CN102003797A - 一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置。太阳能集热器组件出水口与第一储水箱、热水给水泵、负压膜蒸馏装置进水口依次相连，负压膜蒸馏装置蒸汽出口与冷凝器和饮用净水水箱依次相连，负压膜蒸馏装置出水口和冷凝器冷却水出口与第二储水箱进水口相连，水环式真空泵冷却水管与冷水箱中的换热盘管、循环冷却水泵依次相连，水环式真空泵进气口与负压膜蒸馏装置、冷凝器和饮用净水水箱相连，控制装置分别和循环冷却水泵、温度传感器、电磁阀和液位计相连。本发明利用同一组太阳能集热单元，根据不同季节太阳辐射量的变化结合饮用净水和生活热水需求量变化调整两者的热量需求分配，使收集到的太阳能辐射热量得到高效利用。

Description

一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置

技术领域

本发明涉及太阳能综合利用装置，尤其涉及一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置。

背景技术

能源供需矛盾是关乎社会可持续发展的重要命题，人类对化石能源的过渡依赖造成了当前能源资源行将枯竭，二氧化碳排放过量，气候环境恶化的严重后果。可再生能的开发和利用是缓解能源供需矛盾的重要手段。太阳能利用是可再生能源在建筑中利用的关键环节。目前尽管太阳能的光热利用-太阳能热水***的转换率较高，但由于需热量和供热量的季节性不平衡，造成冬季热量不足，夏季热量过剩而浪费，并对***造成超温和超压的危害。使得太阳能热水***的实际使用效率大为降低。

太阳能是一种分散、低密度、不可控的能源，热量的产生和使用在时空上存在很大的错位。错位还分为昼夜错位和季节性错位，昼夜错位主要是指每日太阳能的产生在白天，生活热水的使用大都在夜间。因此，必须通过储热调节用水负荷。而季节性的错位主要是指夏季由于冷水水温较高、辐射量大造成热量大为富裕，而冬季由于冷水温度较低、辐射量较小而造成热量严重不足。目前相关的技术规范要求设计太阳能集热器面积时，按照全年平均的辐射量和冷水温度参数取值。作为单一的太阳能热水***，这种取值合理地兼顾了夏季和冬季的不同需求。但由于辐射量和水温随季节变化的幅度较大，造成所设计的集热器面积在冬季最冷月的热量亏欠和夏季最热月的热量富裕平均在设计值的一倍以上。使***的稳定性和效益下降。目前的太阳能集热技术在集热器本身的集热效益上研究相当深入，但对于辐射量和***热需求季节性不同的关注相对较少。将生活饮用净水引入太阳能集热***中是本装置的一大特色。

目前我国大部分地区的城市市政供水由于受处理工艺和管道输送过程的污染所限，不能直接饮用。饮用净水一般采用加热煮沸的自来水或经过深度处理的桶装水。加热和深度处理的过程都需要耗费了一定的能量。目前的一种膜蒸馏技术可以利用太阳能集热板的热量以热水形式通过特殊的负压蒸馏器时，利用巨大的膜表面积蒸馏冷凝后产出高质量的饮用净水。

饮用净水的需求特点是用水量冬季小而夏季大。与生活热水的需求正好形成互补。如果采用同一组太阳能集热器，在技术上能够解决热量的分配和高效利用问题。夏季主要用于制取饮用净水而冬季主要用于加热生活热水。则可以解决太阳能光热***的季节性不平衡所造成的***实际效益不高的关键问题。太阳能集热板的配置也可以冬季和夏季两种工况进行设计和互为校核。因为季节性能量差是很难通过储存来调节的，本装置的核心的作用就是可以提高太阳能集热器的全年使用效率。

太阳能加热生活热水技术和太阳能膜蒸馏制取饮用净水技术分处于两个不同的领域。近年来在技术上都有不小进展，两个领域都不断有专利被公开和授权：

田瑞；杨晓宏等人(专利名称：一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置；专利号：CN1827532；公开日期：2006.09.06)发明为一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，该装置包括：海水容器，所述海水容器的底面为疏水性膜，与海水容器的周边密封连接，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板，该冷却板上有淡水出口，所述间隙为空气隙，海水容器设有进水管，该海水容器设有太阳能加热装置。放置在海面上使用时，还可包括一漂浮装置，该装置倾斜漂浮在海面上，充分吸收太阳能。该装置应用了空气隙膜蒸馏原理，充分利用了海岛地区丰富的太阳能资源和海水资源；结构简单、便于携带、成本低，给海岛地区的居民和保卫海岛的战士的工作生活带来极大的方便。

张信荣任建勋等人(专利名称：利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置；专利号：CN1396120A；公开日期：2003.2.12)发明属于热能利用、水处理以及环保技术领域，包括膜组件、太阳能集热器或废热集热器、一个以上的循环泵及其驱动装置以及连接各部件的管路；分别构成了原料液的回路，蒸馏液侧的回路，以及原料液的补充管路。本发明可以连续的处理原料液，源源不断的得到生活及饮用水；还可以省去电加热，无需任何电耗；并且可以利用换热器回收冷凝潜热，大大减小所需太阳能集热器的规模。

