CN111777125B - 一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统 - Google Patents

一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，包括顶部带透光板的蒸发室、设置在蒸发室上部的冷凝装置以及设置在蒸发室内部的光热蒸发装置；所述冷凝装置内设有换热器和风机，所述换热器入水口通过输送泵与外部待处理溶液池连通，换热器出水口连接两个支路，其中一个支路与蒸发室内的浮球阀连接，另一个支路与外部待处理溶液池连接；所述换热器下方设有接收盘，接收盘通过连接管与外部收集池连接；所述光热蒸发装置包括以磁性多孔吸光材料为吸光体的光热蒸发单元；其中，光热蒸发单元的下表面与蒸发室内的液体表面接触。本发明光热蒸发系统采用磁性多孔吸光材料作为光热蒸发单元的吸光体，构造灵活，蒸发效率高。

Description

一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统
技术领域
本发明涉及一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，属于太阳能光热界面蒸发技术领域。
背景技术
世界淡水资源不足，且水体污染日益严重，利用太阳能加热蒸发获取淡水的技术不消耗其他传统动力源和热源，不仅环保清洁，而且还可以降低蒸发系统的能耗成本，逐渐得到人们的重视。
传统的太阳能驱动的蒸发系统，通过太阳能接收装置吸收太阳能获取热量，并利用该热量对溶液整体加热，使其蒸发产生蒸汽，不是只表面的蒸汽产生区获得热量，而是溶液的整体都获得热量，这会造成大量的热量损失，降低蒸发效率，在没有光聚集的太阳能驱动蒸发系统中，例如，太阳能蒸馏器，它的蒸发效率仅为30-45％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，该光热蒸发系统不需要使溶液的整体都获得热量，只需要使蒸汽产生区获得热量即可(即蒸汽产生区域与热量获得区一致)，从而有效减少了热损失，提高了蒸发效率。
本发明的技术方案为：
一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，包括顶部带透光板的蒸发室、设置在蒸发室上部的冷凝装置以及设置在蒸发室内部的光热蒸发装置；所述冷凝装置内设有换热器和风机，所述换热器入水口通过输送泵与外部待处理溶液池连通，换热器出水口连接两个支路，其中一个支路与蒸发室内的浮球阀连接，另一个支路与外部待处理溶液池连接；所述换热器下方设有接收盘，接收盘通过连接管与外部收集池连接；所述光热蒸发装置包括以磁性多孔吸光材料为吸光体的光热蒸发单元；其中，光热蒸发单元的下表面与蒸发室内的液体表面接触。
其中，所述吸光体由置于磁体磁场中的磁性纳米颗粒沿磁感线分布而形成的三维立体结构，并可通过改变磁场重构三维结构；三维立体结构包括高低不平的尖状凸起以及结构内纵横交错的毛细通道。可以进一步通过物理或化学方法在磁性多孔吸光材料中添加吸水纤维，或调整磁性纳米颗粒的亲疏水性，从而增强磁性多孔吸光材料的水输运特性。
其中，光热蒸发装置还包括电机以及与电机驱动端固定连接的转轴；转轴与光热蒸发单元固定连接，转轴通过支架固定在蒸发室内侧壁上，且转轴与支架转动连接；电机固定端固定在蒸发室外侧壁上，太阳能电池板I通过支撑架固定在电机固定端上，太阳能电池板I为电机提供电能。
其中，所述光热蒸发单元依次包括吸光体、毛细吸水结构、金属板、磁体和隔热体；磁体嵌入隔热体的凹槽中且与隔热体固定连接，磁体与金属板通过磁力固定连接，毛细吸水结构覆盖在金属板上且其端部向下延伸至蒸发室内的液体中，吸光体位于毛细吸水结构上，毛细吸水结构将其吸入的水送入吸光体中，在磁力作用下吸光体和毛细吸水结构被固定在金属板上。
其中，所述转轴外包覆有保温材料，保温材料为岩棉管或玻璃棉。
其中，所述换热器为蛇形管或安装有肋片的直管(冷凝管)。
其中，所述毛细吸水结构为吸水性材料，为无尘纸、棉布、滤纸或碳纤维材料中的任意一种；所述隔热体为绝热材料，包括发泡聚乙烯或发泡聚氯乙烯；金属板为铁磁金属。
其中，还包括通过支撑架固定在蒸发室外侧壁的太阳能电池板II，太阳能电池板II为风机提供电能。
其中，蒸发室底板与水平面呈大于0°的夹角设置。蒸发室内的液体顺着倾斜设置的底板通过管道流入浓溶液收集池中。
