CN114105240A - 一种太阳能蒸馏海水淡化*** - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种太阳能蒸馏海水淡化***，包括：蒸馏子***及供热子***；蒸馏子***包括：低温海水储存罐、浸没冷却槽及设置在浸没冷却槽中的管式蒸馏器；其中，低温海水储存罐中的低温海水通过海水管路进入浸没冷却槽后被管式蒸馏器蒸馏海水时所散发的热量预热，得到高温海水，高温海水进入管式蒸馏器中蒸馏后得到淡水；供热子***包括：太阳能集热器及相变储热罐；其中，当太阳照射充足时，太阳能集热器加热其中的换热流体，并将加热后的换热流体通过换热管路输入至管式蒸馏器及相变储热罐；当太阳照射不足时，相变储热罐通过换热管路将储存的换热流体输入至管式蒸馏器。本申请能够利用水蒸气凝结潜热及相变储热罐中的热量进行海水淡化。

Description

一种太阳能蒸馏海水淡化***
技术领域
本发明属于太阳能利用及海水淡化技术领域，特别是一种基于相变储热技术的太阳能蒸馏海水淡化***。
背景技术
在海洋资源开发的过程中，淡水匮乏一直是一个发展瓶颈，就近开展海水淡化是理想的选择。目前有很多海水淡化技术，其中，与多级闪蒸、多效蒸馏、电渗析和反渗透等海水淡水技术相比，太阳能海水蒸馏凭借其成本低廉、结构简单和产水盐度低等优势而成为一种非常有发展潜力的方法。
但是，传统的太阳能蒸馏***在实际运行过程中仍存在一系列不可忽视的问题：其一，水蒸气的凝结潜热被散入环境造成大量热能损失；其二，***的正常运行受到太阳能固有的间歇性及气象等环境因素波动的影响，致使产水量不稳定；在常压下运行时，水的气化温度较高，从而导致产水量较低。因此，迫切需要在现有的太阳能蒸馏海水淡化***上进行合理的改造，来避免不必要的热能浪费、提高***运行的稳定性，并尽可能增大产水量。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供一种太阳能蒸馏海水淡化***，能够利用水蒸气凝结潜热及相变储热罐中的热量进行海水淡化。
为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种太阳能蒸馏海水淡化***，包括：蒸馏子***及供热子***；
所述蒸馏子***包括：低温海水储存罐、浸没冷却槽及设置在所述浸没冷却槽中的管式蒸馏器；
其中，所述低温海水储存罐中的低温海水通过海水管路进入所述浸没冷却槽后被所述管式蒸馏器蒸馏海水时所散发的热量预热，得到高温海水，所述高温海水进入所述管式蒸馏器中蒸馏后得到淡水；
所述供热子***包括：太阳能集热器及相变储热罐；
其中，当太阳照射充足时，所述太阳能集热器加热其中的换热流体，并将加热后的换热流体通过换热管路输入至所述管式蒸馏器及所述相变储热罐；当太阳照射不足时，所述相变储热罐通过所述换热管路将储存的换热流体输入至所述管式蒸馏器。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述蒸馏子***还包括：
高温海水储存罐，用于储存所述高温海水；
第一循环水泵，从所述高温海水储存罐抽取所述高温海水，并通过所述海水管路将其输入至所述管式蒸馏器。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述蒸馏子***还包括：
淡水储存罐，通过淡水管路连接所述管式蒸馏器，用于接收并储存所述淡水。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述蒸馏子***还包括：
真空泵，用于维持所述管式蒸馏器、所述淡水储存罐及所述高温海水储存罐中的负压，以降低海水的蒸馏沸点，提高蒸馏效率。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述蒸馏子***还包括：