闵辉(专利名称：集体用真空管式太阳能热水器的上供水装置；专利号：CN1419087A；公开日期：2003.5.21)发明为一种集体用真空管式太阳能热水器的上供水装置，本套真空管式集体用太阳能热水器的上供水装置是+由放置于连接器上部的输送热水的管槽内的冷水管线及分别通道各连接器的冷水管线组成。利用太阳能产生的热水为自身的冷水管线加温，达到防止冷水管线冻结的效果。同时有效的解决了***中压力分布过高，易于泄露，和维修时需排掉全***存水所带来的操作困难资源浪费问题。

唐娜陈明玉等人(专利名称：海水淡化浓盐水真空膜蒸馏工艺，专利号：CN101205086A；公开日期：2008.6.25)发明涉及海水淡化及制盐技术领域的一种海水淡化浓盐水真空膜蒸馏工艺。该工艺是将海水淡化浓盐水的热溶液通过膜组件一侧，另一侧抽真空，从而在膜两侧形成传递蒸汽压差，在真空侧产生水蒸气，经过冷凝成液态水，从而实现浓盐水的浓缩和分离，确定反应过程的工艺参数。本发明所采用的真空膜蒸馏法将海水淡化与制盐业结合起来，以膜两侧的压力差为驱动力，分离效率高，膜通量大，具有操作方便、节能、占地面积小、对环境污染小等优点，具有广泛的应用前景。

但是，将生活热水加热和制取饮用水两种工艺综合在同一组集热***中，尚未见相关的专利。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置。

综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置包括太阳能集热器组件、第一储热水箱、第二储热水箱、冷水箱、热水给水泵、负压膜蒸馏装置、冷凝器、饮用净水水箱、水环式真空泵、循环冷却水泵、温度传感器、电磁阀、液位计、换热盘管、膨胀罐、液位控制阀和控制装置；太阳能集热器组件进水口与自来水相连，太阳能集热器组件出水口与第一储水箱、热水给水泵、负压膜蒸馏装置进水口依次相连，负压膜蒸馏装置蒸汽出口与冷凝器和饮用净水水箱依次相连，负压膜蒸馏装置出水口和冷凝器冷却水出口与第二储水箱进水口相连，冷凝器冷却水进口接自来水，水环式真空泵冷却水管与冷水箱中的换热盘管、循环冷却水泵依次相连，水环式真空泵进气口与负压膜蒸馏装置、冷凝器和饮用净水水箱相连，供水控制装置分别和循环冷却水泵、温度传感器、电磁阀和液位计相连，形成自动控制***。第二储水箱出水口接热水供水，冷水箱出水口接冷水，

在负压膜蒸馏装置进水口设有流量调节阀。控制装置采用PLC中文控制装置。

本发明以水为工质的太阳能集热组件收集到的热量首先通过控制阀进入负压膜蒸馏装置，经膜表面负压蒸发进入冷凝器冷凝。高温段热量被利用后，温度相对较低的出流尾水进入生活热水水箱备用。在冷凝器中通入冷水将水蒸气冷凝成饮用净水备用，被加热的冷却水也进入生活热水水箱混合后利用。进入负压膜蒸馏装置的热水可以通过调节流量控制进出水温差，进而保证负压膜蒸馏装置运行在高效段并保证出水仍可用作生活热水。运行时为保持负压膜蒸馏装置、冷凝器和应用净水水箱的负压环境，采用水环式真空泵。冷却水在所述装置的冷水箱中换热，既保证水环式真空泵的运行环境，又可利用其抽真空时产生的工作热量不被浪费。

附图说明

图1是综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置的结构示意图；

图中，太阳能集热器组件1、第一储热水箱2、第二储热水箱3、冷水箱4、热水给水泵5、负压膜蒸馏装置6、冷凝器7、饮用净水水箱8、水环式真空泵9、循环冷却水泵10、温度传感器11、电磁阀12、液位计13、换热盘管14、膨胀罐15、液位控制阀16和控制装置17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的具体实施方式作进一步详细说明：

如图1所示，综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置包括太阳能集热器组件1、第一储热水箱2、第二储热水箱3、冷水箱4、热水给水泵5、负压膜蒸馏装置6、冷凝器7、饮用净水水箱8、水环式真空泵9、循环冷却水泵10、温度传感器11、电磁阀12、液位计13、换热盘管14、膨胀罐15、液位控制阀16和控制装置17；太阳能集热器组件1进水口与自来水相连，太阳能集热器组件1出水口与第一储水箱2、热水给水泵5、负压膜蒸馏装置6进水口依次相连，负压膜蒸馏装置6蒸汽出口与冷凝器7和饮用净水水箱8依次相连，负压膜蒸馏装置6出水口和冷凝器7冷却水出口与第二储水箱3进水口相连，冷凝器7冷却水进口接自来水，水环式真空泵9冷却水管与冷水箱4中的换热盘管14、循环冷却水泵10依次相连，水环式真空泵9进气口与负压膜蒸馏装置6、冷凝器7和饮用净水水箱8相连，控制装置17分别和循环冷却水泵10、温度传感器11、电磁阀12、液位计13相连，形成自动控制***，第二储水箱3出水口接热水供水，冷水箱4出水口接冷水供水。负压膜蒸馏装置6进水口设有流量调节阀，控制装置采用PLC中文控制装置。

