CN1247465C - 陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，它由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷却槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纤维毛细管蒸发器[6]、透光密封淡化器箱体[7]、海水布水管[8]、浓盐水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撑架[12]、密封垫片[13]、中间板[14]、浓盐水出口[15]、海水进入口[16]和螺栓[17]组成，它充分利用活性炭纤维发达的比表面积来增大海水的蒸发面积，形成立体蒸发，提高了单位体积的蒸发负荷；黑色活性炭纤维的吸光能力强，蒸发温度高，加大蒸发推动力，提高蒸发量；利用海水温度低，使水蒸汽及时冷凝成淡水；实现了海水淡化。

Description

陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器

技术领域

本发明属于利用毛细管作用原理来增大蒸发表面从而实现用太阳能进行海水淡化的技术与设备。

背景技术

众所周知，地球上的水几乎都储存在海洋中，依靠太阳能的蒸发作用将海水转变成气态的云输送到陆域，最后以雨雪的形式降到地面，成为江河湖泊的地表水及渗透地下的地下水。由于受各种自然因素的影响，地球上的淡水资源分布在时空上均很不平衡，缺水与洪涝在不同地区及同一地区的不同时间都会发生。尤其是沿海地区，淡水资源大都十分匾乏，如何实施海水淡化是人们长期研究的热点之一。蒸发是人们研究最多海水淡化方法之一，在热能资源丰富的沿海地区具有很大的吸引力，特别是新型的闪蒸技术，废热及低品位热能在热能资源的综合利用，可以实现经济的海水淡化过程，一般可以达到地表水的制水成本，但如果应用新鲜蒸汽则经济上尚有疑问，成本将会在8-10元/吨水；反渗透技术是目前工业化应用颇多的海水淡化技术，其制水成本最低可以达到5-8元/吨水；但设备投资较大，在淡水资源十分匾乏的场合采用；由于太阳能属于低品位热能，需要在热能利用技术方面有新的突破。我们知道，蒸发过程的快慢及蒸发总量，取决于传热温度差和传热面积，直接利用太阳能来加热海水时的温度与海水的温度差基本固定，因此增大传热面积是关键问题。多孔性纤维具有较大的比表面积，利用该特性可以增加传热面积。

1995年A-A-AL-Karaghouli等人基于黄麻布的良好毛细作用，提出一种太阳能漂浮皱褶型海水蒸发器，将漂浮在聚苯乙烯板上的黄麻布制成皱褶状漂浮单元设置在水平面上约5mm的高度，这种蒸发器的性能优于平布式和平面式蒸发器，运行维护方便，最大日产量是10.5升/平米。这种蒸发器可用于偏远地区及海岛上居民生活用水的制水设备。

1999年Bachir Bouchekima等人发表了“毛细管膜式太阳能海水淡化器的理论研究与应用”的文章，介绍了一种多效毛细管膜式蒸发器用于阿尔及利亚南部的实验装置“DIFICAP”，利用该地区地下水温65℃，研究毛细管膜运动原理，改进蒸发器效率。理论与实验结果表明，随着该地区苦咸水源温度的升高，太阳辐射能密度的加大，效数的增加，海水蒸发效率也增大。

2001年有人设计了另一种太阳能蒸发器，目的是通过采用毛细管膜来提高淡水产率。该蒸发器由一定斜倾角度特殊的蒸发冷凝单元构成，将纤维以非常薄的膜形式依靠毛细吸力贴服在一块斜板壁上，苦咸水从上端纤维沿斜放膜壁流下，蒸发的水汽在斜板下面空间冷凝成水被收集。

上述几种海水淡化器虽然具有许多特点，但蒸发面积都不够大，尚未达到立体蒸发的状态，其冷凝过程也存在问题，不能充分的将热量转移出去，以便提高冷凝效率。

本发明的目的是利用低品位太阳能，尽可能充分利用具有较大比表面积的多孔性纤维来增大传热面积，提高单位体积蒸发器的蒸发负荷，使海水蒸发形成立体蒸发，实现海水淡化。

发明内容

本发明陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器(附图1)是由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷却槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纤维毛细管蒸发器[6]、透光密封淡化器箱体[7]、海水布水管[8]、浓盐水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撑架[12]、密封垫片[13]、中间板[14]、浓盐水出口[15]、海水进入口[16]和螺栓[17]组成；它们的结构与连接关系是：

