CN111547802A - 一种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器及方法 - Google Patents
一种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，包括隔热材料、光热转化材料、多级蒸发冷凝室、玻璃盖板和透明蓄热材料；第一级蒸发冷凝室底部的海水上方铺设有在隔热材料和光热转化材料；梯型的蒸发冷凝室竖向由倾斜的玻璃盖板分隔形成多级蒸发冷凝室；玻璃盖板上下端分别设有进水口和出水口。本发明的有益效果是：本发明的梯型蒸馏器由倾斜的玻璃盖板分隔出多级蒸发冷凝室，光热转化材料受光照加热海水蒸发，蒸汽通过倾斜的玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，冷凝潜热加热上一级海水再次蒸发得到蒸汽，在上一级玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化，获得更高的太阳能利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化、光热蒸发领域，尤其包括一种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器及方法。
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。热法太阳能海水淡化根据蒸发和冷凝方式不同可以分为太阳能辅助的多效蒸发、多级闪蒸、热泵海淡、膜蒸馏、加湿除湿和太阳能蒸馏器，其中太阳能蒸馏器占地面积小，较为独立，可满足单元化分布式的小型海水淡化应用需求。太阳能蒸馏器按能量转化和物料变化可以分为三个部分：光-热转化部分、蒸发部分和冷凝部分，分别对应能量和物料从“光”到“热”，“海水”到“蒸汽”和“蒸汽”到“淡水”的转化。传统太阳能蒸馏器为集成式的太阳能蒸馏器，阳光穿过玻璃被海水和基底吸收，海水蒸发后在玻璃内壁冷凝流至收集槽得到淡水，这些光-热转化、蒸发和冷凝过程均在一个容器中实现。虽然太阳能蒸馏器结构简单易于制作，但是由于冷凝水对光吸收的影响、水面和玻璃表面对光的反射、大体积水体和蒸馏器的热损失等等因素的影响，产水效率较低，需要对上述影响因素进行针对性的优化改进。
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]》；Xiao,G.,Wang,X.,Ni,M.等在AppliedEnergy103,642–652(2013).上刊载的《A review on solar stills for brinedesalination》；Xu,Z.,Zhang,L.,Zhao,L.等在Energy&Environmental Science 13,830–839(2020).上刊载的《Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still》。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器及方法。
这种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，包括隔热材料、光热转化材料、多级蒸发冷凝室、玻璃盖板和透明蓄热材料；第一级蒸发冷凝室底部的海水上方铺设有在隔热材料和光热转化材料；梯型的蒸发冷凝室竖向由倾斜的玻璃盖板分隔形成多级蒸发冷凝室；玻璃盖板上下端分别设有进水口和出水口，玻璃盖板下端还设有冷凝淡水收集槽；第一级蒸发冷凝室底部设有进出水口。光热转化材料受光照加热海水蒸发，蒸汽通过倾斜的玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，上一级蒸发冷凝室中的海水利用冷凝潜热加热再次蒸发得到蒸汽，在该级蒸发冷凝室顶部的玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化。(文中提到的上一级描述的是方位上的上下级)
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；隔热材料覆盖在除玻璃盖板以外的蒸馏器外表面以及蒸馏器内部的光热转化材料与海水之间；隔热材料的厚度为1-6cm。
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、纳米银等等离子体沉积布，碳基材料掺混凝胶；光热转化材料部分区域下端穿过隔热材料与海水接触，通过纤维布毛细作用汲取海水。
作为优选：多级蒸发冷凝室包括承载海水、隔热材料和光热转化材料的第一级蒸发冷凝室，采用流水冷却方法或蓄热冷却方法进行潜热回收利用的第二级、第三级及以上的蒸发冷凝室。
