CN114538551B - 一种薄膜蒸发单元以及太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜蒸发单元，包括蒸发区和补水区，两区域通过管道相互联通，换热管形成通过所述壳体的路径，该路径包括至少一个通过所述壳体的通路；流体入口位于所述壳体的底部；流体分配器连接到所述流体入口并位于所述壳体的底部和所述换热管之间，流体分配器具有面向所述壳体的底部的开口。下层压膜组件包括海绵多孔介质，上层压膜组件包括纳米多孔氧化石墨烯薄膜。本发明设计了一种新式结构的环路热管太阳能集热器，采用光能蒸发膜，节能环保高效，提高了太阳能的利用效率，达到环保节能的效果。

Description

一种薄膜蒸发单元以及太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能海水淡化系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10¹⁸kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小(每平方米约一千瓦)，而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

淡水资源短缺而需求日益增长成为近一个世纪人类面临的一个非常重要的问题，因此，从废水、咸水、地面、海水等可替代资源中获取淡水资源是十分必要的。由于地球上97％的水都是海水，所以海水淡化技术在解决这个问题是非常有应用前景的。现如今比较常见的商业化太阳能海水淡化方式结构复杂，而且对高品位能消耗严重。

基于太阳能分布的广泛性以及无差别性，太阳能蒸馏器能为偏远和干旱地区的缺水提供解决方案；同时，也能实现模块规模产业化。太阳能蒸馏器具有结构简单、成本低廉、可就地取材、维护成本低等诸多特点。然而，由于太阳能蒸馏器产水消耗时间长、效率低，日生产能力约2-3L/m²，热效率约30％，所以太阳能蒸馏器通常不被使用。相应的，本领域亟需做出进一步的改善或改进，以便更好地实现高效利用太阳能来驱动水蒸发并加速冷凝，以满足现代干净的饮用水的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高效聚焦型太阳能海水淡装置，能够降低成本，从而有效的利用太阳能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种薄膜蒸发单元，其包括：壳体、换热管、流体入口、流体分配器，换热管位于所述壳体内并延伸在所述两端之间，换热管形成通过所述壳体的路径，该路径包括至少一个通过所述壳体的通路；流体入口位于所述壳体的底部；流体分配器连接到所述流体入口并位于所述壳体的底部和所述换热管之间，流体分配器具有面向所述壳体的底部的开口。

一种薄膜蒸发单元，包括蒸发区和补水区，两区域通过管道相互联通，由补水区向蒸发区进行补水，蒸发区包括有机玻璃罩、外壳组件、压膜组件和纳米多孔氧化石墨烯薄膜，外壳组件为三层，从下往上，第一层为薄膜蒸发单元中蒸发区与补水区共用的底座中的蒸发区的部分，第二层为底座之上，第二层壳体内侧分为两个部分，下方部分内径小，上方部分内径大，用于放置压膜组件，第三层外壳设置在第二层外壳之上，与第二层外壳密封连接，起到对蒸发区整体的固定和气密性的保证，有机玻璃罩的边部嵌入到第二层和第三层外壳之间，压膜组件设置在第二层外壳组件上，包括下层压膜组件和上层压膜组件，下层压膜组件包括海绵多孔介质，上层压膜组件包括纳米多孔氧化石墨烯薄膜。

作为优选，第一层放置金属多孔介质，金属多孔介质通过毛细吸力将水从介质下部吸到上部。

作为优选，第二层壳体中部开有排水孔，孔外接冷凝水收集管路，内侧与排冷凝水环最低点对齐。

作为优选，压膜组件的上方设置有排水环，排水环包括水平壁和竖直壁，其中水平壁设置在滤纸压片，竖直壁设置在水平壁内侧并且向上延伸，从而使得排水环的截面形成L形。

作为优选，所述出水口设置在竖直壁相对的外壳上。

一种太阳能海水淡化装置，包括薄膜蒸发单元、自动供水单元、气体控制单元和后处理单元，所述自动供水单元向薄膜蒸发单元供海水，在薄膜蒸发单元中蒸发产生水蒸气，所述水蒸气输出到后处理单元，所述气体控制单元包括真空泵和鼓气机，所述控制系统控制真空泵和鼓气机之间切换，通过真空泵实现海水蒸发的真空环境，然后当海水淡化运行到需要进行排废水时候，鼓气机输入空气，向外排出废水，所述的薄膜蒸发单元是前面所述的薄膜蒸发单元。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1.装置利用半球形双层有机玻璃罩顶端、补水箱顶端和为蒸发区抽真空及排出冷凝水的电磁阀7前部的管路用透明软管收集水蒸汽；利用接收排水环冷凝水的管路收集冷凝水，其优势是实现气液两相多重收集。

