CN113087049A - 一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置 - Google Patents

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黄璐
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Abstract

本发明涉及利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，包括加热腔室、海水腔室、疏水膜和淡水取得室，疏水膜的两侧分别布置海水腔室和淡水取得室，海水腔室靠近疏水膜的一侧具有开口，淡水取得室靠近疏水膜的一侧具有开口；加热腔室作为热源与海水腔室之间形成热传导，海水腔室内的海水中加入海水纳米流体。有益效果是：在膜蒸馏的基础上利用纳米流体技术，消除膜蒸馏中存在的温度极化现象，使得产水效果提高；利用低品位余热推动相变蒸发产水及动电效应发电过程，提高了能源利用率。

Description

一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置
技术领域
本发明涉及海水淡化及清洁能源领域，尤其涉及一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置。
背景技术
目前，全球范围内仍有许多地区，面临严重的清洁淡水资源短缺问题。海水淡化是获得清洁淡水资源的一个有效方法。海水淡化成熟应用的技术包括反渗透法、多级闪蒸和多效蒸馏法，但是这些方法的共同点是需要利用大量的能源，且不能利用广泛存在的低品位热能资源，投资比较大。
目前，消除膜蒸馏温度极化的方法主要有膜表面修饰、加强循环流动、膜自加热。膜表面修饰需要比较贵重的化学药品，消耗较大。而加强循环流动、膜表面自加热都需要投入额外的能源才能实现，降低了能源利用率。
在目前利用低品位余热进行膜蒸馏海水淡化的系统中，尚未发现将膜蒸馏技术与纳米流体技术相结合，并且目前存在的膜蒸馏技术，难以避免地要面对温度极化的问题，温度极化会导致疏水膜表面温度降低，提供给海水蒸发的能量减少，能量利用率降低，如：CN111908539A公开了一种利用太阳能进行海水淡化的方法，但并没有考虑到消除温度极化。因此，设计一套能够消除温度极化的膜蒸馏海水淡化系统十分重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，包括加热腔室、海水腔室、疏水膜和淡水取得室，疏水膜的两侧分别布置海水腔室和淡水取得室，海水腔室靠近疏水膜的一侧具有开口，淡水取得室靠近疏水膜的一侧具有开口；加热腔室作为热源与海水腔室之间形成热传导，海水腔室内的海水中加入海水纳米流体。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，加热腔室布置于海水腔室背离疏水膜的一侧，加热腔室与海水腔室共壁。
进一步，加热腔室与海水腔室所共的壁为导热隔板。
进一步，还包括冷却腔室，冷却腔室作为冷源与淡水取得室之间形成热传导。
进一步，冷却腔室上设有冷却剂进口管和冷却剂出口管。
进一步，加热腔室上设有加热剂进口管和加热剂出口管。
进一步，还包括入口管，入口管的出口端穿过加热腔室后通入海水腔室中。
进一步，海水纳米流体的成分包含金属纳米颗粒、海水和分散剂。
进一步，疏水膜通过海水腔室和淡水取得室夹装固定，疏水膜与海水腔室之间以及疏水膜与淡水取得室之间均装设垫圈。
进一步，淡水取得室的底部设有淡水引出管。
本发明的有益效果是：
工作时，携带低品位余热的加热剂(即某种热流体)从加热剂进口管流入加热腔室内，由加热剂出口管流出，海水由入口管流入，加热剂将热量传给入口管中的海水，以及通过加热腔室将热量传递给海水腔室中的海水，海水中掺混有海水纳米流体，海水纳米流体中的纳米颗粒一方面会进行布朗运动等不规则运动，对海水形成扰动，形成微对流，从而加强对流换热效果以及质量传递，同时纳米颗粒也作为无数个微小的热源，从主流吸热区运动到疏水膜表面附近放热，进一步加强了热量从加热腔室到疏水膜表面的传递过程；另一方面，由于金属纳米颗粒的导热系数远远高于海水，纳米颗粒的加入，使得海水的热物理性质改变，海水与纳米颗粒形成纳米流体，导热系数有所提高；海水受热在疏水膜的表面蒸发，水蒸气与盐分杂质分离，通过疏水膜受冷却腔室中冷却剂的冷却作用，在淡水取得室中冷凝为淡水；
由于加热剂至疏水膜的传热系数得到提高，换热增强，使得疏水膜表面温度相比于普通的膜蒸馏过程，更加接近加热剂的温度，疏水膜表面的海水受热更加充分，同时，微对流的存在加强了水分子的从主流吸热区到疏水膜的传递过程，从而在传热传质两方面加快了蒸发速率；
