CN113149105A - 一种基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于辐射制冷‑相变蓄冷的浮式海水淡化装置，包括：集热蒸发模块，用于吸收太阳辐射，使水分蒸发；辐射制冷模块，用于通过红外辐射的方式提供冷量，将所述集热蒸发模块蒸发的水分冷凝成液体；漂浮除盐模块，用于将整个装置浮在水面，并将水分提升至集热蒸发模块，同时利用重力除盐，并收集经辐射制冷模块冷凝的液体；相变蓄冷模块，用于在夜间蓄存所述辐射制冷模块获取的冷量，并在白天释放储存的制冷量用于蒸汽冷凝。本发明提供了一种低成本的浮式太阳能蒸汽发生/辐射制冷冷却的海水淡化装置，充分利用昼夜辐射制冷量提高海水淡化效率，漂浮式设计使得该装置无需占用陆地面积，重力除盐无需定期清洗，实现完全被动式海水淡化。
Description
技术领域
本发明涉及一种海水淡化装置，特别是涉及一种具有蓄冷能力的浮式海水淡化装置。
背景技术
调查显示，全球三分之一人口受到淡水短缺影响。考虑到太阳的巨大能量，将其用之于淡化海水是解决淡水紧缺的有效途径之一。目前，利用光学器件集热的方法得到了广泛应用，如CN201810731256.8、CN201910291514.X等利用光学仪器聚焦光线进行水分蒸发。然而，光学器件集热方式初始投资大，不适用于发展中地区。被动式界面太阳能蒸汽发生器(Interfacial Solar Steam Generation,ISSG)由于运行简单可靠，适用范围广，热量损失小，近年来广受关注，但其目前仍存在太阳能与蒸发潜热能量难以匹配、效率较低、盐分处理困难等诸多问题。
CN110118344 A使用太阳能真空管，能够较为有效地利用太阳热量进行水分蒸发，具有较快的热响应速度，提高了蒸汽发生效率。然而，该装置缺乏有效冷凝环节，在运行一段时间后，由蒸发器蒸发出来的水蒸气冷凝在真空管上，使其太阳光透过率降低，影响了装置后续运行效果。
为了解决界面太阳能蒸汽发生器缺乏有效冷凝环节的现状，CN109607648 A公开了一种利用辐射制冷冷却的太阳能蒸汽发生器，将辐射制膜贴在冷凝室，为装置提供了冷量，在一定程度上提高了装置后续的运行效率。但是该装置同样存在不足：在需要蒸汽发生的白天，由于太阳光照强，辐射制冷功率低，制冷效果不佳，而在不需要冷量的夜晚，辐射制冷量高，需求与供给存在时间不匹配。
为了解决上述界面太阳能蒸汽发生器存在的一系列问题，本发明将辐射制冷、相变材料和太阳能界面蒸发器结合，提出一种基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，能够更有效地强化冷凝侧的冷凝效率。同时，装置浮在水面上，极大地减少了用地面积，适合大规模推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种海水淡化装置，捕捉太阳能作为蒸汽发生的能源，底部吸水设计基于顺浓度差流动的原理进行被动式除盐，既可以满足海水提升的要求，也达到了去除海水蒸馏后所剩下的盐分的效果。解决了现有技术中存在的蒸馏系统中光学系统昂贵、盐分无法及时排除的问题。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，包括：
集热蒸发模块，用于吸收太阳辐射，使水分蒸发；
辐射制冷模块，用于通过红外辐射的方式提供冷量，将所述集热蒸发模块蒸发的水分冷凝成液体；
漂浮除盐模块，用于将整个装置浮在水面，并将水分提升至集热蒸发模块，同时利用重力除盐，并收集经辐射制冷模块冷凝的液体；
相变蓄冷模块，用于在夜间蓄存所述辐射制冷模块获取的冷量，并在白天释放储存的制冷量用于蒸汽冷凝。
所述辐射制冷模块为具有光谱选择性辐射制冷功能的表面材料，贴于所述相变蓄冷模块上表面。
所述相变蓄冷模块包括盒体以及存储于盒体内的相变材料，在相变蓄冷模块盒体的外表面贴附所述辐射制冷模块。
所述集热蒸发模块外有第一保温层，所述第一保温层位于集热蒸发模块与相变蓄冷模块之间；所述相变蓄冷模块外设有第二保温层，所述第二保温层位于相变蓄冷模块两侧。
在所述漂浮除盐模块内部设有可拆卸的储水槽，用于水分收集。
所述相变蓄冷模块的盒体内壁设置有肋片，用于强化换热。
所述漂浮除盐模块下方附有定向装置，使得装置具有定向性，在水面可以最大化吸收太阳辐射。
所述集热蒸发模块，由太阳光谱高发射率材料制成，其表面设置了狭缝阵列，作为蒸发槽。