2.在双层有机玻璃罩最内侧粘贴了PDMS薄膜，并且在薄膜上刻蚀了宽度和深度均为 0.5mm的矩形微槽道，其优势是使得水滴合并速度加快，从而有利于释放表面空间，利于水蒸气进一步凝结同时表面换热系数高，能保证水蒸气持续冷凝且表面流阻小，有利于液滴滑落与移除，提高取水量。

3.采用了纳米多孔氧化石墨烯薄膜，多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且相比惰性的石墨烯表面，孔的存在促进了物质运输效率的提高。同时，氧化石墨薄烯的灵活性和成本，比单层石墨烯更具有潜在优势。氧化石墨烯薄膜的独特性质使其成为过滤或脱盐领域的最佳候选膜。此装置采用的其优势是多孔氧化石墨烯薄膜兼具了上述优点，是一个集高效节能于一体的优秀的净水新材料。

4.采用光能蒸发膜，节能环保高效。氧化石墨烯作为一种高效稳定的光热转换材料，其优势是可以将低品位、分散不连续的太阳能转换成高品位的热能，以便最大限度地利用太阳能。本装置能够充分吸收太阳能产生的热，将水迅速地变成水蒸气，实现液相与气相的分离从而达到净水效果。

5.本发明通过在真空条件下，其产生的热将水迅速地变成水蒸气，将其冷凝净化以达到饮用标准，在需要排废水的术后，通过鼓气机将废水排空，实现海水淡水以及废水排放的智能切换功能，进一步促进废水排放以及通过空气的吹入实现蒸发区的除垢作用。

6.本发明装置核心区域蒸发区中有机玻璃罩采用半球形双层内抽真空设计，采用该设计的优势是可保持蒸发罩内的温度，提升水的蒸发效率。

7、在蒸发操作前对装置薄膜蒸发单元抽真空，使该单元内气压降低，降低水的沸点。其优势是运用真空蒸发原理，使水的蒸发速率得到进一步提升。

8.将半球形双层有机玻璃罩顶端、补水箱顶端和为蒸发区抽真空及排出冷凝水的电磁阀 7前部的管路用透明软管连接，采用该设计的优势是使蒸发区和补水区中气体压强始终保持一致，在两区域利用连通器原理进行补水时，由补水区进入蒸发区的水流流速稳定。

9.PLC控制系统分为自动控制与手动控制两种运行方式，其优势是可以既满足正常运行时的简便全自动操作需求又可根据特殊工况及特殊需求手动调整操作，且操作方式非常简洁易上手。

10.装置体积小，便于搬运，整体体积为800*500*500毫米，占地面积约为0.4平方米，能够实现应用范围广泛，包括船上远距离运行。

11.装置全天运行状况下每日耗电2.056度。当采用太阳能电池板为装置供电时，可做到无需外接电源。装置单位产水价格与市面其他产品相比便宜1～3元。

12、充分利用船上烟气余热来加热补水箱，实现热能的充分利用。

13、提出了一种新的均温装置，通过在在烟气管内设置引流板，使得气体一部分沿着引流板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的气体充分混合，从而实现气体的温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

附图说明

图1是太阳能海水淡化装置的产品主要部件结构示意图

图2-1，2-2，2-3是太阳能海水淡化系统内部构造图

图3是薄膜蒸发单元模型图

图4为本发明薄膜蒸发单元剖面图；

图5为本发明有机玻璃罩的外观示意图；

图6为本发明压模组件示意图；

图7为本发明排冷凝水环结构示意图；

图8是本发明烟气管设置引流板的轴向切面图；

图9是本发明烟气管设置引流板的尺寸示意图。

图10是每层设置1块引流板的立体示意图。

图11是每层设置3块引流板的立体示意图。

图12是太阳能海水淡化装置的产品实物图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1展示了本装置实际产品主要部件的结构示意图。如图1所示，海水经过接头3，经过前处理过滤芯进行处理后，通过水泵2进入补水箱，然后通过补水箱进入蒸发区，在蒸发区进行蒸发，蒸发后形成的蒸汽进行冷凝后形成淡水进入储水箱储存。淡水经过水泵1，然后经过后处理滤芯进行过滤后，通过接头4进行利用。蒸发区的废盐水排到废水收集装置中。

作为优选，所述水泵2和补水箱之间设置电磁阀1，通过电磁阀1。补水箱设置在水泵上部，通过设置电磁阀1，防止已进入补水箱的水在重力作用下，向下反向回流至水泵，减轻水泵叶轮所受压力，提高水泵寿命。

