CN111960494A - 一种基于cpc的免追踪聚光集热脱盐系统 - Google Patents

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Abstract

该发明提出了一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，主要由集热系统，预热系统，蒸发冷凝系统组成。其中集热系统主要包括导热油箱、CPC阵列、强制循环泵、管道等；预热系统主要包括海水箱、换热器、真空管集热器等；蒸发冷凝系统主要包括蒸馏器、冷凝器、淡水收集槽等结构，装置各部件之间由管道连接。CPC集热器加热导热油在蒸发器中通过蜂窝状紫铜盘管与海水进行换热，海水温度迅速升高甚至沸腾蒸发，水蒸气通过气液分离器在冷凝器中冷凝收集得到淡水。装置通过充分利用蒸汽冷凝潜热减少热损，同时联合真空管集热器对海水进行两级预热，提高蒸发速率；装置采用盐水与集热系统分离的方式进行海水淡化，有效解决集热器直接通入海水的结构问题，有效保护系统使用寿命，减少维修成本。

Description

一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统
技术领域
该发明设计了一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，属于太阳能中温热利用领域。
背景技术
地球上水资源丰富，海水覆盖面积高达70.8%，总水量为1.4×109km3,但是其中97%以上的水资源中含有大量的矿物质，盐度高达30000－45000ppm，不能直接饮用或者灌溉，而且剩余的3%淡水资源中，有其3/4是在寒带或者地球两级的冰川中，其余从分布的特征上来看，大部分存在于地下水中，所以淡水资源短缺成为一个全球性的问题。随着社会经济及技术发展需求，淡水资源的矛盾将会更加突出，海水淡化技术的发展迫在眉睫。
目前，海水淡化主要有热法和膜法两种，热法可以分为低温多效蒸馏法（LT-MED）和多级闪蒸法（MSF），膜法主要有反渗透法（RO）和电渗析法（ED）。
太阳能驱动海水相变的过程一般分为直接法和间接法两种，直接法即直接利用太阳能加热海水蒸馏，间接法即使用聚热集能装置收集太阳热量驱动海水蒸发或使用太阳能光伏发电间接驱动海水淡化。
本发明采用免聚光CPC集热器将低能流密度的太阳光线收集起来加热导热油，导热油与海水间接换热用于热蒸馏法海水淡化，属于间接法太阳能海水淡化。
发明内容
该发明的利用CPC的聚光集热原理，加热导热油，热油进入蒸发系统充分与换热器盘管经过充分接触换热，与换热盘管表面的海水换热使其温度升高甚至到沸腾，加快了海水在蒸馏系统的蒸发速率,减少了热损，提高制水效率。
一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，主要由集热系统，预热系统，蒸发冷凝系统组成，其中集热系统主要包括导热油箱、CPC阵列、强制循环泵、管道等；预热系统主要包括海水箱、换热器、真空管集热器等；蒸发冷凝系统主要包括蒸馏器、冷凝器、淡水收集槽等，蒸馏器主要包括蜂窝状盘管、液面控制器、气液分离器等结构，装置各部件之间用管道连接。该发明通过CPC将低能流密度的太阳光集中起来，间接用于驱动海水蒸发收集得到淡水。
所述的集热系统CPC阵列由多组免追踪抛物面聚光器连接得到，在使用过程中CPC只需要根据季节调整角度，不需要复杂的追踪系统。
所述的导热油在CPC阵列中循环流动，可将其加热到200℃以上高温用于蒸发系统。
所述的预热系统主要部件是真空管集热器和沉浸式蛇管换热器，真空管集热器为常见太阳能热水器结构，晴天条件可将水加热到60℃以上，换热器外壳由不锈钢+玻璃棉+不锈钢材料制成，紫铜管环绕成蛇形沉浸在换热器内部。
所述的蒸发冷凝系统系统由不锈钢+玻璃棉+不锈钢材料制成蒸馏器腔壁，具有较好的保温性能。
所述的蜂窝状盘管以紫铜材料制成，将紫铜外管壁制成粗糙的蜂窝状，增大导热油与海水的接触面积。
所述的气液分离器主要部件是气液分离膜，只允许水蒸气通过，防止蒸馏室内小液滴通过管道进入冷凝器。
所述的液面控制器采用连通器原理，用于控制蒸馏室内待蒸发海水液面高度调控其待蒸发海水热容量。
所述的冷凝器为长度1m以上的冷凝管，以海水为循环水进行冷凝，同时蒸汽冷凝潜热被充分利用与预热海水。
本发明相较于其他的太阳能海水淡化系统，通过海水预热、蒸发室改进、CPC利用等方式，有效提高太阳能利用效率。
附图说明
附图1为装置系统图，如图中所示：A—集热系统 B—预热系统 C—蒸发冷凝系统1—导热油箱 2—CPC阵列 3—强制循环泵 4—管道 5—海水箱 6—换热器 7—真空管集热器 8—蒸馏器 9—冷凝器 10—淡水收集槽 11—冷凝水进口 12—浓盐水出口。
附图2为蒸发器示意图，如图中所示：8-1 热海水进口 8-2 导热油进口 8-3 蜂窝状盘管 8-4 导热油出口 8-5 液面控制器 8-6 气液分离器8-7 蒸发室。
具体实施方式
本发明提出了一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，以下将通过结合附图，对该装置的具体实施方式做出详细说明。
如附图所示，主要由集热系统（A），预热系统（B），蒸发冷凝系统（C）组成，其中集热系统主要包括导热油箱（1）、CPC阵列（2）、强制循环泵（3）、管道等（4）；预热系统主要包括海水箱（5）、换热器（6）、真空管集热器（7）等；蒸发冷凝系统主要包括蒸馏器（8）、冷凝器（9）、淡水收集槽（10）等，蒸馏器主要包括蜂窝状盘管（8-3）、液面控制器（8-5）、气液分离器（8-6）等结构，装置各部件之间由管道连接。运行过程主要分为以下几步（以下步骤同时进行，不分先后）。
1. 聚光集热过程。在有太阳辐射的晴朗天气，CPC阵列（2）暴露在阳光下，太阳光线照射到CPC集热器（1）表面，聚集到内部的管道中，导热油自油箱（1）由强制循环泵（3）泵入集热器内部热管加热，温度迅速升高到100℃以上。
2. 预热过程。在晴朗天气下，真空管集热器（7）吸收热量，加热热水器中的水到60℃以上，热水自热水器流经换热器（6内部空间回到集热器（7），如此循环。海水通过海水箱（5）自由进入换热器（6），在蛇形紫铜盘管中与热水进行充分换热，被加热的海水自热海水进口（8-1）进入蒸馏器（8）待蒸发。
3. 水蒸发过程。通过集热系统（A）加热的导热油流经管道自导热油进口（8-2）进入蒸发器（8），热油在蜂窝状紫铜盘管（8-3）中循环，与预热后的海水充分换热，海水温度迅速升高甚至达到沸腾变为水蒸气，在此过程中，通过液面控制器（8-5）控制蒸发室内部的待蒸发海水高度，甚至以薄层形式存在，减少待蒸发海水热容量。导热油经盘管后自导热油出口（8-4）流出，在强制循环泵（3）作用下回到CPC阵列（2），如此不断循环。
4.气液分离过程。经换热蒸发的蒸汽充满蒸发室（8-7）内部，在压力作用下通过气液分离器（8-6）到达冷凝器，浓盐水自出口（12）流出被收集处理。
5. 冷凝收集过程。经过冷凝器（9）的水蒸气被冷凝后在淡水收集槽（10）中被收集。同时，未被预热的海水自冷凝水进口（11）进入冷凝器作为冷凝水被第一次预热回到换热器（6）二次预热，充分利用蒸汽冷凝潜热。

