CN111943299B

CN111943299B - 一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置及方法

Info

Publication number: CN111943299B
Application number: CN202010698137.4A
Authority: CN
Inventors: 王璐; 郑宏飞; 马兴龙; 金日辉
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: CN111943299A

Abstract

本发明公开了一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置，属于太阳能利用和水处理技术领域。主要装置包括太阳能集热器、蒸发器、冷凝器、水泵、淡水收集槽、保温水箱、防溅盖。首先利用自然真空的原理使蒸发器内形成低压空间，然后由水泵输送的冷海水先流经冷凝器，回收水蒸气凝结潜热的同时对水蒸气进行冷凝，继续流经太阳能集热器被加热后进入第二个保温水箱内。当第一个保温水箱水流尽时内部形成真空，通过吸气管道可吸取蒸发器内的不凝性气体，接着换成第二个保温水箱向蒸发器供水。这样让两个水箱交替的进行充水和吸气，同时采用海水循环淡化的工作方式，可降低不凝性气体对海水蒸发的不利影响，保证了系统可连续高效的产出淡水。

Description

一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置及方法

所属技术领域

本发明公开了一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置及方法，属于太阳能利用和水处理技术领域。

背景技术

传统的海水淡化技术如反渗透，热蒸馏，电渗析或它们的组合都会消耗大量的不可再生能源，这会对环境造成不利影响。因此，利用太阳能进行海水淡化正日益成为一个有吸引力的选择。除此之外，在适当的真空条件下的低温蒸发可以提高蒸发器的效率，因为蒸发温度会随着压力的降低而降低，对热源温度要求也较低，可以减少水垢的形成。然而使用真空泵制造真空成本较高，而且容易使泵体内润滑油混入液态水，降低润滑油的散热能力甚至使真空泵受到损害。自然真空利用一个大气压可托起10m高水柱的原理，可在水柱上方形成真空环境。因此，将自然真空海水淡化技术与太阳能相结合是一种低成本、易于控制和产水稳定的方法。但由于海水在蒸发过程中，氧气、氩气和二氧化碳等不凝性气体会和水蒸气一起溢出，这会使蒸发器内的压力升高，进而使海水的饱和温度升高，导致使用自然真空的淡化系统不能连续运行，引起产水速率的降低。

为了解决这些矛盾，本发明提出了了一种连续运行的多级自然真空海水淡化装置及方法，可用于解决孤岛或者沿海地区居民的淡水需求问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置。该装置结构简单紧凑，可降低产水成本；对热源要求较低，可使用太阳能或者工业废热作给进料盐水加热；不仅充分利用水蒸气的凝结潜热，还实现了高温盐水热量的梯级利用，提高了太阳能的利用效率；蒸发器内部可一直维持一个较低的压力，降低了蒸发温度，提高了淡水产量。

一种可连续运行的自然真空太阳能海水装置，主要装置包括：太阳能集热器、蒸发器、冷凝器、淡水收集槽、水泵、阀门、支撑板、防溅盖、流量控制器。

连接关系：蒸发器底部离地高度为10米，内部海水入口端装有防溅板，防止高温海水进入低温蒸发器后发生闪蒸而飞溅到淡水收集槽上污染水质；海水出口端有排水管道与海平面相连通。在蒸发器上方安装有两个保温水箱，水箱与蒸发器之间连有供水管道和吸气管道，水箱顶部还装有排气管道。冷凝器安装在蒸发器内部，冷凝器进口安装有流量控制器和电动调节阀，出口与太阳能集热器相连接。冷凝器下方装有淡水收集槽，淡水收集槽有倾斜角，方便收集凝结的淡水使其通过淡水管道流向淡水水箱。

本发明所采用的技术方案如下：首先使用水泵给蒸发器和第一个保温水箱内注满海水，然后打开阀门将蒸发器内水放净使其内部形成真空条件。接下来使水箱内的热海水在重力作用下流入蒸发器内，同时打开水泵开关开始供水，进料海水流经冷凝器冷却水蒸气，吸收水蒸气的凝结潜热，然后经过太阳能集热器加热后流进第二个水箱中。由于蒸发器处于真空状态，对应的海水饱和温度降低，热海水进入蒸发器后会立刻蒸发，产生的水蒸气被冷凝器冷凝产生淡水，滴落在淡水收集槽上，淡水在重力的作用下经过管道进入到淡水储蓄箱中。

