CN102225787A - 一种复合式太阳能海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合式太阳能海水淡化装置及方法，装置本体由储水箱、太阳能平板集热器、布液箱、冷凝蒸发管、导流板、加热面、复合抛物面聚光集热器、常温蒸发器、淡水箱以及储热水箱构成。本发明通过平板集热器，复合抛物面聚光集热器吸收太阳能，使海水进行降膜和薄膜蒸发，收集蒸汽并冷凝得到淡水，完成海水淡化的过程。蒸汽在冷凝时放出的潜热用于产生二次蒸汽或者提高海水的温度，实现太阳能的多效利用。本发明无需辅助电动设备、启动快、产水率高，特别适合海岛、海船和偏远地区使用。

Description

一种复合式太阳能海水淡化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种复合式太阳能海水淡化装置及方法，属于太阳能海水淡化的技术领域。

背景技术

海洋覆盖地球表面积的71%，海水储量约为13.7亿立方千米，占全球总水量的95%；陆地淡水储量约为0.35亿立方千米，占全球水储量的2.53%，其中可供人类直接利用的淡水仅占淡水储量的0.266%，不足地球总储水量的十万分之七。我国海岸线长，很多岛屿、沿海及内陆苦咸水地区都存在严重的淡水短缺问题。因此，发展海水淡化技术对缓解当前淡水资源短缺、供需矛盾突出的问题具有深远的战略意义。

海水淡化就是将海水（或苦咸水）中的盐分和水分分离，最终得到淡水和浓缩盐水的过程。海水（或苦咸水）淡化最常用的技术主要有多效蒸馏法、多级闪蒸法、反渗透法、萃取法和电渗析法。

多效蒸馏法是将海水加热蒸馏产生蒸汽，蒸汽在冷凝的过程中产生淡水并放出潜热，淡水流入淡水池，潜热用于加热下一效中的海水并产生蒸汽，依此进行多效利用，降低热能消耗。该过程除了消耗热能以外，还需额外消耗一定电力驱动水泵和风机。

多级闪蒸法是将加热到一定温度的海水依次引入若干个压力逐渐降低的闪蒸室，由于闪蒸室的压力低于海水温度对应的饱和蒸汽压力，海水逐级进入闪蒸室后迅速汽化，盐分浓度逐级增加，温度逐级降低，由于热量来自咸水本身温度的下降，没有专门的加热面，避免了无机盐析出结垢，直至排出，各级蒸汽冷凝后获得淡水。该过程除了消耗热能以外，还需消耗大量电力驱动真空泵和水泵。

反渗透法是利用反渗透膜将海水和淡水隔开，在海水侧施加足够大的压力（超过海水渗透压），将海水中的水分子反渗透到淡水侧。该法不消耗热能，但需消耗大量电力产生足够大的外压，另外对反渗透膜的要求也很高。

电渗析法以电位差为动力，利用离子交换膜的选择性透过而脱除水中离子的淡化过程。电去离子将渗析与离子交换相结合，在电渗析器的淡水室中填充离子交换剂，在直流电场的作用下，实现电渗析、离子交换除盐和离子交换连续电再生的过程。电去离子不用于苦咸水淡化，主要用于生产高纯水。该法不消耗热能，但需引入电力。

冷冻法是将海水冷冻到冰点以下，淡水结冰、分离、再融化为淡水的过程。冷冻法有利用天然冰法和人工冷冻法。但技术尚不成熟。

传统的海水淡化技术投资高，能量消耗大，据统计，每天生产1300万吨淡化水的装置，每年需要消耗原油1.3亿吨。除去这笔燃料的费用外，由此带来的温室效应、空气污染等问题也不容忽视。就我国而言，西北偏远村庄、荒漠、孤岛等地区电力严重缺乏，不可能建立传统的海水（或苦咸水）淡化装置。太阳能海水淡化淡水技术是解决这些地区淡水短缺问题的有效途径，应用前景广阔。

目前的太阳能海水淡化技术，通常将太阳能集热与海水蒸馏脱盐集于一体，运行维护简单，但装置占地面积大，启动慢，单位面积产水量低，受地区以及气候条件影响很大，平均日产淡水量较低，严重制约了其技术的应用和推广。

