CN2820302Y - 一种太阳能膜蒸馏系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种太阳能膜蒸馏系统，包括：热工质加热系统、膜组件、冷工质冷却系统、驱动系统和连接各部件的管路，其中在所述热工质加热系统中加入热太阳能加热系统、冷工质冷却系统采用太阳能冷却系统、驱动系统采用太阳能发电系统。这样可以利用太阳能加热和冷却工质、驱动循环泵工作，节约了大量的电能；因为太阳能是一种清洁能源，因此还可以保护环境，使得太阳能资源得到了有效的利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及膜蒸馏技术领域，其特别涉及利用低品位能源太阳能作为膜蒸馏驱动力的膜蒸馏系统，具体讲是一种太阳能膜蒸馏系统。
背景技术
众所周知，无论是工业生产还是日常生活都离不开水。人离不开水，因为科学研究表明，人体的59-66％是由水组成的，要维持人的健康基本需求，每人每天至少要得到20升安全饮用水，加上其它日常生活用水，每人每天大约需要50升水。
而目前，有些地区如海岛、沙漠及偏远地区淡水资源比较贫乏，尤其是我国的中西部地区饮用的地表水多为高矿高氟苦成水，并且这些地区多为一些交通不便、电力不发达的地区，因此对于这些地区获得长期连续的饮用水和生活用水显得尤为重要。然而这些地区太阳能资源丰富，并且太阳能作为一种可再生能源，是一种清洁能源，如果能够得到有效的利用，既可以解决能源短缺的问题又可以保护环境。
目前在淡化海水和苦成水、制备超纯水等方面，由于膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点，且膜蒸馏系统简单、操作方便，因此得到了广泛的应用。
通常所用的膜蒸馏系统，其结构主要包括：热工质加热系统、膜组件、冷工质冷却系统，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质加热部分组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质冷却部分组成回路。
现以空气隙式膜蒸馏为例说明它的基本工作原理。如图1所示，疏水性高分子微孔膜的一侧(热侧)与高温原料水溶液(或称原料液，热侧溶液，热工质相接触，膜的另一侧(即冷侧)与低温冷壁相邻。传递组分在膜的热侧蒸发汽化，借助热侧与冷侧之间相当于温度差的蒸气压差，促使热侧产生的蒸气通过膜的微孔，再经空气隙扩散到达冷侧的冷壁表面被冷凝下来，而液相水和溶质由于多孔膜的疏水作用(即表面张力)无法透过膜被截留在热侧，从而达到了液相水溶液与气相水分离的目的。实现膜蒸馏的基本条件是具有疏水性高分子微孔膜和膜两侧的温差
但是目前的膜蒸馏系统中热工质加热系统和冷工质冷却系统中加热工质和冷却工质均需要消耗电能，并且回路中的循环泵也采用电驱动，因此在那些偏远的交通不便、电力不足的地区应用该技术进行水处理耗电量大，不仅浪费了资源，而且这些地区丰富的太阳能资源没有得到有效利用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种太阳能膜蒸馏系统，在原有的膜蒸馏系统的基础上，在热工质加热系统加入了太阳能加热系统，这样可以利用太阳能加热热工质，节约了电能；并且在冷工质冷却系统中采用太阳能冷却系统，节约了电能；并且驱动系统也采用太阳能发电系统来驱动，这样既节约了电的消耗，又使得太阳能资源得到了有效的利用。
本实用新型提供一种太阳能膜蒸馏系统，包括：膜组件、冷工质冷却系统和驱动系统；所述膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质冷却系统组成回路；其特征在于还包括：
热工质加热系统，所述热工质加热系统进一步包括：由恒温热水器、热侧循环泵、膜组件的热容腔通过管路组成回路；以及由太阳能热水器、换热器、回水泵通过管路组成的回路；其中，
所述换热器置于所述恒温热水器中；
所述太阳能热水器的进口和出口分别与回水泵的出口、换热器的进口相连，所述换热器的出口与回水泵的进口相连。
