CN218810516U - 三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，包括太阳能电池板，太阳能电池板底部贴合设置三效升膜蒸馏模组，太阳能电池板耗散的余热对底部的三效升膜蒸馏模组加热；三效升膜蒸馏模组包括蒸发箱、三效升膜蒸馏总成，蒸发箱两侧分别连接设有三效升膜蒸馏总成，蒸发箱与三效升膜蒸馏总成相贴的一端面设有海水进水管、相对另一端面设有海水出水管，海水进水管、海水出水管分别设有分支管连接蒸发箱与三效升膜蒸馏总成；本装置以太阳能电池板的余热为热能加热海水蒸发淡化，具有不用耗费其他化石能源的优点，一方面可以降低太阳能电池板的温度提高光电转化效率，设有蒸汽输入口使本装置的蒸汽通量大，淡水转化率高。

Description

三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置

技术领域

本实用新型涉及热法海水淡化技术领域，具体是指三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置。

背景技术

太阳能电池发电过程中光伏余热的形成，主要是由于光电利用技术，光电转化效应受电池发生条件限制，光谱特性对其有较大影响。太阳光投射在太阳电池上，只有光子能量大于太阳电池材料p-n结带隙能的光子，才能激发出电子-空穴对，发生光电效应。那些能量低于p-n结带隙能的光子，因无法使电子跃迁至导带，不能激发出电子-空穴对，而在太阳能电池内全部耗散为热能；因此，较多的光子能量因无法转化为电能而被损失掉耗散为热能。由于光电转换的上述特点以及太阳辐照的光谱分布规律，在目前的工艺条件下，绝大部分太阳辐射则被转化为热能耗散。作为热能耗散的同时，该热能会导致太阳能电池温度升高，其温度越高，光电转换效率就越低，在局部高温下甚至会破坏晶体结构导致系统结构永久性损伤。对于硅电池而言，工作温度每升高1℃，光电转换效率下降3～5‰，因此，需要将上述耗散的热能加以利用；而海水淡化是解决淡水短缺的有效方法，太阳能作为一种可持续的绿色能源，可以为光伏发电、海水淡化提供能量支撑，利用太阳能电池的耗散的余热来为海水热法淡化提供热源可以解决海水淡化的问题，还可以降低太阳能电池散热提高其光电转化效率。鉴于以上，我们提出三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种结构合理，实用性强，具备太阳能电池发电、光伏余热回收利用进行海水淡化的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，包括太阳能电池板，太阳能电池板底部贴合设置三效升膜蒸馏模组，太阳能电池板耗散的余热对底部的三效升膜蒸馏模组加热；所述三效升膜蒸馏模组包括蒸发箱、三效升膜蒸馏总成，所述蒸发箱两侧分别连接设有三效升膜蒸馏总成，蒸发箱与三效升膜蒸馏总成相贴的一端面设有海水进水管、相对另一端面设有海水出水管，海水进水管、海水出水管分别设有分支管连接蒸发箱与三效升膜蒸馏总成；

所述三效升膜蒸馏总成内部设有两个与蒸发箱的内侧壁平行的内隔板，两个内隔板将三效升膜蒸馏总成内部分隔成三个蒸发腔，每个蒸发腔内纵向设有升膜蒸馏器，所述内侧壁和内隔板上侧均贯通设有蒸汽输入口；

所述升膜蒸馏器包括由远离蒸发箱至靠近蒸发箱方向依次紧贴设置的透气压板、吸水蒸发布、冷凝板组成，并且升膜蒸馏器固定设置在围框内，所述升膜蒸馏器将对应的蒸发腔分隔为海水槽和淡水槽，并且淡水槽位于靠近蒸汽输入口一侧；