发明内容

本发明目的在于克服现有太阳能海水淡化技术的不足，提供一种无需辅助电动设备、启动迅速、产水率高的复合式太阳能海水淡化装置及方法。

复合式太阳能海水淡化装置包括泄水阀、储热水箱、蒸汽分配箱、冷凝蒸发管、布液箱、太阳能平板集热器、第一放水阀、第二放水阀、储水箱、常温蒸发器、第一淡水阀、进水阀、淡水箱、第二淡水阀、排水阀、复合抛物面聚光集热器、导流器；常温蒸发器包括淡水收集槽、亲水纤维，淡水箱包括蒸汽流通孔、冷凝横板、第二通气孔、冷凝竖壁，蒸汽分配箱包括导流板、第一通气孔、加热面；储水箱、第一放水阀、平板集热器、布液箱顺次相连，储水箱经第二放水阀与外界相连，布液箱底部设有布液孔，布液箱下方设有冷凝蒸发管，冷凝蒸发管横向布置，有倾斜度，冷凝蒸发管高端与蒸汽分配箱相连，冷凝蒸发管低端与淡水箱相连，蒸汽分配箱经导流器与储热水箱相连，加热面下方设有复合抛物面聚光集热器，淡水箱与常温蒸发器之间为冷凝竖壁和冷凝横板，常温蒸发器底部设有排水阀，常温蒸发器中上部设有进水阀，常温蒸发器顶面低端设有第一淡水阀，常温蒸发器分别经第一淡水阀、进水阀、排水阀与外界相连，淡水箱经底部的第二淡水阀与外界相连，储热水箱经底部的泄水阀与外界相连。

所述的导流板、加热面倾斜角度为5-30°。所述的加热面下侧涂有选择性吸收涂层。所述的冷凝蒸发管倾斜角度为5-30°，有若干排，若干列，顺排布置。所述的冷凝竖壁、冷凝横板上布置有亲水纤维。所述的导流板与淡水箱之间的缝隙为0.5-5mm。

复合式太阳能海水淡化方法是：采用太阳能平板集热器吸收太阳能，用于加热从储水箱中流经平板集热器的海水，将海水预热至温度为50-60℃的热海水，热海水进入布液箱中，从布液箱底部的布液孔流下，滴落在冷凝蒸发管上，部分热海水在冷凝蒸发管上形成一层海水膜，剩余热海水在重力作用下与冷凝蒸发管分离，滴落到导流板上，经导流板导入加热面上，导流板及加热面具有倾斜度，在导流板和加热面上均形成一层海水膜，加热面下侧涂有选择性吸收涂层，吸收复合抛物面聚光集热器聚集的太阳光转换成热，加热加热面上的海水膜，海水膜吸收热量迅速蒸发，未蒸发的海水流入储热水箱内，产生的蒸汽经蒸汽分配箱进入冷凝蒸发管，蒸汽在冷凝蒸发管内凝结成淡水进入淡水箱，并由第二淡水阀引出，冷凝蒸发管内蒸汽冷凝时释放的凝结潜热被冷凝蒸发管外的海水膜吸收，促使海水膜部分蒸发，产生二次蒸汽，二次蒸汽经蒸汽流通孔进入淡水箱，在淡水箱与常温蒸发器之间的冷凝横板和冷凝竖壁上凝结成淡水，凝结潜热经冷凝竖壁、冷凝横板传入常温蒸发器内，在冷凝竖壁以及冷凝横板上设有亲水纤维，在亲水纤维的作用下，常温蒸发器底部的海水在冷凝竖壁和冷凝横板上均形成一层海水膜，海水膜吸收来自二次蒸汽冷凝时放出的凝结潜热迅速蒸发，产生三次蒸汽，三次蒸汽在常温蒸发器的顶面凝结成淡水进入淡水收集槽，并由第一淡水阀引出，储热水箱中的热海水每隔2-5小时转移至储水箱中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明完全不引入电力等常规能源，特别适合于偏远地区，荒漠、海岛等电力缺乏地区。