所述漂浮除盐模块包括吸水层和隔热层；所述吸水层位于所述隔热层上方；在所述隔热层设置有将海水引入所述吸水层的吸水通道。
所述吸水层为能够吸收热量和水分的亲水性纤维素织物层；所述隔热层由聚苯乙烯泡沫塑料段和纤维素织物段交替构成，所述纤维素织物段形成所述吸水通道。
所述辐射制冷模块，其角度越接近水平，制冷量越高。所述相变蓄冷模块，能够在夜间吸收辐射制冷材料制取的冷量，在白天将冷量释放，用于在集热模块中产生的水蒸气的冷凝。
所述漂浮除盐模块，最上层是一层亲水性纤维素织物，能够吸收热量和水分，在亲水织物的下方是隔热结构，它由交替层的聚苯乙烯泡沫塑料和纤维素织物构成。聚苯乙烯能够限制用于表面水蒸发的热量向下散失。纤维素织物可以把水吸到集热蒸发模块，同时把高浓度的盐离子扩散到水中。
所述漂浮除盐模块下方附有定向装置，使的装置具有定向性，在水面可以最大化吸收太阳辐射。
所述太阳能蒸汽发生器，其整体工作原理为，装置放置于水面上，水通过聚苯乙烯泡沫塑料中穿插的毛细管利用毛细力被吸到亲水性纤维素织物中。集热板将吸收的太阳热量传递到织物层中，使织物中的水分蒸发，盐分浓度上升，盐分会向浓度低的方向扩散，实现了自动去盐。蒸发后的水蒸气由装置结构引导进入冷凝区域，在冷凝面经过与疏水表面充分换热进行珠状冷凝，顺表面滑入储水装置，实现淡水收集。相变材料吸收疏水表面的热量释放潜热而发生相变。辐射制冷模块位于相变材料盒的表面，分为夜间和日间两种工作模式，在日间的主要作用是防止太阳辐射对相变材料盒的加热导致冷量流失和提供少部分冷量；到夜间辐射制冷模块的制冷量增大，同时没有水的蒸发量，此时将其产生的冷量以潜热形式储存于相变材料中。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明耦合了辐射制冷-相变蓄冷过程，能够平抑辐射制冷功率昼夜波动问题，使得辐射制冷量得到更充分地利用，实现被动式冷凝；同时，漂浮除盐模块中的定向设备可帮助装置最大化吸收太阳辐射；良好的产水率可以使得缺水地区有很好的水分来源，特别是沿海地带，海岛区域，可以得到广泛地运用；理论上，装置规模越大，则经济效率越高，可以实现大规模被动式海上蒸馏淡水采集系统。
附图说明
图1为辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置的结构示意图；
图2为辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置的保温结构示意图；
图3为集热蒸发模块和漂浮除盐模块示意图；
图4为漂浮除盐模块原理示意图；
图5为相变蓄冷模块示意图；
图6为辐射制冷模块表面发射率波谱图；
图7为装置运行原理图；
图8为装置运行传热过程模拟效果图；
其中：1为辐射制冷模块，2为相变蓄冷模块，21为盒体，22为肋片，23为盒腔，3为漂浮除盐模块，31为黑色纤维素织物层，32为亲水性纤维织物层，33为隔热结构，331为聚苯乙烯泡沫塑料，4为集热蒸发模块，41为集热蒸发板，42为狭缝阵列，5为定向模块，6为第一保温层，7为第二保温层，8为水槽；9为导流板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步介绍。
本具体实施方式公开了一种基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，如图1所示，包括辐射制冷模块1，辐射制冷模块1贴在相变蓄冷模块2之上，集热蒸发模块4连接漂浮除盐模块3，定向模块5安装在漂浮除盐模块3下方。
辐射制冷模块1为具有光谱选择性辐射制冷功能的表面材料，贴于相变蓄冷模块2的上表面。辐射制冷模块由低成本的高分子复合薄膜组成，具有如图6所示的表面发射率波谱图。其工作原理为，辐射表面在8-13μm“大气窗口”的发射率高，以尽可能多地辐射热量至外太空，而在其他波段的反射率较高，尽可能少地吸收周围环境的热辐射。
辐射制冷模块1能够尽可能多地辐射热量至外太空。由于辐射制冷夜间功率大，白天功率小，因此夜间将其制冷量储存于相变蓄冷模块2中，用于白天产生的水蒸气的冷凝。