作为优选：玻璃盖板包括透光率在95％以上的超白玻璃，其厚度除满足结构刚性外，尽可能薄使得其热导系数尽量大，通常选择为3-8mm；玻璃盖板的倾斜角度为10-30°，方便冷凝水收集。
作为优选：玻璃盖板上表面覆盖有透明蓄热材料，透明蓄热材料包括聚乙烯醇基、聚丙烯酸钠基、聚丙烯酸酯等透明水凝胶材料，透明蓄热材料厚度可根据蓄热性能需要为0.1-5cm。
这种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器的蒸发冷凝方法：光热转化材料受光照加热海水蒸发，蒸汽通过倾斜的玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水后，释放的冷凝潜热加热流水冷却方法下的流水或蓄热冷却方法下的透明蓄热材料，使上一级海水再次蒸发得到蒸汽，在上一级玻璃盖板上进行热交换冷凝成淡水收集，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化。
作为优选：流水冷却方法是指通过在倾斜的玻璃盖板上端多点滴淋海水，使玻璃盖板表面形成均匀的水膜，使玻璃盖板表面温度降低，并利用冷凝潜热进行蒸发；流水方式为循环往复式或直接排放式，流水流量可根据多级冷凝潜热回收率调节。
作为优选：蓄热冷却方法是指通过铺在玻璃盖板上的透明蓄热材料使玻璃盖板表面保持较低的温度，并利用冷凝潜热蒸发透明蓄热材料中的水，在夜间依然可以利用蓄热进行蒸发产生淡水；透明蓄热材料中的水分可通过滴淋的方式补充，蓄热材料量可根据全天海水淡化效率进行调节。
本发明的有益效果是：本发明的梯型蒸馏器由倾斜的玻璃盖板分隔出多级蒸发冷凝室，光热转化材料受光照加热海水蒸发，蒸汽通过倾斜的玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，冷凝潜热加热上一级海水再次蒸发得到蒸汽，在上一级玻璃盖板进行热交换冷凝成淡水收集，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化，获得更高的太阳能利用效率。
附图说明
图1为用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器结构示意图；
图2为多级梯型蒸馏器中海水蒸发冷凝淡化的流程示意图。
附图标记说明：海水1、隔热材料2、光热转化材料3、第一级蒸发冷凝室4、玻璃盖板5、透明蓄热材料6、第二级蒸发冷凝室7、第n级蒸发冷凝室8。
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。
本专利采用多级梯型蒸馏器，一方面可以使得冷凝界面具有充足的冷却温差，加快蒸馏器内部的蒸发冷凝速率，另一方面可以充分利用冷凝潜热，提供额外的多级蒸发冷凝淡水。采用界面蒸发结构，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并使其蒸发，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，大幅减少蒸发过程的热量损失，从而提高蒸发温度和效率。采用蓄热结构，将白天转化得到的热量蓄积至夜间缓慢释放，一方面可以在白天提供温度稳定的冷源，加强冷凝效果也降低温度过高带来的热量损失，另一方面还可以利用夜间的时间窗口，把蓄积的热量释放出来进行蒸发冷凝。
如图1所示，所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，漂浮于海水1上方的隔热泡沫的上方覆盖着光热转化材料3，光热转化材料3受光照加热海水蒸发，蒸汽在第一级蒸发冷凝室4中，通过倾斜的玻璃盖板5进行热交换冷凝成淡水收集，冷凝潜热被透明蓄热材料6吸收，加热第二级蒸发冷凝室7中的海水再次蒸发得到蒸汽，在第二级蒸发冷凝室7顶部的玻璃盖板5进行热交换冷凝成淡水收集，冷凝潜热继续加热海水蒸发，并重复该过程直至第n级蒸发冷凝室8，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化。
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。
光热转化材料为：50×50cm多层黑色染色纤维棉纱布，太阳光谱范围的吸光率为93％，每间隔5cm穿过隔热泡沫与海水接触，汲取海水。
多级蒸发冷凝室为：包括承载海水、隔热材料和光热转化材料的第一级蒸发冷凝室4，采用蓄热冷却方法进行潜热回收利用的第二级蒸发冷凝室7；
玻璃盖板为：透光率在95％以上的超白钢化玻璃，其厚度为5mm；玻璃盖板倾斜角度为20°。
透明蓄热材料为：聚乙烯醇基透明水凝胶材料，材料含水率为95％，厚度为2cm；