2、本发明涉及到的蒸发全部为薄膜蒸发，薄膜热容量小，所需热源温度低，蒸发速度快，产水量高。

3、本发明中蒸发和冷凝在不同空间内进行，加快了蒸发和冷凝的速率，涉及的传热多为相变传热，所需换热面积小，装置紧凑。

4、本发明根据蒸汽温度的不同，利用蒸汽凝结的潜热去促使液膜蒸发，不仅使得传热效果更好，增加了凝结速率，还能提高产水率，实现了能量的梯级和反复利用。

5、本发明结构简单，密封要求不高，安装、拆洗、更换方便。

附图说明

图1是复合式太阳能海水淡化装置的结构示意图；

图2是本发明的常温蒸发器的左视剖面图；

图3是本发明的淡水箱的左视剖面图；

图4是本发明的蒸汽分配箱右视剖面图

图5是本发明的蒸汽分配箱左视剖面图；

图6是本发明的导流器结构示意图；

图中：泄水阀1、储热水箱2、导流板3、蒸汽分配箱4、冷凝蒸发管5、第一通气孔6、布液箱7、太阳能平板集热器8、第一放水阀9、第二放水阀10、储水箱11、蒸汽流通孔12、冷凝横板13、第二通气孔14、常温蒸发器15、冷凝竖壁16、淡水收集槽17、第一淡水阀18、亲水纤维19、进水阀20、淡水箱21、加热面22、第二淡水阀23、排水阀24、复合抛物面聚光集热器25、导流器26。

具体实施方式

如图1所示，复合式太阳能海水淡化装置包括泄水阀1、储热水箱2、蒸汽分配箱4、冷凝蒸发管5、布液箱7、太阳能平板集热器8、第一放水阀9、第二放水阀10、储水箱11、常温蒸发器15、第一淡水阀18、进水阀20、淡水箱21、第二淡水阀23、排水阀24、复合抛物面聚光集热器25、导流器26；常温蒸发器15包括淡水收集槽17、亲水纤维19，淡水箱21包括蒸汽流通孔12、冷凝横板13、第二通气孔14、冷凝竖壁16，蒸汽分配箱4包括导流板3、第一通气孔6、加热面22；储水箱11、第一放水阀9、平板集热器8、布液箱7顺次相连，储水箱11经第二放水阀10与外界相连，布液箱7底部设有布液孔，布液箱7下方设有冷凝蒸发管5，冷凝蒸发管5横向布置，有倾斜度，冷凝蒸发管5高端与蒸汽分配箱4相连，冷凝蒸发管5低端与淡水箱21相连，蒸汽分配箱经导流器26与储热水箱2相连，加热面22下方设有复合抛物面聚光集热器25，淡水箱21与常温蒸发器15之间为冷凝竖壁16和冷凝横板13，常温蒸发器15底部设有排水阀24，常温蒸发器15中上部设有进水阀20，常温蒸发器15顶面低端设有第一淡水阀18，常温蒸发器15分别经第一淡水阀18、进水阀20、排水阀24与外界相连，淡水箱21经底部的第二淡水阀23与外界相连，储热水箱2经底部的泄水阀1与外界相连。

所述的导流板3、加热面22倾斜角度为5-30°。所述的加热面22下侧涂有选择性吸收涂层。所述的冷凝蒸发管5倾斜角度为5-30°，有若干排，若干列，顺排布置。所述的冷凝竖壁16、冷凝横板13上布置有亲水纤维19。所述的导流板3与淡水箱21之间的缝隙为0.5-5mm。所述的第一通气孔6、第二通气孔14配有密封性能良好的顶盖，能自由开启和关闭。

复合式太阳能海水淡化方法是：采用太阳能平板集热器8吸收太阳能，用于加热从储水箱11中流经平板集热器8的海水，将海水预热至温度为50-60℃的热海水，热海水进入布液箱7中，从布液箱7底部的布液孔流下，滴落在冷凝蒸发管5上，部分热海水在冷凝蒸发管5上形成一层海水膜，剩余热海水在重力作用下与冷凝蒸发管5分离，滴落到导流板3上，经导流板3导入加热面22上，导流板3及加热面22具有倾斜度，在导流板3和加热面22上均形成一层海水膜，加热面22下侧涂有选择性吸收涂层，吸收复合抛物面聚光集热器25聚集的太阳光转换成热，加热加热面22上的海水膜，海水膜吸收热量迅速蒸发，未蒸发的海水流入储热水箱2内，产生的蒸汽经蒸汽分配箱4进入冷凝蒸发管5，蒸汽在冷凝蒸发管5内凝结成淡水进入淡水箱21，并由第二淡水阀23引出，冷凝蒸发管5内蒸汽冷凝时释放的凝结潜热被冷凝蒸发管5外的海水膜吸收，促使海水膜部分蒸发，产生二次蒸汽，二次蒸汽经蒸汽流通孔12进入淡水箱21，在淡水箱21与常温蒸发器15之间的冷凝横板13和冷凝竖壁16上凝结成淡水，凝结潜热经冷凝竖壁16、冷凝横板13传入常温蒸发器15内，在冷凝竖壁16以及冷凝横板13上设有亲水纤维19，在亲水纤维19的作用下，常温蒸发器15底部的海水在冷凝竖壁16和冷凝横板13上均形成一层海水膜，海水膜吸收来自二次蒸汽冷凝时放出的凝结潜热迅速蒸发，产生三次蒸汽，三次蒸汽在常温蒸发器15的顶面凝结成淡水进入淡水收集槽17，并由第一淡水阀18引出，储热水箱2中的热海水每隔2-5小时转移至储水箱11中。