海水淡化器箱是由透光密封淡化器箱体[7]和淡水冷凝板冷却槽[4]，用螺栓[17]、密封垫片[13]和中间板[14]紧固在一起，构成一个密闭、蒸发、冷凝***；由中间板隔开，分成上、下两部分；上面部分是有机玻璃做成的透光密封淡化器箱体[7]、下面部分是埋于地下的淡水冷凝板冷却槽[4]。

海水淡化器中间板下面的淡水冷凝板冷却槽[4]的一端，有一个海水进入口[16]，另一端有一个从多个浓盐水收集槽[9]汇总来的浓盐水出口[15]，冷却槽[4]内还有多个垂直穿过中间板相互平行伸到槽内的淡水冷凝板的下面部分，以及一根直径Φ＝20-100毫米从槽里垂直穿过中间板向上一直伸到透光密封淡化器箱体[7]顶部，然后弯成水平方向分散到每个活性炭纤维毛细管蒸发器[6]顶端位置的海水布水管[8]；海水淡化器中间板上面的淡化器箱体[7]内，除上述的海水布水管外，还有根据不同淡水产量设计的多个相互平行的活性炭纤维毛细管蒸发器(表3)和多个穿过中间板与毛细管蒸发器相间并相互平行的淡水冷凝板的上面部分，它们均垂直固定于中间板上；以中间板为基准，冷凝板的上面部分与下面部分的面积之比为4∶1-3∶1；每个活性炭纤维毛细管蒸发器的下端还有一个浓盐水收集槽[9]，槽的一侧均有一个浓盐水排水口，通过管道连接到浓盐水出口[15]；在中间板上的浓盐水收集槽高度为100-200mm，槽中央有一条可被5-7mm厚的双层毛细纤维毡伸入，宽10-15mm，长2.3-73m的插缝。

活性炭纤维毛细管蒸发器[6]是用黑色活性炭纤维制成厚度为2.5-3.5mm的毛细纤维毡，将其围绕固定支撑架[12]横杆对折，两个端头朝下，悬挂在支撑架[12]横杆的两侧，再把双层毛细纤维毡插到浓盐水收集槽[9]中央宽为10-15mm的插缝中，两个端头直到中间板面；浓盐水收集槽的高度应高于淡水排放口[11]，使浓盐水收集槽[9]的外面与中间板的上面空间构成淡水收集槽[10]。

淡水冷凝板[5]是采用厚度为2mm的不锈钢材料制成的方形板，其下面的1/3-1/4面积是穿过中间板[14]伸到冷却槽[4]中，上面的2/3-3/4部分是穿过中间板固定在淡化器箱体[7]内，冷凝板与活性炭纤维毛细管蒸发器[6]相间垂直平行；冷凝板的高度小于或等于活性炭纤维毛细管蒸发器高度，一个蒸发器与一个冷凝板之间的间距是毛细管蒸发器高度的1/4-3/4。