Claims (5)

1.一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，其特征在于，主要由集热系统（A），预热系统（B），蒸发冷凝系统（C）组成，其中集热系统主要包括导热油箱（1）、CPC阵列（2）、强制循环泵（3）、管道等（4）；预热系统主要包括海水箱（5）、换热器（6）、真空管集热器（7）等；蒸发冷凝系统主要包括蒸馏器（8）、冷凝器（9）、淡水收集槽（10）等，蒸馏器主要包括蜂窝状盘管（8-3）、液面控制器（8-5）、气液分离器（8-6）等结构，装置各部件之间由管道连接，通过免追踪CPC集热器、充分利用蒸汽潜热、原海水预热等方式，达到提高了产淡水效率的目的。
2.根据权利要求1中所述的一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，其特征在于，CPC一年只需调四次角度，不需要复杂追踪系统，降低了系统成本和装置的运行维护费用，同时CPC加热导热油间接用于海水淡化，防止集热器内部结构问题。
3.根据权利要求1中所述的一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，其特征在于，蒸发式室中采用蜂窝状紫铜盘管，导热系数较大且换热面积增大，大大提高换热效率。
4.根据权利要求1中所述的一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，其特征在于，在冷凝系统中，采用原海水为冷凝水，对海水进行第一次预热，蒸汽潜热得到充分利用，使系统效率提高，减少热损。
5.根据权利要求1中所述的一种基于CPC的免追踪聚光集热脱盐系统，其特征在于，采用潜热预热、热水预热两级对海水多级预热，且在蒸发室中采用液面控制器控制其待蒸发海水热容量，能够提高初始海水温度同时进一步提高蒸发效率。
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CN113562800A (zh) * 2021-07-06 2021-10-29 云南师范大学 一种余热多效利用的太阳能蒸汽系统
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