一種具有主動(dòng)冷凝功能的晾曬式海水淡化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能海水淡化的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有主動(dòng)冷凝功能的晾曬式海水淡化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地球上由于含鹽度太高而不能直接飲用和灌溉的海水占據(jù)了總水量的97%以上，人類真正可以利用的淡水只占全球總水量已不足0.36%，淡水的供應(yīng)不足是全球面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展使得淡水需求量激增，同時(shí)也使得大量河流湖泊等水體污染，進(jìn)一步加劇了人類的淡水供求矛盾?？紤]到能源日益緊缺，找到新的海水淡化方法迫在眉睫。
[0003]海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，是有效解決水資源危機(jī)的重要手段之一。利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化分為熱法和膜法，熱法是利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱能驅(qū)動(dòng)海水相變的過(guò)程，膜法是利用太陽(yáng)能發(fā)電以驅(qū)動(dòng)滲析過(guò)程，前者利用低級(jí)能，后者利用高級(jí)能。傳統(tǒng)的海水淡化工藝包括多級(jí)閃蒸、多效蒸餾和反滲透等等，當(dāng)前的太陽(yáng)能技術(shù)與任何一種傳統(tǒng)的海水淡化工藝相結(jié)合都能形成新的裝置。
[0004]熱法太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用最早，目前太陽(yáng)能蒸餾裝置主要有主動(dòng)式系統(tǒng)和被動(dòng)式系統(tǒng)兩大類。被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用極低，但是單位采光面積的產(chǎn)水量較低，內(nèi)部傳熱傳質(zhì)主要靠自然對(duì)流，效率不高，典型的如單級(jí)盤式蒸餾器最理想的效率也不到35%，在增大凝結(jié)蓋板的面積時(shí)，由于散熱面積同時(shí)增大了，產(chǎn)水量反而有較多降低。
[0005]主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾裝置在被動(dòng)式的基礎(chǔ)上增加了額外的輔助元件，使其運(yùn)行溫度大幅度提高，改善了內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，另外它能主動(dòng)回收蒸汽在凝結(jié)過(guò)程中釋放的潛熱，因而這類系統(tǒng)比傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)的產(chǎn)水量高出一倍以上。但是這種系統(tǒng)里輔助加熱海水的太陽(yáng)能集熱器會(huì)增加占地面積和運(yùn)行費(fèi)用，輔助強(qiáng)化自然對(duì)流的風(fēng)機(jī)會(huì)消耗電能，同時(shí)也使得裝置復(fù)雜化，有些系統(tǒng)將蒸餾和冷凝分開，即外帶冷凝器，大幅度提升了系統(tǒng)產(chǎn)水率，卻使得設(shè)備更加復(fù)雜化，投資成本更高。這些太陽(yáng)能蒸餾器白天可以很好地利用太陽(yáng)輻射，在夜間的低溫環(huán)境下，如果沒有配備儲(chǔ)熱水箱，產(chǎn)水量將大打折扣。中國(guó)專利CN102225787A公開了一種復(fù)合式太陽(yáng)能海水淡化裝置及方法，裝置通過(guò)平板集熱器和復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽(yáng)能，使海水進(jìn)行降膜和薄膜蒸發(fā)，收集蒸汽并冷凝得到淡水，充分利用了凝結(jié)潛熱，但是該裝置適合于高瑋度地區(qū)，運(yùn)行成本高，占地面積大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)存在的不足，提供了一種具有主動(dòng)冷凝功能的晾曬式海水淡化裝置，低成本運(yùn)作地基礎(chǔ)上充分提高熱能利用率，降低裝置的熱惰性，提高能量利用率和產(chǎn)水效率。