海水布水管[8]分散到每个活性炭纤维毛细管蒸发器[6]顶部位置，在管子的下端，有许多滴洗的小孔，便于将海水均匀分布在活性炭纤维蒸发器上(附图4)。

本发明中的海水淡化工艺过程是这样来实现的：

陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器建于近海岸边，海水经海水管[1]用海水泵[2]打到除藻器[3]中除藻，然后海水通过海水进入口[16]进入埋于地下的淡水冷凝板冷却槽[4]，利用海水的低温将淡水冷凝板[5]冷却到15℃以下，同时海水也被预热。预热后的海水通过伸在冷却槽海水中的海水布水管[8]，穿过中间板[14]进入到透光密封的有机玻璃淡化器箱体[7]的顶部，并被多组海水布水管分配到每一个活性炭纤维毛细管蒸发器[6]上端，该蒸发器是由多个悬挂在支撑架[12]横杆上的平行的活性炭纤维毡组成，活性炭纤维毡的单层厚度为2.5-3.5mm，悬挂高度500mm，根据淡化水产量不同来确定长度为2.3-73m，活性炭纤维毡的个数根据设计蒸发量大小定为5-158个，可设置许多组，具体数目和规格见表3。在每一个活性炭纤维蒸发单元之间设置一片由厚度为2mm不锈钢制成的方形冷凝板[5]，从活性炭纤维毡上蒸发的水蒸气遇到冷凝板后液化成淡水流下，收集在淡化器箱体与中间板上底部空间的淡水收集槽[10]内，淡水达到一定量可从淡水排放口[11]放出。海水蒸发后残留在活性炭纤维毡上的无机盐类，不断被从海水布水管[8]滴下的海水冲洗下来，沿着活性炭纤维毡收集在浓盐水收集槽[9]内，从浓盐水出口[15]自动排出箱体或用于回收无机盐。而收集的淡水经过淡水排放口[11]输送到用户。海水泵所需要的动力，在电源方便的地方由陆上电源供给，如果远离电源，可利用风能或浪涌动力发电来供给。

表1为不同淡水产量需要受热面积和箱体体积的计算数据；

计算表明：随着淡水产量的增加，淡化器接受太阳能辐射的受热面积和箱体体积也都增大。

表2为不同淡水产量需要纤维毡体积、冷凝板体积的计算数据；

计算表明：随着淡水产量的增加，纤维毡体积和冷凝板体积都相应增加。

表3为不同淡水产量需要活性炭纤维毡规格和个数的计算数据；

计算表明：随着淡水产量的增加，活性炭纤维毡在厚度和高度保持不变时，其长度和个数均急聚增加。

表4为不同淡水产量需要冷凝板规格和个数的计算数据；

计算表明：随着淡水产量的增加，冷凝板在厚度和高度保持不变时，其长度和个数均急聚增加。

附图说明

图1为海水淡化器正视剖面结构示意图。

其中：1-海水管，2-海水泵，3-除藻器，4-淡水冷凝板冷却槽，5-淡水冷凝板，6-活性炭纤维毛细管蒸发器，7-透光密封淡化器箱体，8-海水布水管，9-浓盐水收集槽，10-淡水收集槽，11-淡水排放口，12-支撑架，13-密封垫片，14-中间板，15-浓盐水出口，16-海水进入口，17-螺栓。

图2为海水淡化器俯视A-A剖面结构示意图。

其中：3-除藻器，5-淡水冷凝板，6-活性炭纤维毛细管蒸发器，7-透光密封淡化器箱体，8-海水布水管，9-浓盐水收集槽，11-淡水排放口，12-支撑架，14-中间板。

图3为活性炭纤维毛细管蒸发器立体结构示意图。

其中：6-活性炭纤维毛细管蒸发器，9-浓盐水收集槽，12-支撑架，15-浓盐水出口。

图4为毛细蒸发海水淡化器中海水布水管立体分布示意图。

其中：5-淡水冷凝板，6-活性炭纤维毛细管蒸发器，8-海水布水管，12-支撑架，14-中间板。

本发明陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器的特点为：

1、充分利用活性炭纤维毡众多发达的毛细管作用，可制成5-158个长2.3-73m，厚7.7mm，高500mm的活性炭纤维毛细管蒸发器，通过海水布水管[8]将海水滴到具有较大比表面积的纤维毡上，使每一个双层活性炭毛细纤维毡由里向外，由上而下形成立体蒸发，蒸发的蒸汽经冷凝板冷却，变成为1-1000千克/时淡水(表3)，提高了单位体积海水蒸发器的蒸发负荷。