太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器中海水蒸发冷凝淡化的流程为：如图2所示，海水1通过第一级蒸发冷凝室4底部的进水口进入蒸馏器，在光热转化材料3上吸热蒸发并在玻璃盖板5处冷凝至冷凝淡水收集槽中收集；冷凝潜热则继续加热第二级蒸发冷凝室7中的透明蓄热材料6，其中的海水蒸发在第二级蒸发冷凝室7顶部的玻璃盖板5处冷凝收集。
用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器装置运行实例如下：底座尺寸为50×50cm的两级梯型蒸馏器装置，第一级蒸发冷凝室短边竖直板高度为10cm，长边竖直板高度为28.2cm，使玻璃盖板斜面与水平面夹角为20°；第二级蒸发冷凝室两端竖直板高度均为10cm，玻璃盖板斜面与水平面夹角也为20°。在中国南方沿海城市春季晴天，环境温度为12-20摄氏度，等效标准太阳光照小时数为3.5小时的阳光照射条件下，该多级梯型蒸馏器运行24小时的日均总产水量为2kg/m2*day，其中白天产水量为1.5kg/m2，夜间由于透明蓄热材料放热蒸发冷凝，产水量为0.5kg/m2，总效率为38％。
Claims (8)
1.一种用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，其特征在于：包括隔热材料(2)、光热转化材料(3)、多级蒸发冷凝室、玻璃盖板(5)和透明蓄热材料(6)；第一级蒸发冷凝室(4)底部的海水(1)上方铺设有在隔热材料(2)和光热转化材料(3)；梯型的蒸发冷凝室竖向由倾斜的玻璃盖板(5)分隔形成多级蒸发冷凝室；玻璃盖板(5)上下端分别设有进水口和出水口，玻璃盖板(5)下端还设有冷凝淡水收集槽；第一级蒸发冷凝室(4)底部设有进出水口。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，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)覆盖在除玻璃盖板以外的蒸馏器外表面以及蒸馏器内部的光热转化材料(3)与海水(1)之间；隔热材料(2)的厚度为1-6cm。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，其特征在于：光热转化材料(3)包括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；光热转化材料部分区域下端穿过隔热材料(2)与海水(1)接触。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，其特征在于：玻璃盖板(5)包括透光率在95％以上的超白玻璃，其厚度为3-8mm；玻璃盖板(5)的倾斜角度为10-30°。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器，其特征在于：玻璃盖板(5)上表面覆盖有透明蓄热材料(6)，透明蓄热材料(6)包括聚乙烯醇基、聚丙烯酸钠基或聚丙烯酸酯，透明蓄热材料(6)厚度为0.1-5cm。
6.一种如权利要求1所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器的蒸发冷凝方法，其特征在于：光热转化材料(3)受光照加热海水(1)蒸发，蒸汽通过倾斜的玻璃盖板(5)进行热交换冷凝成淡水后，释放的冷凝潜热加热流水冷却方法下的流水或蓄热冷却方法下的透明蓄热材料(6)，使上一级海水再次蒸发得到蒸汽，在上一级玻璃盖板(5)上进行热交换冷凝成淡水收集，实现太阳能光热多级蒸发海水淡化。
7.根据权利要求6所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器的蒸发冷凝方法，其特征在于：流水冷却方法是指通过在倾斜的玻璃盖板(5)上端多点滴淋海水，使玻璃盖板(5)表面形成均匀的水膜，使玻璃盖板(5)表面温度降低，并利用冷凝潜热进行蒸发；流水方式为循环往复式或直接排放式，流水流量根据多级冷凝潜热回收率调节。
8.根据权利要求6所述的用于太阳能光热蒸发海水淡化的多级梯型蒸馏器的蒸发冷凝方法，其特征在于：蓄热冷却方法是指通过铺在玻璃盖板(5)上的透明蓄热材料(6)使玻璃盖板(5)表面保持较低的温度，并利用冷凝潜热蒸发透明蓄热材料(6)中的水，在夜间依然利用蓄热进行蒸发产生淡水；透明蓄热材料(6)中的水分通过滴淋的方式补充，蓄热材料量根据全天海水淡化效率进行调节。
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2020
- 2020-05-11 CN CN202010392652.XA patent/CN111547802A/zh active Pending
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