CN111870977B - 利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，包括毛细管蒸发冷凝机构、太阳能液体集热器、太阳能气体集热器、低压风机；毛细管蒸发冷凝机构包括密封外壳体、两片管板，两片管板将密封外壳体内部空间分割为三个独立空间预热区、蒸发冷凝区、溶剂导出区；两片管板之间的连接毛细蒸发冷凝管，毛细蒸发冷凝管的两端分别与预热区、溶剂导出区连通；蒸发冷凝区内的毛细蒸发冷凝管上方设有布液器；电解质溶液经预热区预热后被送入太阳能液体集热器被加热，再被送入布液器，蒸发冷凝区产生的蒸汽通过低压风机被送入太阳能气体集热器被加热，加热的蒸汽进入毛细蒸发冷凝管内进行冷暖放热。本发明能效高、操作方便。
Description
技术领域
本发明属于电解质溶液淡化技术领域，尤其涉及利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置。
背景技术
电解质溶液作为一种含有无机盐的水溶液，除了可溶性离子外，就是溶剂水，实现去离子过程，同时伴随着浓缩和稀释两个过程，现有主流电解质溶液分离技术主要有热法和膜法，此外，还有电吸附法，加湿脱湿法等技术。热法去离子过程中，多效蒸馏蒸汽的产生依靠效间的饱和蒸汽温度差完成上一效蒸汽的冷凝和本效的水溶液蒸发产生二次蒸汽，蒸汽冷凝变成淡水；多级闪蒸依靠大循环量的电解质溶液的显热贡献闪蒸潜热来完成蒸汽产生；机械压气蒸馏主要依靠完成饱和蒸汽的绝热压缩提高温度和压力来实现蒸汽的反复冷凝和蒸发，机械压气蒸馏在壳体与管内必须有足够的温差才能保证蒸汽冷凝和二次蒸汽产生。反渗透膜法主要依靠克服渗透压的操作压力，使水分子通过膜而形成淡水，其主要消耗动力为电能，电解质溶液浓度和回收率对操作过程的电能消耗影响很大，能耗问题一直是电解质溶液淡化的主要突破问题。
热法分离性技术中，蒸汽的产生一般依靠发电乏汽或其它热源加热电解质溶液以显热换潜热获得一次蒸汽。利用太阳能提供热能和毛细蒸发冷凝技术，实现低温差传热过程，能快速提供高品质淡水，同时，可以产生高浓度浓水，为实现浓水零排放提供条件。
因此，基于这些问题，提供一种利用介管尺寸凹凸界面上的饱和蒸气压变化实现低温差传热，利用太阳能提供热能完成电解质溶液的淡化浓缩的装置，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用介管尺寸凹凸界面上的饱和蒸气压变化实现低温差传热，利用太阳能提供热能完成电解质溶液的淡化浓缩的装置。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，包括毛细管蒸发冷凝机构、太阳能液体集热器、太阳能气体集热器、低压风机；其中，
所述毛细管蒸发冷凝机构包括密封外壳体、两片管板，两片所述管板将所述密封外壳体内部空间分割为三个独立空间，分别为：预热区、蒸发冷凝区、溶剂导出区；两片所述管板之间连接有若干根毛细蒸发冷凝管，且毛细蒸发冷凝管的两端分别与预热区、溶剂导出区连通；所述蒸发冷凝区内的毛细蒸发冷凝管上方设有布液器；
电解质溶液通过进液管路在途经所述预热区预热后，被送入所述太阳能液体集热器被加热，加热后的电解质溶液被送入所述布液器，所述电解质溶液通过布液器落到所述毛细蒸发冷凝管表面；所述蒸发冷凝区产生的蒸汽通过低压风机被送入所述太阳能气体集热器被加热，加热的蒸汽被送入所述预热区，并进入所述毛细蒸发冷凝管内进行放热。
进一步的，所述毛细蒸发冷凝管外径小于5mm。
进一步的，还包括电解质溶液储槽，所述电解质溶液储槽内的电解质溶液通过进液管路依次经过溶液出口阀、输送泵进入所述预热区，所述进液管路在预热区迂回设置，实现所述电解质溶液的预热。
进一步的，所述蒸发冷凝区底部设置浓缩电解质溶液出口，所述浓缩电解质溶液出口处安装有出口阀门。
进一步的，所述浓缩电解质溶液出口通过回流管路连接到输送泵输入端，实现所述电解质溶液的循环，且所述回流管路上安装循环控制阀。
进一步的，所述毛细蒸发冷凝管材质为金属材料、无机非金属材料或高分子材料中的一种。
进一步的，所述太阳能液体集热器、太阳能气体集热器均可以是聚光集热器、真空管集热器或平板集热器中的任意一种。
进一步的，所述溶剂导出区底部设有溶剂出口。