作为优选，所述水泵1和储水箱之间设置电磁阀9，通过电磁阀9。电磁阀9的作用是： 1.防止进入储水箱的水在重力作用下，向下流至水泵，减轻水泵叶轮所受压力，提高水泵寿命。2通过控制电磁阀9的开闭，可控制排出装置储水箱中收集到的淡水的时间。

作为优选，蒸发区和废水收集装置之间设置电磁阀2，通过电磁阀2的开闭实现废水的排放。

本装置为基于光热转换及纳米多孔氧化石墨烯材料的太阳能真空海水淡化装置。装置基于机械系统和整体采用的PLC控制系统控制，可以实现平台自动运行。利用光热材料氧化石墨烯薄膜，充分吸收利用太阳能，在真空条件下，其产生的热将水迅速地变成水蒸气，将其冷凝净化以达到饮用标准。

进一步详细描述如下。如图1所示，所述太阳能海水淡化系统，包括薄膜蒸发单元、自动供水单元、气体控制单元和后处理单元，所述自动供水单元向薄膜蒸发单元供海水，在薄膜蒸发单元中蒸发产生水蒸气，所述水蒸气输出到后处理单元，所述气体控制单元包括外接真空泵和外接鼓气机，所述控制系统控制真空泵和鼓气机之间切换，通过真空泵实现海水蒸发的真空环境，然后当海水淡化运行到需要进行排废水时候，关闭真空泵，鼓气机输入空气，向外排出废水。本发明通过在真空条件下，其产生的热将水迅速地变成水蒸气，将其冷凝净化以达到饮用标准，在需要排废水的术后，通过鼓气机将废水排空，实现海水淡水以及废水排放的智能切换功能，进一步促进废水排放以及通过空气的吹入实现蒸发区的除垢作用。

薄膜蒸发单元蒸发原理为微纳米薄膜材料通过吸收光能与环境中的热能,转化为自身热量，并加热薄膜材料表面的水分子,使之不断转化为蒸汽。由于管路中存在气体浓度差，可实现蒸汽在管路中的自流动。

所利用的真空蒸发原理是指：在真空下进行的蒸发操作，即在低压下溶液的沸点降低且用较少的蒸汽蒸发大量的水分。利用该原理可有效降低溶液沸点，实现低温热源的利用，从而降低能耗。

如图3、4薄膜蒸发单元包括蒸发区和补水区，两区域通过管道相互联通，由补水区向蒸发区进行补水。补水区高度略高于蒸发区，从而保证薄膜蒸发区用水的充足以及薄膜表面的张力的稳定，以保证薄膜在蒸发过程中能够充分接触液面，更好的实现蒸发过程。作为优选，补水区到蒸发区的管路上接有控制流量大小的手动调节阀，通过手动或者自动调节流量的大小来保证试验区的水不会没过薄膜。

作为优选，所述蒸发区内设置水位计，用于测量蒸发区内水位，所述水位计与控制器进行数据连接，所述控制器根据水位计测量的水位自动控制阀门的开闭。

当水位计测量的水位达到薄膜的高度时，控制器控制阀门关闭，避免水位过高没过薄膜，当水位计测量的水位低于多孔介质的高度时，控制器控制阀门打开，避免水位过低，从而影响海水淡化效率。

作为优选，蒸发区包括有机玻璃罩、外壳组件、压膜组件。

作为优选，有机玻璃罩是双层半圆形圆弧形结构。有机玻璃罩采用“锅盖原理”，使得液化水能够直接沿着半圆形玻璃罩的内壁流下，从而防止水直接流下浸湿纳米多孔氧化石墨烯薄膜，影响蒸发速率。有机玻璃板采用高透光率有机玻璃板，放置于蒸发区顶部，达到光照条件的满足。同时，有机玻璃罩采用双层设计，两层有机玻璃中间已预先做抽真空处理，目的是隔热，防止蒸发区的热量经由有机玻璃罩散失到环境中，以收集到更多水蒸汽。

在双层有机玻璃罩最内侧粘贴了PDMS薄膜，并且在薄膜上刻蚀了宽度和深度均为0.5mm 的矩形微槽道，其优势是使得水滴合并速度加快，从而有利于释放表面空间，利于水蒸气进一步凝结同时表面换热系数高，能保证水蒸气持续冷凝且表面流阻小，有利于液滴滑落与移除，提高取水量。