所述三效升膜蒸馏总成两端连接的海水进水管、海水出水管的分支管均通过内孔连通至海水槽内；

每个所述淡水槽底部均设有汇流孔，汇流孔底部与淡水出水管连通。

进一步的，所述蒸发箱内设有三维阵列蒸发器；所述三维阵列蒸发器包括若干依次交错层叠放置的阵列支撑板和吸水纤维布，并且阵列支撑板、吸水纤维布垂直于升膜蒸馏器设置。

进一步的，所述阵列支撑板与透气压板均贯穿设有若干透水孔。

进一步的，所述太阳能电池板底部均匀阵列分布设置于若干个三效升膜蒸馏模组，每个三效升膜蒸馏模组的海水进水管均与海水进水总管连通，海水出水管均与海水出水总管连通，淡水出水管与淡水出水总管连通。

进一步的，所述吸水蒸发布、吸水纤维布均为纯棉纤维织成，所述吸水蒸发布厚度为 0.3mm，吸水纤维布厚度不大于1mm。

进一步的，所述阵列支撑板与透气压板均采用亚克力板打孔制作，所述阵列支撑板与透气压板厚度均为2mm。

进一步的，所述冷凝板采用不锈钢板制作，冷凝板厚度为0.5mm。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本装置以太阳能电池板的余热为热能加热海水蒸发淡化，具有不用耗费其他化石能源的优点，一方面可以降低太阳能电池板的温度提高光电转化效率，其次，由于本装置设有蒸汽输入口使本装置的蒸汽通量大，淡水转化率高；尤其适用与岛礁等生态系统相对独立、封闭但阳光照射充裕的环境，利用本装置进行海水淡化，降低对外界淡水补充的需求。

附图说明

图1是本实用新型三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置的结构示意图。

图2是本实用新型的三效升膜蒸馏模组外部结构示意图。

图3是本实用新型的三效升膜蒸馏模组的侧视图。

图4是本实用新型图3中A-A截面结构示意图。

图5是本实用新型图3中C-C截面结构示意图。

图6是本实用新型图5中A处放大示意图。

图7是本实用新型升膜蒸馏器的结构示意图。

图8是隔热实验测试效果图。

如图所示：1、太阳能电池板；2、三效升膜蒸馏模组；3、蒸发箱；4、三效升膜蒸馏总成；5、海水进水管；6、海水出水管；7、分支管；8、内侧壁；9、内隔板；10、蒸汽输入口；11、升膜蒸馏器；12、透气压板；13、吸水蒸发布；14、冷凝板；15、海水槽；16、淡水槽； 17、内孔；18、汇流孔；19、淡水出水管；20、阵列支撑板；21、吸水纤维布；22、透水孔。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，如图1所示，包括太阳能电池板1，太阳能电池板1底部贴合设置三效升膜蒸馏模组2，太阳能电池板1耗散的余热对底部的三效升膜蒸馏模组2加热；如图2所示，所述三效升膜蒸馏模组2包括蒸发箱3、三效升膜蒸馏总成4，所述蒸发箱3两侧分别连接设有三效升膜蒸馏总成4，蒸发箱3与三效升膜蒸馏总成4相贴的一端面设有海水进水管5、相对另一端面设有海水出水管6，海水进水管5、海水出水管6分别设有分支管7连接蒸发箱3与三效升膜蒸馏总成4；海水由海水进水管5分三个分支管7分别同时流入蒸发箱3和两侧的三效升膜蒸馏总成4内，并从相对的另一端再由三个分支管7汇集到海水出水管6流出；

并且淡水槽16位于靠近蒸汽输入口10一侧所述三效升膜蒸馏总成4两端连接的海水进水管5、海水出水管6的分支管7均通过内孔17连通至海水槽15内；每个所述淡水槽16底部均设有汇流孔18，汇流孔18底部与淡水出水管19连通。