本发明的工作过程：

首先，将储水箱加满常温海水，常温蒸发器内补充常温海水，打开与平板集热器相连的放水阀，将水导入平板集热器加热到温度为50-60℃后进入布液箱，从布液箱底部的布液孔流出，滴落到冷凝蒸发管上，部分热海水形成均匀薄膜，未成膜的热海水继续下落直至导流板，经导流板的引导通过导流板与淡水箱之间的窄缝流到加热面上，形成一层海水膜，海水膜吸收加热面的热量迅速蒸发，产生一次蒸汽，未蒸发的海水经导流器流入储热水箱里，储热水箱内的咸水每隔2-5小时转移至储水箱中，产生的一次蒸汽流经蒸汽分配箱后进入冷凝蒸发管，在冷凝蒸发管管内发生降膜凝结，凝结潜热被冷凝蒸发管外海水膜吸收，形成降膜蒸发，在冷凝蒸发管内凝结得到的淡水在重力作用下沿着管道下滑直至进入淡水箱，冷凝蒸发管外的产生的二次蒸汽经蒸汽流通孔进入淡水箱，分别在冷凝竖壁和冷凝横板上发生凝结形成淡水，潜热传至常温蒸发器内，常温蒸发器内海水在亲水纤维的作用下上升，在冷凝竖壁以及冷凝横板上形成海水膜，海水膜吸收二次蒸汽的凝结潜热迅速蒸发，形成三次蒸汽，蒸汽上升至顶面凝结成淡水后滑落到淡水收集槽中，经第一淡水阀引出，淡水箱内淡水温度高于常温蒸发器内海水的温度，淡水将热量传给海水，提高其温度，加快蒸发速率，常温蒸发器每隔2-5小时补水一次。

实施例1：

储水箱初始常温海水容量1吨，集热器总采光面积4m²，复合抛物面聚光集热器聚光比为3，平板集热器效率60%，冷凝蒸发铜管的外径25.4mm，管长200mm，管数9根，布置成一排，倾角15°，淡水箱竖壁凝结面积200×800mm²，横板凝结面积100×800mm²，材料为不锈钢，壁厚2mm，亲水纤维覆盖在冷凝横板与冷凝竖壁上，海水入口温度20℃，经太阳能平板集热器预热至50℃后进入布液箱，常温蒸发器内海水初始温度20℃，初始液位高度50mm，每隔5小时补水一次，储热水箱中热海水每隔5小时转移至储水箱中，控制海水流率20kg/h,日产淡水量可达15-20kg/m^2.。

实施例2：

储水箱初始常温海水容量1吨，集热器总采光面积5m²,复合抛物面聚光集热器聚光比为4，平板集热器效率65%，冷凝蒸发铜管外径25.4mm，管长200mm，管数12根，布置成一排，倾角15°，淡水箱竖壁凝结面积200×800mm²，横板凝结面积100×800mm²，材料为不锈钢，壁厚2mm，亲水纤维覆盖在冷凝横板与冷凝竖壁上，海水入口温度20℃，经太阳能平板集热器预热至60℃后进入布液箱，常温蒸发器内海水初始温度20℃，初始液位高度50mm，每隔4小时补水一次，储热水箱中热海水每隔6小时转移至储水箱，控制海水流率20kg/h，日产淡水量可达18-24kg/m²。

Claims (7)