其中，所述透光板与水平面的夹角G为10°～60°，所述透光板外还设置有聚光器，聚光器为菲涅尔透镜。
上述基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统在海水淡化、污水处理以及溶液浓缩方面的应用。
有益效果：首先，本发明系统采用磁性多孔吸光材料作为光热蒸发单元的吸光体，该磁性多孔吸光材料具有独特的三维结构，即磁性多孔吸光材料具有高低不平的尖状凸起，同时其内部还有纵横交错的毛细通道，因为磁性多孔吸光材料具有高低不平的尖状凸起，因此其具有极大的比表面积，并且当光照射在磁性多孔吸光材料上时，各凸起之间会发生多次反射，使得磁性多孔吸光材料具有低的反射率和高的光吸收率，从而有效提高磁性多孔吸光材料的光利用率；其次，磁性多孔吸光材料内的立体毛细通道和吸光体下部的毛细吸水结构形成溶液运送通道，从而使光热蒸发单元具有高效的溶液输送效率；随着蒸发过程的进行，沉积在磁性多孔吸光材料表面的污垢，可通过转轴的转动，使磁性多孔吸光材料与溶液直接接触，从而使磁性多孔吸光材料表面的污垢被有效去除；最后，本发明系统通过风机的运行使得蒸发室的上部空间形成良好的气流循环，促进蒸汽与换热器的换热进程，从而使蒸发产生的蒸汽可被有效冷凝。
附图说明
图1为本发明光热蒸发系统的结构原理图；
图2为光热蒸发装置的结构原理图；
图3为光热蒸发单元的结构示意图；
图4为球状磁性纳米颗粒形成的磁性多孔吸光材料内的毛细通道结构示意图；
图5为换热器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～5所示，本发明基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，包括顶部带透光板6的蒸发室4、设置在蒸发室4上部的冷凝装置2以及设置在蒸发室4内部的光热蒸发装置5；透光板6与水平面的夹角G为10°～60°，透光板6外还可以加设聚光器，聚光器为菲涅尔透镜；冷凝装置2内设有换热器17和风机7，换热器17入水口通过输送泵1与外部待处理溶液池16连通，换热器17出水口连接两个支路，其中一个支路与蒸发室4内的浮球阀3连接，另一个支路与外部待处理溶液池16连接；风机7设置在换热器17的内侧，风机7启动，带动位于换热器17外侧的热空气(蒸汽)来到换热器17位置处并与换热器17进行热交换，从而使蒸发室上部空间形成气流循环；冷凝装置2中的换热器17管径根据内部流动的溶液类型而定，该换热器17若呈直管状，即可在其表面加装肋片，该换热器17若呈蛇形管状，如图5所示，则其表面不需要加装肋片；冷凝装置2通过风机7的运行使得蒸发室4的上部空间形成良好的气流组织循环从而促进蒸汽与换热器17内液体的换热；换热器17下方设有接收盘9，接收盘9固定在蒸发室4内侧壁上，接收盘9通过连接管与外部收集池10连接；光热蒸发装置5包括以磁性多孔吸光材料为吸光体18的光热蒸发单元501；其中，光热蒸发单元501的下表面与蒸发室4内的液体表面接触。本发明系统通过吸光体18吸收太阳光并将其转化为热量，驱动溶液蒸发，并利用风机7使蒸发室上部空间形成气流循环，同时还解决了冷凝水和蒸汽对吸光体18挡光的问题。
本发明光热蒸发装置5还包括电机503以及与电机503驱动端固定连接的转轴502；转轴502与光热蒸发单元501固定连接，转轴502通过支架505固定在蒸发室4内侧壁上，且转轴502与支架505转动连接；电机503固定端固定在蒸发室4外侧壁上，太阳能电池板I504通过支撑架固定在电机503固定端上，太阳能电池板I504为电机503提供电能。光热蒸发装置5的安装高度H与浮球阀3的安装高度h一致。
光热蒸发单元501依次包括吸光体18、毛细吸水结构19、金属板20、磁体21和隔热体22；磁体21嵌入隔热体22的凹槽23中且通过绝热胶与隔热体22固定连接，同时磁体21通过磁力与金属板20固定连接，金属板19布置于隔热体22的上表面，起固定和支撑作用；毛细吸水结构19覆盖在金属板20上且其端部向下延伸并伸入蒸发室4内的液体中，吸光体18位于毛细吸水结构19上，毛细吸水结构19将其吸入的水送入吸光体18中，在磁力作用吸光体18和毛细吸水结构19固定在金属板20上；磁性多孔吸光材料内的毛细通道和毛细吸水结构19形成二维溶液运送通道，能够高效的实现溶液输送。本发明光热蒸发装置5包括多个并列设置的光热蒸发单元501，不同光热蒸发单元501中的金属板19均与转轴502固定连接。
