CN115838193A - 一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，属于太阳能利用和水处理技术领域。主要装置包括：聚光透镜、光导器件、螺旋叶片、圆柱腔。首先冷海水经吸水材料形成均匀液膜，液膜沿着螺旋叶片向下流到蒸馏器底部；太阳光经聚光透镜聚集到准直器，聚集的太阳光沿着光导器件照射到蒸馏器底部，底部吸光涂层吸收太阳光转化为热能加热海水产生水蒸气，水蒸气在螺旋叶片背面冷凝释放潜热再将叶片上的液膜加热以反复利用潜热产出淡水。螺旋叶片的结构克服了传热距离不一致引起的传热低效等问题，扩宽了蒸发面与冷凝面的面积；结合聚光结构直接加热海水可使系统结构更为紧凑简单，提高了热能利用效率、产水效率与太阳能利用率。

Description

一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置

技术领域

本发明公开了一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，属于太阳能利用和水处理技术领域。

背景技术

太阳能蒸馏器即为太阳能海水淡化技术中的一种。其特点为小型化、装置简易、原理简单、不需要复杂的操作和维护。太阳能蒸馏器在燃料、电力不足，或难以安装复杂的海水淡化装置(如反渗透装置)地方十分有用。如贫穷偏远的沿海地区、小岛、船舶和户外应急水处理等。

目前太阳能蒸馏器的产量和效率较低，限制了其实际应用。优化系统的传热传质过程，研究合适的材料和系统设计，是使太阳能蒸馏器发展到一个新的阶段，为海水淡化领域做出更大的贡献的重要途径。为了提高太阳能蒸馏器的效率，已有利用微纳颗粒或具有微纳结构的材料来提高太阳能蒸发效率的工作。但该类工作主要偏重于材料学探讨，缺乏传热传质领域的研究。这导致了一系列的问题，比如蒸馏器成本易于偏高、蒸馏器内各过程的热力学和传热学优化不足等。

螺旋式结构可以在有限的空间内极大的增大换热表面积，同时在多螺旋结构下，保证任意两级螺旋叶面之间的换热距离是一致，避免了因上下两级传热距离不一致而引起的热量损失，提高了系统的换热能力；此外，在多级螺旋叶片的加载下，蒸馏器内的温度可随高度的变化而连续变化，极大的提高了热能利用效率进而提高整个系统的产水效率。

从热力学的角度看，任何利用热能驱动的海水淡化系统都是在更高温度下运行才有更高的性能系数。太阳能聚光系统的应用可使太阳能海水淡化系统从中低温阶段向中高温阶段过渡。相较于其他聚光方式而言，聚光透镜聚光光损更小，聚光能力更强，此外聚光透镜较普通透镜更轻、更薄，成本也更低。结合利用菲涅尔聚光技术，可使蒸馏器结构更加紧凑，提高蒸馏器的蒸发温度，进而提高系统的产水效率。

发明内容

因此，本发明提出了一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，将聚光透镜聚光与蒸馏器耦合，以提高蒸馏器的效率。

一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，主要装置包括：聚光透镜、透镜支撑架、太阳光线、可旋转固定点、准直器、高反射率镜面、淡水夹层、保温层、水蒸气、沿边、圆柱金属壁、螺旋叶片、出光口、支撑柱、底部海水、16-吸光涂层、浓盐水出口、淡水收集槽、淡水出口、淡水、吸水材料、开关、冷海水入口、集水槽、挡板、冷凝海水、螺旋叶片2、螺旋插片、CPC聚光器、承托、集热器热流入口、换热器、太阳能集热板、水泵、集热器板间接头、集热器热流出口、集热器支撑架。