1.一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于包括泄水阀（1）、储热水箱（2）、蒸汽分配箱（4）、冷凝蒸发管（5）、布液箱（7）、太阳能平板集热器（8）、第一放水阀（9）、第二放水阀（10）、储水箱（11）、常温蒸发器（15）、第一淡水阀（18）、进水阀（20）、淡水箱（21）、第二淡水阀（23）、排水阀（24）、复合抛物面聚光集热器（25）、导流器（26）；常温蒸发器（15）包括淡水收集槽（17）、亲水纤维（19），淡水箱（21）包括蒸汽流通孔（12）、冷凝横板（13）、第二通气孔（14）、冷凝竖壁（16），蒸汽分配箱（4）包括导流板（3）、第一通气孔（6）、加热面（22）；储水箱（11）、第一放水阀（9）、平板集热器（8）、布液箱（7）顺次相连，储水箱（11）经第二放水阀（10）与外界相连，布液箱（7）底部设有布液孔，布液箱（7）下方设有冷凝蒸发管（5），冷凝蒸发管（5）横向布置，有倾斜度，冷凝蒸发管（5）高端与蒸汽分配箱（4）相连，冷凝蒸发管（5）低端与淡水箱（21）相连，蒸汽分配箱经导流器（26）与储热水箱（2）相连，加热面（22）下方设有复合抛物面聚光集热器（25），淡水箱（21）与常温蒸发器（15）之间为冷凝竖壁（16）和冷凝横板（13），常温蒸发器（15）底部设有排水阀（24），常温蒸发器（15）中上部设有进水阀（20），常温蒸发器（15）顶面低端设有第一淡水阀（18），常温蒸发器（15）分别经第一淡水阀（18）、进水阀（20）、排水阀（24）与外界相连，淡水箱（21）经底部的第二淡水阀（23）与外界相连，储热水箱（2）经底部的泄水阀（1）与外界相连。

2.根据权利要求1所述的一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于所述的导流板（3）、加热面（22）倾斜角度为5-30°。

3.根据权利要求1所述的一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于所述的加热面（22）下侧涂有选择性吸收涂层。

4.根据权利要求1所述的一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于所述的冷凝蒸发管（5）倾斜角度为5-30°，有若干排，若干列，顺排布置。

5.根据权利要求1所述的一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于所述的冷凝竖壁（16）、冷凝横板（13）上布置有亲水纤维（19）。

6.根据权利要求1所述的一种复合式太阳能海水淡化装置，其特征在于所述的导流板（3）与淡水箱（21）之间的缝隙为0.5-5mm。

7.一种使用如权利要求1所述装置的复合式太阳能海水淡化方法，其特征在于：采用太阳能平板集热器（8）吸收太阳能，用于加热从储水箱（11）中流经平板集热器（8）的海水，将海水预热至温度为50-60℃的热海水，热海水进入布液箱（7）中，从布液箱（7）底部的布液孔流下，滴落在冷凝蒸发管（5）上，部分热海水在冷凝蒸发管（5）上形成一层海水膜，剩余热海水在重力作用下与冷凝蒸发管（5）分离，滴落到导流板（3）上，经导流板（3）导入加热面（22）上，导流板（3）及加热面（22）具有倾斜度，在导流板（3）和加热面（22）上均形成一层海水膜，加热面（22）下侧涂有选择性吸收涂层，吸收复合抛物面聚光集热器（25）聚集的太阳光转换成热，加热加热面（22）上的海水膜，海水膜吸收热量迅速蒸发，未蒸发的海水流入储热水箱（2）内，产生的蒸汽经蒸汽分配箱（4）进入冷凝蒸发管（5），蒸汽在冷凝蒸发管（5）内凝结成淡水进入淡水箱（21），并由第二淡水阀（23）引出，冷凝蒸发管（5）内蒸汽冷凝时释放的凝结潜热被冷凝蒸发管（5）外的海水膜吸收，促使海水膜部分蒸发，产生二次蒸汽，二次蒸汽经蒸汽流通孔（12）进入淡水箱（21），在淡水箱（21）与常温蒸发器（15）之间的冷凝横板（13）和冷凝竖壁（16）上凝结成淡水，凝结潜热经冷凝竖壁（16）、冷凝横板（13）传入常温蒸发器（15）内，在冷凝竖壁（16）以及冷凝横板（13）上设有亲水纤维（19），在亲水纤维（19）的作用下，常温蒸发器（15）底部的海水在冷凝竖壁（16）和冷凝横板（13）上均形成一层海水膜，海水膜吸收来自二次蒸汽冷凝时放出的凝结潜热迅速蒸发，产生三次蒸汽，三次蒸汽在常温蒸发器（15）的顶面凝结成淡水进入淡水收集槽（17），并由第一淡水阀（18）引出，储热水箱（2）中的热海水每隔2-5小时转移至储水箱（11）中。

Images