CN113184941A - 一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,属于太阳能聚光集热和水处理技术领域。装置包括聚光透镜、反光板、吸热器及多级布置的亲水材料和冷凝板等结构。太阳光线经聚光透镜聚光和反光板的反射后,被下方的吸热器吸收转化为热能,加热亲水材料内的海水。水蒸气穿过疏水膜,遇到冷凝板时被凝结为淡水,同时释放出潜热加热下一级亲水材料内的海水。通过多次蒸发和冷凝,实现了对水蒸气潜热的多次回收和利用。本发明将聚光组件和海水淡化组件集成为一个整体,省却了换热管路的安装,具有结构紧凑、产水效率高的优点。
Description
所属技术领域
本发明属于太阳能聚光集热和水处理技术领域,具体涉及一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置。
背景技术
水资源短缺已经成为制约人类社会经济发展的主要限制因素。膜蒸馏海水淡化可以利用40-80℃的低品位热源,是一种低能耗的淡化方法,利用太阳能驱动的膜蒸馏海水淡化技术是缓解水资源短缺的有效途径之一。膜蒸馏海水淡化技术是一种采用疏水排气膜,同时利用膜两侧水蒸气压差作为驱动力的分离技术。由于膜的疏水性,进料海水不能通过膜,从而达到气液分离的效果,对于海水中的非挥发性组分可以达到100%的理论截留率。与其他膜分离技术相比,膜蒸馏具有操作条件简单、分离效率高、废水回收率高和耗能低的优点。
然而目前利用太阳能驱动的膜蒸馏技术还存在以下缺陷:(1)太阳能集热装置与膜蒸馏装置彼此独立,需要建立冗长的管路来输送热量,这会大大增加建设面积,同时使传热损失增加。(2)水蒸气凝结时释放的潜热没能有效利用,而是直接散失到周围环境,限制了淡水产量的提高。(3)进料热海水的热容量太大,限制了蒸发温度的升高,降低了蒸发效率。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置。太阳能聚光集热组件和膜蒸馏组件一体化布置,收集的太阳光可直接加热海水,省却了供热管路的安装,因此装置的体积更加紧凑,热损失更小。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
本发明提供一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,包括:太阳能集热组件、多级膜蒸馏组件和换热器;太阳能集热组件包括聚光透镜,反光板,吸热器,聚光腔,透光板及次级反光板;反光板上端与聚光透镜密封连接,下端与透光板密封连接;吸热器上端与透光板密封连接,下端与次级反光板密封连接,由此构成一个封闭的聚光腔。
进一步的,多级膜蒸馏组件包括壳壁、疏水膜、亲水材料、冷凝板、淡水收集槽和冷凝腔;所述壳壁与聚光透镜密封连接;所述冷凝板紧贴于亲水材料的下方,所述亲水材料紧贴于疏水膜的下方;淡水收集槽安装于壳壁的内壁面,用于收集凝结的水滴。
进一步的,亲水材料是由多孔吸水材料构成的薄层,可以让流经的海水形成液膜,亲水材料的进水口与出水口与海水管道相连接。
进一步的,壳壁下端包裹有保温棉,上端暴露于环境中,用于凝结最后一级冷凝腔内的水蒸气。
工作原理:聚光透镜对太阳光线聚焦,次级反光板将聚集的光线反射到下方聚光腔内,二次反光板再将光线反射给吸热器,吸热器吸收聚集的太阳光线转化为高温热能。进料海水经换热器预热后分成不同流道进入亲水材料内,由于亲水材料内部含有微小的多孔结构,在毛细力作用下使海水分布更加均匀,以此形成液膜,减小了海水热容量。最下级亲水材料内的海水被吸热器加热,产生的水蒸气透过疏水膜,遇到低温冷凝板被凝结为淡水,同时释放出潜热加热下一级亲水材料内的海水。热能被自下至上逐级利用,直到壳壁凝结最后一级冷凝腔内的水蒸气。凝结出的淡水水滴在重力作用下汇入淡水收集槽中,被输出供用户使用。
本发明产生的有益效果:本发明结构紧凑,可直接利用聚集的太阳光线来加热海水,省去了换热管路的安装和水泵的使用,减少了安装成本,结构简单紧凑,有益于大规模、工业化的推广;本发明可以将低能量密度的太阳光反射聚集形成高能量密度的光斑,实现了顺向反射聚焦,这样接收面不会阻碍到聚光镜的聚光面积,有利于吸热面对太阳光线的吸收与转化;海水以液膜的形式被加热,可以极大地提高蒸发效率,避免了因海水热容量较大带来的热损失;可充分利用水蒸气凝结时的气化潜热,有效提高了淡水产量和能量利用效率。
附图说明
图1为本发明的结构图;
图2为本发明的纵截面结构图;
图3为本发明的立体效果图;
图4为本发明使用抛物面聚光镜的实施例图;