过滤器，设置在海水入口与所述低温海水储存罐之间的海水管路上，用于初步过滤海水中的杂质。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述管式蒸馏器的底部设置有保温材料，以保持海水的蒸馏效率。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述供热子***还包括：
第二循环水泵，用于将加热后的换热流体通过所述换热管路输入至所述管式蒸馏器及/或所述相变储热罐。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，还包括：供电子***，所述供电子***包括：
光伏板，用于吸收太阳能并将太阳能转换为电能，以驱动第一循环水泵、第二循环水泵及真空泵。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述供电子***还包括：
功率控制器及蓄电池；
其中，所述功率控制器用于以预设功率将所述电能输入所述蓄电池中，由所述蓄电池驱动第一循环水泵、第二循环水泵及真空泵。
进一步地，所述太阳能蒸馏海水淡化***，所述供电子***还包括：
电路开关，用于接通及/或切断所述功率控制器与所述蓄电池之间的电路。
针对现有技术中的问题，本申请提供的太阳能蒸馏海水淡化***，能够利用水蒸气凝结潜热对海水进行预热，利用相变储热罐在太阳照射不足时对蒸馏子***中的管式蒸馏器进行供热，利用真空泵抽负压降低海水的蒸发温度进而提高产水率，通过合理调节阀门开度，选取合适的真空泵及循环水泵，使得整个***处于一种动态的平衡中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中的太阳能蒸馏海水淡化***的总结构图；
图2为本申请实施例中的管式蒸馏器的内部结构图。
【符号说明】
1、海水入口；2、阀门；3、过滤器；4、低温海水储存罐；5、阀门；6、浸没冷却槽海水入口；7、管式蒸馏器；8、浸没冷却槽；9、淡水排出口；10、机械压力表；11、浸没冷却槽海水出口；12、管式蒸馏器右端面；13、浸没冷却槽海水出口；14、管式蒸馏器海水入口；15、管式蒸馏器溢流口；16、U型换热管出口；17、U型换热管入口；18、淡水储存罐；19、真空泵；20、高温海水储存罐；21、循环水泵；22、阀门；23、阀门；24、阀门；25、太阳能集热器；26、循环水泵；27、阀门；28、阀门；29、阀门；30、相变储热罐；31、电路开关；32、电路开关；33、电路开关；34、电池；35、功率控制器；36、光伏板；37、储水槽；38、U型换热管；39、保温材料；40、海水管路；41、淡水管路。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
一实施例中，参见图1，为了能够利用水蒸气凝结潜热及相变储热罐中的热量进行海水淡化，本申请提供一种太阳能蒸馏海水淡化***，包括：蒸馏子***及供热子***。
蒸馏子***包括：低温海水储存罐4、浸没冷却槽8及设置在浸没冷却槽8中的管式蒸馏器7；其中，低温海水储存罐4中的低温海水通过海水管路(标号)进入浸没冷却槽8后被管式蒸馏器7蒸馏海水时所散发的热量预热，得到高温海水，高温海水进入管式蒸馏器7中蒸馏后得到淡水；
供热子***包括：太阳能集热器25及相变储热罐30；其中，当太阳照射充足时，太阳能集热器25加热其中的换热流体，并将加热后的换热流体通过换热管路(标号)输入至管式蒸馏器7及相变储热罐30；当太阳照射不足时，相变储热罐30通过换热管路将储存的换热流体输入至管式蒸馏器7。
一实施例中，参见图1，本申请提供的太阳能蒸馏海水淡化***还包括：供电子***。该供电子***包括：光伏板36，用于吸收太阳能并将太阳能转换为电能，以驱动循环水泵21、循环水泵26及真空泵19。