在膜蒸馏的基础上利用纳米流体技术，消除膜蒸馏中存在的温度极化现象，使得产水效果提高；利用低品位余热推动相变蒸发产水及动电效应发电过程，提高了能源利用率。
附图说明
图1为本发明所述利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、加热腔室，110、加热剂进口管，120、加热剂出口管，2、海水腔室，3、疏水膜，4、淡水取得室，410、淡水引出管，5、冷却腔室，510、冷却剂进口管，520、冷却剂出口管，6、入口管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，包括加热腔室1、海水腔室2、疏水膜3和淡水取得室4，疏水膜3的两侧分别布置海水腔室2和淡水取得室4，海水腔室2靠近疏水膜3的一侧具有开口，淡水取得室4靠近疏水膜3的一侧具有开口；加热腔室1作为热源与海水腔室2之间形成热传导，海水腔室2内的海水中加入海水纳米流体。
实施例2
如图1所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
加热腔室1布置于海水腔室2背离疏水膜3的一侧，加热腔室1与海水腔室2共壁，通常情况下，加热腔室1可以处于海水腔室2背离疏水膜3的一侧，当然，并不排除处在其他侧，共壁状态下，加热腔室1内的加热剂可以通过所共的壁将热量传导至海水腔室2内的海水中。
实施例3
如图1所示，本实施例为在实施例2的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
加热腔室1与海水腔室2所共的壁为导热隔板，可以提升热传导效率。加热腔室1与导热隔板之间以及海水腔室2与导热隔板之间设置垫圈，通过垫圈实现密封。
海水腔室2除顶面之外的其他面均采用低导热系数绝热、耐腐蚀材料制造，海水腔室2的顶面采用导热材料封装；加热腔室1除顶面之外的其他面均采用低导热系数绝热材料制造，加热腔室1的顶面采用导热材料封装。
实施例4
如图1所示，本实施例为在实施例1～3任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置还包括冷却腔室5，冷却腔室5作为冷源与淡水取得室4之间形成热传导。
冷却腔室5布置于淡水取得室4背离疏水膜3的一侧，冷却腔室5与淡水取得室4共壁，通常情况下，冷却腔室5可以处于淡水取得室4背离疏水膜3的一侧，当然，并不排除处在其他侧，共壁状态下，冷却腔室5内的冷却剂可以通过所共的壁吸收淡水取得室4内液体的热量。
冷却腔室5与淡水取得室4所共的壁为导热隔板，可以提升热传导效率，冷却腔室5与导热隔板之间以及淡水取得室4与导热隔板之间设置垫圈，通过垫圈实现密封。
淡水取得室4除顶面之外的其他面均采用低导热系数绝热、耐腐蚀材料制造，淡水取得室4的顶面采用导热材料封装；冷却腔室5除顶面之外的其他面均采用低导热系数绝热材料制造，加热腔室1的顶面采用导热材料封装。
实施例5
如图1所示，本实施例为在实施例4的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
冷却腔室5上设有冷却剂进口管510和冷却剂出口管520，通过冷却剂进口管510可以向冷却腔室5内供给冷却剂，而通过冷却剂出口管520，则方便将冷却腔室5内的冷却剂排出。
实施例6
如图1所示，本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
加热腔室1上设有加热剂进口管110和加热剂出口管120，通过加热剂进口管110可以向加热腔室1内供给加热剂，而通过加热剂出口管120，则方便将加热腔室1内的加热剂排出。
实施例7
如图1所示，本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置还包括入口管6，入口管6的出口端穿过加热腔室1后通入海水腔室2中。
实施例8
如图1所示，本实施例为在实施例1～7任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
海水纳米流体的成分包含金属纳米颗粒、海水和分散剂，海水纳米流体采用两步法制作，采用市场上成熟的金属纳米颗粒，与一定比例的海水直接混合，之后添加一定比例的分散剂进行辅助分散，获得混合液，然后将所获得的混合液放入超声波振动仪中进行超声振动一段时间，待金属纳米颗粒分散均匀后，即获得所述的海水纳米流体。
实施例9
