CN111874980A

CN111874980A - 一种模块化太阳能海水淡化工艺

Info

Publication number: CN111874980A
Application number: CN202010683616.9A
Authority: CN
Inventors: 孔令斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-04
Filing date: 2020-07-04
Publication date: 2020-11-03

Abstract

本发明提供的一种模块化太阳能海水淡化工艺，包括海水预处理工序、淡水显热回收工序、制水工序、浓海水排放工序。工艺在制水工序回收利用蒸汽潜热和部分淡水显热，在淡水显热回收工序回收利用部分淡水显热，没有被回收的淡水显热以内能的形式留在淡水中。太阳能海水淡化模块由在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置海水进口连接同一海水进水阀出口、浓海水排放口连接同一浓海水排放阀进口、淡水出口连接海水淡水逆流换热管淡水进口、且同一个水位控制器控制水位构成。工艺通过太阳能海水淡化模块大小和数量多少灵活设置海水淡化规模。各太阳能海水淡化模块可布置在不同高度的水平面上，能合理利用坡地，土地利用率高。配置控制系统，能实现无人值守。

Description

一种模块化太阳能海水淡化工艺

所属技术领域

本发明涉及一种海水淡化工艺，具体为一种模块化太阳能海水淡化工艺。

背景技术

太阳能光热海水淡化技术是目前世界各国研究热点。2020年，美国能源部宣布将投入900万美元启动一项奖项竞赛-“美国制造挑战：太阳能海水淡化奖”。美国能源部长布卢埃特表示：“增加淡水供应可以增强美国的经济竞争力和水安全，而利用太阳能光热海水淡化技术处理高盐度咸水，将为城市、农业和工业用水提供一条新途径。”2013年，中国首个太阳能光热海水淡化示范项目在海南建成投产，日产蒸馏水约30吨。2020年，沙特首个“太阳能圆顶”海水淡化厂开工建设，将采用聚光太阳能技术进行海水淡化。美国莱斯大学研究人员利用廉价塑料透镜将太阳光聚焦于一点，太阳能海水淡化系统的效率提高了50％左右。最近，上海交通大学制冷与低温工程研究所与麻省理工学院的研究人员发表了有关超高效太阳能海水淡化研究的最新进展。通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置，实现全被动式的太阳能海水淡化。由于其装置结构简单、取材方便，是解决海水淡化适应性的有效技术之一。太阳能界面蒸发为高效便携式海水淡化提供了新的思路，成为了能源科学、材料科学和热科学等交叉领域的研究热点。系统性的能量传递优化是达到超高效太阳能海水淡化的关键，而非高性能材料。在高性能材料研究方面，南京大学研究团队发明的纳米黑金材料强大的光热转换能力，能将表层的水迅速蒸发，将太阳能的转化率翻倍提高。而大道至简的技术方案为中国发明专利202010101204.X所提供。相对于上海交通大学和麻省理工学院的技术方案，该技术方案结构更简单，取材更方便，热量利用率更高。该技术方案利用了水对流换热和水的潜热大这两个物理特性，采取上层蒸发下层冷凝的传质传热方式回收利用热量。材料主要是不锈钢板、不锈钢板管、RAL9005黑油漆。波浪状的不锈钢板上表面涂RAL9005黑油漆层、下表面贴吸水层制成波浪板。不锈钢板管焊接制成蒸汽流动通道。一块不锈钢板折成海水蒸发罐罐底和两个端面盖板为一体的部件。三者组装在一起就是太阳能海水淡化装置。一天内波浪板温度、淡水出口温度变化规律及相对应的淡水产量是评价该太阳能海水淡化装置性能的参数。这组参数录入一个坐标系中能直观反映该太阳能海水淡化装置的工作状况。很显然，该太阳能海水淡化装置蒸汽潜热利用很充分，但温度较高的淡水显热没有得到合理利用。采取什么技术措施将蒸汽潜热和淡水显热都充分利用呢？海水淡水逆流换热和适时补充海水两项工艺措施相结合能实现最大限度提高太阳能利用率的目标。