所述膜组件为平板式、管式、卷式和中空纤维式膜组件。
所述太阳能热水器为真空管式热水器或板式热水器。
在连接所述太阳能热水器的出口和换热器的进口之间的管路上安装一出水阀，在连接所述回水泵的出口和太阳能热水器的进口之间的管路上安装一入水阀。
所述冷工质冷却系统包括：太阳能制冷系统、恒温冷水箱、冷却水循环泵、冷凝泵及连接各部件的管路；其中，
所述恒温冷水箱内部设置一隔板将其分成第一部分和第二部分，其中第一部分与太阳能制冷系统的出口相连通、所述第一部分的出口与所述膜组件冷侧进口相连，并在其间设置冷却水循环泵；所述第二部分与膜组件冷侧出口相连通、第二部分的出口与所述太阳能制冷系统的进口相连，并在其间的管路设置冷凝泵。
所述的太阳能制冷系统为太阳能喷射式制冷系统或太阳能吸收式制冷系统或太阳能压缩式制冷系统或太阳能吸附式制冷系统。
所述太阳能喷射式制冷系统包括：太阳能集热器、蓄热器、冷凝器、蒸发器、喷射器、膨胀阀、2个循环泵和连接各部件的管路；其中，
太阳能集热器将工作流体加热后进入蓄热器；在蓄热器中工作流体将热量传给制冷剂使其变为高温高压蒸汽；蒸气进入喷射器后，将蒸发器内的制冷剂吸入混合后进入冷凝器，流出冷凝器的一部分经一循环泵打入太阳集热器进行下一次循环，另一部分经另一循环泵送入膨胀阀降压成液体进入蒸发器，随后在蒸发器中吸收被冷却物质的热量。
所述冷工质冷却系统还包括制冷机、2个阀门和管路；其中，通过管路将该制冷机的进口与所述恒温冷水箱的第二部分相连，并且在其间安装一阀门；将该制冷机的出口与所述恒温冷水箱的第一部分相连，并在其间安装另一阀门。
所述驱动系统为太阳能发电系统。
所述太阳能发电系统包括：太阳能电池板、接线盒、控制器、直流—交流逆变器、配电箱及连接各部件的线路；其中所述太阳能电池板与接线盒相连、接线盒与控制器相连、控制器与直流—交流逆变器相连、直流—交流逆变器与配电箱相连。
所述太阳能光伏发电系统还包括一蓄电池，该蓄电池与控制器相连，用于储存电能。
本实用新型的有益效果在于，通过采用太阳能加热系统、太阳能冷却系统和太阳能发电系统，节约了大量的电能，并且使得太阳能资源得到了有效利用；而且设备简单、成本低。
附图说明
图1为气隙式膜蒸馏的原理图；
图2为本实用新型实施例中平板式膜组件剖面结构示意图；
图3为本实用新型实施例中膜蒸馏系统中热工质入流口及出口分布示意图；
图4为本实用新型实施例中恒温热水器的恒温水箱的剖面图；
图5为本实用新型实施例中恒温冷水箱内部结构示意图；
图6为本实用新型实施例中太阳能膜蒸馏系统结构示意图。
具体实施方式
如图6所示，本实用新型的实施例中以空气隙膜蒸馏系统为例来说明本实用新型。本实施例中，该系统包括：膜组件I、热工质加热系统II、冷工质冷却系统III、太阳能光伏发电系统IV。其中，
膜组件I：
采用平板式膜组件，如图2所示平板式膜组件剖面结构示意图，包括膜9、热工质容腔堵头10、热侧密封装置11、分别插入热容腔中的热工质出口管12和热工质入流管13、热腔排气口14、热侧热电偶进口15、空气隙16、冷壁17、冷工质容腔堵头19、冷工质进出口20和21组成。
如图3所示，为热工质入流口与出口的分布示意图。采用了三根入流管同时插入热容腔的结构设计，该三根入流管以有效膜面积(优选为圆形)的中心为圆心互成120°角度均匀分布，而热工质的出口管位于热容腔的中心。
热工质加热系统II：
包括由恒温热水器1、热侧循环泵2、浮子流量计3、球阀4和5、管路6和7、热容腔8组成的热工质循环回路，其中热工质为原料液；
本实施例中恒温热水器1包括恒温水箱101、电加热棒102和电接点接触式温度计(图中为示出)组成，如图4所示为恒温水箱的结构示意图。
还包括太阳能加热系统，该系统是由太阳能热水器、盘管式换热器24、回水泵25、出水阀26、进水阀27和管路28、29组成的循环回路，其中太阳能热水器由太阳能集热器22、热水箱23组成，采用自来水作为工质；
盘管式换热器24置于恒温热水器1的恒温水箱101中。
冷工质冷却系统III：