[0007]本發(fā)明提供了一種海水淡化裝置，如圖1，包括透明密閉殼體1、晾曬式蒸發(fā)體2、內(nèi)置冷凝器3、供水與噴淋子系統(tǒng)、淡水回收器和余熱回收子系統(tǒng)4等主體組成部分，可以通過(guò)添加自然對(duì)流循環(huán)人為增強(qiáng)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)提高裝置產(chǎn)水效率。所述的透明密閉殼體I是由透光性能好的材料做成的殼體，分為上殼體和下殼體兩部分，可以是單層或雙層，雙層可以減少熱量的損失；所述的晾曬式蒸發(fā)體2是由吸光效果好的深色織物或多孔彈性材料2-1包裹著供水系統(tǒng)管路2-2和(或)輔助加熱管路2-3形成的，其截面如圖2所示，蒸發(fā)體內(nèi)外兩側(cè)均為蒸發(fā)面，外側(cè)晾曬于太陽(yáng)光下，蒸發(fā)體的外側(cè)和透明密閉殼體I外側(cè)形成一個(gè)蒸發(fā)冷凝區(qū)，由蒸發(fā)體外側(cè)海水蒸發(fā)的蒸汽凝結(jié)在殼體內(nèi)壁上，蒸發(fā)體的內(nèi)側(cè)和內(nèi)置冷凝器3的外側(cè)形成了另一個(gè)蒸發(fā)冷凝區(qū)，由蒸發(fā)體內(nèi)側(cè)海水蒸發(fā)的部分蒸汽凝結(jié)在冷凝器外沿壁3-1外側(cè)上，蒸發(fā)體每層之間留有一定間隙；所述的內(nèi)置冷凝器3的主體是一組海水管，它通過(guò)與淡水蒸汽進(jìn)行熱交換以升高海水的溫度，同時(shí)使蒸汽釋放潛熱凝結(jié)成淡水；所述的供水與噴淋子系統(tǒng)是由上水柱12、冷凝器3中的海水管、蒸發(fā)體2中的海水管、噴淋管7和噴頭5組成，作用是將海水通過(guò)管路引至晾曬式蒸發(fā)體2的上部并噴淋或滴灑至蒸發(fā)體表面；所述的淡水回收器包括內(nèi)置冷凝器3下方的淡水回收區(qū)(淡水回收區(qū)由套杯9內(nèi)圈圍成)和透明密閉殼體I內(nèi)壁，作用是回收各部分凝結(jié)的淡水；所述的余熱回收子系統(tǒng)4指蒸發(fā)體表面未及時(shí)蒸發(fā)的海水向下流動(dòng)聚集在蒸發(fā)體底部形成的濃海水池，作用是利用濃海水的余熱來(lái)預(yù)熱冷海水；所述的自然對(duì)流循環(huán)人為增強(qiáng)系統(tǒng)是由內(nèi)置冷凝器3外沿壁3-1的收斂型間隙形成的，利用區(qū)域之間溫度的差異以及熱蒸汽與干空氣比重的差異，形成一個(gè)自然的對(duì)流循環(huán)，如圖3所示，加速冷凝和蒸發(fā)；所述的輔助加熱系統(tǒng)指輔助加熱管2-3和輔助熱源，可通過(guò)電加熱體、熱氣體或熱流體加熱蒸發(fā)體使得蒸發(fā)體升溫，增強(qiáng)其蒸發(fā)海水的能力。在太陽(yáng)光充足的情況下，可以不使用輔助加熱管，而在太陽(yáng)光不充足的時(shí)候，才使用輔助加熱管。
[0008]海水淡化的方法是:海水先經(jīng)上水柱8進(jìn)入冷凝器3內(nèi)，海水通過(guò)管壁與冷凝器中分布的淡水蒸汽進(jìn)行熱交換完成海水的第一次預(yù)熱，之后通過(guò)連接器件將海水管接入晾曬式蒸發(fā)體2，蒸發(fā)體中的輔助加熱管通熱源，蒸發(fā)體下部分浸泡在余熱回收子系統(tǒng)4的濃海水中，海水通過(guò)管壁與濃海水進(jìn)行熱交換完成海水的第二次預(yù)熱，未浸泡在濃海水中的蒸發(fā)體則晾曬于太陽(yáng)光下，海水管內(nèi)的海水在上升的過(guò)程中通過(guò)管壁與吸光效果好的深色織物或多孔彈性材料2-1進(jìn)行熱交換完成海水的第三次預(yù)熱，經(jīng)過(guò)預(yù)熱的海水到達(dá)蒸發(fā)體上部后分成兩路，一路接噴淋管7，另一路接噴頭5，通過(guò)噴淋或滴灑的方式將海水噴至蒸發(fā)體表面，海水從上向下滲透，蒸發(fā)體每層之間有一定的間隙，間隙大小保證內(nèi)側(cè)噴灑的海水不會(huì)濺到透明密閉殼體壁上，同時(shí)一定量的太陽(yáng)輻射可以進(jìn)入內(nèi)側(cè)，這樣在層與層之間形成降膜蒸發(fā)的效果，每一層蒸發(fā)體表面的薄海水膜在太陽(yáng)光和輔助熱的作用下蒸發(fā)形成淡水蒸汽，外