一实施例中，供电子***还包括：功率控制器35及蓄电池34；其中，功率控制器35用于以预设功率将电能输入蓄电池34中，由蓄电池34驱动循环水泵21、循环水泵26及真空泵19。
一实施例中，供电子***还包括：电路开关，用于接通及/或切断功率控制器35与蓄电池34之间的电路。
可以理解的是，本申请提供的太阳能蒸馏海水淡化***基于相变储热技术实现，其蒸馏子***、供热子***及供电子***详见下文阐述：
①蒸馏子***中的海水入口1、阀门2、过滤器3、低温海水储存罐4、阀门5、浸没冷却槽8、管式蒸馏器7、机械压力表10、淡水储存罐18、高温海水储存罐20、若干阀门、管路(可以包括海水管路、淡水管路及空气管路)、真空泵19及循环水泵21参见图1及图2所示。
在蒸馏子***中，低温海水从海水入口1流入，在阀门2的控制下经过过滤器3的初步过滤进入低温海水储存罐4，在阀门5的控制下通过浸没冷却槽海水入口6进入浸没冷却槽8中。其中，过滤器3设置在海水入口1与低温海水储存罐4之间的海水管路40上。
浸没冷却槽8中的低温海水被管式蒸馏器7内水蒸气的凝结潜热预热，被预热的海水可以流入高温海水储存罐20(用于储存预热后的海水)，随后经循环水泵21的泵入管式蒸馏器7中。换而言之，循环水泵21从高温海水储存罐20抽取高温海水，并通过海水管路40将其输入至管式蒸馏器7。此处所谓的“高温海水”是指相对于“低温海水”而言，其温度有所升高。最后，高温换热流体(可以但不限于是蒸馏水)通过位于管式蒸馏器7中U型管换热对管式蒸馏器7内的海水进行加热，使得水蒸气向上流动遇到低温的顶部后迅速释放出潜热，凝结为液体，形成的淡水，再通过重力作用经罐壁进入淡水储存罐18储存，完成海水淡化过程。其中，淡水储存罐18通过淡水管路41连接到管式蒸馏器7。
一实施例中，管式蒸馏器7的底部设置有保温材料，以保持管式蒸馏器7的温度，进而保持海水的蒸馏效率。另外，在管式蒸馏器7中的海水过多时，其内的海水会经溢流口15回流至高温海水储存罐20中。真空泵19可以维持管式蒸馏器7、淡水储存罐18及高温海水储存罐20中的负压，真空泵19的功率可以通过机械压力表10的示数变化来调整。以降低海水的蒸馏沸点，提高蒸馏效率。循环水泵21给海水在蒸馏子***中的流动提供动力，来确保管路中的海水能够正常流动。
综上所述，蒸馏子***可以将管式蒸馏器7中的海水加热，在真空泵19的作用下实现海水的负压蒸馏，提高海水淡化的效率。
②供热子***中的太阳能集热器25、相变储热罐30、阀门、管路(可以包括海水管路、淡水管路及空气管路)及循环水泵26参见图1所示。
在太阳照射充足时，供热子***中的高温换热流体(可以但不限于是蒸馏水)在循环水泵26的作用下从太阳能集热器25输出。其中，一部分高温换热流体直接进入管式蒸馏器7中，高温换热流体通过U型管与海水换热之后，重新回到太阳能集热器25中，之后再由太阳能集热器25加热，进行新一次循环；另一部分高温换热流体进入相变储热罐30使相变材料储热，储热完成之后，高温换热流体重新回到太阳能集热器25中，再由太阳能集热器25加热，进行新一次循环。
在太阳照射较少时，太阳能集热器25提供的热能仅用于维持蒸馏子***的正常运行，从太阳能集热器25流出的高温换热流体仅进入管式蒸馏器7中，通过U型管与管式蒸馏器7中的海水进行换热，换热完成后重新回到太阳能集热器25中，之后再由太阳能集热器25加热，进行新一次循环。
在太阳照射不足时，太阳能集热器25中的高温换热流体通过循环水泵26进入相变储热罐30内的换热盘管中，与高温相变材料换热后进入管式蒸馏器7，并通过U型管与管式蒸馏器7中的海水换热，换热结束后返回相变储热罐30，进行新一次的循环。也就是说，循环水泵26可以将加热后的蒸馏水通过换热管路输入至管式蒸馏器7及/或相变储热罐30。
综上所述，供热子***可以持续地加热换热流体，与海水进行换热。