本发明的原理:根据开尔文公式，液体在凸面气液界面的平衡蒸汽压高于正常蒸汽压，而液体在凹面气液界面的蒸汽压低于正常蒸汽压，如果蒸发冷凝过程在介观尺寸下进行，表现出宏观尺寸不具有的效应。本发明借助具有毛细功能的毛细管，利用毛细蒸发冷凝技术，使用毛细管内外的凹凸曲面完成冷凝蒸发，以微小的温度推动力，在较低压力差下系统实现淡水倍数增大。宏观纯水系统平衡遵循水和水蒸气的平衡性质，水溶液体系液相和气相的平衡取决于体系温度和压力，也与系统的含盐量有关，用显热换潜热实现蒸汽产生，蒸汽加热加压后变成二次饱和蒸汽，温度较高的饱和蒸汽在管内冷凝时，将潜热全部转化，几乎相同量冷凝热用于温度较低管外的蒸汽产生需要的蒸发热；同时，由于太阳能液体集热器不断加热液体，不断以显热换成潜热产生一次蒸汽，与之前由于冷凝放热而产生的蒸汽一起经过低压风机，进入太阳能气体集热器完成加热过程，形成二次蒸汽产生量就会循环放大。
本发明的优点和积极效果是：
本发明以温度为推动力，充分发挥太阳能集热器集热功能，利用凹凸面完成蒸发冷凝，极大降低管壳间传热温差，实现低温差蒸发冷凝，在较低压力差下实现淡水倍数增大，是一种能效高、操作方便的电解质溶液浓缩淡化装置。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例提供的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置的毛细管蒸发冷凝机构的结构示意图；
图3为图2中A处放大图；
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1至图3来具体说明本发明。
实施例1
如图1～3所示，本实施例提供的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，包括毛细管蒸发冷凝机构9、太阳能液体集热器5、太阳能气体集热器6、低压风机4；其中，
所述毛细管蒸发冷凝机构9包括密封外壳体901、两片管板902，两片所述管板902将所述密封外壳体901内部空间分割为三个独立空间，分别为：预热区903、蒸发冷凝区904、溶剂导出区905；两片所述管板902之间连接有若干根毛细蒸发冷凝管906，且毛细蒸发冷凝管906的两端分别与预热区903、溶剂导出区905连通；所述蒸发冷凝区904内的毛细蒸发冷凝管906上方设有布液器907；
所述电解质溶液通过进液管路7在途经所述预热区903预热后，被送入所述太阳能液体集热器5被加热，加热后的电解质溶液被送入所述布液器907，所述电解质溶液通过布液器907落到所述毛细蒸发冷凝管906表面；所述蒸发冷凝区904产生的蒸汽通过低压风机4被送入所述太阳能气体集热器6被加热，加热的蒸汽被送入所述预热区903内，并进入所述毛细蒸发冷凝管906内进行放热。
需要说明的是，所述毛细蒸发冷凝管外径小于5mm，且所述毛细蒸发冷凝管材质为金属材料、无机非金属材料或高分子材料中的一种。
还包括电解质溶液储槽1，所述电解质溶液储槽1内的电解质溶液通过进液管路7依次经过溶液出口阀2、输送泵3进入所述预热区903，所述进液管路7在预热区903迂回设置，实现所述电解质溶液的预热；在本实施例中，所述进液管路7在预热区903呈来回折弯结构，增加电解质溶液在预热区的受热时间。
所述蒸发冷凝区904底部设置浓缩电解质溶液出口，所述浓缩电解质溶液出口处安装有出口阀门，在本实施例中，所述蒸发冷凝区904底部的浓缩电解质溶液出口通过管路10导出浓缩电解质溶液，且管路10上安装出口阀门11；所述溶剂导出区905底部设有溶剂出口，并通过管路8导出溶剂；并且，管路10与输送泵3输入端通过回流管路13连接，实现所述电解质溶液的循环，可以考虑，在所述回流管路13上安装循环泵及循环控制阀12。
所述太阳能液体集热器5、太阳能气体集热器6均可以是聚光集热器、真空管集热器或平板集热器中的任意一种。
需要说明的是，本发明中的液体输送管路可根据实际需求选择安装，且根据实际情况安装合适的液体输送泵，这属于本领域的常规手段，在此不再赘述，但由于上述原因，不会影响本领域技术人员的重复再现。
作为举例，在本实施例中，电解质溶液储槽1的液体经过溶液出口阀2、输送泵3，进入所述预热区903，所述进液管路7在预热区903迂回设置，实现所述电解质溶液的预热，然后进入太阳能液体集热器被加热，加热后的液体经过布液器907落到所述毛细蒸发冷凝管906表面；初期运行时：关闭出口阀门11，开启所述回流管路13上的循环泵，当系统液量达到循环量时，关闭溶液出口阀2，液体在系统内循环流动实现加热。达到指定温度时，开启低压风机4加压，液体闪蒸产生的蒸汽进入太阳能气体集热器加热，加热、加压后的蒸汽进入蒸发冷凝区904的毛细蒸发冷凝管906内，在其凹曲面上进行冷凝，其热量供给毛细蒸发冷凝管906外凸面蒸发需要，期间可调整出口阀门11、循环控制阀12和溶液出口阀2，满足控制温度和淡水回收率之需要；低压风机在毛细蒸发冷凝管906外造成微负压，同时使进入毛细蒸发冷凝管906的蒸汽形成微正压，同时，液体通过在预热区903预热，快速提高太阳能液体集热器入口温度；闪蒸蒸发产生的蒸汽量由两部分组成，一部分是前一循环的蒸汽冷凝时由于温差所蒸发的潜热换潜热的二次蒸汽，另一部分是本循环预热区903加热和太阳能液体集热器加热电解质溶液以显热换取潜热产生的蒸汽。与常规压气蒸馏系统比较，以微小的温度推动力，在零压差下系统实现淡水倍数增大，并且低压风机的存在，在毛细管蒸发冷凝机构9进出口形成压差，很容易使电解质溶液得到浓缩和淡化。
