CN1583584A - 一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器 - Google Patents

Abstract

海水淡化领域中的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，包括：淡化器箱、海水蒸发器和冷凝板，特征：淡化器箱是由透光密封淡化器箱体[6]和箱盖[8]紧固密封而构成，其内于冲洗布水管[9]下方垂直箱底平行相间设有活性炭纤维毛细管蒸发器[4]和冷凝板[5]，蒸发器[4]是由支撑架[10]和活性炭纤维制作的毡料[18]构成，下端头伸入海水中，而冷凝板则伸入海水中定位后密封固定，箱体底部固定于浮筒[2]上面，用固定锚[1]定位于海上或随船运行。优点：直接吸收海水至箱内蒸发和直接用海水冷却，使用方便，减少投资；用黑色活性炭纤维其吸热多、蒸发比表面积大，形成立体蒸发，提高单位蒸发负荷；太阳能成本低；海水价格只有2－3元/吨。

Description

一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器

技术领域

本发明涉及到利用毛细现象增大蒸发表面，从而实现利用太阳能进行海水淡化的技术与装置，属于海淡化技术领域。

背景技术

众所周知，地球上的水几乎都储存在海洋中，依靠太阳能的蒸发作用将海水转变成气态的云输运到陆域，最后以雨雪的形式降到地面，成为江河湖泊的地表水及渗透地下的地下水。由于受各种自然因素的影响，地球上的淡水资源分布在时空上均很不平衡，缺水与洪涝在不同地区及同一地区的不同时间都会发生。尤其是沿海地区，淡水资源大都十分匾乏，如何实施海水淡化是人们长期研究的热点之一。

目前，研究海水淡化方法主要有：反渗透技术、闪蒸技术等，其中，蒸发是人们研究最多的海水淡化方法之一，这种方法是将海水通过不同的能源加热使海水蒸发，然后将蒸汽冷却而制备成冷凝水，而供应使用。蒸发法在热能资源丰富的沿海地区具有很大的吸引力，特别是新型的闪蒸技术，废热及低品位热能的综合利用，可以实现经济的海水淡化过程，一般可以达到地表水的制水成本，但如果应用新鲜蒸汽则经济上尚有疑问，成本将会在8-10元/吨水；反渗透技术是目前工业化应用颇多的海水淡化技术，其制水成本最低可以达到5-8元/吨水；但设备投资较大，在淡水资源十分匾乏的场合采用；

利用太阳能进行海水淡化是人们研究的另一热点，在已有技术中，最典型的是在阿尔及利亚由R·AND C.ouahes设计，2001年发表在Desalination 137(2001)31-38期刊上，以及1995年在Renewable Energy Vol，6，1 PP.77-79介绍的海水太阳能蒸发器，采用毛细膜层或漂浮在聚苯烯板上的黑色黄麻布作蒸发器，并与冷凝单元构成淡化装置。这种装置已经用于撒哈拉干旱地区和偏远地区来解决生活用水，但也存在如下问题：1)生产过程成本较高；2)设备结构复杂；3)蒸发器平面或倾角布置占用箱体空间大；4)蒸发器采用单面蒸发利用率低。

发明内容

本发明的目的是要克服已有技术存在的：①成本高，结构复杂；②蒸发器占用空间大和单面蒸发利用率低的不足，并提供一种结构简单、成本低、毛细吸附海水、立体蒸发、海水直接冷却且效率高的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，特提出本发明的技术解决方案。

本发明的基本构思是：利用太阳能这一低品位热能；利用黑色物体吸光能力强，提高热能利用率的特性；利用多孔性黑色活性炭纤维比表面积大，可增加传热面积的特点，制作活性炭纤维毛细管蒸发器，使其变平面蒸发为立体蒸发，利用海水温度低和箱体内温度高的特点，采用直接毛细毡料吸入海水蒸发和直接利用海水冷却冷凝板的结构方式；采用蒸发器和冷凝板平行相间排列并垂直箱体底面的紧凑结构形式；