作为优选，外壳组件为三层，层层叠加。从下往上，第一层为薄膜蒸发单元中蒸发区与补水区共用的底座中的蒸发区的部分。其用于放置金属多孔介质，金属多孔介质通过毛细吸力将水从介质下部吸到上部。第二层为底座之上，双层有机玻璃罩下方的圆柱形壳体。壳体中部开有一排水孔，孔外接冷凝水收集管路，内侧与排冷凝水环最低点对齐。壳体内侧分为两个部分，下方部分内径小，上方部分内径大，用于放置压膜组件。所述纳米多孔氧化石墨烯薄膜设置在多孔介质上部，用于将金属多孔介质吸上的水进行均匀扩散，同时充分吸收利用太阳能，在真空条件下，其产生的热将水迅速地变成水蒸气，第三层外壳设置在第二层外壳之上，与第二层外壳密封连接，起到对蒸发区整体的固定和气密性的保证。有机玻璃罩的边部嵌入到第二层和第三层外壳之间。作为优选，外壳组件的三层都做了隔热保温处理，防止膜上的热量以热传导的方式散失到外壳组件上。内部两层可进行拆卸，长时间工作后可对内部进行人工清理杂质，防止堵塞。

如图4、7所示，压膜组件设置在第二层外壳组件上，包括下层压膜组件和上层压膜组件，下层压膜组件包括海绵多孔介质，上层压膜组件包括纳米多孔氧化石墨烯薄膜。本申请采用了纳米多孔氧化石墨烯薄膜，多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且相比惰性的石墨烯表面，孔的存在促进了物质运输效率的提高。同时，氧化石墨薄烯的灵活性和成本，比单层石墨烯更具有潜在优势。氧化石墨烯薄膜的独特性质使其成为过滤或脱盐领域的最佳候选膜。此装置采用的其优势是多孔氧化石墨烯薄膜兼具了上述优点，是一个集高效节能于一体的优秀的净水新材料。采用光能蒸发膜，节能环保高效。氧化石墨烯作为一种高效稳定的光热转换材料，其优势是可以将低品位、分散不连续的太阳能转换成高品位的热能，以便最大限度地利用太阳能。本装置能够充分吸收太阳能产生的热，将水迅速地变成水蒸气，实现液相与气相的分离从而达到净水效果。

压膜组件的上方设置有排水环。如图7所示，排水环包括水平壁和竖直壁，其中水平壁设置在滤纸压片，竖直壁设置在水平壁内侧并且向上延伸，从而使得排水环的截面形成L形。所述出水口设置在竖直壁相对的外壳上。通过设置排水环，使得在有机玻璃上冷凝的水将会沿着管壁流下，并沿着排水环流入管道。作为优选，水平壁可以设置为倾斜壁，从而使得排水环设计有倾斜角度，可以防止存水漏水问题，使得液化水即刻流出蒸发区。

作为优选，出水口与排水环最低点相对。

作为优选，出水口同时也是出气口，出气口通过管路连接鼓气机。当需要进行输送空气的时候，则关闭出水口管路上的电磁阀7，打开出气口管路上的电磁阀，向内部吹气，吹起的作用是通过吹气使得蒸发区表面上污垢，同时将积水进一步吹走，使得计算产水量更加准确。作为优选，所述的海绵多孔介质下部的外壳组件上设置吹气口，同时第一层外壳组件下部设置废水出口。通过设置废水口，实现废水的排放。通过设置吹气口，能够进一步实现废水排放以及除垢效果。

作为优选，蒸发区底部设置海水浓度检测装置，用于检测海水的浓度，控制器根据检测的海水浓度自动控制排海水。如果测量的海水浓度超过一定数值，则控制器控制电磁阀2打开，蒸发区下部的废水出口打开，浓盐水经由废水出口排出。如果测量的海水浓度低于一定数值，则控制器控制循电磁阀2关闭。

作为优选，自动供水单元能够实现去海水的连续、稳定的输入，并根据蒸发过程中水位的变化实现输水速率的实时调整。

该自动供水单元通过与外部储水箱相连通，外部储水箱通过接头3连接前处理滤芯，实现对装置补水箱的供水。利用电磁阀实现对供水速度的控制以及供水功能的启停。利用压力传感器实时监测管路内部压力。利用装置水位计监视装置上部补水箱水位。利用补水箱实现已经过预处理的海水的储存，从而避免在供水过程由于水压的变化而对薄膜蒸发区中的蒸发环境产生影响。

该自动供水单元包括进水管路、外接储水箱、电磁阀1、压力传感器、水位感应器、前处理滤芯、水泵2。进水管路连接外接储水箱，外接储水箱通过接头3连接前处理滤芯，前处理滤芯连接水泵2，水泵2和前处理滤芯之间设置储水箱。水泵2和补水箱之间设置电磁阀1