所述三效升膜蒸馏总成4内部设有两个与蒸发箱3的内侧壁8平行的内隔板9，两个内隔板9将三效升膜蒸馏总成4内部分隔成三个蒸发腔，即从蒸发箱3开始依次形成“一效、二效、三效”三个蒸发腔，海水同时进入蒸发箱3和各个蒸发腔内，利用太阳能电池板1的余热对内部的海水加热，使蒸发箱3以及各个蒸发腔内同步产生水蒸气，每个蒸发腔内纵向设有升膜蒸馏器11，所述内侧壁8和内隔板9上侧均贯通设有蒸汽输入口10，水蒸气可以从蒸汽输入口10穿过，即蒸发箱3内的水蒸气穿过蒸汽输入口10进入一效蒸发腔，一效蒸发腔的海水槽15水蒸气穿过隔板上的蒸汽输入口10进入二效蒸发腔，二效蒸发腔海水槽15水蒸气穿过第二个隔板上的蒸汽输入口10进入三效蒸发腔。

每个升膜蒸馏器11包括由远离蒸发箱3至靠近蒸发箱3方向依次紧贴设置的透气压板12、吸水蒸发布13、冷凝板14组成，并且升膜蒸馏器11固定设置在围框内，所述升膜蒸馏器11 将对应的蒸发腔分隔为海水槽15和淡水槽16，穿过蒸汽输入口10的水蒸气遇到冷凝板14 时冷凝形成淡水汇集到底部的汇流孔18内，每升膜蒸馏器11包括纯棉纤维制作的吸水蒸发布13(0.3mm)、冷凝板14[超纯铁素体不锈钢S44660(0.5mm)]和透气压板12组成，分支管7通过内孔17连通每个海水槽15，冷凝后的淡水底部通过汇流孔18收集淡水从淡水出水管19流出，冷凝板14为竖直布置，这有利于凝结的淡水在重力作用下快速滴落到下方的淡水槽16内；吸水蒸发布13(0.3mm)下方浸没在海水中，每一效纯棉纤维吸水蒸发布13均紧贴在冷凝板14的背面，纯棉纤维吸水蒸发布13与冷凝板14之间为狭窄的冷凝腔(≤5mm),第三效冷凝板14背面全部入侵到海水槽15中，使蒸馏器内部形成较大温差，以此强化水蒸气的扩散过程。

升膜蒸馏器11外部的围框由亚克力材料构成，侧板(151.8mm×39mm×20mm)、底板(186mm ×39mm×20mm)；纯棉纤维吸水蒸发布13使用高度为150mm，厚度为0.3mm、冷凝板14使用高度为150mm，厚度为0.5mm的超纯铁素体不锈钢S44660，带有透水孔22的透气压板12将吸水蒸发布13和冷凝板14压在围框内固定，透水孔22用于海水穿过浸湿吸水蒸发布13，从而蒸发产生水蒸气，并且同时使冷凝板14温度下降，以利于其在另一侧冷凝水蒸气；第一效海水槽15宽度3mm、高度100mm；淡水槽16宽度3mm、高度100mm；第二效海水槽15宽度3mm、高度100mm；淡水槽16宽度3mm、高度100mm；第三效海水槽15宽度3mm、高度 150mm；淡水槽16宽度3mm、高度100mm；淡水槽16出口外接净水设备的标准管件，用于引出淡水。

在光伏余热作用下，蒸发箱3内蒸发所产生的常压高温蒸汽(60-80)℃→进入三效升膜蒸馏总成4的第一效冷凝腔内→在第一效冷凝板14冷凝被凝结为淡水并产生冷凝潜热。第一效纯棉纤维吸水蒸发布13利用毛细吸力持续地从下方汲取海水，使海水形成上升的液膜；这样避免了传统盆式蒸馏器的体积式加热引起的热损失，液膜被冷凝潜热加热蒸发，产生的水蒸气扩散至第二效冷凝腔内，遇到第二效温度较低的冷凝板14时被凝结为淡水，同时释放潜热加热第三效蒸发器内的海水液膜，产生的水蒸气扩散至第三效冷凝腔内，遇到第三效温度更低的冷凝板14时被凝结为淡水，最后冷凝潜热被散失到第三效的海水槽15中；第三效高位海水槽15中海水被加热后通过三效升膜蒸馏总成4侧板海水通道又回流到第二效→第一效低位海水槽15中；这样对水蒸气汽化潜热的循环回收和利用，提高了系统的光伏余热利用率，每效的应用温差Δt≥10℃左右；蒸馏淡水通过重力滴落到淡水槽16中，然后通过三效升膜蒸馏总成4底板淡水收集的汇流孔18汇流后导出。

