温度28±2℃，光照强度是0.76±0.06kW m-2，将得到的冷凝水倒出称量，通过光热转化膜面积和照射时间计算淡水收集效率。测试结果如下表所示：
表1
Figure BDA0002509299230000041
由测试结果可以看出，本发明的海水淡化装置的淡水收集效率明显提高。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，包括同心双层容器和锥形顶盖(1)；所述同心双层容器包括外层蒸发腔(2)和内层淡水腔(3)；所述外层蒸发腔内设有光热转化膜(8)；
所述海水淡化装置闭合时，所述顶盖(1)的锥状一端对准淡水腔(3)。
2.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述同心双层容器下部设有海水进水管(4)和淡水出水管(6)，上部设有海水出水管(5)；所述海水进水管(4)和海水出水管(5)与所述外层蒸发腔(2)相连通，所述淡水出水管(6)与所述淡水腔(3)相连通；所述淡水腔(3)的腔体高度高于海水出水管(5)。
3.根据权利要求2所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述淡水出水管(6)出口位置装有阀门(7)。
4.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述淡水腔(3)容积为1～200升，蒸发腔(2)容积为10-2000升。
5.根据权利要求3所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述淡水腔(3)容积为10～50升，蒸发腔(2)容积为90-500升。
6.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述顶盖(1)的锥状部分的表面刻有凹槽(9)，所述凹槽的方向从锥形边缘延伸至尖端；所述凹槽的深度和宽度均为微米级。
7.根据权利要求1或5所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述顶盖(1)的材质为玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯或聚乙烯材料。
8.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述同心双层容器的外壁为玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯材料。
9.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述淡水腔(3)的材质为不锈钢。
10.根据权利要求1所述的一种热蒸发海水淡化装置，其特征在于，所述海水淡化装置单独使用或多个相连使用；当为多个相连时，所述海水进水管(4)彼此相连通，所述淡水出水管(6)彼此相连通。
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