本发明所提出的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，包括固定锚[1]。浮筒[2]、淡化器箱、淡水收集、海水蒸发器和冷凝板，其特征在于：所采用的淡化器箱是由透光密封淡化器箱体[6]和透光密封淡化器箱盖[8]，通过螺栓[1]及密封垫片[11]紧固在一起而构成，在淡化器箱内所设有的支撑架[10]的上方，与活性炭纤维毛细管蒸发器[4]顶端相对应位置处，设计有冲洗布水管[9]，箱体的底部则作为淡水[12]的收集处，在淡化器箱体的底面上还开有多个相间并平行的插口[16]和插缝[15]，淡水泵[13]置于箱体底面内侧的一端头位置，在靠近淡水泵并与插口或插缝平行的侧面，留有淡水管[14]出口和冲洗布水管[9]进口，装配后应密封；所采用的海水蒸发器，是垂直于箱底面的活性炭纤维毛细管蒸发器[4]，它是用活性炭纤维制作的多个黑色矩形毛细纤维毡料，将其展开，两个端头边朝向海面，中间部位搭在支撑架[10]横杆的两侧，作为上端部(或称蒸发端)，其两个端头边则穿过淡化器箱体底面上的围堰槽[3]、插口[16]而伸进海水[17]中，作为下端部(或称吸水端)；冷凝板[5]是采用不锈钢制作的多个薄板状结构，其下端头边通过插缝[15]而伸进海水[17]中，垂直定位于箱体底面后，密封固定在插缝[15]中，冷凝板[5]的冷却是直接采用温度较低的海水，对其浸入海水端进行降温，通过热传导而实现冷却目的；储存在透光密封淡化器箱体[6]底部的淡水[12]，通过淡水泵[13]、淡水管[14]和冲洗布水管[9]，送至用户或用于定期冲洗活性炭纤维毛细管蒸发器[4]；残留在活性炭纤维毛细管蒸发器[4]上的盐类，是通过设置在蒸发器上端的冲洗布水管[9]定期用所滴淋有淡水而被冲洗到海水中实现脱除的；海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器的底部，固定在两个或多个浮筒[2]的上面，放在海中用固定锚[1]定位或与船体相连随船而行。

本发明的进一步特征在于：搭在支撑架[10]横杆两侧的活性炭毛细纤维毡料[18]，其双层厚度作为活性炭纤维毛细管蒸发器[4]的厚度，其值为5-8mm，其宽度应小于或等于透光密封淡化器箱体[6]内侧的宽度，其高度应小于箱体内腔的高度，并要求其处在箱体内部分的高度与箱体外部海水中的高度之比应为4∶1-3∶1；冷凝板[5]其厚度为2-3mm，其高度应小于或等于活性炭纤维毛细管蒸发器[4]的高度，并要求处在箱体内腔的高度与处在箱体外部海水中的高度之比应为4∶1-3∶1；在透光密封淡化器箱体[6]的内底面，于插口[16]的周边的外侧，还设有尺寸大于插口尺寸，而其高度不小于100-200mm围堰槽[3]：活性炭纤维毛细管蒸发器[4]与冷凝板[5]是呈相互平行相间分布，其间距为活性炭纤维毛细管蒸发器高度的1/4-3/4。

本发明的具体计算的参数是依据下列参数进行的：

海水温度：平均为10℃

海水盐浓度：35％(NaCI)

淡化水温度：40℃

冷凝水温度：15℃

本发明所提出的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其尺寸的大小是由产水量的多少来确定，产水量大则要求的透光密封淡化器箱体就大，与此相应的活性炭纤维毛细管蒸发器相应尺寸就大，取值时就应取上限，而冷凝板尺寸也随之应取上限值，并且，与此相应的其蒸发器和冷凝板的数量也应取上限值。具体参数值，均已列入表1-4的数据中，更大的规模的海水淡化器可以以此为基准类推计算出。

本发明的主要优点是：1)充分利用活性炭纤维的发达比表面积增大海水的蒸发面积，使平面蒸发成为立体蒸发，提高了单位体积海水蒸发器的蒸发负荷；2)利用黑色活性炭纤维的吸光能力强，从而蒸发温度高的优点，加大蒸发推动力，提高蒸发量；3)利用透光的箱体罩将水蒸气有效地封闭于罩内，并利用海水温度低的特点直接利用海水冷却冷凝板，使水蒸气及时冷凝成液体；4)整个设备充分利用了太阳能属于低品位能源，实现了海水淡化价只有2-3元/吨的目标。