进一步的，所述蒸发箱3内设有三维阵列蒸发器；所述三维阵列蒸发器包括若干依次交错层叠放置的阵列支撑板20和吸水纤维布21，并且阵列支撑板20、吸水纤维布21垂直于升膜蒸馏器11设置；阵列支撑板20贯穿设有若干透水孔22。吸水蒸发布13、吸水纤维布21均为纯棉纤维织成，所述吸水蒸发布13厚度为0.3mm，吸水纤维布21厚度不大于1mm。

阵列支撑板20是亚克力板d＝2mm；吸水纤维布21将海水从蒸发箱3下侧吸上来，在上面形成一个薄薄的水层；在光伏余热作用下，这层薄薄的水被加热，直到它蒸发→产生(50-80)℃常压高温蒸汽→然后进入三效升膜蒸馏总成4(左右)→在三效升膜蒸馏总成4第一效冷凝板14上被冷凝产生淡水→滴入淡水槽16作为纯水收集；同时冷凝潜热→蒸发第一效冷凝板 14背面吸水蒸发布13的薄薄水层→产生蒸汽→在第二效冷凝-蒸发腔内再次冷凝-蒸发如此循环应用潜热三次。

三维阵列蒸发器常压蒸发界面是典型的仿生二维水运输结构，可以有效的将水运输至蒸发界面，实现界面加热、蒸发界面与水面距离≥12厘米，且只有两个根系与水接触，接触面积大大减少，从而降低了热量从界面传导至水体的损失。

太阳能电池板1底部均匀阵列分布设置于若干个三效升膜蒸馏模组2，每个三效升膜蒸馏模组2的海水进水管5均与海水进水总管连通，海水出水管6均与海水出水总管连通，淡水出水管19与淡水出水总管连通。

本实用新型以光伏余热为能源，应用仿生二维毛细输水、三维阵列蒸发界面、三效升膜蒸馏等技术构建的“三维阵列蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化模块”如图1所示，在不改变光伏电池板市场成熟的生产技术条件下，可被动实现与其纵向无缝耦合—构建“光伏余热三维阵列蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置”如图2所示；因而，该装置具有良好的产品配套适应性。

“光伏余热三维阵列蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置”全程除太阳能外无需外界能源输入，就可实现光伏发电270Wm-2、光伏余热回收利用约650Wm-2；同时通过装置“零能耗海水淡化”技术，不仅可有效降低光伏发电工作温度(经实验测试光伏工作温度T≤60℃)、提高光伏发电效率约1％以上；而且光伏余热产生的常压(50-80)℃蒸汽通过三效升膜蒸馏总成4实现潜热循环应用，可较大幅度地提高装置的海水淡化产量(经实验测试装置淡水产量≥2.32±0.03kgm-2h-1)。

由于“三效升膜蒸馏模组2”与封装太阳能光伏电池板背面可被动纵向无缝耦合，为装置构建“零碳”建筑(BIPVT-MD)屋顶提供了可行的技术解决方案“零碳”建筑(BIPVT-MD)，从而实现了装置的屋顶隔热、防水、防台风等功能，其隔热实验测试效果如图8所示。

由于“三效升膜蒸馏模组2”海水、淡水通道设计构思妙巧，同时采用了净水设备的标准管件进行配套设计，为装置实行大型工程化应用提供了可行的技术解决方案；同时该模块可根据太阳能日照强度智能控制海水水位高度→精确控制“三效升膜蒸馏总成4”、“三维阵列常压蒸发界面”纯棉纤维蒸发布的液面厚度→可最大限度地提高装置的热利用效率。