该自动供水单元中的进水管路位于补水箱之前，且进水管路接口外引至外接储水箱箱体外部，用于外接水箱或直接连入水源；电磁阀安装于进水管路上，控制水泵抽取海水由初级过滤装置向储水箱的输入；压力传感器分别位于进水管路上，实时监测薄膜蒸发区压力的变化；利用水位计监视装置补水箱水位，判断蒸发区用水情况，再由电磁阀1开闭和水泵2启停控制补水箱水位，保证薄膜蒸发区用水的自动控制和水压的稳定。

气体控制单元通过外接真空泵与鼓气机的切换，完成真空环境模组与进气模组的转换。

真空环境控制模组能为装置内部进行抽真空处理，从而构建装置内部的真空环境。

该真空环境控制模组能为装置内部进行抽真空处理，为蒸发过程创造真空环境，实现真空蒸发原理的利用，排出装置内的空气，可有效增快蒸发速率。

该真空环境控制模组由真空泵实现对装置内部的抽真空处理；利用电磁阀控制真空泵与蒸发区的通断；利用压力真空传感器检测管路中的真空度，由此判断抽真空处理的进行程度。

本单元可实现的技术指标：装置内部真空度<1Pa。

如图1所示，真空环境控制模组包括电磁阀5、压力真空传感器、电磁阀7、电磁阀3、抽真空装置，优选真空泵。抽真空装置通过电磁阀5和电磁阀7连接蒸发区，储水箱连接到电磁阀5和电磁阀7之间的管路上，储水箱和电磁阀5、电磁阀7之间的管路上设置电磁阀3，压力真空传感器连接蒸发区，用于检测蒸发区的真空度。

作为优选，在装置运行前，电磁阀3、6关闭，电磁阀5、7打开，通过抽真空装置进行蒸发区抽真空。

作为优选，运行中，电磁阀5关闭，电磁阀7、3打开，使得冷凝水不断地排入到储水箱。当真空压力传感器检测的真空度达不到要求时，电磁阀5打开，抽真空装置进行抽真空操作。当真空压力传感器检测的真空度达到要求时，电磁阀5关闭，抽真空装置停止抽真空操作。

通过对储水箱和蒸发区抽真空，装置内部整体创造真空环境，包括对装置蒸发区抽真空和对储水箱抽真空。从而进一步提高海水淡化效率。

作为优选，在装置运行前，电磁阀7、6关闭，电磁阀3、5打开，通过抽真空装置进行储水箱抽真空。

压力真空传感器安装于真空环境控制单元与薄膜蒸发区单元之间的管路上，能够对管路内部的真空度进行实时监测，进而判断抽真空处理的进行程度，由此反馈至电磁阀5，控制真空泵与蒸发区的通断。优选外置真空泵由VRD-4双极旋片式真空泵、KF16×100真空波纹管组成，所用KF16×100真空波纹管为抽气管路，并连接装置内部管路接口。所用真空泵为 VRD-4双极旋片式真空泵，内置自动防反油阀，极限压强为0.5Pa，接口形式为KF16。真空泵放置于不与箱体接触的位置，可防止真空泵产生的震动对蒸发产生影响。由于蒸发介质为水蒸气，因此为防止污染真空规管，造成损坏，真空规管将置于真空泵口，所用真空规管测量范围为：

进气模组能够在一个工作周期开始前向装置内部鼓入干燥空气，保证蒸发过程中的产水量能被正确计量。

进气模组能够在一个工作周期结束后向装置内部鼓入干燥空气，保证蒸发过程中产生的水蒸气能够充分液化流出，保证废水能够全部排出。

该进气模组利用压气机装置向管路内鼓入干燥气体；利用冷凝器液化残留的水蒸气；利用出气口排出气体，利用电磁阀5控制压气机装置与装置内部的通断，以及出气口处装置与大气的连通。

所述收集测量单元能够进一步净化蒸发后的海水，使其达到饮用水的标准，同时获得薄膜材料的实时蒸发参数、平均蒸发参数。

后处理单元包括过滤装置，所述液化的水经过过滤装置进行处理。过滤装置依次包括PP 滤芯、树脂滤芯、RO逆渗透和活性炭，从而实现液化水的再次净化。PP滤芯实现杂质，胶体，大分子的过滤；树脂滤芯达到脱盐水，硬水变软水的作用；RO逆渗透实现去除离子，病菌；后置活性炭用于提高饮用水的口感。