本发明设有4个附表，所列各参数可作为实施例的特征值，分别说明如下：

表1是不同规格淡化器的接受太阳能辐射面积及箱体体积计算结果

表中指出，不同的产水量，要求不同的受热面积和不同的箱体体积，而且，产水量越大，需要的受热面积越大，箱体体积也越大，并按产水量倍数增加。

表2是不同规格淡化器的各部分体积计算结果

表中显示不同的产水量，所要求的炭纤维毡料体积、空腔体积、冷凝板体积是不同的，而且，产水量越大，上述各参数体积的数字也越大，并按产水量的相应倍数增加。

表3是不同规格淡化器的炭纤维毡各规格计算结果。

该表表示出不同的产水量、炭纤维毡料的长、宽、高及数量，各参数其长度和个数是随产水量的增大而明显增大和增多，其宽度和高度则保持不变。

表4是不同规格淡化器的冷凝板规格计算结果

表中显示不同的产水量淡化器的冷凝板规格，长度要求增加、宽度和高度不变，而个数要明显增多。

附图说明

本发明共设计3个附图。图1是本发明所提出的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器正视剖面结构示意图，图2是图1的俯视结构示意图，图3是图1的A-A断面结构示意图。分别说明如下：

图1是本发明所提出的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器正视剖面结构示意图

图中显示，海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，是透光密封淡化器箱体[6]和透光密封淡化器箱盖[8]，通过螺栓[7]及密封垫片[11]紧固在一起而构成，在海水淡化器的箱体内，垂直箱体底面，平行相间设有活性炭纤维毛细管蒸发器[4]和冷凝板[5]，在它们的上方，对应活性炭纤维毛细管蒸发器的顶端，设计有冲洗布水管[9]，它们的下端头分别通过平行相间的插口[16]和插缝[15]而伸入海水[17]中，在插口[16]的周边处的箱体底部内表面上，设计有其尺寸大于插口尺寸的围堰槽[3]，冷凝板[5]在通过插缝[15]定位后，与插缝密封固定，活性炭纤维毛细管蒸发器[4]是用活性炭纤维制作的黑色矩形毛细纤维毡料，将其展开，两个端头边朝下，中间部位搭在支撑架[10]横杆的两侧，而从支撑架塔拉下来的两个端头边，通过围堰槽[3]、插口[16]而伸进海水[17]中，并把箱体内的部分称为上端部或蒸发部，其箱体外的部分称为下端部或吸水部，箱体的底部作为淡水[12]的储存处，内底面一端部设有淡水泵[13]，并通过谈水管[14]和冲洗布水管[9]，供淡水于用户或冲洗活性炭纤维毛细管蒸发器上的盐类。整个海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器的箱体内各零部件装配完毕后，将箱体与箱盖合上紧固密封，最后将箱底固定在浮筒[2]上，漂浮海水中，或与船体相连随船而行，或在海边附近用固定锚[1]定位扎寨于海面，图中的虚线是用来标示箱体内外的淡水和海水。A-A为断面符号。

图2是图1的俯视结构示意图

图中显示，设在活性炭纤维毛细管蒸发器[4]和冷凝板[5]上方的冲洗布水管[9]，是由箱体内的淡水泵[13]引出来的，经一个主管而在每个活性炭纤维毛细管蒸发器的上部向两侧分去支管，对应其顶部位置，冲洗时，供应淡水(图中略去水的标志)滴淋冲洗，并自上而下，沿活性炭纤维毛细管蒸发器[4]经围堰槽[3]通过插口而流入海水中。虚线表示浮筒[2]被箱体所遮盖的部分，其它符号同图1。为了图面清晰，图中的淡水和海水均未作标示，图中的箭头方向表示淡水供给用户或冲洗时的流动方向。

图3是图1的A-A断面结构示意图

图中显示，活性炭纤维毛细管蒸发器[4]是由支撑架[10]和搭在其上的用黑色活性炭纤维制作的矩形毛细纤维毡料[18]所构成，将其矩形毛细纤维毡料展开，中间搭在支撑架的横杆上，两个端头边从支撑架的两侧塔拉下来，通过箱体底面的围堰槽[3]、插口[16]而伸进海水[17]中，同时看出，由于围堰槽[3]的尺寸大于插口[16]的尺寸，所以它与活性炭毛细纤维毡料[18]是不接触的，当滴淋冲洗后的水沿其下流时，不会流进箱体底部储存的淡水[12]中。同时，淡水由于围堰槽的阻挡也不会流入海中。毛细纤维毡料[18]伸入海水后，则于基本身的毛细管作用，海水便沿纤维毡料上升，直至整个蒸发器的上端部，边上升边蒸发不停，其他各符号均同图1，细虚线表示淡水和海水，粗虚线表示被毛细纤维毡料[18]遮盖的围堰槽[3]和插口[16]的长边。

