CN112978834B - 一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，从上往下依次包括透光隔热板、光热板、毛细吸水体、疏水透气体、冷凝器；所述冷凝器外接淡水出水管和集水箱。所述透光隔热板覆盖在光热板上抑制对流传热损失。所述光热板包括导热体和覆盖在表面上的吸光体，所述吸光体为经过乙基纤维素和松油醇粘合的碳黑纳米颗粒，所述导热体为薄铝板。所述毛细吸水体为亲水多孔材料将水从水体吸上光热板下表面。所述疏水透气体为高分子多孔疏水材料，只允许蒸汽透过而防止水的透过。所述冷凝器由薄铝板制成，内部有铝翅片用于增强冷凝换热，底部安装有淡水出水管，将淡水转移至集水箱。

Description

一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，尤其涉及一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置。
背景技术
随着全球人口的快速增长和水污染问题的日益严重，水资源紧缺问题正成为人类社会面临的主要危机之一。虽然淡水短缺，但是海水资源十分丰富，约占全球水资源总量的97.5％，海水淡化将是解决淡水危机的最有潜力的方式之一。目前工业上的海水淡化科技主要由电力驱动，需要消耗不可再生的化石能源，且会对环境产生污染。太阳能作为可再生能源，用来加热海水产生蒸汽然后进行冷凝得到淡水这种方式，具有清洁无污染，结构简单成本低等优点，逐渐已成为一种主要的海水淡化方式之一。
最开始的太阳能海水淡化主要是在水体底部铺设吸光材料或在水体内部散布吸光颗粒，但是这种会导致整个水体被加热，造成热量损失，导致能量利用效率低。此外这两种太阳能加热方式对水体升温小，导致蒸发速率较小。将热量集中在气液界面局域加热的概念在2014年由美国麻省理工大学陈刚院士的团队提出，这种通过毛细材料提供蒸发水的方法能使得太阳能只加热气液界面一个薄薄的水层，从而降低了热损失使得气液界面的温度上升，蒸发速率和能量利用效率均极大地提高。
然而近些年对太阳能界面加热海水淡化***的研究绝大多数集中在蒸发上，比如通过改变蒸发结构和材料性能来提高蒸发速率和能量利用效率，对蒸汽简单高效冷凝的探索十分稀少。目前常用的是在蒸发表面上方加上透明的腔体，然后蒸汽冷凝在腔体表面。然而这种方式冷凝水会停留在腔体表面，不易进行收集。而且腔体表面滞留的冷凝水会影响太阳光的入射，降低***能量效率。另外，由于冷凝腔体暴露在空气中，不利于释放蒸汽冷凝热，导致蒸汽冷凝速率低。
目前，现有太阳能界面加热海水淡化***往往规模比较小，难以适应大规模海水淡化的需求。而且需要支撑结构才能漂浮在水面上，增加了装置安装布置时的复杂程度。有的还需要电力驱动的辅助设备，增加了整体***的复杂程度和额外成本。所以，设计一种结构简单、成本低廉、可模块化组装大规模化、纯太阳能驱动的海水淡化***是面向实际应用的另一迫切需求。
发明内容
解决的技术问题：
针对现有技术的不足，本申请提供了一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，结构简单、可规模化安装、易于操作、全太阳能驱动、能够利用水冷高效冷凝蒸汽，解决了目前存在的会对环境产生污染、不易进行收集、***能量效率低，不利于释放蒸汽冷凝热，导致蒸汽冷凝速率低、规模比较小，难以适应大规模海水淡化的需求，太阳能界面加热海水淡化***蒸汽冷凝效率低和冷凝水的挡光等难题，太阳能海水淡化***的规模和整体***效率均明显提高，海水淡化后的冷凝水的离子浓度均符合世界卫生组织对于饮用水的标准。
技术方案：
为实现上述目的，本申请通过以下技术方案予以实现：
一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，所述水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置从上到下依次包括透光隔热板、光热板、毛细吸水体、疏水透气体、冷凝器、淡水出水管和集水箱，所述光热板设在透光隔热板与毛细吸水体之间，所述毛细吸水体为底部开口的箱体结构，疏水透气体设在毛细吸水体内侧顶部，疏水透气体为底部开口的箱体结构，冷凝器为顶部开口的箱体结构，冷凝器内设有一组铝翅片，冷凝器与疏水透气体的内侧顶部相连，所述淡水出水管设在冷凝器底部，冷凝器和集水箱之间通过淡水出水管相连；所述疏水透气体为高分子多孔疏水材料，所述高分子多孔疏水材料为PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