如图1所示，后处理单元由储水箱、后处理滤芯、水泵1组成。蒸发装置的冷凝水进入后处理模块。储水箱通过管道连接电磁阀9，再经管道连接水泵1，最后和滤芯通过管道相连。

后处理装置输入管道与冷凝器管道连接，输出管道直接连接收集装置，输入管道末端与储水罐相连，储水罐出水口连接电磁阀9和水泵1，并由电磁阀9控制水泵管道开闭，水泵出水口连接滤芯保证液态水被后处理装置内的滤膜充分过滤并促使装置中的残留冷凝水排出。作为优选，后处理装置两侧管路处均采用VCR接头，便于拆卸后处理装置。

废水处理装置能够实现废水的排放，保证蒸发区内海水的密度。

在蒸发进行一定时间，优选5小时之后，整个装置会整体进行一个充气、排废水、抽真空、进水的一个循环，该单元利用充气之后减小内外压差，打开电磁阀从而利用重力效应来排干蒸发区的废水。

废水处理装置包括外接废水箱、电磁阀2和管路。电磁阀2位于蒸发区和外接废水箱之间，通过打开电磁阀2，装置蒸发区内的废水会因为自身重力而全部流入到外接废水箱中，打开进气模组，向装置内鼓气，促进装置内的残余废水排出。

在进行蒸发操作前需将装置通过真空环境控制模块进行真空处理降低水的沸点以保证蒸发效率。真空环境控制模组由电磁阀5、压力真空传感器、外置真空泵、管路组成。电磁阀5 安装于抽气管路上，能够控制真空泵与蒸发区的通断。压力真空传感器安装于真空环境控制单元与薄膜蒸发区单元之间的管路上，能够对管路内部的真空度进行实时监测，进而判断抽真空处理的进行程度，由此反馈至电磁阀5，控制真空泵与蒸发区的通断。外置真空泵由VRD-4 双极旋片式真空泵、KF16×100真空波纹管组成，所用KF16×100真空波纹管为抽气管路，并连接装置内部管路接口。所用真空泵为VRD-4双极旋片式真空泵，内置自动防反油阀，极限压强为0.5Pa，接口形式为KF16。真空泵放置于不与箱体接触的位置，可防止真空泵产生的震动对蒸发产生影响。由于蒸发介质为水蒸气，因此为防止污染真空规管，造成损坏，真空规管将置于真空泵口，所用真空规管测量范围为：1×10^-5～1×10⁵Pa

海水通过自动供水单元进入装置并向薄膜蒸发区补水区供水，自动供水单元通过与外部储水箱相连通，实现对装置水箱的供水。利用电磁阀实现对供水速度的控制以及供水功能的启停。利用压力传感器实时监测管路内部压力。利用装置右侧透明软管监视装置上部水箱水位。利用上部储水箱实现已经过预处理的海水的储存，从而避免在供水过程由于水压的变化而对薄膜蒸发区中的蒸发环境产生影响。

薄膜蒸发区包括蒸发区和补水区，两区域通过管道相互联通，由补水区向蒸发区进行补水。补水区高度略高于蒸发区，从而保证薄膜蒸发区用水的充足以及蒸发薄膜表面的张力的稳定，以保证蒸发薄膜在蒸发过程中能够充分接触液面，更好的实现蒸发过程。两区域连接管道：补水区到蒸发区的管路上接有控制流量大小的阀门，通过手动调节流量的大小来保证试验区的水不会没过薄膜。污水在蒸发区蒸发并在有机玻璃罩上冷凝，冷凝的水将会沿着罩壁流下，并沿着排水环流入管道。排水环设计有倾斜角度，可以防止存水漏水问题，使得液化水即刻流出蒸发区。

从蒸发区流出的冷凝水通过管道进入后处理单元，后处理装置输入管道与蒸发区管道连接，输出管道直接连接收集装置，输入管道末端与储水罐相连，储水罐出水口连接电磁阀9 和水泵1，并由电磁阀9控制水泵管道开闭，水泵出水口连接滤芯保证液态水被后处理装置内的滤膜充分过滤并促使装置中的残留冷凝水排出。后处理装置两侧管路处均采用VCR接头，便于拆卸后处理装置。

蒸发操作完成后的高浓度废水将通过废水处理模块排出，为进一步的无害化处理做准备。废水处理模块由外接废水箱、电磁阀2、管路构成。电磁阀2位于蒸发区和外接废水箱之间，通过打开电磁阀2，装置蒸发区内的废水会因为自身重力而全部流入到外接废水箱中，打开进气模组，向装置内鼓气，促进装置内的残余废水排出。

整个操作过程均可通过手动和自动两种操作方式进行，是装置可以根据实际污水种类进行调整，提高了装置对不同工作环境的适应性。同时为了进一步提升薄膜蒸发测试仪各模块间的协调性和灵活性等性能，以及解决手动操作效率低、人为误差较大等问题，我们选择了德国西门子公司生产的S7-200 SMART可编程PLC控制器做控制系统。利用PLC控制器带动电磁阀定时开关，充分结合PLC功能强大、编程简易、配套齐全、性能稳定、使用方便等特点，实现对各个蒸发阶段灵活控制。