具体实施方式

实施例1

渔民出海作业，都要自带水桶、水箱等器具，所带的淡水多了影响打鱼的载重量，少了又不能满足用水的需要，有时带水量不足，只能提前返航，错过打鱼的好机会，影响产量。采用本发明技术，制作一种小型海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，随船远航作业，其规格要求是每天需用淡水量为0.24吨，供8-10人生活用水，其步骤如下：

第一步  结构材料的选择

海水淡化器的箱体和箱盖均是由透光材料制作，用螺栓及密封垫片紧固密封而成；活性炭纤维毛细管蒸发器的支撑架是用不锈钢制作，其搭在支撑架上的是黑色的活性炭毛细纤维毡料，而冷凝板采用的则是不锈钢材料。

第二步  海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器特征尺寸的确定淡化器箱的内腔尺寸经计算，确定长为7.3m，宽为7.3m，高为0.5m，用螺栓及密封垫片密封沿长度方向平行其箱体的端面，将活性炭纤维毛细管蒸发器[4]和冷凝板[5]平行相间125mm垂直装配在箱体的底面，以一个活性炭纤维毛细管蒸发器和一个冷凝板为一组，共16组，活性炭纤维毛细管蒸发器厚度为7.7mm(即双层活性炭毛细纤维毡料的厚度)，高度为0.5m，长度为7.3m，而冷凝板的厚度为2mm，高度为0.5m，长度为7.3m。围堰糟[3]的高度为200mm，活性炭纤维毛细管蒸发器的活性炭毛细纤维毡料[18]两个端头边朝向底面，经围堰槽[3]通过插口[16]伸进海水[17]中的长度为100mm，淡水泵设在箱体的底面内侧的一端头位置处，整个箱体固定在两个浮筒[2]上，平时用固定锚[1]固定，当船起航时，起锚随船而行。

第三步  海水淡化过程

制备好的海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，放到海水中后，在阳光的照射下，便开始海水的淡化过程。伸进海水中的黑色活性炭毛细纤维毡料，由于活性炭的毛细作用，将海水沿毡料上升进入淡化器箱体的上部，又由于该箱体的内部是由透光材料制作的密封装置，和用支撑架支撑的黑色活性炭毛细纤维毡料构成的，箱体内的温度高，产生立体式的蒸发，其蒸发量大，与此同时，冷凝板其下端在较低温度的冷却下，由于热传导的作用使其上端温度也较低，蒸汽碰到它后，就会在其上冷凝成水珠而顺不锈钢板冷凝向下流入箱体底部，淡水根据需要启动淡水泵，就可将淡水供给使用。但是在活性炭纤维毛细管蒸发器上的海水不断蒸发，其上面的盐类浓度越来越大，最后会结晶在其表面，此时，应定时给以清除，其办法是，开启淡水泵，将冲洗布水管打开，这时，在其上面与活性炭纤维毛细管蒸发器相对应的冲洗布水管中的淡水开始滴淋冲洗，其水就顺其活性炭毛细纤维毡料流下来，通过围堰槽和插口而流入海中，冲洗后，关闭冲洗水管，蒸发又继续进行，如此反复完成了预期的海水淡化的目的。实施结果表明其淡水的产量达到10kg/h。

实施例2

××某渔业公司一捕捞船队有工作人员100人，每天用淡水量2.4吨，采用本发明海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，随船供应生活用淡水步骤如下：

第一步  海水淡化器的结构材料选择

同实施例1，在此略。

第二步  海水淡化器的主要技术特征尺寸确定

淡化器箱的内腔尺寸经计算确定为长73m，宽73m，宽0.5m，活性炭纤维毛细管蒸发器[4]和冷凝板[5]相间375mm为一组，共设158组，在箱体内底面沿长度方向平行其端面，平行相间垂直于箱底分布，活性炭纤维毛细管蒸发器厚度(两层活性炭毛细纤维毡料的厚度)为7.7mm，高为0.5m，长度为73m，其158个，而冷凝板其厚度为2mm，高为0.5m，长为73m，其158个，围堰槽[3]的高度为100mm，活性炭纤维毡料和冷凝板伸进海水中的长度均为125mm，在箱体底部一端头上设有淡水泵，整个箱体被固定在10个浮筒上，随船而行。实施结果：淡水的生产量达到1000kg/h，可以满足船上的生活需要。

