一种新型高效太阳能海水淡化装置 |
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| 申请号 | CN201710757687.7 | 申请日 | 2017-08-29 | 公开(公告)号 | CN107381697A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 方利国; 陈颖娴; 张龙海; 罗明昀; 邓素芸; 李祎; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种新型高效 太阳能 海 水 淡化 装置，包括 蒸发 箱、带矩形肋片的导热 铜 管、喷头、液位控制 阀 、锥形分布器、冷凝箱、带纵向肋片的冷凝铜管、气体通道、 淡水 箱、淡水出水管道、布液器、常温 海水 箱、气 泵 、槽式 太阳能集热器 和太阳能集电系统；所述布液器安装于冷凝箱上方；所述蒸发箱安装于冷凝箱底部；所述带纵向肋片的冷凝铜管竖直固定于冷凝箱中，并延伸到蒸发箱内，且所述带纵向肋片的冷凝铜管与布液器连接。本发明采用太阳能供热和供电，利用空气增湿去湿的原理制备淡水，装置结构紧凑， 能量 利用率高，能快速高效利用海水获取淡水，对解决海岛等淡水资源匮乏地区的淡水生产具有重要意义。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种新型高效太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括蒸发箱（1）、带矩形肋片的导热铜管（102）、喷头（103）、液位控制阀（104）、锥形分布器（105）、冷凝箱（2）、带纵向肋片的冷凝铜管（201）、气体通道（203）、淡水箱（4）、淡水出水管道（401）、布液器（3）、常温海水箱（5）、气泵（6）、槽式太阳能集热器（7）和太阳能集电系统（8）；所述布液器（3）安装于冷凝箱（2）上方；所述蒸发箱（1）安装于冷凝箱（2）底部；所述带纵向肋片的冷凝铜管（201）竖直固定于冷凝箱（2）中，并延伸到蒸发箱（1）内，且所述带纵向肋片的冷凝铜管（201）与布液器（3）连接；所述喷头（103）安装于冷凝铜管（201）底部，且所述喷头（103）位于蒸发箱（1）内； |
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| 说明书全文 | 一种新型高效太阳能海水淡化装置技术领域背景技术[0002] 随着淡水资源的短缺，海水淡化技术日益受到各个国家的重视，目前许多国家已经将海水淡化作为解决淡水资源短缺问题的关键技术。 [0003] 海水淡化就是将海水中的盐分和水分分离的过程,最终得到淡水和浓缩盐水,主要的传统海水淡化方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冷冻法、水合物法和溶剂萃取法等。其中反渗透法利用半透膜中分子晶格空隙对水及盐类溶解度的差异而将其分离；蒸馏法是利用海水中各组分的沸点不同从而实现水与盐组分的分离。目前蒸馏法已经实现工业化生产，但是传统的蒸馏法耗能高，经济效益低且存在海水淡化装置结构复杂，操作运行困难，换热效率低等问题。 [0004] 本发明是以太阳能为能量，利用对空气进行增湿去湿原理进行海水淡化的一种装置。其基本思想为热海水经过喷头的作用在矩形肋片和导热铜管上形成液膜,来自太阳能集热器的导热油将热量传递给海水促进海水蒸发，气体上升的过程中吸收带走海水的热量和蒸发出的水蒸气，此为增湿过程；水蒸气在冷凝铜管上的纵向肋片冷凝得到淡水，同时将热量传递给管内较低温海水，即为除湿过程。增湿除湿海水淡化方法是目前研究的热点,具有规模灵活、设备投资和操作成本适中、可利用低位热能、技术水平要求低、装置利于小型化等优点，该技术被认为是太阳能海水淡化中最具前景的方法。而在工业中，增湿除湿海水淡化装置的研究相对较少；因此，研制新型高效的增湿除湿太阳能海水淡化装置意义非凡。 发明内容[0005] 本发明的目的在于，为了克服上述背景技术的不足和缺点，提出一种新型高效太阳能海水淡化装置。