作为一个改进，该海水淡化装置是设置在船舶上。该装置还可以利用船舶锅炉上的烟气余热。

烟气由主机排气管路旁路引出，过滤后通过鼓风机吹入补水箱，用于加热补水箱的热水。

作为优选，包括均温装置，所述均温装置设置在烟气进入补水箱的管路上。烟气通过设置在补水箱的多个换热管来加热补水箱中的水。通过提前预热补水箱中的水，可以提高水的温度，从而进一步提高海水淡化的效率。

作为优选，烟气从烟气管道输出多个管口，每个管口连接一根换热管。

均温装置如图8所示，所述烟气管道内设置从烟气管道内壁51向烟气管道中心延伸的引流板52，所述引流板52包括从内壁延伸的第一直线壁21和第二直线壁22，其中第一直线壁 21与内壁形成的锐角小于第二直线壁22与内壁形成的锐角，第一直线壁21和第二弯曲22 壁朝向气体流动方向延伸，第一壁直线21和第二直线壁22的交点23位于第一直线壁21与内壁51连接处的下游，同时位于第二直线壁22与内壁连接处的下游。引流板2的形状是第一直线壁21和第二直线壁22以及内壁沿着烟气管道轴线旋转形成的形状。

本发明提供了通过在在气体烟气管道内设置引流板，使得气体一部分沿着引流板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的气体充分混合，从而实现气体的温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。而且通过设置第二直线壁，而且第二直线壁的倾斜度小，使得从对面方向导流过来的气体也能沿着第二直线壁方向向上方向运动，增加缓冲，减少流动阻力。

本发明引流板分别设置第一直线壁和第二直线壁，通过设置两个直线壁，使得气体的扰动效果更好，而且使得引流板接触内壁的面积增加，增加了稳定性。

作为优选，交点23位置处第一直线壁21与烟气管道的轴线形成30-60°的夹角，优选夹角是45°。通过设置这一夹角，使得流体能够快速引导到对面的下游位置，而且还能进一步减少流动阻力。

作为优选，如图9所示，沿着气体的流动方向，烟气管道5内壁设置多层引流板2，相邻层的引流板错列分布。通过相邻排的引流板的错列分布，使得气体能够在烟气管道内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。例如图2、4、6展示的每层引流板设置一块，这一块的总弧度是150-180°。当然每层引流板可以设置多块，例如图5的每层设置三块的总弧度是150－180°。

作为优选，交点与烟气管道内壁的距离为烟气管道直径的0.3-0.5倍，优选0.4倍。通过这一设置使得空气在充分混合基础上较少流动阻力。

作为优选，第一直线壁的长度大于第二直线壁的长度。

作为优选，同一层的引流板与内壁连接的圆弧的总弧度是150－180°。通过这一参数设置保证在满足阻力要求的充分混合。例如图2展示的每层引流板设置一块，这一块的总弧度是150-180°。当然每层引流板可以设置多块，例如设置两块的总弧度是150－180°，或者设置四块，四块的总弧度是150－180°。

作为优选，A层引流板设置多块，A引流板之间设置间隔，A引流板等间隔设置，B层是 A层的相邻排，从流动方向观察，B层引流板设置在A层的间隔位置处。通过相邻层的引流板位置互补，能够使得气体能够在烟气管道内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。需要说明的，此处A层B层不是不是具体明确指定那一层，A、B仅仅是作为一个区别，将其作为相邻层进行区别。

作为优选，沿着气体的流动方向，烟气管道内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的分布密度越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置分布密度越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，引流板的分布密度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，烟气管道内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的尺寸越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置尺寸越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，烟气管道内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的尺寸越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

通过大量的数值模拟和实验研究发现，引流板的角度以及尺寸对于换热以及混合均匀具有很大的影响，引流板与内壁夹角偏小，会导致混合效果变差，而且导致引流板尺寸过大，影响流动阻力，夹角偏大，导致搅动流体效果不好，阻力变大，混合效果变差，引流板的间距过大，会导致扰流效果不好，间距过小会导致增加运动阻力，因此本申请通过大量的数据模拟和实验得到了最近的引流板结构尺寸优化关系。

作为优选，第一直线壁的长度L2，第二直线壁的长度L1，第一线与内壁的锐角是A2，第二线与内部的锐角是A1，沿着气体的流动方向上相邻引流板结构的间距S，即相邻引流板在内壁的中心点之间的距离，中心点就是第一直线壁、第二直线壁与内壁的连接点连线的中点，满足如下要求：