③供电子***中的光伏板36、功率控制器35、电路开关31、电路开关32及电池34参见图1所示。在太阳照射充足时，供电子***中的光伏板36产生的电能经功率控制器35转换后一部分储存在电池34中，一部分为循环水泵21、循环水泵26及真空泵19供能。在太阳照射较少时，光伏板36产生的电能经功率控制器35转换后仅为循环水泵21、循环水泵26及真空泵19供能，不输入电池34储存。在太阳照射不足时，循环水泵21、循环水泵26及真空泵19所需的能量由电池34补充提供。其中，功率控制器35用来控制电能的输出功率，电路开关31用来接通/切断电路。综上所述，供电子***可以利用光伏板将太阳能转变为电能，持续性地为真空泵及循环水泵供能。
从上述描述可知，本申请提供的太阳能蒸馏海水淡化***，能够利用水蒸气凝结潜热对海水进行预热，利用相变储热罐在太阳照射不足时对蒸馏子***中的管式蒸馏器进行供热，利用真空泵抽负压降低海水的蒸发温度进而提高产水率，通过合理调节阀门开度，选取合适的真空泵及循环水泵，使得整个***处于一种动态的平衡中。其中，供热子***为蒸馏子***提供高温热流体用以加热蒸馏海水。供电子***为真空泵及循环水泵供能，真空泵能够确保蒸馏子***内为负压，降低海水的蒸发温度，进而提高淡水产水率，循环水泵能够确保高温换热流体在蒸馏子***及供热子***之间持续循环流动。三个子***独立连接，功能上协同运行，能够合理地将太阳能技术、海水蒸馏技术及相变储热技术有机整合，在负压蒸馏式方法下实现24小时稳定不间断的高效淡化海水。
在具体实施时，可以分为三种情况：太阳照射充足(例如，在晴天情况下)、太阳照射较弱(例如，在多云情况下)及太阳照射不足(例如，在阴天情况下)。
①太阳照射充足：当太阳能供应充足时，打开阀门22、阀门24、阀门27和阀门28，关闭阀门23及阀门29。打开电路开关32及电路开关33，关闭电路开关31。太阳能集热器25内的高温换热流体在循环水泵26的作用下流出，一部分经过阀门27持续进入管式蒸馏器7中蒸馏海水，之后经过阀门22回到太阳能集热器25之中。另一部分经过阀门28给相变储热罐进行储热，储热之后经阀门24回到太阳能集热器25中，之中再由太阳能集热器25进行加热，供热子***进入新一次循环。供电子***中的光伏板36发出的电能经过功率控制器35之后，一部分给真空泵19、循环水泵21及循环水泵26供电，另一部分给电池34进行充电。
②太阳照射较弱：当太阳能供应较少时，仅能维持整个太阳能蒸馏海水淡化***的正常运行时，打开阀门22及阀门27，关闭阀门23、阀门24、阀门28及阀门29。打开电路开关32，关闭电路开关31及电路开关33。高温的换热流体通过循环水泵26由太阳能集热器25输出，只通过阀门27，全部进入管式蒸馏器7中蒸馏海水，之后经过阀门22回到太阳能集热器25中，加热子***进行新一次循环。供电子***中的光伏板36发出的电能经过功率控制器35之后，只用于真空泵19、循环水泵21及循环水泵26的供电。
③太阳照射不足：当太阳能供应不足时，打开阀门23、阀门28及阀门29，关闭阀门22、阀门24及阀门27。海水蒸馏子***所需的高温换热流体由相变储热罐30提供，高温的换热流体经阀门29由相变储热罐30中流出，进入管式蒸馏器7中蒸馏海水，换热完成之后，再经阀门23、循环水泵26及阀门28进入相变储热罐30中进行加热，之后再进入新一次循环。其中，真空泵19、循环水泵21及循环水泵26所需的电力全部由电池34提供。
与现有技术相比，本申请提供的太阳能蒸馏海水淡化***的有益效果至少包括：
1、热能的利用效率高：太阳能集热器的大部分热能均用于海水蒸馏，淡水带走的热能及散热损失占比很少。
2、蒸馏子***的结构简单：采用了单级管式蒸馏器，水蒸汽的凝结潜热用于预热海水，与三级甚至多级蒸馏器相比经济性更好，安装与维护难度更低。
3、合理地将太阳能技术、海水蒸馏技术和相变储热技术整合，可实现24小时稳定不间断的淡化海水。
4、提高了淡水的产水率，通过真空泵降低管式蒸馏器的内部压力，从而降低海水的蒸发温度，使得海水更易蒸发。