2、充分利用黑色活性炭纤维吸收太阳光的能力强、蒸发温度高，加大蒸发推动力，提高蒸发量，从而提高了热能利用率。海水温度为15℃，蒸发温度可达45～48℃。

3、利用刚从大海中提升的低温海水作为冷却剂，冷却每块淡水冷凝板，将透光密封淡化器箱体内的水蒸汽尽快冷凝成淡水而被收集。

4、海水蒸发后残留在活性炭纤维上的无机盐类，不断地被海水布水管从上滴下的海水冲洗带下来，被收集在浓盐水收集槽内，通过浓盐水管道和出口，自动排出箱体，也可用于回收无机盐。

5、综合上述特点，假设海水的平均温度为10℃，吸收太阳能使海水温度升高到40℃，水在40℃蒸发成水蒸气，再经冷凝到15℃，冷凝得到15℃淡水。据初步计算，本发明海水淡化器得到淡水的价格约为2-3元/吨。

6、水蒸汽被冷凝板冷凝成淡水和活性炭纤维上残留的无机盐被海水滴洗带走，均是由上而下同步进行的。

本发明所达到的效果为：

充分利用活性碳纤维的发达比表面积增大海水的蒸发面积，使平面蒸发成为立体蒸发，提高了单位体积海水蒸发器的蒸发负荷.利用黑色活性碳纤维的吸光能力强，从而蒸发温度高的优点，加大蒸发推动力，提高蒸发量。利用透光罩将水蒸汽有效地封闭于罩内，并利用刚从海中提升的海水温度低的特点，设置海水冷凝槽冷却淡水冷凝板，使水蒸汽及时冷凝成液体，整个设备充分利用了太阳能低品位能源，实现了海水淡化的目标。

具体实施方式

                   实施例1

一个淡水产量1千克/小时的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，在长2.5m，宽2.5m，高600mm的透光密封淡化器箱体内，均匀安装5个活性炭纤维毛细管蒸发器，每一个厚度为7mm，长2.3m，高500mm，并在每相邻两个活性炭纤维毛细管蒸发器之间，安装一个淡水冷凝板，它的长2.3m，高500mm，厚2mm，冷凝板固定在厚10mm塑料中间板上。每个毛细管蒸发器的下端均有高100mm的浓盐水收集槽，槽内有一小孔，连接到浓盐水出口。海水布水管安装在淡化器箱体内，并垂直穿过中间板伸到冷却槽内。冷却槽的一端有一个海水进入口，另一端有浓盐水出口，淡化器箱体靠中间板处有一个淡水排放口。海水由海水泵抽上打入除藻器进入冷却槽。该装置按照中国北方日照强度可产淡水量1千克/小时。

                       实施例2-4

按照表3、表4的计算数据以及上述实施例1安装结构，可分别制作淡水产量10千克/小时、100千克/小时、1000千克/小时的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器。

本发明海水淡水器常见设备的技术规格如下：

海水温度：平均10℃

海水盐浓度：3.5％(NaCl)

汽化水温度：40℃

冷凝水温度：15℃

表1不同规格淡化器的接受太阳能辐射面积及箱体体积计算

产水量(千克/时)	受热面积(米2)	箱体体积(米3)
			1	5.36	2.68
10	53.6	26.8
			100	536	268
1000	5360	2680

表2不同规格淡化器的各部分体积计算

产水量(千克/时)	纤维毡体积(立方米)	空腔体积(立方米)	冷凝板体积(立方米)
				1	0.089	2.5464	0.0446
10	0.89	25.464	0.446
				100	8.9	254.64	4.46
1000	89	2546.4	44.6

表3不同规格淡化器的碳纤维毡规格计算

产水量(千克/时)	长(米)	厚(毫米)	高(毫米)	个数
					1	2.3	7.7	500	5
10	7.3	7.7	500	16
					100	23.2	7.7	500	50
1000	73	7.7	500	158

表4不同规格淡化器的冷凝板规格计算

产水量(千克/时)	长(米)	厚(毫米)	高(毫米)	个数
					1	2.3	2	500	5
10	7.3	2	500	16
					100	23.2	2	500	50
1000	73	2	500	158