相变蓄冷模块2由相变材料和盒体组成，相变材料存储于盒体之中，在相变蓄冷模块盒体的外表面贴附薄膜辐射表面。盒体由上盒盖21和下盒箱22组成，考虑到相变材料的导热性较差，在上盒盖21和下盒箱22上设置有肋片24，增强系统的导热性能，见图5。盒腔23内填充有相变蓄冷材料。集热蒸发模块4，包括由太阳光谱高发射率材料制成的集热蒸发板41，在集热蒸发板41的表面设置了狭缝阵列42，作为蒸发槽。蒸发出来的水蒸气经过相变蓄冷模块2冷凝后经导流板9流下，存储在图1的水槽10(可拆卸)中。水槽10可从漂浮除盐模块中拆卸。集热蒸发模块4连接于漂浮除盐模块上表面。
漂浮除盐模块3，用于将整个装置浮在水面，并将水分提升至集热蒸发模块4，同时利用重力除盐，并收集经辐射制冷模块2冷凝的液体。漂浮除盐模块3与集热蒸发模块4相连接，如图4所示。其最上层是黑色纤维素织物层31，能够吸收热量和水分。中间层为亲水性纤维织物层32。在亲水性纤维织物的下方是隔热结构33，它由包覆在纤维织物内的不相互间隔开的聚苯乙烯泡沫塑料331构成。聚苯乙烯泡沫限制用于表面水蒸发的热量向下散失。纤维织物可以把水吸到集热蒸发模块，同时把高浓度的盐离子扩散到水中。
为了使装置发挥出理想的性能，该装置设有保温结构，如图2所示：第一保温层6位于集热蒸发模块与相变蓄冷模块之间；第二保温层7位于相变蓄冷模块两侧。
使用COMSOL软件对模型整体进行二维传热过程模拟，模拟装置在太阳功率Psolar＝1000W的情况下，装置的受热情况如图8所示。可以从图中发现，集热蒸发模块表面温度可达60℃～70℃，而下部的漂浮除盐模块则起到了良好的隔热效果，使热量集中用于水蒸气蒸发，符合预期设计要求。
Claims (10)
1.一种基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，包括：
集热蒸发模块，用于吸收太阳辐射，使水分蒸发；
辐射制冷模块，用于通过红外辐射的方式提供冷量，将所述集热蒸发模块蒸发的水分冷凝成液体；
漂浮除盐模块，用于将整个装置浮在水面，并将水分提升至集热蒸发模块，同时利用重力除盐，并收集经辐射制冷模块冷凝的液体；
相变蓄冷模块，用于在夜间蓄存所述辐射制冷模块获取的冷量，并在白天释放储存的制冷量用于蒸汽冷凝。
2.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述辐射制冷模块为具有光谱选择性辐射制冷功能的表面材料，贴于所述相变蓄冷模块上表面。
3.根据权利要求1或2所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述相变蓄冷模块包括盒体以及存储于盒体内的相变材料，在相变蓄冷模块盒体的外表面贴附所述辐射制冷模块。
4.根据权利要求3或4所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述集热蒸发模块外有第一保温层，所述第一保温层位于集热蒸发模块与相变蓄冷模块之间；所述相变蓄冷模块外设有第二保温层，所述第二保温层位于相变蓄冷模块两侧。
5.根据权利要求2所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，在所述漂浮除盐模块内部设有可拆卸的储水槽，用于水分收集。
6.根据权利要求3所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述相变蓄冷模块的盒体内壁设置有肋片，用于强化换热。
7.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述漂浮除盐模块下方附有定向装置，使得装置具有定向性，在水面可以最大化吸收太阳辐射。
8.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述集热蒸发模块，由太阳光谱高发射率材料制成，其表面设置了狭缝阵列，作为蒸发槽。
9.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述漂浮除盐模块包括吸水层和隔热层；所述吸水层位于所述隔热层上方；在所述隔热层设置有将海水引入所述吸水层的吸水通道。
10.根据权利要求9所述的基于辐射制冷-相变蓄冷的浮式海水淡化装置，其特征在于，所述吸水层为能够吸收热量和水分的亲水性纤维素织物层；所述隔热层由聚苯乙烯泡沫塑料段和纤维素织物段交替构成，所述纤维素织物段形成所述吸水通道。
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