CN109809516A - 一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置，属于海水淡化技术领域。主要装置包括冷凝器、太阳能集热器、蒸发器、排气阀、泵、淡水储蓄箱。利用一个大气压强可以托起10米左右高水柱原理，在蒸发器和冷凝器中形成自然真空以提高海水蒸发速率。低温海水经过冷凝器进入太阳能集热器加热后进入蒸发器。由于蒸发器处于真空状态，对应的海水饱和温度降低，蒸发器的中低温海水将沸腾，海水蒸发速率增大。产生的水蒸汽通过单向阀进入冷凝器冷凝产生淡水后在重力的作用下经过管道进入淡水储蓄箱。该***仅需要泵就可以正常运行，具有结构简单、成本低、寿命长和效率高等优点，有利于解决沿海和孤岛等地区居民用水难题。

Description

一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置

所属技术领域

本发明为自然式真空与太阳能海水淡化技术相结合的***。充水排气式自然真空太阳能海水淡化***是利用地球重力和环境大气压力在10m左右高的海水柱上方可以形成的自然式真空降低海水饱和温度以及利用太阳能集热器加热海水来提高中低温海水***蒸发率并应用加湿除湿原理产生淡水；当***产生不凝气体时，利用管道泵向冷凝器、蒸发器充水从而排气属于太阳能海水淡化技术领域。

背景技术

中国是一个水资源严重短缺的国家，我国的人均水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一。此外，我国的水资源分布严重不均匀，尤其是我国的西北、北京、天津等地属于严重缺水地区。但是在这些缺水的地区，往往具有丰富的海水或者苦咸水资源以及丰富的太阳能资源。因而利用太阳能进行海水或者苦咸水淡化是解决这些地区缺水难题的有效手段。目前利用太阳能海水淡化技术往往要求将海水加热到很高温度才能获得良好的产水效果。为了能够利用中低温海水人们提出了低温多效与太阳能相结合的海水淡化技术。但是这种技术需要利用真空泵将整个装置抽成真空状态，导致整个***消耗大量电能。此外这些***结构也比较复杂，占地面积大，不容易操作。

由于地球上存在重力，一个大气压可以支撑10左右米高海水柱。如果将一个大于10m高的U型管注满水并且翻转，竖立于自由液面的海水面上，那么U型管内的水柱将在重力作用下下降，直到管内液面距离自由液面10m左右时，水柱保持稳定，此时U型管10m以上空间将出现‘自然真空’。而海水处于负压状态下，海水蒸发率将变大，饱和温度降低。利用这种自然条件下产生的负压与太阳能海水淡化技术相结合，本文提出了一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置。该种海水淡化***具有以下优势：(1)利用‘自然真空’原理形成的真空，不需要利用真空泵抽取真空，降低***的能量消耗，提高***的能量效率。(2)***利用太阳能以及真空提高中低温海水的蒸发速率，整个***产水率比较高并且节能环保；(3)当***产生不凝气体时，利用管道泵向冷凝器、蒸发器充水从而排气，***可以重复使用，节约成本；(4)***主要由蒸发器和冷凝器与一些管道连接而成，结构简单，成本低,维护成本低，寿命长等，可以解决孤岛、偏远地区等地区人民生活用水难题。

发明内容

本发明提供一种利用一个环境大气压力可以支撑10m左右高的海水柱原理形成自然式真空以及利用太阳能加热海水来提高海水蒸发速率的海水淡化***。该装置的蒸发器距离自由海水液面至少10m以上。根据以上提到的原理，在蒸发器中可以形成自然真空。而在真空条件下，海水的蒸发速率提高，饱和温度降低，并结合太阳能集热器加热海水，这样可以进一步提高中低温海水的蒸发速率，提高***的淡水产量。这种自然真空式的太阳能海水淡化***没有真空泵，功耗小；整个***仅由一些箱体和管道组成，结构简单；此外，***在中低温下工作，降低设备腐蚀和结垢速度、成本低，运行可靠。冷凝器中以冷海水为工质，可以进一步回收蒸汽中的汽化潜热，提高***能量利用率。考虑***工作一段时间后，蒸发器中处于负压状态的海水中不凝气体会释放出来，导致蒸发器和冷凝器中出现不凝气体。此时可以将连通蒸发器和海水之间通道以及连接冷凝器和淡水储蓄箱通道的阀门都关闭，打开蒸发器和冷凝器排气阀，分别将海水和淡水注入到两个设备中，将不凝气体排出蒸发器和冷凝器，然后关闭排气阀并打开排水阀门，使得***再次形成真空。该种方法解决了装置中产生的不凝气，避免利用真空泵产生真空，使得整个***可以连续不间断的工作。