包括冷容腔18、恒温冷水箱30、管路31和32、球阀33和34、冷却水循环泵35、浮子流量计36、冷凝泵37、球阀47和48、管路52、53和太阳能冷却系统；其中，
如图5所示，用隔板38将恒温冷水箱30分成两个部分301和302，在冷容腔18中发生热量交换的冷却水经管路32进入恒温冷水箱的302部分，由冷凝泵37抽出经管路53送入太阳能制冷系统中冷却；经过太阳能制冷系统冷却后的水经管路52进入冷水箱301部分，然后由冷却水循环泵36将其抽出经管路31送入冷容腔18。
太阳能冷却系统可采用太阳能吸附式制冷、太阳能压缩式制冷和太阳能吸收式制冷和太阳能喷射制冷系统。本实施例中采用太阳能喷射式制冷系统，该系统包括：太阳能集热器39、蓄热器40、喷射器41、冷凝器42、蒸发器43、膨胀阀44、循环泵45和46；
此外，冷工质冷却系统还包括空气压缩制冷机49、球阀50和51；
太阳能光伏发电系统IV：
包括太阳能电池板55、接线盒56、控制器57、直流—交流逆变器58、配电箱59和蓄电池60。
其中由多个太阳能电池组构成的太阳能电池板55接收太阳的照射后产生直流电能，所产生的直流电通过接线盒56进入控制器57，一部分直接进入直流—交流逆变器58，通过直流—交流逆变器58将直流电转变成交流电输送到配电箱59供给系统使用。多余的直流电经过控制器57进入蓄电池60储存起来。
此外，该系统还包括附属部分一储存蒸馏液的水箱54。
如图6所示，进行膜蒸馏时，热工质加热系统中，恒温热水器中为热工质(即原溶液)，首先利用恒温热水器1中的电加热棒102将热侧工质加热到要求温度，通过热侧循环泵2、球阀4、管路6、热工质入流管13进入热容腔8，膜9热侧和冷侧之间的温度差产生传递组分气相压差，气相压差使得高温侧溶液中的挥发组分在膜面处汽化通过膜孔扩散到空气隙16中，部分被冷凝，其余部分则达冷壁17冷凝下来，冷凝液流入水箱54中被收集；而剩余的原料液通过管路7、球阀5重新回到恒温热水器1中被再次加热。
在通过恒温热水器1加热原溶液的同时，如果太阳能热水器22的水温高于恒温热水器1内热工质的温度，则开启回水泵25、球阀26、27，使位于恒温热水器1中的盘管式换热器24与恒温热水器同时加热恒温热水器1内的热工质，待热工质在恒温热水器1中被加热到所要求的温度时所述恒温热水器1自动停止加热。在膜蒸馏过程中由盘管式换热器24提供热量加热恒温热水器1内的热工质，并用电接点式温度计控制加热温度，这样通过使用太阳能热水器可以节约大量的电能，而且设备结构简单、成本低。
冷却水通过冷却水循环泵35从恒温冷水箱30的301部分抽出，经过冷侧进口20送入冷容腔18，在冷壁17的壁面上与所述挥发性组分发生热量交换，然后从出口21通过管路32，球阀34流回恒温冷水箱30的302部分。
恒温冷水箱30的302部分的冷却水通过冷凝泵37、管路48被送入太阳能喷射制冷系统中(蒸发器43中)进行冷却使之维持在恒定的低温。
太阳能喷射式制冷的原理是太阳能集热器将工作流体加热成高温高压蒸汽后导入喷射器的喷嘴变成高速蒸汽射流而造成低压，此低压部分连接蒸发器，将蒸发器内的制冷剂吸入再经喷射器的混合管与原来工作流体混合后进入冷凝器，制冷剂通过膨胀阀降压成液体，随后再在蒸发器中蒸发吸热；流出冷凝器的一部分工作流体再经循环泵打入太阳集热器加热后变成高温高压蒸汽进行下一次循环。
在本实施例的太阳能喷射制冷系统中，考虑到该系统中所需的冷量是间歇式的，而且被冷却物体只需冷却到6摄氏度即可，因此从环保和经济的角度出发选择R141b为制冷剂，水为工作流体。太阳能集热器39吸收太阳能使工作流体加热后进入蓄热器40，在蓄热器40中工作流体将热量传给制冷剂使其汽化、增压，变成高温高压蒸汽。蒸汽进入喷射器41后将蒸发器43里的制冷剂吸入混合后进入冷凝器42，其中一部分由循环泵45送回到太阳能集热器39，另一部分经循环泵46送入膨胀阀44变成低温低压液体进入蒸发器43吸收冷却水的热量达到制冷的目的。