优选的，所述透光隔热板覆盖在光热板上，所述透光隔热板为透明气泡膜，厚度为0.5-3厘米；所述光热板包括导热体和覆盖在导热体上表面的吸光体，所述吸光体为乙基纤维素和松油醇粘合的碳黑纳米颗粒层，碳黑纳米颗粒层厚度为20-50微米；所述导热体为薄铝板，厚度为0.1-1毫米；所述吸光体在太阳辐射光谱300-2500纳米范围的平均光吸收率为88％-94％；所述导热体的热导率为237-240W m-1K-1。
优选的，所述薄铝板的厚度为0.3毫米，透光隔热板厚度为1厘米，光透过率为80％，热导率为0.03W m-1K-1。
优选的，所述光热板的制备方法包括如下步骤：
第一步，配制碳黑酒精溶液：称取10克碳黑溶解到100毫升酒精中，酒精的浓度为95％；
第二步，将第一步得到的碳黑酒精溶液移至水浴锅里进行水浴加热得到碳黑黏胶：水浴加热的温度为40-80摄氏度，水浴加热的时间为1-6小时；
第三步：将第二步得到的水浴加热后的碳黑黏胶用细毛刷刷在薄铝板上，刷涂3层，每层间隔1分钟，刷涂厚度为20-50微米；
第四步：将刷有碳黑黏胶的薄铝板移至干燥箱真空干燥，真空干燥的温度为60摄氏度，真空干燥的时间为2小时得到光热板。
优选的，所述第一步中的碳黑酒精溶液还包括添加剂，所述添加剂包括乙基纤维素和松油醇，所述碳黑、乙基纤维素、松油醇、酒精的比例为1：2：6：10，即10克碳黑、2克乙基纤维素，6克松油醇，溶解到100毫升酒精当中，所述乙基纤维素的粘度为6-9mPa S，乙基纤维素中含有5％甲苯和异丙醇，碳黑为微米级碳黑颗粒，所述碳黑颗粒的粒径为2-10微米；所述第二步中水浴加热的温度为60℃，加热时间为2小时；所述第三步中刷涂厚度为40微米。
优选的，所述毛细吸水体为亲水多孔的纤维织物，如无尘布、55％植物纤维素、45％聚酯纤维；所述毛细吸水体两端伸入海水里。
优选的，所述高分子多孔疏水材料为聚四氟乙烯膜。
优选的，所述冷凝器由薄铝板制成，所述冷凝器漂浮在海面上支撑整个***，从疏水透气体透过的蒸汽在碰到冷凝器的内壁面时候会凝结成液态水，冷凝器内表面涂有疏水涂层促使水滴快速脱落流到冷凝器底部，流到底部的冷凝水通过淡水出水管流到集水箱，冷凝器的高度为2-10厘米，宽度为2-12厘米，冷凝器内部有铝翅片用于增强冷凝换热，所述铝翅片之间的间距为0.1-4厘米，高度为2-10厘米；所述冷凝器内表面涂有疏水涂层。
优选的，所述疏水涂层为特氟龙涂料，冷凝器的高度为4厘米，宽度为10厘米。
优选的，所述铝翅片的间距为2厘米，长度为4厘米，高度为4厘米。
有益效果：
本申请提供了一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，具备以下有益效果：
1、本发明提供的太阳能海水淡化装置具有结构简单，易于操作的特点，而冷凝器安置在蒸发面和水面之间，不仅解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，还能够利用水冷快速将蒸汽的冷凝热量散失，实现高效的蒸汽冷凝，提高了太阳能海水淡化***的冷凝效率。
2、所述水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化***无需任何支撑设施即可自主漂浮在水面上进行高效海水淡化，并可模块化组装直接大规模漂浮在海面上进行大规模太阳能海水淡化用以生产淡水。
3、结构简单、可规模化安装、易于操作、全太阳能驱动、能够利用水冷高效冷凝蒸汽，解决了太阳能界面加热海水淡化***蒸汽冷凝效率低和冷凝水的挡光问题，太阳能海水淡化***的规模和整体***效率均明显提高，海水淡化后的冷凝水的离子浓度均符合世界卫生组织对于饮用水的标准。
4、本发明提供的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置具有自主漂浮、结构简单、操作简单、成本低廉、可模块化组装规模灵活、纯太阳能驱动的特点。
5、本发明提供的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化***，能够高效冷凝界面蒸发产生的蒸汽，解决了冷凝水和水蒸气的挡光问题，提高了太阳能海水淡化***的***能量利用效率和稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置的剖面示意图。
图2为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置的侧面结构示意图。
图3为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置的蒸发冷凝原理图。