连接关系：冷海水从螺旋叶片顶部的海水入口进入后先经过集水槽，冷海水装满集水槽后溢出流到螺旋叶片，集水槽背后紧贴着挡板，螺旋叶片的左右边缘装有沿边，挡板和沿边可防止冷海水流出螺旋叶片范围；吸水材料粘附在螺旋叶片上，吸水材料可吸附冷海水在螺旋叶片上形成均匀液膜；螺旋叶片的背部每隔一定的间距安装淡水收集槽，淡水收集槽内的淡水流入到支撑圆柱管内的淡水夹层，淡水夹层的底部与最低一级的淡水收集槽连通，最低一级的淡水收集槽与淡水出口连通，淡水夹层内的淡水沿着淡水出口流出；冷海水沿着螺旋叶片流入底部海水一同加热蒸发；透镜支撑架支撑着聚光透镜，透镜支撑架的一端固定在可旋转固定点处；通过调节可旋转固定点来调节聚光透镜的方向以实现实时的太阳跟踪；准直器可使入射光线尽量出射为平行光，减少在光导中多次反射引起的光损失；圆柱支撑体的外层为圆柱金属壁，圆柱金属壁内为保温层，保温层内为淡水夹层，淡水夹层内为高反射率镜面；出光口处装有选择性透光玻璃；圆柱支撑体的下部装有四根支撑柱，四根支撑柱不围成密闭空间；外围圆柱体的四周由圆柱金属壁构成，圆柱金属壁底部和一定高度的四周铺设吸光涂层，圆柱金属壁外包裹保温层。

本发明所采用的技术方案如下：首先冷海水从螺旋叶片顶部的海水入口进入后先经过集水槽，冷海水装满集水槽后溢出流到螺旋叶片，粘附在螺旋叶片上的吸水材料吸附冷海水形成均匀液膜；冷海水形成的均匀液膜沿着螺旋叶片向下流到底部海水内加热蒸发；聚光透镜将透过的太阳光聚集准直器，准直器可使入射光线尽量出射为平行光，减少在光导中多次反射引起的光损失；太阳光透过准直器后在高反射镜面通道内进行反射后射出出光口，出光口处也装有对太阳光具有高透过率的透光玻璃；太阳光由出光口射出后经过底部海水照射到海水周围的吸光涂层，吸光涂层将太阳光转换为热能加热底部海水；底部海水受热后向上蒸发，水蒸气上升遇到螺旋叶片背面后冷凝成淡水，淡水在螺旋叶片底部凝成水珠流入淡水收集槽中，淡水收集槽内的淡水流入到支撑圆柱管内的淡水夹层，淡水夹层的底部与最低一级的淡水收集槽、淡水出口连通，淡水夹层内的淡水沿着淡水出口流出；同时水蒸气冷凝释放的相变潜热再将螺旋叶片上的冷凝海水形成的均匀液膜加热，使吸水材料内部海水蒸发，则水蒸气再遇到上一级的叶片背面进行冷凝相变为淡水，以此反复进行加热-冷凝-加热过程产出淡水，蒸发后的浓盐水可由浓盐水出口排出。

本发明有益效果：

(1)利用多级螺旋叶片的结构使得蒸发面与冷凝面的传热距离一致，克服了传热距离不一致带来的传热低效等问题，海水沿螺旋面降膜流动，水温可随高度的变化而连续变化，实现连续温差驱动蒸馏，提高产水速率。

(2)利用多级螺旋扇叶的结构提高了一定体积内的空间利用率，使有限空间中的蒸发面与冷凝面的面积极大扩大，提高传热速率。

(3)螺旋面上下侧分别为蒸发面和冷凝面，螺旋面本身能够形成多级结构，可对海水在冷凝潜热进行回收利用，提高热利用效率。

(4)聚光加热、蒸发器、冷凝器一体化设计，使系统结构更为简单紧凑，减少了运行与维护的费用，同时也缩减了占地面积。

附图说明

图1为本发明螺旋降膜式太阳能蒸馏装置正视图

图2为本发明螺旋叶片与吸水材料的剖面图

图3为本发明圆柱支撑体内部结构的剖面图

图4为本发明透镜聚光系统的双螺旋降膜式太阳能蒸馏装置

图5为本发明CPC聚光系统的螺旋降膜式太阳能蒸馏装置

图6为本发明太阳能集热板的螺旋降膜式太阳能蒸馏装置

其中，1-聚光透镜；2-透镜支撑架；3-太阳光线；4-可旋转固定点；5-准直器；6-高反射率镜面；7-淡水夹层；8-保温层；9-水蒸气；10-沿边；11-圆柱金属壁；12-螺旋叶片；13-出光口；14-支撑柱；15-底部海水；16-吸光涂层；17-浓盐水出口；18-淡水收集槽；19-淡水出口；20-淡水；21-吸水材料；22-开关；23-冷海水入口；24-集水槽；25-挡板；26-冷凝海水；27-螺旋叶片2；28-螺旋插片；29-CPC聚光器；30-承托；31-集热器热流入口；32-换热器；33-太阳能集热板；34-水泵；35-集热器板间接头；36-集热器热流出口；37-集热器支撑架。