随着装置的运行，海水中的不凝性气体会不断溢出，导致蒸发器内压力升高，海水蒸发量减少。当第一个水箱的热海水流净时，其内部可以形成真空条件，此时可以打开吸气管道上的阀门，抽取蒸发器内的不凝性气体，使蒸发器内的压力降低，从而提高海水蒸发量。然后改由第二个水箱的热海水流入蒸发器内进行蒸发，而让太阳能加热的热水流入第一个水箱内，此时水箱中不凝性气体将随着热海水的流入被顶到海洋里。通过流量控制器的调节，可以使第一个水箱水放完的时间等于第二个水箱蓄满水的时间。这样让两个水箱交替的进行充水和抽气，可间歇性地吸取蒸发器的不凝性气体，保证了装置可以连续地产水。同时采用海水循环的工作方式，使海水中不凝性气体含量在淡化过程中不断减少，可以使装置压力上升幅度减小，进一步降低了不凝性气体对淡化过程的不利影响。

本发明的有益效果：

(1)利用自然真空的方法在蒸发器内部形成负压，使流入海水在40℃左右就可以蒸发产生淡水，产水条件有保障。

(2)海水在淡化过程中能够利用水蒸气凝结时释放的气化潜热，热利用效率高。

(3)蒸发器上方的两个保温水箱在放水结束后可间歇性地吸取蒸发器内的不凝性气体，取代真空泵进行抽气，维持了蒸发器内部的真空度，保证了装置可以连续的产生淡水。

(4)蒸发器与冷凝器一体化设计，结构简单可靠，运行和维护费用低，占地面积少，使用寿命长，产水性能可靠。

附图说明

图1为本发明含有外置水箱的单级淡化装置。

图2为本发明蒸发器内部的剖面图。

图3为本发明含有外置水箱的两级淡化装置。

图4为本发明含有内嵌水箱的结构示意图。

其中，1-太阳能集热器；2a、2b、2c、2d-三通阀门；3a、3b-保温水箱；4-吸气管道；5-蒸发器；6-冷凝器；7-流量控制器；8-淡水收集槽；9a、9b、9c-电磁阀；10-蒸发槽；11-支撑板；12-防溅盖；13-浓海水排水管道；14-供水水泵；15-排气管道；16-海水水箱；17-淡水管道；18-淡水水箱

具体实施方式

对下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

如附图1和2所示，本发明提供了一种可以连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置，装置主要包括：太阳能集热器1、保温水箱3a和3b、蒸发器5、冷凝器6、淡水收集槽8、支撑板11、防溅盖12、供水水泵14、海水水箱16、淡水水箱18。其中蒸发器5安装在离地高度10米左右，内部安装有螺旋管式冷凝器6；冷凝器进口管道与海水给水箱连接，其上装有供水水泵14，出口端与太阳能集热器相连；具有V形张角的淡水收集槽安装在冷凝器6下方，底部由支撑板11固定；蒸发器上方1m处安装有保温水箱3a和保温水箱3b，两个保温水箱与蒸发器之间连接有吸气管道4，在保温水箱顶部与海平面之间还装有排气管道15；在蒸发器内热海水进口处安装有半球形防溅盖12，防止热海水进入低压空间发生爆沸而飞溅；蒸发器与海水水箱16通过浓海水排水管道13连接；蒸发器与淡水水箱18之间通过淡水管道17连接。

工作过程如下：首先制造蒸发器内部真空条件。打开水泵14、三通阀门2a、2c、2d的开关，给蒸发器5和保温水箱3a充满海水，此时蒸发器和水箱内的空气将从排气管道15排入到海洋里。然后关闭其它阀门开关，只打开阀门9a开始放出蒸发器内的海水,根据一个大气压可以托起10米高水柱的原理，在蒸发器内形成真空环境。当蒸发器内的海水流净后，打开水泵15开关进行供水，冷海水先流经螺旋管式冷凝器6，对水蒸气进行冷凝，同时吸收蒸汽的凝结潜热，然后被预热的冷海水流经太阳能集热器1进入到水箱3b中。同时打开三通阀门2d，让水箱3a内的热海水在重力作用下流入到蒸发器，由于此时蒸发器内压力很低，流入的海水会迅速蒸发产生水蒸气。被冷凝器凝结的淡水流入到淡水管道17里，最后汇集到淡水水箱18中，流量控制器7可根据要求控制进水流量。