5、可在孤立的海岛环境下独立运行，初步建成之后，不需要额外能量输入，后期只需简单维护，具有一定的普适性及可推广性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，包括：蒸馏子***及供热子***；
所述蒸馏子***包括：低温海水储存罐(4)、浸没冷却槽(8)及设置在所述浸没冷却槽(8)中的管式蒸馏器(7)；
其中，所述低温海水储存罐(4)中的低温海水通过海水管路进入所述浸没冷却槽(8)后被所述管式蒸馏器(7)蒸馏海水时所散发的热量预热，得到高温海水，所述高温海水进入所述管式蒸馏器(7)中蒸馏后得到淡水；
所述供热子***包括：太阳能集热器(25)及相变储热罐(30)；
其中，当太阳照射充足时，所述太阳能集热器(25)加热其中的换热流体，并将加热后的换热流体通过换热管路输入至所述管式蒸馏器(7)及所述相变储热罐(30)；当太阳照射不足时，所述相变储热罐(30)通过所述换热管路将储存的换热流体输入至所述管式蒸馏器(7)。
2.根据权利要求1所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述蒸馏子***还包括：
高温海水储存罐(20)，用于储存所述高温海水；
第一循环水泵(21)，从所述高温海水储存罐(20)抽取所述高温海水，并通过所述海水管路将其输入至所述管式蒸馏器(7)。
3.根据权利要求2所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述蒸馏子***还包括：
淡水储存罐(18)，通过淡水管路连接所述管式蒸馏器(7)，用于接收并储存所述淡水。
4.根据权利要求3所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述蒸馏子***还包括：
真空泵(19)，用于维持所述管式蒸馏器(7)、所述淡水储存罐(18)及所述高温海水储存罐(20)中的负压，以降低海水的蒸馏沸点，提高蒸馏效率。
5.根据权利要求1所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述蒸馏子***还包括：
过滤器(3)，设置在海水入口与所述低温海水储存罐(4)之间的海水管路上，用于初步过滤海水中的杂质。
6.根据权利要求1所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述管式蒸馏器(7)的底部设置有保温材料，以保持海水的蒸馏效率。
7.根据权利要求1所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述供热子***还包括：
第二循环水泵(26)，用于将加热后的换热流体通过所述换热管路输入至所述管式蒸馏器(7)及/或所述相变储热罐(30)。
8.根据权利要求1所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，还包括：供电子***，所述供电子***包括：
光伏板(36)，用于吸收太阳能并将太阳能转换为电能，以驱动第一循环水泵(21)、第二循环水泵(26)及真空泵(19)。
9.根据权利要求8所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述供电子***还包括：
功率控制器(35)及蓄电池(34)；
其中，所述功率控制器(35)用于以预设功率将所述电能输入所述蓄电池(34)中，由所述蓄电池(34)驱动第一循环水泵(21)、第二循环水泵(26)及真空泵(19)。
10.根据权利要求9所述太阳能蒸馏海水淡化***，其特征在于，所述供电子***还包括：
电路开关，用于接通及/或切断所述功率控制器(35)与所述蓄电池(34)之间的电路。
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