实施例2
利用实施例1中的装置进行电解质溶液浓缩淡化：太阳能液体集热器、太阳能气体集热器采用开口1200mm、焦距27.5mm的抛物线聚光集热系统，集热管内经100mm,在辐照950W/m2，环境温度28℃，原电解质溶液温度22℃，电解质水溶液为3.5％氯化钠水溶液；毛细蒸发冷凝管为φ3×1mm的中空玻璃管，换热面积0.5m2,太阳能液体集热器出口温度控制在98℃，低压风机功率80W,风压10mm水柱，蒸发冷凝器中蒸发侧压力为-1mm水柱，冷凝侧压力3mm水柱，运行时间三个小时，1m2日照面积产淡水20L，浓盐水20L。如果采用常规冷凝蒸发器，沸点升高0.6℃,在温度为98℃，压力为-1mm水柱无法蒸发。
实施例3
利用实施例1中的装置进行电解质溶液浓缩淡化：太阳能液体集热器、太阳能气体集热器采用开口1200mm、焦距27.5mm的抛物线聚光集热系统，集热管内经100mm,在辐照980W/m2，环境温度28℃，原电解质溶液温度23℃，电解液为5％氯化钠水溶液。毛细蒸发冷凝管为φ3×1mm的中空毛细铜管，换热面积0.5m2,太阳能液体集热器出口温度控制在100.5℃，风机功率150W,风压30mm水柱，蒸发冷凝器中蒸发侧压力为-1mm水柱，冷凝侧压力为5mm水柱，一个小时内，1m2日照面积产淡水20L，浓盐水20L。使用常规冷凝蒸发器，沸点升高温度约0.8℃，6mm水柱压差，蒸发冷凝传热过程无法完成。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：包括毛细管蒸发冷凝机构、太阳能液体集热器、太阳能气体集热器、低压风机；其中，
所述毛细管蒸发冷凝机构包括密封外壳体、两片管板，两片所述管板将所述密封外壳体内部空间分割为三个独立空间，分别为：预热区、蒸发冷凝区、溶剂导出区；两片所述管板之间连接有若干根毛细蒸发冷凝管，且毛细蒸发冷凝管的两端分别与预热区、溶剂导出区连通；所述蒸发冷凝区内的毛细蒸发冷凝管上方设有布液器；
电解质溶液通过进液管路在途经所述预热区预热后，被送入所述太阳能液体集热器被加热，加热后的电解质溶液被送入所述布液器，所述电解质溶液通过布液器落到所述毛细蒸发冷凝管表面；所述蒸发冷凝区产生的蒸汽通过低压风机被送入所述太阳能气体集热器被加热，加热的蒸汽被送入所述预热区，并进入所述毛细蒸发冷凝管内进行放热。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述毛细蒸发冷凝管外径小于5mm。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：还包括电解质溶液储槽，所述电解质溶液储槽内的电解质溶液通过进液管路依次经过溶液出口阀、输送泵进入所述预热区，所述进液管路在预热区迂回设置，实现所述电解质溶液的预热。
4.根据权利要求3所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述蒸发冷凝区底部设置浓缩电解质溶液出口，所述浓缩电解质溶液出口处安装有出口阀门。
5.根据权利要求4所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述浓缩电解质溶液出口通过回流管路连接到输送泵输入端，实现所述电解质溶液的循环，且所述回流管路上安装循环控制阀。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述毛细蒸发冷凝管材质为金属材料、无机非金属材料或高分子材料中的一种。
7.根据权利要求1所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述太阳能液体集热器、太阳能气体集热器均可以是聚光集热器、真空管集热器或平板集热器中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的利用太阳能进行电解质溶液浓缩淡化的装置，其特征在于：所述溶剂导出区底部设有溶剂出口。
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