图4为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置光热板的制备流程图。
图5为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置光热板的结构图。
图6为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置冷凝器的内部结构图。
图7为本申请实施例1提供的太阳能海水淡化装置光热板的光吸收率。
附图标记说明：1、透光隔热板，2、光热板，3、毛细吸水体，4、疏水透气体，5、冷凝器，6、淡水出水管，7、集水箱，8、吸光体，9、导热体。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本发明，并非对本发明任何形式上和实质上的限制。
如图1、图2和图3所示，本申请提供的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，从上到下依次包括透光隔热板1、光热板2、毛细吸水体3、疏水透气体4、冷凝器5、淡水出水管6和集水箱7，比如光热板2设在透光隔热板1与毛细吸水体3之间，所述毛细吸水体3为底部开口的箱体结构，疏水透气体4设在毛细吸水体3内侧顶部，疏水透气体4为底部开口的箱体结构，冷凝器5为顶部开口的箱体结构，冷凝器与疏水透气体4内侧顶部相连，所述淡水出水管6设在冷凝器5底部，冷凝器5和集水箱7之间通过淡水出水管6相连；所述疏水透气体4为高分子多孔疏水材料，所述高分子多孔疏水材料为PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。
如图4所示，光热材料的制备过程包括磁力搅拌法和水域加热法制备碳黑黏胶，以及刷凃法和真空干燥法制备铝板上的碳黑涂层。
对本发明提供的光热材料进行如下性能测试：
光吸收率：利用紫外-可见光-近红外分光光度计，型号为Lambda 750S。测试的光谱波长为300-2500纳米波段。利用公式：光吸收率＝1-光反射率，计算平均光吸收率。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，整个水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置漂浮在水面上。所述透光隔热板1覆盖在光热板2上，所述透光隔热板1为透明气泡膜，透光率高，有效降低光损失，由于其内部填充空气，所以其热导率和空气的热导率接近，可以减少光热板向周围环境的导热、对流热损失，厚度为0.5-3厘米；由于透光隔热板的高透光率和低热导率特点，透光隔热板1能够将太阳光透射到光热板的吸光面，并减少光热板上2表面对周围环境的导热、传热损失。所述光热板2用于吸收太阳能并转化为热能并传递到蒸发面进行局域加热产生高温，光热板2可以吸收太阳能并转化成热能加热下面毛细吸水体3中的海水。毛细吸水体3的中间部分贴在光热板2底部，疏水透气体4设在毛细吸水体3内侧顶部，疏水透气体4为底部开口的箱体结构，其两端垂入水中，利用毛细作用将水吸到光热板底部进行受热蒸发产生蒸汽。产生的蒸汽会经过疏水透气体4向下扩散到冷凝器5，冷凝器与疏水透气体4内侧顶部相连，蒸汽触碰到冷凝器5内部冷凝表面凝结成水后流到冷凝器5底部，然后通过淡水出水管6流出装置，转移收集到的淡水到集水箱7以供使用。
如图4所示，所述光热板2包括导热体9和覆盖在导热体9上表面的吸光体8，所述吸光体8为乙基纤维素和松油醇粘合的碳黑纳米颗粒层，碳黑纳米颗粒层厚度为20-50微米；所述导热体为薄铝板，厚度为0.1-1毫米，为一块高热导率的薄铝板；所述吸光体在太阳辐射光谱300-2500纳米范围的平均光吸收率为88％-94％；所述导热体的热导率为237-240Wm-1K-1。所述薄铝板的厚度为0.3毫米，透光隔热板1厚度为1厘米，光透过率为80％，热导率为0.03W m-1K-1。
吸光体8可以吸收入射到表面上的太阳能并转化成热能，形成局部高温。导热体9被吸光体加热并将吸光体产生的热能传递到下表面用以加热毛细吸水体3中的海水产生蒸汽。
如图6所示，冷凝器5内部含有一组铝翅片，翅片间距为0.25厘米，高度为4厘米。
其中，光热板2的制备方法如下：
本发明还提供一种光热蒸发材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步，配制碳黑酒精溶液：称取10克碳黑溶解到100毫升酒精中，其中酒精的浓度为95％，碳黑颗粒的粒径为2-10微米，碳黑、酒精、乙基纤维素、松油醇的比例为1：10：2：6。