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种新型高效太阳能海水淡化装置，包括蒸发箱、带矩形肋片的导热铜管、喷头、液位控制阀、锥形分布器、冷凝箱、带纵向肋片的冷凝铜管、气体通道、淡水箱、淡水出水管道、布液器、常温海水箱、气泵、槽式太阳能集热器和太阳能集电系统；所述布液器安装于冷凝箱上方；所述蒸发箱安装于冷凝箱底部；所述带纵向肋片的冷凝铜管竖直固定于冷凝箱中，并延伸到蒸发箱内，且所述带纵向肋片的冷凝铜管与布液器连接；所述喷头安装于冷凝铜管底部，且所述喷头位于蒸发箱内；所述气体通道安装于冷凝箱底部；所述带矩形肋片的导热铜管水平固定于蒸发箱内；所述蒸发箱底部为带有筛板的锥形分布器；所述锥形分布器的底部设置有浓海水出口，所述浓海水出口管道上方设置有液位控制阀；所述淡水箱通过淡水出水管道连接到冷凝箱底部；所述气泵通过管道连接冷凝箱出气口和锥形分布器进气口；所述常温海水箱安装于布液器上方，且通过导管与布液器连接；所述槽式太阳能集热器通过管道与带矩形肋片的导热铜管连接；所述太阳能集电系统通过导线与液位控制阀、气泵连接。 [0007] 进一步地，所述蒸发箱呈长方体结构；所述带矩形肋片的导热铜管为6至9根；所述喷头在蒸发箱内顶部与从冷凝箱内延伸下来的冷凝铜管连接；所述锥形分布器带有筛板，用于气体分布以及气液对流，气体进气口位于锥形分布器中部；所述液位控制阀采用浮球液位开关和小型继电器组合的方式对锥形分布器底部积聚的浓海水进行排放。 [0008] 进一步地，所述喷头为立方体多孔结构或者球状多孔结构，用于海水的喷淋。 [0009] 进一步地，所述冷凝箱呈长方体，长度和宽度与蒸发箱相同；冷凝箱内均匀固定9至16根带纵向肋片的冷凝铜管，冷凝箱底部均匀布有9至16个圆孔让冷凝铜管底部穿过进入到蒸发箱；冷凝箱顶部上也均匀布有9至16个圆孔，9至16根带纵向肋片的冷凝铜管上部穿过冷凝箱顶部的9至16个圆孔，连接到冷凝箱上方的布液器；冷凝箱底部另均匀布有9至16个小圆孔，每个小圆孔上焊接安装有气体通道，各个气体通道通过三根细支柱连接有锥形盖并使气体通道和锥形盖之间留有一定空间让上升蒸汽通过；冷凝箱下部设有淡水出口，上部设有气体出口。 [0010] 进一步地，所述布液器安装于冷凝箱上方，为空心扁平长方体结构，底部均匀开有9至16个圆孔用以连接冷凝铜管上部，顶部设有常温海水入水口，通过管道连接到常温海水箱，管道上设有流量控制阀，用于控制布液器进水速率。 [0011] 进一步地，所述槽式太阳能集热器通过管道与蒸发箱内带矩形肋片的导热铜管连接，经槽式太阳能集热器加热的导热油通过耐热泵通入带矩形肋片的导热铜管中，释放热量后回到集热器进行储热，如此循环往复。 [0013] 进一步地，所述气泵为小功率气泵，有2至4组，对应地，冷凝箱上部的气体出口和锥形分布器中部的进气口均设有2至4个，气泵通过管道将冷凝箱内上部气体抽出，并鼓入锥形分布器，冷凝箱顶部形成的负压环境促进了装置内气体自锥形分布器向上流动并与海水进行换热换质，形成气体循环。 [0014] 进一步地，所述太阳能集电系统包括太阳能光伏板、控制器、逆变器和蓄电池，所述太阳能光伏板是利用太阳能电池的光生伏打效应，将太阳辐射能转化为电能，通过其他部件给液位控制阀、小功率气泵进行供电。太阳能光伏板接在控制器的输入端，蓄电池接在控制器的蓄电池接口上，逆变器接在控制器的输出端；所述逆变器与液位控制阀、气泵连接。 [0015] 进一步地，所述蒸发箱和喷头采用防腐蚀性强的PVC材料制成，蒸发箱和冷凝箱外部设有聚苯乙烯材料制成的保温隔热层；所述带纵向肋片的冷凝铜管内壁及肋片表面、带矩形肋片的导热铜管外壁及肋片表面设有防腐阻垢涂层；箱体与管道所有连接部分均设有防水固定圈。 [0017] 2、本发明采用筛板，热的浓海水通过筛板流入下方的锥形分布器，同时气泵产生的气体通过筛板后能均匀地上升，更充分地吸收筛板上的浓海水、各个矩形肋片上海水的热量和蒸发出的水蒸气，提高了能量利用率。 [0018] 3、本发明蒸发箱下部锥形分布器出水口采用液位控制阀，海水到达一定深度后，液位控制阀打开阀门，海水从出水口流出。