具体实施方式

如附图1、图2和图3所示，本发明提供了一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，主要装置包括：聚光透镜(1)、透镜支撑架(2)、可旋转固定点(4)、准直器(5)、高反射率镜面(6)、淡水夹层(7)、保温层(8)、沿边(10)、圆柱金属壁(11)、螺旋叶片(12)、出光口(13)、支撑柱(14)、吸光涂层(16)、浓盐水出口(17)、淡水收集槽(18)、淡水出口(19)、吸水材料(21)、冷海水入口(23)、集水槽(24)、挡板(25)。其中螺旋叶片(12)顶部的海水入口(5)处装有集水槽(24)，集水槽(24)背后紧贴着挡板(25)，螺旋叶片(12)的左右边缘装有沿边(10)；吸水材料(21)粘附在螺旋叶片(12)上，吸水材料(21)可吸附冷海水在螺旋叶片(12)上形成均匀液膜；螺旋叶片(12)的背部每隔一定的间距安装淡水收集槽(24)，淡水收集槽(18)内的淡水(20)流入到支撑圆柱管内的淡水夹层(7)，淡水夹层(7)的底部与最低一级的淡水收集槽(18)连通，最低一级的淡水收集槽(18)与淡水出口(19)连通，淡水夹层(7)内的淡水(20)沿着淡水出口(19)流出；透镜支撑架(2)支撑着聚光透镜(1)，透镜支撑架(2)的一端固定在可旋转固定点(4)处；通过调节可旋转固定点(4)来调节聚光透镜(1)的方向以实现实时的太阳跟踪；准直器可使入射光线尽量出射为平行光，减少在光导中多次反射引起的光损失；圆柱支撑体的外层为圆柱金属壁(11)，圆柱金属壁(11)内为保温层(8)，保温层(8)内为淡水夹层(7)，淡水夹层(7)内为高反射率镜面(6)；出光口(13)处装有选择性透光玻璃；圆柱支撑体的下部装有四根支撑柱(14)，四根支撑柱(14)不围成密闭空间；外围圆柱体的四周由圆柱金属壁(11)构成，圆柱金属壁(11)底部和一定高度的四周铺设吸光涂层(16)，圆柱金属壁(11)外包裹保温层(8)。

工作过程如下：首先冷海水从螺旋叶片(12)顶部的海水入口(23)进入后先经过集水槽(24)，冷海水装满集水槽(24)后溢出流到螺旋叶片(12)，粘附在螺旋叶片(12)上的吸水材料(21)吸附冷海水形成均匀液膜；冷海水形成的均匀液膜沿着螺旋叶片(12)向下流到底部海水(15)内加热蒸发；聚光透镜(1)将透过的太阳光聚集准直器(5)，准直器可使入射光线尽量出射为平行光，减少在光导中多次反射引起的光损失；太阳光透过准直器(5)后在高反射镜面(6)通道内进行反射后射出出光口(13)，出光口(13)处也装有选择透光玻璃，出光口(13)处的选择透光玻璃允许反射光射出却阻碍出光口(13)外的太阳光射入反射镜内；太阳光由出光口(13)射出后经过底部海水(15)照射到海水周围的吸光涂层(16)。

吸光涂层(16)将太阳光转换为热能加热底部海水(15)；底部海水(16)受热后向上蒸发，水蒸气(9)上升遇到螺旋叶片(12)背面后冷凝成淡水(20)，淡水(20)在螺旋叶片(12)底部凝成水珠流入淡水收集槽(18)中，淡水收集槽(18)内的淡水(20)流入到支撑圆柱管内的淡水夹层(7)，淡水夹层(7)的底部与最低一级的淡水收集槽(18)、淡水出口(19)连通，淡水夹层(7)内的淡水(20)沿着淡水出口(19)流出；同时水蒸气(9)冷凝释放的相变潜热再将螺旋叶片(12)上的冷凝海水形成的均匀液膜加热，使吸水材料(16)内部海水蒸发，则水蒸气(9)再遇到上一级的螺旋叶片(12)背面进行冷凝相变为淡水(20)，以此反复进行加热-冷凝-加热过程产出淡水，蒸发后的浓盐水可由浓盐水出口排出(17)。