第二步，将第一步得到的碳黑酒精溶液移至水浴锅里进行水浴加热得到碳黑黏胶：水浴加热的温度为40-80摄氏度，水浴加热的时间为1-6小时；
第三步：将第二步得到的水浴加热后的碳黑黏胶用细毛刷刷在薄铝板上，刷涂3层，每层间隔1分钟，刷涂厚度为20-50微米；
第四步：将刷有碳黑黏胶的薄铝板移至干燥箱真空干燥，真空干燥的温度为60摄氏度，真空干燥的时间为2小时得到光热板2。
所述第一步中的碳黑酒精溶液还包括添加剂，所述添加剂包括乙基纤维素和松油醇碳黑、乙基纤维素、松油醇、酒精的比例为1：2：6：10，即10克碳黑、2克乙基纤维素，6克松油醇，溶解到100毫升酒精当中，所述乙基纤维素的粘度为6-9mPa S，乙基纤维素中含有5％甲苯和异丙醇；碳黑酒精溶液中碳黑、酒精、添加剂的比例与所制备光热板上层吸光体的光吸收率、机械稳定性、成本均有直接关系。当碳黑酒精溶液的碳黑比例高，添加剂比例低时，所制备的吸光体光吸收率高，成本低，但是机械稳定性差。当碳黑酒精溶液的碳黑比例低，添加剂比例高时，所制备的吸光体光吸收率低，成本高、但是机械性能好，碳黑为微米级碳黑颗粒，所述碳黑颗粒的粒径为2-10微米；所述第二步中水浴加热的温度为60℃，加热时间为2小时；所述第三步中刷涂厚度为40微米。
所述毛细吸水体3为亲水多孔的纤维织物，能够利用毛细作用将水从水体吸上来送到蒸发表面进行蒸发，如无尘布、55％植物纤维素、45％聚酯纤维；所述毛细吸水体3用于将海水吸到光热板下面被加热进行蒸发，产生蒸汽，中间部分在湿润状态下贴在光热板下表面被加热进行蒸发，其两端伸入海水里。
所述疏水透气体4为高分子多孔疏水材料，只允许蒸汽透过而防止水的透过，疏水透气体4放置在毛细吸水体3下面，用于防止蒸发面的海水与冷凝器的直接接触，以免海水污染冷凝器中的淡水：所述高分子多孔疏水材料为PTFE聚四氟乙烯或PVDF聚偏氟乙烯。所述高分子多孔疏水材料为聚四氟乙烯膜。
如图7所示，在强度1kW m-2的光照条件下，光热板2在波长300-2500纳米光谱范围内的平均光吸收率高达94％。
所述冷凝器5由薄铝板制成，所述冷凝器5漂浮在海面上支撑整个***，从疏水透气体4透过的蒸汽在碰到冷凝器5的内壁面时候会凝结成液态水，冷凝器5内表面涂有疏水涂层促使水滴快速脱落流到冷凝器5底部，流到底部的冷凝水通过淡水出水管6流到集水箱7，冷凝器5的高度为2-10厘米，宽度为2-12厘米，冷凝器5内部有铝翅片用于增强冷凝换热，所述冷凝器内表面涂有疏水涂层。所述疏水涂层为特氟龙涂料，冷凝器的高度为4厘米，宽度为10厘米。所述铝翅片的间距为2厘米，长度为4厘米，高度为4厘米。
使用本发明提供的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，对盐度为3.5％的海水进行淡化处理，淡水的生产速率为2升每天，所获得的冷凝水的盐度为0.005％，满足世界卫生组织关于可引用水的标准。
实施例2：
本实施例所使用的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置如实施例1所示，其中，冷凝器内部的翅片间距为0.5厘米。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例3：
本实施例所使用的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置如实施例1所示，其中，冷凝器内部的翅片间距为1厘米。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例4
本实施例所使用的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置如实施例1所示，其中，冷凝器内部的翅片间距为2厘米。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例5
本实施例所使用的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置如实施例1所示，其中，冷凝器内部的翅片间距为4厘米。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
表1实施例1-5制备的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置的性能测试结果
Figure GDA0003535810980000071
Figure GDA0003535810980000081