发明内容

本发明的目的是开发一套模块化的能够回收利用蒸汽潜热和淡水显热的太阳能海水淡化工艺。

为了实现上述目的，本发明的方案是：其工艺包括海水预处理工序、淡水显热回收工序、制水工序、浓海水排放工序。海水预处理工序是抽取海水净化海水储存海水的过程，设备包括抽水泵、海水管、处理池、海水罐。淡水显热回收工序是海水淡水逆流换热，回收利用淡水显热的过程，设备包括海水淡水逆流换热管、淡水罐。制水工序是吸收太阳能蒸发海水、并冷凝蒸汽回收利用潜热的过程，设备包括多个海水淡化模块。浓海水排放工序是收集排放浓海水的过程，设备包括排水泵、排水管。其特征在于：在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置海水进口连接同一海水进水阀出口，在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置浓海水排放口连接同一浓海水排放阀进口，在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置淡水出口连接海水淡水逆流换热管淡水进口，在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置由同一个水位控制器控制水位，构成一个太阳能海水淡化模块。多个太阳能海水淡化模块拼在一起具有大规模太阳能热量转换、海水蒸发冷凝、潜热回收制水功能。各个太阳能海水淡化模块的水位不同或相同。海水罐进口连接经海水预处理后的来水口。海水罐出口连接海水淡水逆流换热管海水进口。海水罐的水位高于全部太阳能海水淡化模块的水位，实现自流补充海水。全部太阳能海水淡化模块的海水进水阀进口连接海水淡水逆流换热管海水出口。全部太阳能海水淡化模块的淡水出口连接海水淡水逆流换热管淡水进口。海水淡水逆流换热管淡水出口连接淡水罐。淡水罐的位置低于全部太阳能海水淡化模块的位置，保证淡水自动流入淡水罐。全部太阳能海水淡化模块的浓海水排放阀出口连接排水管和排水泵。控制系统由控制中心、抽水泵控制器、水位控制器、海水进水阀控制器、浓海水排放阀控制器及其连接线组成。控制中心连接抽水泵控制器以及全部太阳能海水淡化模块的水位控制器、海水进水阀控制器、浓海水排放阀控制器。控制中心根据海水预处理工序需要通过抽水泵控制器控制抽水泵开或关。水位控制器测得水位数据反馈到控制中心，控制中心根据水位数据通过海水进水阀控制器控制海水进水阀开或关。控制中心根据水位数据通过浓海水排放阀控制器控制浓海水排放阀开或关。以各太阳能海水淡化模块的水位为控制基准，实现海水供给、各太阳能海水淡化模块的海水补充、浓海水排放及淡水收集的自动控制。

所述工艺在制水工序回收利用蒸汽潜热和部分淡水显热，在淡水显热回收工序回收利用部分淡水显热，没有被回收的淡水显热以内能的形式留在淡水中。淡水温度越低淡水产量越高。

所述太阳能海水淡化模块是采用中国专利202010101204.X作为太阳能海水淡化装置。

所述太阳能海水淡化装置的波浪板是在金属板上表面覆盖黑色光热材料层，黑色光热材料层将太阳能转换成热能加热金属板。在金属板下表面覆盖吸水材料层。金属板在水面以上。吸水材料层部分在水面以上，吸水材料层部分浸入水面以下，将水从水面吸到金属板下表面并使水吸热蒸发成蒸汽。

所述太阳能海水淡化装置的蒸汽流动通道由一根置于海水蒸发罐罐底两端封闭的水平管及多根垂直于水平管的垂直管连通而成。一根垂直管分布在波浪板的一个波峰内，垂直管顶端是蒸汽进口。图3是太阳能海水淡化装置装配图。蒸汽流动通道置于波浪板与海水蒸发罐罐底之间。相对于在两块平行板、波浪板、底板之间形成蒸汽流动通道而言，采用水平管连通垂直管构成蒸汽流动通道将端面封闭和蒸汽冷凝的功能分开，更有利于冷凝，制造也更容易。