本发明吸光体18由磁性多孔吸光材料制成，磁性多孔吸光材料由磁性纳米颗粒在磁体形成的磁场中沿磁感线分布形成的，即磁性纳米颗粒在磁场中沿磁感线分布形成独特的三维立体结构，并可通过改变磁场重构三维结构，磁性纳米颗粒形状可为球状、柱状或螺旋形等多种结构。三维立体结构包括高低不平的尖状凸起以及内部的毛细通道，因为三维立体结构表面具有高低不平的尖状凸起，所以当光照射在磁性多孔吸光材料表面时，在凸起之间会发生多次反射，使得磁性多孔吸光材料具有低反射率和高的光吸收率。
其中，转轴502外包覆有保温材料，保温材料为岩棉管或玻璃棉；毛细吸水结构19为吸水性材料，为无尘纸、棉布、滤纸或碳纤维材料中的任意一种；隔热体22由绝热材料制成，包括发泡聚乙烯或发泡聚氯乙烯，隔热体22能够使吸光体18吸收的能量不向下传递给蒸发室4内的液体；金属板21为铁磁金属，如铁素体不锈钢、马氏体不锈钢。
本发明还包括通过支撑架固定在蒸发室4外侧壁的太阳能电池板II8，太阳能电池板II8为风机7提供电能。
本发明蒸发室底板15与水平面呈大于0°的夹角设置，从而蒸发室4内的液体顺着倾斜设置的底板15通过管道流入浓溶液收集池13中，管道上设有输出泵12和阀门。本发明各个连接管道上均设有阀门。
实施例1
将本发明光热蒸发系统应用于海水淡化处理。
本发明光热蒸发系统进行海水淡化的工作原理是：海水经由输送泵1通过管道进入换热器2，与蒸发室4内的水蒸气换热后，自身温度升高，然后通过管道经由浮球阀3进入蒸发室4；当浮球阀3不开启时，其通过管道返回至海水中。海水进入蒸发室4后，与光热蒸发装置5接触的海水，被毛细吸水结构19吸收，通过吸光体18内部的毛细通道弥漫整个吸光体18，于此同时，吸光体18吸收透光板6透过的太阳光，并进行光热转换，获得使其内部毛细通道内的海水蒸发的热量，隔热体22使这部分热量不向下传递给蒸发室4内的海水；蒸发得到的水蒸气随着风机7形成的气流进入冷凝装置2与冷凝装置2中的换热器17进行换热，将热量排放至换热器2内的海水，从而自身被冷凝为液体，被接收盘9收集，最后流入外部收集池10中；外部收集池10(淡水收集器)上设置排气阀11，用以排除海水中的不凝性气体。
光热蒸发装置5中的电机503与太阳能电池板504相连，并由太阳能电池板504储存的电能供电。吸收体18表面的盐垢，可通过太阳能电池板504储存的电能驱动电机503转动，从而带动转轴502转动，当光热蒸发单元501转动时，吸收体18表面直接与海水接触，盐垢溶解于海水，盐垢被清除以后，电动机503带动转轴502转动，使光热蒸发单元501回到最初的状态，继续实现吸光蒸发。
在海水蒸发的过程中，蒸发室4内海水水位不断下降，单位体积的海水含盐量不断上升；吸收体18表面的盐垢不断增多。蒸发室4内下降的水位通过浮球阀3的开启得到提高，随着蒸发室4内海水的不断蒸发，蒸发室4内的海水含盐量将不断升高，运行一段时间以后，截止阀14被打开，蒸发室4内部分海水被排至浓溶液收集池13，由于此时海水流量较大且蒸发室4底部倾斜设置，沉积在蒸发室4底部的杂质能够被一并排出。随着海水排放过程的进行，蒸发室4内海水界面将大幅度下降，当下降到一定高度时，截止阀14关闭，蒸发室4内减少的海水通过浮球阀3的开启得到补充，完成一个蒸发循环。
实施例2
将本发明光热蒸发系统应用于污水处理。
本发明光热蒸发系统进行污水处理的工作原理是：进入该系统前污水需进行一定的预处理，如过滤沉淀处理，使得被处理后的污水适合应用本系统。例如当污水中含有易挥发的有害物质或遇光反应会产生易挥发有害物质时，所述系统应该应用于污水中该种有害物质被处理之后。
污水经由输送泵1通过管道进入换热器2，与蒸发室4内的水蒸气换热后，自身温度升高，然后通过管道经由浮球阀3进入蒸发室4；当浮球阀3不开启时，从输送泵1输送来的污水再通过管道返回至待处理污水池中。污水进入蒸发室4后，与光热蒸发装置5接触的污水，被毛细吸水结构19吸收，通过吸光体18内部竖直的毛细通道弥漫整个吸光体18，于此同时，吸光体18吸收透光板6透过的太阳光，并进行光热转换，获得使其内部毛细通道内的污水蒸发的热量，隔热体22使这部分热量不向下传递给蒸发室4内的污水；蒸发得到的水蒸气随着风机7形成的气流进入冷凝装置2与冷凝装置2中的换热器17进行换热，将热量排放至换热器2内的污水，从而自身被冷凝为液体，被接收盘9收集，最后流入外部收集池10中。