如图4所示的一个实施例中，若螺旋叶片的半径较大，则要使吸水材料吸水形成均匀液膜较为困难，因此在螺旋叶片上插入多片挡水板，将多层螺旋叶片划分成多个小区域以便使螺旋扇叶上的液膜更加均匀便捷。将走势与螺旋叶片一致的多片螺旋插片(28)取代多片横向挡水板，以实现分区域作用。再增加了一个螺旋叶片2(27)，多螺旋结构相比于但单螺旋而言，提高了空间利用率的同时也极大的增大了热流的蒸发面积与水蒸气的冷凝面积。

如图5所示的一个实施例中，将透镜聚光器换为CPC聚光器(29)，可使聚光结构更为简单易行；CPC聚光器(29)使用承托(30)来称重，同时承托(29)与可旋转固定点(4)相连，可转动来调节聚光方向。

如图6所示的一个实施例中，去掉聚光器结构而采用太阳能集热器集热再与底部冷海水(15)换热加热海水的方法，为太阳能蒸馏器产热提高另一种有效可行的方式。图6的实施例中，太阳能集热板(33)加热的热流，相邻集热板间的热流流动通过集热器板间接头(35)连接，当太阳集热板(33)工作到一定程度使得真空管内的热流达到一定温度后打开开关(17)，热流流入换热器(32)内，利用水泵(34)使太阳能集热器、集热器热流出口(36)、换热器(32)、集热器热流入口(31)形成闭路循环来加热蒸发海水。

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)

1.一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，其特征在于，包括：透镜聚光器、光导组件、内圆柱支撑体和外圆柱腔；所述透镜聚光器包括聚光透镜(1)、透镜支撑架(2)、可旋转固定点(4)；所述光导组件包括准直器(5)、高反射率镜面(6)、出光口(13)；所述内圆柱支撑体包括淡水夹层(7)、保温层(8)、圆柱金属壁(11)、支撑柱(14)；所述高反射率镜面(6)上端与准直器(5)密封连接，下端与出光口(13)密封连接，由此形成密闭的光导组件；所述淡水夹层(7)为密闭夹层；所述外圆柱腔包括保温层(8)、圆柱金属壁(11)、吸光涂层(16)，为开式容器，所述保温层(8)与圆柱金属壁(11)紧密贴合，吸光涂层(16)喷涂在圆柱金属壁(11)内侧底部。透镜聚光器、光导组件和内圆柱支撑体一体化连接。

2.一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，其特征在于，所述螺旋降膜蒸发式蒸馏器组件包括沿边(10)、螺旋叶片(12)、淡水收集槽(18)、淡水出口(19)、吸水材料(21)、冷海水入口(23)、集水槽(24)、挡板(25)；所述冷海水入口(23)与集水槽(24)接通，集水槽(24)和挡板(25)安装在螺旋叶片(12)顶部；所述淡水收集槽(18)安装在螺旋叶片(12)底部一定位置处，淡水收集槽(18)与淡水出口(19)连通；所述吸水材料(21)铺设在螺旋叶片(12)上面；所述螺旋叶片(12)固定在内、外圆柱腔壁之间，所述安装在沿边(10)螺旋叶片(12)两侧。

3.一种聚光直接加热螺旋降膜蒸发式太阳能蒸馏装置及方法，其特征在于，吸光涂层(16)可将太阳光转换为热能加热底部海水(15)；底部海水(16)受热后向上蒸发，水蒸气(9)上升遇到螺旋叶片(12)背面后冷凝成淡水(20)释放相变潜热再将螺旋叶片(12)上的冷凝海水形成的均匀液膜加热，使吸水材料(16)内部海水蒸发，则水蒸气(9)再遇到上一级的螺旋叶片(12)背面进行冷凝相变为淡水(20)，以此反复进行加热-冷凝-加热过程产出淡水，对潜热进行多次回收利用，提高热利用效率。

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