側(cè)的一部分淡水蒸汽在透明密閉殼體I內(nèi)壁上凝結(jié)成淡水，一部分淡水蒸汽在蒸發(fā)體兩側(cè)的溫度差的作用下透過(guò)蒸發(fā)體間隙向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，加快蒸發(fā)速度，蒸發(fā)體內(nèi)側(cè)的隔離罩6以上部分的淡水蒸汽進(jìn)入透明密閉殼體I的上殼體內(nèi)壁凝結(jié)，蒸發(fā)體內(nèi)側(cè)的隔離罩6以下部分的淡水蒸汽一部分進(jìn)入冷凝器3中，一部分在冷凝器外沿壁3-1外側(cè)上凝結(jié)，冷凝器外沿壁外側(cè)3-1和冷凝器3中的凝結(jié)的淡水進(jìn)入冷凝器下方的淡水回收區(qū)，透明密閉殼體內(nèi)壁凝結(jié)的淡水從底部直接輸出，未及時(shí)蒸發(fā)的海水向下流動(dòng)匯集在余熱回收子系統(tǒng)4中，形成濃海水池，用來(lái)加熱將要進(jìn)行第二次預(yù)熱的海水，同時(shí)濃海水表面進(jìn)行蒸發(fā)，形成的淡水蒸汽和蒸發(fā)體內(nèi)側(cè)的淡水蒸汽合并在一起。
[0009]所述的海水淡化裝置包括三個(gè)蒸發(fā)區(qū)和三個(gè)冷凝區(qū)，晾曬式蒸發(fā)體I內(nèi)側(cè)海水膜為主蒸發(fā)區(qū)，晾曬式蒸發(fā)體I外側(cè)海水膜和余熱回收子系統(tǒng)4的濃海水表面為2個(gè)副蒸發(fā)區(qū)，冷凝器3為主冷凝區(qū)，冷凝器外沿壁3-1和透明密閉殼體I內(nèi)壁為2個(gè)副冷凝區(qū)。
[0010]如果蒸發(fā)和冷凝速度不能滿足要求，則可以添加自然對(duì)流循環(huán)人為增強(qiáng)系統(tǒng)，SP通過(guò)在內(nèi)置冷凝器外沿壁3-1外側(cè)形成收斂型間隙，利用區(qū)域之間溫度的差異以及熱蒸汽與干空氣比重的差異，形成一個(gè)增強(qiáng)的自然的對(duì)流循環(huán)。
[0011]如果太陽(yáng)輻射不能滿足要求，則可以添加輔助加熱系統(tǒng)，即在蒸發(fā)體內(nèi)部添加一路管路，通過(guò)電加熱體、熱氣體或熱流體加熱蒸發(fā)體，這樣即使在多云天和晚上，也可以進(jìn)行海水淡化，晚上的溫度較低，可以加快蒸汽的凝結(jié)。
[0012]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0013]1、本發(fā)明采用了透明密閉殼體來(lái)吸收太陽(yáng)光，無(wú)論裝置在哪個(gè)位置，太陽(yáng)在哪個(gè)方位，太陽(yáng)光都能很好地進(jìn)入裝置。殼體可以是單層或雙層，雙層的中間間隙起隔熱作用，極大地阻止了裝置內(nèi)部熱量的散失。
[0014]2、本發(fā)明采用了晾曬式蒸發(fā)體，蒸發(fā)體外側(cè)絕大部分晾曬于太陽(yáng)光下，和以前的蒸發(fā)體相比，充分增大了蒸發(fā)表面和蒸發(fā)速率。
[0015]3、本發(fā)明充分利用熱蒸汽凝結(jié)釋放的潛熱和未及時(shí)蒸發(fā)的海水來(lái)預(yù)熱海水，使得裝置熱量的損失降到最低
[0016]4、本發(fā)明在太陽(yáng)輻射不能滿足的情況下，可以采用輔助熱源，不僅白天可以高效產(chǎn)水，晚上也可以利用熱源和環(huán)境降低造成的溫差增加淡水的產(chǎn)量。
[0017]5、本發(fā)明中蒸發(fā)體與冷凝器之間的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)氣體形成自然對(duì)流循環(huán)。
[0018]6、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝置緊湊合理，所有器件成本低廉，可操作性高，可以根據(jù)用戶用水量需求選擇相應(yīng)的裝置尺寸和規(guī)模。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是以球形海水淡化裝置為例說(shuō)明的海水淡化裝置的組成結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2是晾曬式蒸發(fā)體單層橫截面圖；
[0021]圖3是以球形海水淡化裝置為例說(shuō)明的自然對(duì)流循環(huán)增強(qiáng)系統(tǒng)圖；
[0022