冷却水被冷却后，通过蒸发器43的出口流出，经过管路52、球阀47进入恒温冷水箱30的301部分，然后由冷却水循环泵35经冷侧进口20进入冷容腔18中。在冷容腔18中发生热量交换的冷却水进入恒温冷水箱30的302部分，冷凝泵37将这部分水抽出经过管路53、球阀48送入蒸发器43进行冷却，考虑到阴雨天太阳能制冷不能实现，所以本实施例中还增设空气压缩制冷机49以填补这一缺陷。
本实施例中：
膜组件：膜9可以为聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙稀(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)等高聚物微孔膜，本实施例中采用选用美国Millipore公司生产的FALP型平板膜，膜材料为聚四氟乙烯(PTFE)，是合成的高分子多孔膜，它的疏水性强、化学稳定性好、耐温范围大，可耐强酸、强碱及有机溶剂；
选用直径为120mm的圆形面膜组件；
入流管直径为24mm；出口管径32mm；
热容腔和冷容腔的材料可选用壁厚为5mm的有机玻璃；
热容腔尺寸为φ120mm×70mm，冷容腔的尺寸为φ120mm×80mm。
热工质加热系统：
恒温热水器中电加热棒的功率为800W；恒温热水器中的水箱采用49L的圆柱型恒温水箱；恒温水箱的内部与热工质接触，所以最好选择耐高温、耐腐蚀的材料，可选择铬—镍钢(不锈钢)成份为20％Cr、15％Ni，其比热cp＝0.46kJ/kg·K，导热系数λ＝17W/m·K；恒温水箱中间层填放保温材料，使其尽可能减少损失热量，从而使内部工质处于恒温状态，选用聚苯乙烯泡沫塑料其参数如下：ρ＝24.7-37.8kg/m3；比热cp＝1.382kJ/kg·K；导热系数λ＝0.04-0.043W/m·K；恒温水箱的外层材料的作用是固定保温层的作用，所以它的选择比较自由，只要考虑其遇高温不软化便可以满足设计要求，选用聚丙烯高分子材料其导热系数λ＝0.15W/m·K。
热侧循环泵功率为90W；
太阳能加热系统中：目前太阳能热水器种类很多，其中有全玻璃真空管太阳能热水器，热管式真空管太阳能热水器，储热式真空管太阳能热水器，热媒真空管太阳能热水器等，本实施例采用全玻璃真空管太阳能热水器。
太阳能热水器选用8根长1200mm、内玻璃管外径为37mm、罩玻璃管外径47mm的全玻璃真空太阳集热器，热水箱容积为0.02m3；
换热器盘管最好选用耐高温、耐腐蚀的材料，换热面积为0.0625m2；回水泵采用功率为65W的水泵；
冷工质冷却系统：
恒温冷水箱采用0.5×1.0×1.0(m3)的长方体；
太阳能冷却系统中：太阳能集热器选用五根1200mm的全玻璃真空集热管作为集热器、两台泵的功率各为20W、流量为100L/h及配套的蒸发器和冷凝器；
空气压缩制冷机的型号为ZLS-01R，功率为930W；
冷却水循环泵功率为40W；冷凝泵28的功率65W。
由于本系统中恒温热水器、冷凝泵、换热器回水泵及空气制冷压缩机是间歇的工作方式，设恒温热水器、冷凝泵每天平均工作的小时数为1小时；换热器回水泵每天平均工作的小时数为6小时；冷、热工质循环泵及制冷系统循环泵每天平均工作的小时数为8小时；冷却水温为6摄氏度，恒温水箱中的温度维持60摄氏度，并且其中的温度波动为±0.5℃。
太阳能驱动系统：根据上述工况，选择太阳能电池板的安全系数为1.15；选择太阳能电池方阵倾角：最佳倾角为当地纬度加上1度至10度，如果在呼和浩特使用其最佳倾角为当地纬度加上3度；太阳能电池组件数18组；根据负载选用深圳市银港电子有限公司生产的EFG单晶硅电池，其参数为：额定功率P0为48Wp；最大工作电压Vm为17.4V；工作电流Im为2.7A；短路电流Isc为3.2A；开路电压Voc为21V；蓄电池选用型号为10GN100的蓄电池，16个；直流—交流逆变器选型号为CP48200；控制器型号为CQ1220(25A/5mA)。
这样，通过采用太阳能加热系统、太阳能冷却系统和太阳能光伏电池系统可节约大量的电能；因为太阳能为一种清洁能源，因此还可以保护环境；使得丰富的太阳能资源得以有效利用，并将该系统结构简单，成本低，对那些交通不便利、电力不发达的地区尤为适用。
本实施例仅用于说明本实用新型，而并非用于限制本实用新型。
Claims (11)