所述太阳能海水淡化装置的波浪板由一块金属板折成或冲压而成。太阳能海水淡化装置的海水蒸发罐罐底与两个端面盖板由一块金属板折成或冲压而成。波浪板纵向与海水蒸发罐罐底铆接或焊接。波浪板横向与两个端面盖板焊接。海水蒸发罐的高度缩减为零。图3阐明了波浪板、海水蒸发罐罐底与两个端面盖板的位置关系。

本发明的优点在于：一是多个太阳能海水淡化装置拼排在一起构成太阳能海水淡化模块，各太阳能海水淡化模块可布置在不同高度的水平面上，能合理利用坡地，土地利用率高；二是潜热回收利用充分，显热有部分回收利用，太阳能利用率高；三是工艺流程简洁，规模大小灵活，易于实现无人值守的自动化运行；四是满足本工艺要求的设备结构简单，制造成本低；五是各太阳能海水淡化模块可轮换维护检修，不影响其他太阳能海水淡化模块运行。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明工艺流程图；

图2是本发明采用的太阳能海水淡化装置图；

图3是本发明采用的太阳能海水淡化装置装配图。

图1中，竖框是工艺流程各工序，是固定不动的；横框是各种物料，要沿着箭头所指方向，在各条物流通道中流动。

图2中，1、海水进口，2、溢水口，3、淡水出口，4、浓海水排放口。

具体实施方式

实施例是按本发明所述工艺布局具有4个100平方米太阳能海水淡化模块的一套海水淡化设备。图2是1平方米太阳能海水淡化装置图。每个100平方米太阳能海水淡化模块由100个1平方米的太阳能海水淡化装置拼排而成。按照图1设定的工艺流程，在海边安装抽水泵，海水管接通抽水泵和处理池以及海水罐。海水罐由海水淡水逆流换热管连通4个太阳能海水淡化模块。海水罐水位高于4个太阳能海水淡化模块。每个太阳能海水淡化模块的100个1平方米的太阳能海水淡化装置海水进口1连接同一海水进水阀出口。每个太阳能海水淡化模块的100个1平方米的太阳能海水淡化装置浓海水排放口4连接同一浓海水排放阀进口。每个太阳能海水淡化模块的100个1平方米的太阳能海水淡化装置淡水出口3连接海水淡水逆流换热管淡水进口，海水淡水逆流换热管淡水出口连接淡水罐。淡水罐位置低于所有太阳能海水淡化模块的水位。每个太阳能海水淡化模块的100个1平方米的太阳能海水淡化装置都有溢水口2。在其中一个溢水口2内安装水位控制器。确认同一模块太阳能海水淡化装置在同一水平面后，封堵溢水口2。控制中心连接抽水泵控制器以及全部太阳能海水淡化模块的水位控制器、海水进水阀控制器、浓海水排放阀控制器。

本实施例的工作过程是：太阳升起前，打开控制系统，在海边的抽水泵将海水泵入处理池处理后，输送到海水罐。海水罐的海水经海水淡水逆流换热管自流到4个100平方米太阳能海水淡化模块。各太阳能海水淡化模块水位达到设定水位海水进水阀自动关闭。太阳升起后，阳光照在波浪板上转化成热量，海水蒸发后进入蒸汽流动通道冷凝成淡水，潜热及部分显热加热海水得到回收利用。淡水进入海水淡水逆流换热管与海水逆流换热后流入淡水罐，淡水显热被回收利用。随着海水蒸发，太阳能海水淡化模块的水位下降。当水位降到需补水的水位时，海水进水阀打开补充海水到设定水位后自动关闭。4个100平方米太阳能海水淡化模块工作状况完全一样。太阳西下后，待温度冷到设定温度，4个100平方米太阳能海水淡化模块的排水泵都打开，浓海水经排水管排回大海。