由于“三维阵列蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化模块”采用模块化设计，应用国产新型超纯铁素体不锈钢S44660作为“冷凝-蒸发”换热防腐材料、PC或亚克力作为模具注塑材料，因而模块生产不仅高度集成而且成本低廉。

由于“三效升膜蒸馏总成4”、“三维阵列蒸发器”，利用纯棉纤维毛细力给蒸发面补水→实现“零能耗”海水淡化【海水相变(液态→汽态→冷凝成淡水)→从而分离海水中的盐分杂质】。

本实用新型应用的光伏余热为光伏发电过程中所产生的太阳能绿色工业余热，在南海地区取之不尽运营成本零费用；同时“三维阵列蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化模块”与封装太阳能光伏电池板背面可被动纵向无缝耦合，模块构建零空间、安装零成本。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，具体实施方式中所示的也只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，包括太阳能电池板(1)，其特征在于，太阳能电池板(1)底部贴合设置三效升膜蒸馏模组(2)，太阳能电池板(1)耗散的余热对底部的三效升膜蒸馏模组(2)加热；所述三效升膜蒸馏模组(2)包括蒸发箱(3)、三效升膜蒸馏总成(4)，所述蒸发箱(3)两侧分别连接设有三效升膜蒸馏总成(4)，蒸发箱(3)与三效升膜蒸馏总成(4)相贴的一端面设有海水进水管(5)、相对另一端面设有海水出水管(6)，海水进水管(5)、海水出水管(6)分别设有分支管(7)连接蒸发箱(3)与三效升膜蒸馏总成(4)；

所述三效升膜蒸馏总成(4)内部设有两个与蒸发箱(3)的内侧壁(8)平行的内隔板(9)，两个内隔板(9)将三效升膜蒸馏总成(4)内部分隔成三个蒸发腔，每个蒸发腔内纵向设有升膜蒸馏器(11)，所述内侧壁(8)和内隔板(9)上侧均贯通设有蒸汽输入口(10)；

所述升膜蒸馏器(11)包括由远离蒸发箱(3)至靠近蒸发箱(3)方向依次紧贴设置的透气压板(12)、吸水蒸发布(13)、冷凝板(14)组成，并且升膜蒸馏器(11)固定设置在围框内，所述升膜蒸馏器(11)将对应的蒸发腔分隔为海水槽(15)和淡水槽(16)，并且淡水槽(16)位于靠近蒸汽输入口(10)一侧；

所述三效升膜蒸馏总成(4)两端连接的海水进水管(5)、海水出水管(6)的分支管(7)均通过内孔(17)连通至海水槽(15)内；

每个所述淡水槽(16)底部均设有汇流孔(18)，汇流孔(18)底部与淡水出水管(19)连通。

2.根据权利要求1所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述蒸发箱(3)内设有三维阵列蒸发器；所述三维阵列蒸发器包括若干依次交错层叠放置的阵列支撑板(20)和吸水纤维布(21)，并且阵列支撑板(20)、吸水纤维布(21)垂直于升膜蒸馏器(11)设置。

3.根据权利要求2所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述阵列支撑板(20)与透气压板(12)均贯穿设有若干透水孔(22)。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能电池板(1)底部均匀阵列分布设置于若干个三效升膜蒸馏模组(2)，每个三效升膜蒸馏模组(2)的海水进水管(5)均与海水进水总管连通，海水出水管(6)均与海水出水总管连通，淡水出水管(19)与淡水出水总管连通。

5.根据权利要求2所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述吸水蒸发布(13)、吸水纤维布(21)均为纯棉纤维织成，所述吸水蒸发布(13)厚度为0.3mm，吸水纤维布(21)厚度不大于1mm。

6.根据权利要求3所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述阵列支撑板(20)与透气压板(12)均采用亚克力板打孔制作，所述阵列支撑板(20)与透气压板(12)厚度均为2mm。

7.根据权利要求4所述的三维阵列蒸发器蒸发耦合三效升膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所述冷凝板(14)采用不锈钢板制作，冷凝板(14)厚度为0.5mm。

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