1.一种太阳能膜蒸馏系统，包括：膜组件、冷工质冷却系统和驱动系统；所述膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质冷却系统组成回路；其特征在于还包括：
热工质加热系统，所述热工质加热系统进一步包括：由恒温热水器、热侧循环泵、膜组件的热容腔通过管路组成回路；以及由太阳能热水器、换热器、回水泵通过管路组成的回路；其中，
所述换热器置于所述恒温热水器中；
所述太阳能热水器的进口和出口分别与回水泵的出口、换热器的进口相连，所述换热器的出口与回水泵的进口相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜组件为平板式、管式、卷式和中空纤维式膜组件。
3.根据权利要求1所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述太阳能热水器为真空管式热水器或板式热水器。
4.根据权利要求1所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，在连接所述太阳能热水器的出口和换热器的进口之间的管路上安装一出水阀，在连接所述回水泵的出口和太阳能热水器的进口之间的管路上安装一入水阀。
5.根据权利要求1所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述冷工质冷却系统包括：太阳能制冷系统、恒温冷水箱、冷却水循环泵、冷凝泵及连接各部件的管路；其中，
所述恒温冷水箱内部设置一隔板将其分成第一部分和第二部分，其中第一部分与太阳能制冷系统的出口相连通、所述第一部分的出口与所述膜组件冷侧进口相连，并在其间设置冷却水循环泵；所述第二部分与膜组件冷侧出口相连通、第二部分的出口与所述太阳能制冷系统的进口相连，并在其间的管路设置冷凝泵。
6.根据权利要求5所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述的太阳能制冷系统为太阳能喷射式制冷系统或太阳能吸收式制冷系统或太阳能压缩式制冷系统或太阳能吸附式制冷系统。
7.根据权利要求6所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述太阳能喷射式制冷系统包括：太阳能集热器、蓄热器、冷凝器、蒸发器、喷射器、膨胀阀、2个循环泵和连接各部件的管路；其中，
太阳能集热器将工作流体加热后进入蓄热器；在蓄热器中工作流体将热量传给制冷剂使其变为高温高压蒸汽；蒸气进入喷射器后，将蒸发器内的制冷剂吸入混合后进入冷凝器，流出冷凝器的一部分经一循环泵打入太阳集热器进行下一次循环，另一部分经另一循环泵送入膨胀阀降压成液体进入蒸发器，随后在蒸发器中吸收被冷却物质的热量。
8.根据权利要求5或6或7所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述冷工质冷却系统还包括制冷机、2个阀门和管路；其中，通过管路将该制冷机的进口与所述恒温冷水箱的第二部分相连，并且在其间安装一阀门；将该制冷机的出口与所述恒温冷水箱的第一部分相连，并在其间安装另一阀门。
9.根据权利要求1所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述驱动系统为太阳能发电系统。
10.根据权利要求9所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述太阳能发电系统包括：太阳能电池板、接线盒、控制器、直流-交流逆变器、配电箱及连接各部件的线路；其中所述太阳能电池板与接线盒相连、接线盒与控制器相连、控制器与直流-交流逆变器相连、直流-交流逆变器与配电箱相连。
11.根据权利要求10所述的太阳能膜蒸馏系统，其特征在于，所述太阳能光伏发电系统还包括一蓄电池，该蓄电池与控制器相连，用于储存电能。
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