Claims

1.一种模块化太阳能海水淡化工艺，其工艺包括海水预处理工序、淡水显热回收工序、制水工序、浓海水排放工序，海水预处理工序是抽取海水净化海水储存海水的过程，设备包括抽水泵、海水管、处理池、海水罐，淡水显热回收工序是海水淡水逆流换热，回收利用淡水显热的过程，设备包括海水淡水逆流换热管、淡水罐，制水工序是吸收太阳能蒸发海水、并冷凝蒸汽回收利用潜热的过程，设备包括多个海水淡化模块，浓海水排放工序是收集排放浓海水的过程，设备包括排水泵、排水管，其特征在于：在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置海水进口连接同一海水进水阀出口、在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置浓海水排放口连接同一浓海水排放阀进口、在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置淡水出口连接海水淡水逆流换热管淡水进口，在同一水平面拼排的多个太阳能海水淡化装置由同一个水位控制器控制水位，构成一个太阳能海水淡化模块，多个太阳能海水淡化模块拼在一起具有大规模太阳能热量转换、海水蒸发冷凝、潜热回收制水功能，各个太阳能海水淡化模块的水位不同或相同，海水罐进口连接经海水预处理后的来水口，海水罐出口连接海水淡水逆流换热管海水进口，海水罐的水位高于全部太阳能海水淡化模块的水位，实现自流补充海水，全部太阳能海水淡化模块的海水进水阀进口连接海水淡水逆流换热管海水出口，全部太阳能海水淡化模块的淡水出口连接海水淡水逆流换热管淡水进口，海水淡水逆流换热管淡水出口连接淡水罐，淡水罐的位置低于全部太阳能海水淡化模块的位置，保证淡水自动流入淡水罐，全部太阳能海水淡化模块的浓海水排放阀出口连接排水管和排水泵，控制系统由控制中心、抽水泵控制器、水位控制器、海水进水阀控制器、浓海水排放阀控制器及其连接线组成，控制中心连接抽水泵控制器以及全部太阳能海水淡化模块的水位控制器、海水进水阀控制器、浓海水排放阀控制器，控制中心根据海水预处理工序需要通过抽水泵控制器控制抽水泵开或关，水位控制器测得水位数据反馈到控制中心，控制中心根据水位数据通过海水进水阀控制器控制海水进水阀开或关，控制中心根据水位数据通过浓海水排放阀控制器控制浓海水排放阀开或关，以各太阳能海水淡化模块的水位为控制基准，实现海水供给、各太阳能海水淡化模块的海水补充、浓海水排放及淡水收集的自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种模块化太阳能海水淡化工艺，其特征在于：所述太阳能海水淡化模块是采用中国专利202010101204.X作为太阳能海水淡化装置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种模块化太阳能海水淡化工艺，其特征在于：所述太阳能海水淡化装置的波浪板是在金属板上表面覆盖黑色光热材料层，黑色光热材料层将太阳能转换成热能加热金属板，在金属板下表面覆盖吸水材料层，金属板在水面以上，吸水材料层部分在水面以上，吸水材料层部分浸入水面以下，将水从水面吸到金属板下表面并使水吸热蒸发成蒸汽。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种模块化太阳能海水淡化工艺，其特征在于：所述太阳能海水淡化装置的蒸汽流动通道由一根置于海水蒸发罐罐底两端封闭的水平管及多根垂直于水平管的垂直管连通而成，一根垂直管分布在波浪板的一个波峰内，垂直管顶端是蒸汽进口。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的一种模块化太阳能海水淡化工艺，其特征在于：所述太阳能海水淡化装置的波浪板由一块金属板折成或冲压而成，太阳能海水淡化装置的海水蒸发罐罐底与两个端面盖板由一块金属板折成或冲压而成，波浪板纵向与海水蒸发罐罐底铆接或焊接，波浪板横向与两个端面盖板焊接，海水蒸发罐的高度缩减为零。