图5为本发明装置整体为棱柱形的实施例图。
其中,1-聚光透镜;2-壳壁;3-水蒸气;4-疏水膜;5-亲水材料;6-冷凝板;7-反光板:8-吸热器;9-聚光腔;10-透光板;11-次级反光板;12-保温棉;13-淡水收集槽;14-冷凝腔;15-海水管道;16-换热器;17-节流阀;18-水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如附图1、2和3所示,一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,包括:太阳能集热组件、多级膜蒸馏组件、换热器(16)。太阳能集热组件包括聚光透镜(1)、反光板(7)、吸热器(8)、聚光腔(9)、透光板(10)和次级反光板(11)。反光板(7)上端与聚光透镜(1)密封连接,下端与透光板(10)密封连接。吸热器(8)上端与透光板(10)密封连接,下端与次级反光板(11)密封连接,由此构成一个封闭的聚光腔(9)。多级膜蒸馏组件包括壳壁(2)、疏水膜(4)、亲水材料(5)、冷凝板(6)、淡水收集槽(13)和冷凝腔(14)。壳壁(2)与聚光透镜(1)密封连接;冷凝板(6)紧贴于亲水材料(5)的下方,亲水材料(5)紧贴于疏水膜(4)的下方;淡水收集槽(13)安装于壳壁(2)的内壁面,用于收集凝结的水滴。亲水材料(5)是由多孔吸水材料构成的薄层,可以让流经的海水形成分布均匀的液膜,亲水材料的进水口与出水口与海水管道(15)相连接。壳壁(2)下端包裹有保温棉(12),上端暴露于环境中,用于凝结最后一级冷凝腔(14)内的水蒸气。
工作原理:聚光透镜(1)对太阳光线聚焦,反光板(7)将聚集的光线反射到下方聚光腔(9)内,二次反光板(11)再将光线反射给吸热器(8),吸热器(8)吸收太阳光线并转化为热能。进料海水经换热器(16)预热后分成不同流道进入亲水材料(5)内,由于亲水材料(5)内部含有微小的多孔结构,在毛细力作用下使海水分布更加均匀,以此形成液膜,减小了海水热容量。最下级亲水材料(5)内的海水被吸热器(8)加热,产生的水蒸气(3)透过疏水膜(4),遇到低温冷凝板(6)被冷凝为淡水,同时释放出潜热加热下一级亲水材料(5)内的海水。凝结出的淡水水滴在重力作用下汇入淡水收集槽(13)中。
在图4所示的实施例中,使用抛物面聚光镜(19)代替反光板,这样可以使光线得到二次聚焦,提高了装置对太阳光的聚光效率。
在图5所示的实施例中,聚光透镜(1)为平面式,所有部件采用平板材料制造,装置外观为棱柱型,这样可以使装置加工和安装更为简便,同时也方便运输与维护。
由此,本发明中具体实施方式的描述,并非是对本发明的构思和范围进行限定,在不脱离本发明技术方案前提下,本领域普通技术人员对技术方案所做出的任何变形和改进将仍属于本发明的保护范围。。
Claims (3)
1.一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,包括:太阳能集热组件、多级膜蒸馏组件和换热器(16);所述太阳能集热组件包括聚光透镜(1),反光板(7),吸热器(8),聚光腔(9),透光板(10)及次级反光板(11);所述反光板(7)上端与聚光透镜(1)密封连接,下端与透光板(9)密封连接;所述吸热器(8)上端与透光板(10)密封连接,下端与次级反光板(11)密封连接,由此构成一个封闭的聚光腔(9)。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,所述多级膜蒸馏组件包括壳壁(2)、疏水膜(4)、亲水材料(5)、冷凝板(6)、淡水收集槽(13)和冷凝腔(14);所述壳壁(2)与聚光透镜(1)密封连接;所述冷凝板(6)紧贴于亲水材料(5)的下方,所述亲水材料(5)紧贴于疏水膜(4)的下方;所述淡水收集槽(13)安装于壳壁(2)的内壁面,用于收集凝结的水滴;所述壳壁(2)下端包裹有保温棉(12),上端暴露于环境中,用于凝结最后一级冷凝腔(14)内的水蒸气。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型聚光多级膜蒸馏海水淡化装置,其特征在于,吸热器(8)可以将被聚集的太阳光线转换为热能,加热亲水材料(5)内的海水,产生的水蒸气(3)穿过疏水膜(4)然后被冷凝板(6)凝结为淡水,同时释放出凝结潜热加热下一级亲水材料(5)内的海水,热能从下至上被多次回收利用,提高了能量利用效率。
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