在污水处理过程中，蒸发室4内污水水位不断下降，单位体积的污水中杂质含量不断上升；吸收体18表面的污垢不断增多。蒸发室4内下降的水位通过浮球阀3的开启得到提高，随着蒸发室4内污水的不断蒸发，蒸发室4内的污水中的杂质含量不断升高，运行一段时间以后，截止阀14被打开，蒸发室4内部分污水被排至浓溶液收集池13，由于此时污水流量较大且蒸发室4底部倾斜设置，沉积在蒸发室4底部的杂质能够被一并排出。随着污水排放过程的进行，蒸发室4内污水水位将大幅度下降，当下降到规定高度时，截止阀14关闭，蒸发室4内减少的污水通过浮球阀3的开启得到补充，此时换热器17内的污水流量较大，沉积在换热器2管壁的杂质被带走。当浮球阀3停止工作时，通过转轴502转动光热蒸发单元501，使吸光体18表面直接与杂质相对(吸光体18表面)含量较低的污水接触，吸光体18表面污垢溶解于污水中，吸光体18表面污垢被清除以后，电机503带动转轴502转动，使光热蒸发单元501回到最初的状态，完成一个污水处理循环。

Claims (9)

1.一种基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：包括顶部带透光板的蒸发室、设置在蒸发室上部的冷凝装置以及设置在蒸发室内部的光热蒸发装置；所述冷凝装置内设有换热器和风机，所述换热器入水口通过输送泵与外部待处理溶液池连通，换热器出水口连接两个支路，其中一个支路与蒸发室内的浮球阀连接，另一个支路与外部待处理溶液池连接；所述换热器下方设有接收盘，接收盘通过连接管与外部收集池连接；所述光热蒸发装置包括以磁性多孔吸光材料为吸光体的光热蒸发单元；其中，光热蒸发单元的下表面与蒸发室内的液体表面接触；所述吸光体由置于磁体磁场中的磁性纳米颗粒沿磁感线分布而形成的三维立体结构；三维立体结构包括高低不平的尖状凸起以及位于结构内纵横交错的毛细通道。
2.根据权利要求1所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：光热蒸发装置还包括电机以及与电机驱动端固定连接的转轴；转轴与光热蒸发单元固定连接，转轴通过支架固定在蒸发室内侧壁上，且转轴与支架转动连接；电机固定端固定在蒸发室外侧壁上，太阳能电池板I通过支撑架固定在电机固定端上，太阳能电池板I为电机提供电能。
3.根据权利要求2所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：所述光热蒸发单元依次包括吸光体、毛细吸水结构、金属板、磁体和隔热体；磁体嵌入隔热体的凹槽中且与隔热体固定连接，磁体与金属板通过磁力固定连接，毛细吸水结构覆盖在金属板上且其端部向下延伸至蒸发室内的液体中，吸光体位于毛细吸水结构上，毛细吸水结构将其吸入的水送入吸光体中，在磁力作用下吸光体和毛细吸水结构被固定在金属板上。
4.根据权利要求2所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：所述转轴外包覆有保温材料，保温材料为岩棉管或玻璃棉。
5.根据权利要求3所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：所述毛细吸水结构为吸水性材料，为无尘纸、棉布、滤纸或碳纤维材料中的任意一种；所述隔热体为绝热材料，包括发泡聚乙烯或发泡聚氯乙烯；金属板为铁磁金属。
6.根据权利要求1所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：所述换热器为蛇形管或安装有肋片的直管。
7.根据权利要求1所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：还包括通过支撑架固定在蒸发室外侧壁的太阳能电池板II，太阳能电池板II为风机提供电能。
8.根据权利要求1所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：蒸发室底板与水平面呈大于0°的夹角设置；蒸发室内的液体顺着倾斜设置的底板通过管道流入浓溶液收集池中。
9.根据权利要求1所述的基于磁性多孔吸光材料的光热蒸发系统，其特征在于：所述透光板与水平面的夹角G为10°~60°，所述透光板外还设置有聚光器，聚光器为菲涅尔透镜。
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