液位控制阀使得出水口处的海水起到液封作用，防止气泵产生的气体从出水口流出。 [0019] 4、本发明的冷凝箱底部采用锥形盖、气体通道相连接的结构，气体通道和锥形盖之间留有一定空间以利于热蒸汽向上进入冷凝箱，锥形盖起导流的作用，使冷凝水滴下后沿着锥形盖流到冷凝箱底部而不会通过气体通道流回蒸发箱，从而使空气流和冷凝水的流动互不干扰从而提高装置淡水回收率。 [0020] 5、本发明采用有纵向肋片的冷凝铜管，纵向肋片增大换热面积以强化换热，提高了冷凝效率。冷凝铜管中的常温海水作为冷凝箱的冷却源的同时被热蒸汽冷凝放出的热量预热，提高了能量利用率。预热后的海水通过喷头进入蒸发箱后，常温海水箱中的海水继续注入冷凝铜管，保证了冷却时冷源温度足够低，能持续起到冷却水蒸气的作用。 [0022] 图1为新型高效太阳能海水淡化装置整体结构示意图；图2为新型高效太阳能海水淡化装置冷凝箱横向剖面图； 图3为新型高效太阳能海水淡化装置蒸发箱内部结构示意图； 图4为新型高效太阳能海水淡化装置淡水出水管道示意图； 图5为新型高效太阳能海水淡化装置锥形盖与气体通道连接后的示意图； 图6为新型高效太阳能海水淡化装置喷头示意图。 [0023] 图中各个部件如下：蒸发箱1、筛板101、带矩形肋片的导热铜管102、喷头103、液位控制阀104、锥形分布器 105、冷凝箱2、带纵向肋片的冷凝铜管201、锥形盖202、气体通道203、布液器3、淡水箱4、淡水出水管道401、常温海水箱5、气泵6、槽式太阳能集热器7、太阳能光伏板801、控制器802、逆变器803、蓄电池804、流量控制阀9。 具体实施方式[0024] 为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。 [0025] 如图1至图6所示，一种新型高效太阳能海水淡化装置，包括蒸发箱1、带矩形肋片的导热铜管102、喷头103、液位控制阀104、锥形分布器105、冷凝箱2、带纵向肋片的冷凝铜管201、气体通道203、淡水箱4、淡水出水管道401、布液器3、常温海水箱5、气泵6、槽式太阳能集热器7和太阳能集电系统8；所述布液器3安装于冷凝箱2上方；所述蒸发箱1安装于冷凝箱2底部；所述带纵向肋片的冷凝铜管201竖直固定于冷凝箱2中，并延伸到蒸发箱1内，且所述带纵向肋片的冷凝铜管201与布液器3连接；所述喷头103安装于冷凝铜管201底部，且所述喷头103位于蒸发箱1内；所述气体通道203安装于冷凝箱2底部；所述带矩形肋片的导热铜管102水平固定于蒸发箱1内；所述蒸发箱1底部为带有筛板101的锥形分布器105；所述锥形分布器105的底部设置有浓海水出口，所述浓海水出口管道上方设置有液位控制阀104；所述淡水箱4通过淡水出水管道401连接到冷凝箱2底部；所述气泵6通过管道连接冷凝箱2出气口和锥形分布器105进气口；所述常温海水箱5安装于布液器3上方，且通过导管与布液器3连接；所述槽式太阳能集热器7通过管道与带矩形肋片的导热铜管102连接；所述太阳能集电系统8通过导线与液位控制阀104、气泵6连接。所述蒸发箱1呈长方体结构；所述带矩形肋片的导热铜管102为9根；所述喷头103在蒸发箱1内顶部与从冷凝箱2内延伸下来的冷凝铜管201连接；所述锥形分布器105带有筛板101，用于气体分布以及气液对流，气体进气口位于锥形分布器105中部；所述液位控制阀104采用浮球液位开关和小型继电器组合的方式对锥形分布器105底部积聚的浓海水进行排放。所述喷头103为立方体多孔结构或者球状多孔结构，用于海水的喷淋。所述冷凝箱2呈长方体，长度和宽度与蒸发箱1相同；冷凝箱2内均匀固定9根带纵向肋片的冷凝铜管201，冷凝箱2底部均匀布有9个圆孔让冷凝铜管201底部穿过进入到蒸发箱1；冷凝箱2顶部上也均匀布有9个圆孔，9根带纵向肋片的冷凝铜管201上部穿过冷凝箱顶部的9个圆孔，连接到冷凝箱上方的布液器3；冷凝箱2底部另均匀布有16个小圆孔，每个小圆孔上焊接安装有气体通道203，各个气体通道203通过三根细支柱连接有锥形盖202并使气体通道203和锥形盖202之间留有一定空间让上升蒸汽通过；冷凝箱2下部设有淡水出口，上部设有气体出口。