一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置，主要结构包括冷凝器、单向阀、太阳能集热器***、蒸发器、排气阀、放水阀、泵、淡水储蓄箱。各部分关系连接如下：冷凝器一端和低温进料海水进口相连，另一端与被竖直放置的太阳能集热器***的入口通过管道相连；蒸发器下方的一端与太阳能集热器出口相连，下方另一端由排水管道和自由海水液面相连通；为了使得蒸发器一部分海水能够被进一步加热，蒸发器下方通过一个弯管和太阳能集热器下端进口相连。蒸发器的上方利用带有单向阀的管道与其上方的冷凝器相连；冷凝器下方淡水出口利用淡水排水管道和淡水储蓄箱连接。

本发明所采用的技术方案是：将充满海水的蒸发器放置距离海水自由液面至少10m高的平台上。由于地球上存在重力，一个大气压可以支撑10m左右高海水柱，由‘托里拆利’实验现象可知，当蒸发器和自由海水液面相连通时，蒸发器中海水将在重力作用下流入到自由海水中，这时候蒸发器中海水液面的上方将形成自然真空。利用同样的方法，可以在冷凝器中形成真空。进入***的海水先经过冷凝器，然后进入太阳能集热器被加热，温度升高。较高温度海水进入处于真空状态的蒸发器中，海水将沸腾，蒸发速率提高，产生的大量水蒸气经其上方的管道及单向阀进入冷凝器中冷凝产生淡水，其冷凝释放的汽化潜热被用来预热冷凝器盘管里的低温海水。产生的淡水则沿着管道进入到淡水储蓄箱中。而被蒸馏后的海水一部分被直接排入到海水中，另一部分在自然对流下，沿着连接蒸发器和太阳能集热器弯管道重新进入太阳能集热器中被加热。当该设备运行一段时间后，由于蒸发器和冷凝器中的负压存在，海水中的不凝气将会从海水中溢出来，蒸发器和冷凝器中不再维持自然真空状态。此时可以通过泵分别向蒸发器和冷凝器中注入海水和淡水，将不凝气体通过排气阀排出蒸发器和冷凝器，然后关闭排气阀门、打开排水阀门，使得蒸发器和冷凝器再次形成自然真空状态，***得以不断运行。

有益效果：

(1)利用一个环境大气压力可以托起10m左右高的海水柱原理，在整个装置形成自然真空，节省了真空泵的耗功。此外，***利用了太阳能加热***及充分利用回热***回收了蒸汽的汽化潜热，进一步提高了***能量利用率。

(2)本装置的海水在负压工况下蒸发，海水的沸腾温度降低，蒸发速率提高，淡水产量较高。

(3)当***产生不凝气体时，利用管道泵向冷凝器、蒸发器充水从而排气，***可以重复使用，节约成本。

(4)整个装置由各个简单的结构组成，具有成本低、运行稳定等优点。此外，整个***都是在中低温状态运行，海水腐蚀性低，***的寿命长。既可以进行工厂大规模应用，也可以适合偏远地区、海岛等地的个人使用，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明两级充气排水式自然真空太阳能海水淡化***实施例；

图3为本发明太阳能集热器为横向排列的单级***；

图4为本发明冷凝器和蒸发器结合一体的实施例；

其中，1—泵；2—冷凝器；3—冷凝器排气阀；4—太阳能集热器；5—蒸发器；6—蒸发器排气阀；7—单向阀；8—连接弯管；9—海水排水管；10—海水排水阀；11—淡水排水阀；12—淡水排水管；13—淡水储蓄箱；14—U型管；15—第二级蒸发器；16—第二级冷凝器；17—淡水收集槽；18—浮子。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例进行详细描述。

附图1是本发明一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化***。其装置主要包括：用于给***注入海水的泵1、冷凝器2、加热海水的太阳能集热器4、海水蒸发器5、淡水储蓄箱13。其中冷凝器2进口和海水进口相连，出口与竖直放置的太阳能集热器4下方端口通过管道相连；蒸发器5下方左端口与太阳能集热器4出口相连，另一下端口通过管道与自由海水面连接；为了使得蒸发器5中一部分海水重新回到太阳能集热器中被加热，利用弯管8将蒸发器和太阳能集热器下方端口相连；蒸发器5上方端口通过带有单向阀的管道与其上方的冷凝器2相连；而冷凝器和淡水储蓄箱13通过管道12相连。