太阳能集热组件1一般采用市场最常见的真空玻璃管组件，按照常规的非承压式***配置成一套具有提供普通生活热水功能的太阳能热水***。生活热水的合理使用温度为50℃左右。利用真空管集热器对收集到辐射热量不易通过传导损失的特点，***运行时提高放水的设定温度，约为70℃左右。负压膜蒸馏装置6利用这个温度段的热水在负压膜蒸馏装置6中蒸发，冷凝后获得饮用净水。被部分蒸发后的尾水温度降至50℃左右回流至第二储水箱3作为生活热水使用。

所述太阳能集热组件1由单支的真空集热管组合而成，每支集热管在集分流管两侧水平横置，以一定规模组合成组。集热器进水端设置温控电磁阀12，设于集热器组件上部的温度传感器11测得集热器中水温达设定值时，开启电磁阀12，利用冷水管的管网余压，将冷水从集热器组件下部顶入集热器，同时将达到温度要求的热水从集热器上部送入第一储热水箱2储存。当所述温度传感器11测得集热器出水温度下降到设定值时，说明达到温度要求的热水已全部送入第一储热水箱2中。温控电磁阀12关闭，开始下一轮的集热。以此类推，使第一储热水箱2中水位不断上升，水量增加。

当第一储热水箱2中的水量达到一定值时，开启热水给水泵5将工作水泵入负压膜蒸馏装置6，经过该装置的负压高效蒸发，蒸汽进入冷凝器7冷却后凝结为饮用净水流入饮用净水水箱8，饮用净水水箱8注满后，间隙性地恢复常压，取出合格的饮用净水备用。而负压膜蒸馏装置6中大部分尚未蒸发而温度有所降低的尾水流入第二储热水箱3，作生活热水使用，达到综合利用太阳能加热生活热水和制备饮用净水的双向目的。

负压膜蒸馏装置6中的冷却工作水由自来水管网供给，冷却水在冷凝器7中通过间接热交换形式将来自负压膜蒸馏装置6的蒸汽冷凝后水温升高流入第二储热水箱3与生活热水混合后使用。

所述负压膜蒸馏装置6在运行时为保持其蒸馏器和冷凝器中的负压环境，采用水环式真空泵9保持真空度，水环式真空泵9的冷却工作水循环使用，在水环式真空泵冷却***中设置循环冷却水泵10、冷却水管，在冷水箱4中设一组换热盘管14。水环式真空泵9开启时启动循环冷却水泵10将水环式真空泵9的工作热量通过热交换储存到装置的冷水箱4中，以提高整个装置的热利用效率。

当冬季或太阳辐射量不足时，所述热水给水泵5关闭，第一储热水箱和第二储热水箱之间的电磁阀开启，太阳能集热器组件1制备的热水直接进入第二储热水箱3中，用作生活用水。

Claims (3)

1.一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置，其特征在于包括太阳能集热器组件(1)、第一储热水箱(2)、第二储热水箱(3)、冷水箱(4)、热水给水泵(5)、负压膜蒸馏装置(6)、冷凝器(7)、饮用净水水箱(8)、水环式真空泵(9)、循环冷却水泵(10)、温度传感器(11)、电磁阀(12)、液位计(13)、换热盘管(14)、膨胀罐(15)、液位控制阀(16)和控制装置(17)；太阳能集热器组件(1)进水口与自来水相连，太阳能集热器组件(1)出水口与第一储水箱(2)、热水给水泵(5)、负压膜蒸馏装置(6)进水口依次相连，负压膜蒸馏装置(6)蒸汽出口与冷凝器(7)和饮用净水水箱(8)依次相连，负压膜蒸馏装置(6)出水口和冷凝器(7)冷却水出口与第二储水箱(3)进水口相连，冷凝器(7)冷却水进口接自来水，水环式真空泵(9)冷却水管与冷水箱(4)中的换热盘管(14)、循环冷却水泵(10)依次相连，水环式真空泵(9)进气口与负压膜蒸馏装置(6)、冷凝器(7)和饮用净水水箱(8)相连，控制装置(17)分别和循环冷却水泵(10)、温度传感器(11)、电磁阀(12)、液位计(13)相连，形成自动控制***，第二储水箱(3)出水口接热水供水，冷水箱(4)出水口接冷水供水。

2.根据权利要求1所述的一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置，其特征在于在负压膜蒸馏装置(6)进水口设有流量调节阀。

3.根据权利要求1所述的一种综合利用太阳能加热生活热水和制取饮用净水的装置，其特征在于控制装置(17)采用PLC中文控制装置。

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