所述布液器3安装于冷凝箱2上方，为空心扁平长方体结构，底部均匀开有9个圆孔用以连接冷凝铜管201上部，顶部设有常温海水入水口，通过管道连接到常温海水箱5，管道上设有流量控制阀9，用于控制布液器进水速率。所述槽式太阳能集热器7通过管道与蒸发箱内带矩形肋片的导热铜管102连接，经槽式太阳能集热器7加热的导热油通过耐热泵通入带矩形肋片的导热铜管102中，释放热量后回到集热器进行储热，如此循环往复。所述淡水箱4通过带阀门的淡水出水管道401与冷凝箱2的淡水出口连接；淡水出水管道401中设置有两块挡板，用于对蒸汽形成液封。所述气泵6为小功率气泵，有2至4组，对应地，冷凝箱2上部的气体出口和锥形分布器105中部的进气口均设有2至4个，气泵6通过管道将冷凝箱2内上部气体抽出，并鼓入锥形分布器105，冷凝箱2顶部形成的负压环境促进了装置内气体自锥形分布器105向上流动并与海水进行换热换质，形成气体循环。所述太阳能集电系统8包括太阳能光伏板801、控制器802、逆变器803和蓄电池804，所述太阳能光伏板801是利用太阳能电池的光生伏打效应，将太阳辐射能转化为电能，通过其他部件给液位控制阀104、小功率气泵6进行供电。太阳能光伏板801接在控制器802的输入端，蓄电池 804接在控制器802的蓄电池接口上，逆变器803接在控制器802的输出端；所述逆变器803与液位控制阀104、气泵6连接。所述蒸发箱1和喷头103采用防腐蚀性强的PVC材料制成，蒸发箱1和冷凝箱2外部设有聚苯乙烯材料制成的保温隔热层；所述带纵向肋片的冷凝铜管201内壁及肋片表面、带矩形肋片的导热铜管102外壁及肋片表面设有防腐阻垢涂层；箱体与管道所有连接部分均设有防水固定圈。 [0026] 一种新型高效太阳能海水淡化装置的工作过程可以分为增湿、去湿两个过程。 [0027] 本装置在阳光下，太阳能光伏板和槽式太阳能集热器7开始工作。其中太阳能光伏板将光能转化为电能用于气泵6、液位控制阀104的工作，槽式太阳能集热器7将光能转化为热能，并利用热能加热导热油。导热油通过耐热泵通入带矩形肋片的导热铜管102中，从槽式太阳能集热器7源源不断的传递热量至带矩形肋片的导热铜管102上，再经过循环回到槽式太阳能集热器7中。 [0028] 打开常温海水箱5出水管道的流量调节阀9，常温海水通过布液器3注入带纵向肋片的冷凝铜管201中，同时海水通过喷头103从四面均匀喷洒海水至矩形肋片上形成液膜，被带矩形肋片的导热铜管102加热蒸发。 [0029] 打开气泵6，产生的气体通过筛板101后均匀地上升，气体吸收了筛板101上和各个矩形肋片上海水的热量后空气升温，载湿能力提高，海水汽化后成为水蒸气，使空气湿度提高。此为增湿过程。同时，热的浓海水沿着矩形肋片通过筛板101流入锥形分布器105，海水到达一定深度后，液位控制阀104打开阀门，海水从出水口流出。液位控制阀104使得出水口处的海水起到液封作用，防止气泵6产生的气体从出水口流出。 [0030] 水蒸气流经气体通道203，从气体通道203和锥形盖202中间的空间流出并向上流动，在冷凝铜管201上的纵向肋片上冷凝，冷凝水沿纵向肋片滴落至冷凝箱2底部或锥形盖202上，锥形盖202起导流的作用，使冷凝水沿着锥形流到冷凝箱底部而不会通过气体通道 203流回蒸发箱1，此为去湿过程。冷凝铜管中的常温海水作为冷凝箱2的冷却源，同时被热蒸汽冷凝放出的热量预热，预热后的海水通过喷头103进入蒸发箱1后，常温海水箱5中的海水继续注入冷凝铜管201，保证了冷却时冷源温度足够低。 [0031] 淡水出水管道401中上下各设置有一挡板，使淡水起到液封的作用，防止蒸汽从淡水出水管道401排出。打开淡水出水管道401的阀门，淡水从冷凝箱2的排水口流入淡水箱4。 [0032] 该系统工作时气体为循环体系，气泵6将冷凝箱2的空气抽出并输送到锥形分布器105中，在冷凝箱2顶部形成的负压环境促进了装置内气体自锥形分布器105向上流动并与海水进行换热换质，形成气体循环。 |
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