上述是结合实施例对本发明作出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本领域技术人员根据本发明的启示，不脱离本发明核心指导思想所作出的改进、替换、修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述水面漂浮式冷凝器 太阳能海水淡化装置从上到下依次包括透光隔热板（1）、光热板（2）、毛细吸水体（3）、疏水 透气体（4）、冷凝器（5）、淡水出水管（6）和集水箱（7），所述光热板（2）设在透光隔热板（1）与 毛细吸水体（3）之间，所述毛细吸水体（3）为底部开口的箱体结构，疏水透气体（4）设在毛细 吸水体（3）内侧顶部，疏水透气体（4）为底部开口的箱体结构，冷凝器（5）为顶部开口的箱体 结构，冷凝器（5）内设有一组铝翅片，冷凝器（5）与疏水透气体（4）的内侧顶部相连，所述淡 水出水管（6）设在冷凝器（5）底部，冷凝器（5）和集水箱（7）之间通过淡水出水管（6）相连；所 述疏水透气体（4）为高分子多孔疏水材料，所述高分子多孔疏水材料为PTFE聚四氟乙烯或 PVDF聚偏氟乙烯；所述透光隔热板（1）覆盖在光热板（2）上，所述透光隔热板（1）为透明气泡 膜，厚度为0.5-3厘米；所述光热板（2）包括导热体（9）和覆盖在导热体（9）上表面的吸光体 （8），所述吸光体（8）为乙基纤维素和松油醇粘合的碳黑纳米颗粒层，碳黑纳米颗粒层厚度为 20-50微米；所述导热体（9）为薄铝板，厚度为0.1-1毫米；所述吸光体（8）在太阳辐射光谱300- 2500纳米范围的平均光吸收率为88%-94%；所述导热体的热导率为 237-240
Figure 454418DEST_PATH_IMAGE001
；
所述光热板（2）的制备方法包括如下步骤：
第一步，配制碳黑酒精溶液：称取10克碳黑溶解到100毫升酒精中，酒精的浓度为95%；
第二步，将第一步得到的碳黑酒精溶液移至水浴锅里进行水浴加热得到碳黑黏胶：水浴加热的温度为40-80摄氏度，水浴加热的时间为1-6小时；
第三步：将第二步得到的水浴加热后的碳黑黏胶用细毛刷刷在薄铝板上，刷涂3层，每层间隔1分钟，刷涂厚度为20-50微米；
第四步：将刷有碳黑黏胶的薄铝板移至干燥箱真空干燥，真空干燥的温度为60摄氏度，真空干燥的时间为2小时得到光热板（2）；
所述第一步中的碳黑酒精溶液还包括添加剂，所述添加剂包括乙基纤维素和松油醇， 所述碳黑、乙基纤维素、松油醇、酒精的比例为1：2：6：10，即10克碳黑、2克乙基纤维素，6克 松油醇，溶解到100毫升酒精当中，所述乙基纤维素的粘度为6-9
Figure 919029DEST_PATH_IMAGE002
，乙基纤维素中含有 5%甲苯和异丙醇，碳黑为微米级碳黑颗粒，所述碳黑颗粒的粒径为2-10微米；所述第二步中 水浴加热的温度为60℃，加热时间为2小时；所述第三步中刷涂厚度为40微米。
2.根据权利要求1所述水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述薄铝板 的厚度为0.3毫米，透光隔热板（1）厚度为1厘米，光透过率为80%，热导率为0.03
Figure 433187DEST_PATH_IMAGE003
。
3.根据权利要求1所述的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述高分子多孔疏水材料为聚四氟乙烯膜。
4.根据权利要求1所述的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝器（5）由薄铝板制成，所述冷凝器（5）漂浮在海面上支撑整个***，从疏水透气体（4）透过的蒸汽在碰到冷凝器（5）的内壁面时候会凝结成液态水，冷凝器（5）内表面涂有疏水涂层促使水滴快速脱落流到冷凝器（5）底部，流到底部的冷凝水通过淡水出水管（6）流到集水箱（7），冷凝器（5）的高度为2-10厘米，宽度为2-12厘米，冷凝器（5）内部有铝翅片用于增强冷凝换热，所述铝翅片之间的间距为0.1-4厘米，高度为2-10厘米；所述冷凝器内表面涂有疏水涂层。
5.根据权利要求4所述的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述疏水涂层为特氟龙涂料，冷凝器的高度为4厘米，宽度为10厘米。
6.根据权利要求4所述的水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置，其特征在于：所述铝翅片的间距为2厘米，长度为4厘米，高度为4厘米。
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