如图1所示，本实施例为在实施例1～8任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
疏水膜3通过海水腔室2和淡水取得室4夹装固定，疏水膜3与海水腔室2之间以及疏水膜3与淡水取得室4之间均装设垫圈，疏水膜3的尺寸略小于垫圈的尺寸，使得该处能密封完全，疏水膜3采用PTFE疏水膜，PTFE疏水膜是一种具有较强疏水性、较高孔隙率、较好的机械强度、且已经实现商业化生产的常见的疏水膜，成本低廉，视情况也可选用市场上其他相似的产品，如PVDF疏水膜等。
实施例10
如图1所示，本实施例为在实施例1～9任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：
淡水取得室4的底部设有淡水引出管410。
工作时，携带低品位余热的加热剂(即某种热流体)从加热剂进口管110流入加热腔室1内，由加热剂出口管120流出，海水由入口管6流入，加热剂将热量传给入口管6中的海水，以及通过加热腔室1与海水腔室2之间的导热隔板将热量传递给海水腔室2中的海水，海水中掺混有海水纳米流体，海水纳米流体中的纳米颗粒一方面会进行布朗运动等不规则运动，对海水形成扰动，形成微对流，从而加强对流换热效果以及质量传递，同时纳米颗粒也作为无数个微小的热源，从吸热区运动到疏水膜3表面附近放热，进一步加强了热量从加热腔室1到疏水膜3表面的传递过程；另一方面，由于金属纳米颗粒的导热系数远远高于海水，纳米颗粒的加入，使得海水的热物理性质改变，海水与纳米颗粒形成纳米流体，导热系数有所提高；海水受热在疏水膜3的表面蒸发，水蒸气与盐分杂质分离，通过疏水膜3受冷却腔室5中冷却剂的冷却作用，在淡水取得室4中冷凝为淡水，在重力作用下，通过淡水引出管410引出得到淡水；冷却剂由冷却剂进口管510流入冷却腔室5，并从冷却剂出口管520流出，维持冷却腔室5的较低温度，从而使得冷却腔室5对淡水取得室4进行冷却，使淡水取得室4室中的蒸汽得到冷凝。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，包括加热腔室(1)、海水腔室(2)、疏水膜(3)和淡水取得室(4)，所述疏水膜(3)的两侧分别布置所述海水腔室(2)和所述淡水取得室(4)，所述海水腔室(2)靠近疏水膜(3)的一侧具有开口，所述淡水取得室(4)靠近疏水膜(3)的一侧具有开口；所述加热腔室(1)作为热源与所述海水腔室(2)之间形成热传导，所述海水腔室(2)内的海水中加入海水纳米流体。
2.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述加热腔室(1)布置于所述海水腔室(2)背离疏水膜(3)的一侧，所述加热腔室(1)与所述海水腔室(2)共壁。
3.根据权利要求2的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述加热腔室(1)与所述海水腔室(2)所共的壁为导热隔板。
4.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，还包括冷却腔室(5)，所述冷却腔室(5)作为冷源与所述淡水取得室(4)之间形成热传导。
5.根据权利要求4的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述冷却腔室(5)上设有冷却剂进口管(510)和冷却剂出口管(520)。
6.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述加热腔室(1)上设有加热剂进口管(110)和加热剂出口管(120)。
7.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，还包括入口管(6)，所述入口管(6)的出口端穿过加热腔室(1)后通入海水腔室(2)中。
8.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述海水纳米流体的成分包含金属纳米颗粒、海水和分散剂。
9.根据权利要求1的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述疏水膜(3)通过所述海水腔室(2)和所述淡水取得室(4)夹装固定，所述疏水膜(3)与所述海水腔室(2)之间以及所述疏水膜(3)与所述淡水取得室(4)之间均装设垫圈。
10.根据权利要求1～9任一项的一种利用纳米流体消除温度极化的海水淡化装置，其特征在于，所述淡水取得室(4)的底部设有淡水引出管(410)。
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