海水在蒸发过程中会溢出氧气、氩气和二氧化碳等不凝性气体，使蒸发器内压力逐渐升高，水的饱和温度也随之升高，导致蒸发量的减少，因此需要抽取这些不凝性气体。当保温水箱3a的热海水流净后，调整三通阀2a和三通阀2d相应的开关，改由保温水箱3b的热海水流入到蒸发器5内。此时保温水箱3a为真空状态，打开三通阀门2b和三通阀门2c，让保温水箱3a抽取蒸发器5内的不凝性气体，这样可使蒸发器5内的压力降低，提高海水的蒸发量。当抽气完成后，调节三通阀2a的开关，再次让热海水流入到保温水箱3a中，此时保温水箱3a中的不凝性气体会通过排气管道15被顶到海洋中。而此时保温水箱3b内的热海水已经流净，换为保温水箱3b进行抽气。这样让保温水箱3a和保温水箱3b交替的进行充水和抽气，可间歇性地降低蒸发器5的压力，保证了装置可以连续的产水。同时采用海水循环的工作方式，使海水中不凝性气体含量在淡化过程中不断减少，可以使装置压力上升幅度减小，进一步降低了不凝性气体对淡化过程的不利影响。

如图3所示的一个实施例中，水箱下方为两级自然真空海水淡化装置，当上一级被蒸馏的浓海水温度还比较高时，可以流入第二级蒸发器内继续蒸发，这样可以使被蒸发海水的显热得到充分利用，提高了能量利用效率和产水量。

如图4所示的一个实施例中，内嵌水箱19安装在蒸发器5内部，内嵌水箱外缠绕有冷凝器6。水泵在充水过程时冷海水被分流，一部分流经冷凝器6，另一部分流到内嵌水箱中，这样可使内嵌水箱在蓄水过程对蒸发器内水蒸气进行冷凝，提高了冷凝面积，增加了淡水产量。当内嵌水箱19蓄满水后，打开阀门9a放水其内部可形成自然真空，然后再打开吸气管道上的阀门可吸取蒸发器内的不凝性气体，如此交替的吸气和充水，可实现稳定的产水。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可连续运行的自然真空太阳能海水淡化装置，其特征在于，主要部件包括：太阳能集热器（1）、第一保温水箱（3a）、第二保温水箱（3b）、蒸发器（5）、冷凝器（6）、淡水收集槽（8）、支撑板（11）、防溅盖（12）、供水水泵（14）、海水水箱（16）、淡水水箱（18）；其中蒸发器（5）的离地高度不低于10米，内部安装有冷凝器（6）；冷凝器（6）进口管道与海水水箱（16）连接，其上装有供水水泵（14），出口端与太阳能集热器（1）相连；具有V形张角的淡水收集槽（8）安装在冷凝器（6）下方，底部由支撑板（11）固定；蒸发器（5）上方安装有第一保温水箱（3a）和第二保温水箱（3b），水箱与蒸发器（5）之间连接有吸气管道（4），吸气管道（4）的吸气管口安装在蒸发器（5）左侧中下方；在第一保温水箱（3a）和第二保温水箱（3b）顶部与海平面之间还装有排气管道（15）；在蒸发器（5）内热海水进口处安装有防溅盖（12）；蒸发器（5）与海水水箱（16）通过浓海水排水管道（13）连接；蒸发器（5）与淡水水箱（18）之间通过淡水管道（17）连接；

装置抽取不凝性气体的过程为：当第一保温水箱（3a）的热海水流净后，调整第一三通阀门（2a）和第四三通阀门（2d）相应的开关，改由第二保温水箱（3b）的热海水流入到蒸发器（5）内；此时第一保温水箱（3a）为真空状态，打开第二三通阀门（2b）和第三三通阀门（2c），让第一保温水箱（3a）抽取蒸发器（5）内的不凝性气体，这样可使蒸发器（5）内的压力降低，提高海水的蒸发量；当抽气完成后，调节第一三通阀门（2a）的开关，再次让热海水流入到第一保温水箱（3a）中，第一保温水箱（3a）中的不凝性气体会通过排气管道（15）被顶到海洋中，而此时第二保温水箱（3b）内的热海水已经流净，换为第二保温水箱（3b）进行抽气；第一保温水箱（3a）和第二保温水箱（3b）交替的吸取蒸发器（5）内的不凝性气体，使装置能够维持一个高的真空度。