Claims (5)

1、一种陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于该海水淡化器是由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷却槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纤维毛细管蒸发器[6]、透光密封淡化器箱体[7]、海水布水管[8]、浓盐水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撑架[12]、密封垫片[13]、中间板[14]、浓盐水出口[15]、海水进入口[16]和螺栓[17]组成；它们的结构与连接关系是：

a)海水淡化器是由透光密封淡化器箱体[7]和淡水冷凝板冷却槽[4]，用螺栓[17]、密封垫片[13]和中间板[14]紧固在一起，构成一个密闭、蒸发、冷凝***；由中间板隔开，分成上、下两部分；上方是有机玻璃透光密封淡化器箱体[7]、下方是淡水冷凝板冷却槽[4]；海水淡化器中间板下面的淡水冷凝板冷却槽[4]的一端，有一个海水进入口[16]，另一端有一个从多个浓盐水收集槽[9]汇总来的浓盐水出口[15]，冷却槽[4]内还有多个垂直穿过中间板相互平行伸到槽内的淡水冷凝板的下面部分，以及一根直径Φ＝20-100毫米从槽里垂直穿过中间板向上一直伸到透光密封淡化器箱体[7]顶部，然后弯成水平方向分散到每个活性炭纤维毛细管蒸发器[6]顶端位置的海水布水管[8]；海水淡化器中间板上面的淡化器箱体[7]内，除上述的海水布水管外，还有根据不同淡水产量设计的多个相互平行的活性炭纤维毛细管蒸发器和多个穿过中间板与毛细管蒸发器相间并相互平行的淡水冷凝板的上面部分，它们均垂直固定于中间板上；以中间板为基准，冷凝板的上面部分与下面部分的面积之比为4∶1-3∶1；每个活性炭纤维毛细管蒸发器的下端还有一个浓盐水收集槽[9]，槽的一侧均有一个浓盐水排水口，通过管道连接到浓盐水出口[15]；

b)活性炭纤维毛细管蒸发器[6]是用黑色活性炭纤维制成厚度为2.5-3.5mm的毛细纤维毡，将其围绕固定支撑架[12]横杆对折，两个端头朝下，悬挂在支撑架[12]横杆的两侧，再把双层毛细纤维毡插到浓盐水收集槽[9]中央宽为10-15mm的插缝中，两个端头直到中间板面；浓盐水收集槽的高度应高于淡水排放口[11]，使浓盐水收集槽[9]的外面与中间板的上面空间构成淡水收集槽[10]；

c)淡水冷凝板[5]是采用厚度为2mm的不锈钢材料制成的方形板，其下面的1/3-1/4面积是穿过中间板[14]伸到冷却槽[4]中，上面的2/3-3/4部分是穿过中间板固定在淡化器箱体[7]内，冷凝板与活性炭纤维毛细管蒸发器[6]相间垂直平行；冷凝板的高度小于或等于活性炭纤维毛细管蒸发器高度，一个蒸发器与一个冷凝板之间的间距是毛细管蒸发器高度的1/4-3/4。

2、根据权利要求1所述的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

海水淡化器的淡水产量为1-1000千克/小时时，需要活性炭纤维毛细管蒸发器的数目应为5-158个，每个毛细管蒸发器的规格为长2.3-73m，高为500mm，厚度5-7.7mm。

3、根据权利要求1所述的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

在中间板上的浓盐水收集槽高度为100-200mm，槽中央有一条宽10-15mm，长2.3-73m的插缝。

4、根据权利要求1所述的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

海水淡化器的淡水产量为1-1000千克/小时时，需要淡水冷凝板的数目应为5-158个，每个淡水冷凝板的规格为长2.3-73m，高为500mm，厚度为2mm。

5、根据权利要求1所述的陆上型太阳能毛细蒸发海水淡化器，其特征在于：

海水布水管[8]分散到每个活性炭纤维毛细管蒸发器[6]顶部位置，在管子的下端，有许多滴洗的小孔。

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