第三步  海水淡化过程

同实施例1，在此略。

表1  不同规格淡化器的接受太阳能辐射面积及箱体体积计算结果

产水量(千克/时)	受热面积(米2)	箱体体积(米3)
			1	5.36	2.68
10	53.6	26.8
			100	536	268
1000	5360	2680

表2  不同规格淡化器的各部分体积计算结果

产水量(千克/时)	纤维毡体积(立方米)	空腔体积(立方米)	冷凝板体积(立方米)
				1	0.089	2.5464	0.0446
10	0.89	25.464	0.446
				100	8.9	254.64	4.46
1000	89	2546.4	44.6

表3  不同规格淡化器的碳纤维毡规格计算结果

产水量(千克/时)	长(米)	厚度(毫米)	高(毫米)	个数
					1	2.3	7.7	500	5
10	7.3	7.7	500	16
					100	23.2	7.7	500	50
1000	73	7.7	500	158

表4  不同规格淡化器的冷凝板规格计算

产水量(千克/时)	长(米)	厚度(毫米)	高(毫米)	个数
					1	2.3	2	500	5
10	7.3	2	500	16
					100	23.2	2	500	50
1000	73	2	500	158

Claims (5)

1、一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，包括固定锚[1]、浮筒[2]、淡化器箱、淡水收集、海水蒸发器和冷凝板，其特征在于：

a)所采用的淡化器箱是由透光密封淡化器箱体[6]和透光密封淡化器箱盖[8]，通过螺栓[7]及密封垫片[11]紧固在一起而构成，在淡化器箱内所设计的支撑架[10]的上方，与活性炭纤维毛细管蒸发器[4]顶端相对应位置处，设计有冲洗布水管[9]，箱体的底部则作为淡水[12]的收集处，在淡化器箱体的底面上，还开有多个相间并平行的插口[16]和插缝[15]，淡水泵[13]置于箱体底面内侧的一端头位置，在靠近淡水泵并与插口或插缝平行的侧面，留有淡水管[14]出口和冲洗布水管[9]进口，装配后应密封；

b)所采用的海水蒸发器，是垂直于箱底面的活性炭纤维毛细管蒸发器[4]，它是用活性炭纤维制作的多个黑色矩形毛细纤维毡料[18]，将其展开，两个端头边朝向海面，中间部位搭在支撑架[10]横杆的两侧，作为上端部，其两个端头边则穿过淡化器箱体底面的围堰槽[3]、插口[16]而伸进海水[17]中，作为下端部；

c)冷凝板[5]是采用不锈钢制作的多个薄板状结构，其下端头边通过插缝[15]而伸进海水[17]中，垂直定位于箱体后，密封固定在插缝[15]中，冷凝板的冷却是直接采用温度较低的海水对其该端进行降温，通过热传导而实现的；

d)储存在透光密封淡化器箱体[6]底部的淡水[12]，通过淡水泵[13]、淡水管[14]和冲洗布水管[9]，将淡水送至用户饮用或定期冲洗活性炭纤维毛细管蒸发器[4]；

e)残留在活性炭纤维毛细管蒸发器[14]上的盐类，是通过设置在蒸发器上端的冲洗布水管[9]定期用所滴淋的淡水而被冲洗到海水中实现脱除的；

f)海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器的底部，固定在两个或多个浮筒[2]的上面，放在海中用固定锚[1]定位或与船体相连随船而行。

2、根据权利要求1所述的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

搭在支撑架[10]横杆的两侧的活性炭毛细纤维毡料[18]，其双层厚度作为活性炭纤维毛细管蒸发器[4]的厚度；其值为5-8mm，其宽度应小于透光密封淡化器箱体[6]内侧的宽度；其高度应小于箱体内腔的高度，并要求其处在箱体内部分的高度与箱体外部海水中的高度之比应为4∶1-3∶1。

3、根据权利要求1所述的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

冷凝板[5]，其厚度为2-3mm，其高度应小于或等于活性炭纤维毛细管蒸发器[4]的高度，并要求处在箱体内腔的高度与处在箱体外部海水中的高度之比应为4∶1-3∶1。

4、根据权利要求1或2所述的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：在插口[16]的周边外侧于箱体底面内部还设有尺寸大于插口尺寸，而其高度不小于100-200mm的围堰槽[3]。

5、根据权利要求2或3所述的一种海上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

活性炭纤维毛细管蒸发器[4]与冷凝板[5]是呈相互平行相间分布，其间距为活性炭纤维毛细管蒸发器高度的1/4-3/4。