N＝a-b*Ln(M)，其中N＝(L1+L2)/S，M＝sin(A2)/sin(A1)；Ln是对数函数，

0.3125<a<0.3130，0.1268<b<0.1272；

作为优选，0.25<M<0.75,0.34<N<0.44,45<A1<75°，15<A2<65°,350<S<500mm， 70<L2<130mm，30<L1<90mm。

由上述各式可以进行引流板结构的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，a＝0.3128，b＝0.1270。

在数据模拟以及实验中发现，引流板之间的间距必须大于一定距离，否则会导致流体通过上一个引流板引导到对面方向，但是如果引流板之间的间距过小，会导致气体在对面流动，还没充分充满整个管道，此时设置引流板，起不到混合效果，引流板仅仅起到是一个折流板作用，没有引导混合的作用，只能增加流动阻力。因此本申请通过大量的研究，提出了一个引流板最小间距的设计方案，对于此种引流板的设计具有一定的指导意义。

交点23在内壁上的垂点，交点与垂点形成的线是第三线，第一直线壁与内壁的连接点与垂点的距离为H，烟气管道的内管径为R，距离S采用如下方式设计：

S1>＝a*H+b*((H)²+R²)^(1/2)；

其中2.5<a<3.5,1.552<c<1.560，

作为优选，a＝3.2,c＝1.557；

本发明通过大量的实验以及数值模拟，得到了引流板最小的设计距离，通过上述设计距离使得阻力降低，同时能够此充分混合。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种太阳能海水淡化装置，包括薄膜蒸发单元、自动供水单元、气体控制单元和后处理单元，所述自动供水单元向薄膜蒸发单元供海水，在薄膜蒸发单元中蒸发产生水蒸气，所述水蒸气输出到后处理单元，所述气体控制单元包括真空泵和鼓气机，控制系统控制真空泵和鼓气机之间切换，通过真空泵实现海水蒸发的真空环境，然后当海水淡化运行到需要进行排废水时候，鼓气机输入空气，向外排出废水；所述的薄膜蒸发单元包括蒸发区和补水区，两区域通过管道相互联通，由补水区向蒸发区进行补水，蒸发区包括有机玻璃罩、外壳组件、压膜组件和纳米多孔氧化石墨烯薄膜，外壳组件为三层，从下往上，第一层为薄膜蒸发单元中蒸发区与补水区共用的底座中的蒸发区的部分，第二层外壳为底座之上，第二层外壳内侧分为两个部分，下方部分内径小，上方部分内径大，用于放置压膜组件，第三层外壳设置在第二层外壳之上，与第二层外壳密封连接，起到对蒸发区整体的固定和气密性的保证，有机玻璃罩的边部嵌入到第二层外壳和第三层外壳之间，压膜组件设置在第二层外壳组件上，包括下层压膜组件和上层压膜组件，下层压膜组件包括海绵多孔介质，上层压膜组件包括纳米多孔氧化石墨烯薄膜；该海水淡化装置是设置在船舶上，该装置利用船舶锅炉上的烟气余热；烟气由主机排气管路旁路引出，过滤后通过鼓风机吹入补水箱，用于加热补水区的水；该海水淡化装置包括均温装置，所述均温装置设置在烟气进入补水区的烟气管道内，均温装置结构如下：烟气管道内设置从烟气管道内壁向烟气管道中心延伸的引流板，所述引流板包括从内壁延伸的第一直线壁和第二直线壁，其中第一直线壁与内壁形成的锐角小于第二直线壁与内壁形成的锐角，第一直线壁和第二直线壁朝向气体流动方向延伸，第一直线壁和第二直线壁的交点位于第一直线壁与内壁连接处的下游，同时位于第二直线壁与内壁连接处的下游；引流板的形状是第一直线壁和第二直线壁以及内壁沿着烟气管道轴线旋转形成的形状。

2.如权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征在于，第一层放置金属多孔介质，金属多孔介质通过毛细吸力将水从介质下部吸到上部。

3.如权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征在于，第二层外壳中部开有排水孔，孔外接冷凝水收集管路，内侧与排冷凝水环最低点对齐。

4.如权利要求1所述的太阳能海水淡化装置，其特征在于，压膜组件的上方设置有排水环，排水环包括水平壁和竖直壁，其中水平壁设置在滤纸压片，竖直壁设置在水平壁内侧并且向上延伸，从而使得排水环的截面形成L形。

5.如权利要求4所述的太阳能海水淡化装置，其特征在于，出水口设置在竖直壁相对的外壳上。