充水排气式自然真空太阳能海水淡化***运行原理如下：***在运行前，整个装置被竖直放置，冷凝器2和蒸发器5中被分别充满淡水和海水，关闭单向阀7和排气阀3和6，打开淡水排水阀11和海水排水阀10，海水和淡水在重力作用下排出。冷凝器和蒸发器中将形成自然真空。低温海水在泵的作用下经过冷凝器2进入到太阳能集热器4，集热器吸收太阳能加热海水，被加热后的海水进入蒸发器5中。由于蒸发器处于负压状态，此时海水对应饱和温度降低，海水将沸腾，蒸发速率变大。蒸发器中产生的水蒸汽将沿着管道经过单向阀7进入冷凝器2冷却形成淡水最后进入到淡水储蓄箱中；水蒸气释放的汽化潜热可被用来预热进入***的低温海水。蒸发器5中被蒸馏后的海水一部分沿着排水管道9被排出；另一部分的海水则在自然对流下经弯管8再次进入到太阳能集热器4中被加热。当***运行一段时间后，由于海水中不凝气体析出，导致蒸发器和冷凝器不再保持真空状态。为了清除***内的不凝气体，使得蒸发器和冷凝器再次形成真空。此时关闭海水排水阀10和单向阀7，打开淡水排水阀11和排气阀3和6。利用泵1和管道12上的泵向蒸发器和冷凝器分别注入海水和淡水，当蒸发器和冷凝器被注满后，里面的不凝气体通过排气阀6和3被排出。此时关闭排气阀门打开排水阀11和10，海水和淡水在重力的作用下重新流回到自由海水和淡水储蓄箱13中。蒸发器和冷凝器将重新恢复真空状态，***将重新开始运行。

如图2所示一个实施例中，两级的充水排气式自然真空海水淡化***。当第一级蒸发器被蒸馏后的海水温度较高时，可以进入第二级蒸发器15继续蒸发产生水蒸气，产生的水蒸气进入第二级冷凝器16中冷凝成淡水，进一步提高了***淡水产量。

如图3所示一个实施例中，集热器4为横置式的太阳能集热器。

如图4所示一个实施例中，集热器4为横置式太阳能集热器，蒸发器和冷凝器被整合在一起。首先，将蒸发冷凝腔中充满海水，关闭阀门3和11、打开阀门10，海水在重力作用下，沿管道9流回到海水中。而海水液面只要高于球形浮子18，球形浮子就可打开淡水收集槽17的孔，从而使槽里的海水排出来。直到蒸发冷凝腔中的海水受重力和里面气压达到平衡时，此时液面不再变化，液面的上方则形成真空状态。进料海水经冷凝盘管进入到太阳能集热器4被加热后进入蒸发冷凝腔中，高温海水在负压的情况下，蒸发速率加快并产生蒸汽，遇到冷凝盘管后，冷凝成淡水。冷凝的淡水将汇聚在淡水收集槽17中，然后沿着管道12进入淡水收集箱13。当蒸发冷凝腔中产生过多的不凝气时，关闭阀门10和11、打开排气阀3，利用海水泵1将蒸发冷凝腔注满海水从而将不凝气体排出。然后关闭排气阀3并打开海水排水阀10，在重力的作用下，蒸发冷凝腔将重新形成真空，***将恢复正常工作。

综上所述，以上仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置，其主要结构包括冷凝器(2)、太阳能集热器(4)、蒸发器(5)、淡水储蓄箱(13)、海水排水管(9)和淡水排水管(12)；其中冷凝器(2)出口通过管道与太阳能集热器(4)进口相连；集热器出口与蒸发器(5)进口相连；蒸发器(5)通过带有单向阀(7)管道与位于其上方的冷凝器(2)相连；蒸发器(5)浓海水出口经由排水管(9)排到自由海水；冷凝器(2)淡水出口经由带有排水阀(11)的排水管道(12)与淡水储蓄箱相连(13)。

2.如权利要求1所述的充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置，其特征在于当***中产生不凝气体时，首先关闭海水排水阀(10)以及单向阀(7)，打开排气阀(3)和(6)，利用泵(1)和淡水排水管(12)上的泵分别向蒸发器(5)和冷凝器(2)注入海水和淡水，不凝气体将通过排气阀(6)和(3)被排出；此后关闭排气阀(3)和(6)，打开海水排水阀(10)和淡水排水阀(11)，此时蒸发器(5)中海水和冷凝器(2)中淡水将被排出，***将重新形成真空，然后继续运行。

3.如权利要求1所述的充水排气式自然真空太阳能海水淡化装置，其特征在于蒸发器(5)右端口利用弯管(8)与太阳能集热器下端口相连，通过自然对流这种方式，使得一部分被蒸馏后的海水在太阳能集热器中重新被加热。