CN103359799A - 双通道烟囱装置及海水淡化装置和形成双气流通道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双通道烟囱装置及海水淡化装置和形成双气流通道的方法。其中双通道烟囱装置包括加热室和连通加热室的上升气道，还包括下降气道，下降气道的出口连通加热室，下降气道、加热室和上升气道之间的气体流路借助于烟囱效应使加热室内的气体受热膨胀之后，进入上升气道，并同时使下降气道引入气体至加热室。利用此双气流通道装置，可以使得淡化海水的热量高效的重复利用，同时降低加热室内热量的流失。本发明充分解决了目前太阳能海水淡化的缺点，不仅提高了海水淡化的速率和降低了能源消耗，而且建设和维护成本较低。

Description

双通道烟囱装置及海水淡化装置和形成双气流通道的方法

技术领域

本发明涉及能量利用和海水淡化技术领域，具体来说，本发明涉及利用太阳能淡化海水的方法和装置。

背景技术

地球上的水资源非常丰富，但是其中97％为无法饮用和灌溉的海水，而剩下的3％中有大部分是南极和北极的冰川，无法被方便的利用。而地球化石能源日益减少，距离耗竭之日屈指可数，所以利用化石能源来淡化水，成本太高。因此利用太阳能等自然能源来淡化水是近十数年的热门课题，但是虽然新的技术不断推出，但是大部分技术都面临成本和技术等各个方面的制约而无法大规模推广。现在大型的淡化水设备，一般采用多级闪存或者反渗透法过滤技术，制造淡化水的成本大约为4千瓦时/吨，大约5～6元/吨，还是相当的高，尤其为农业提供用水，这么高的成本是无法接受的。因此降低能耗是本发明要接近的主要问题。

除此之外，还有露点蒸发淡化水技术，它是以空气为载体，通过用海水或苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水，并通过热传递将去湿过程与增湿过程耦合，使冷凝潜热直接传递到蒸发室，为蒸发盐水提供汽化潜热，以提高过程的热效率。多级闪蒸法和反渗透过滤法是当下大规模海水淡化所采用的主要方法，但是前者会产生浓缩海水和盐垢，给清理增加成本，后者设备的成本较高。多级闪蒸法是利用低压来降低海水的沸点从而使海水在较低的温度迅速蒸发，进而冷凝得到淡水的方法，所以分为多级，即根据不同温度而设定不同的气压，从而实现海水热量充分利用的目的。

太阳能烟囱最初是为了利用太阳能来发电而设计的，然而利用太阳能烟囱来发电，也有很多人研究。公开号为“CN101671056”、申请号为200910070802.9的中国专利申请揭示了一种太阳能烟囱淡化水的方法，其利用太阳能集热器收集能量，并流入太阳能烟囱，然后使用高压水泵把水提高到烟囱中部，通过喷雾装置把海水喷出，并让太阳能烟囱中气体的热量和将要流入喷头的海水进行热交换，实现能量回收，同时产生淡化水。这个方法的缺点是设计较复杂，建造成本较高，且太阳能能量利用率较低，因为还是有部分热量流入到空气中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双通道烟囱装置，其使得形成气流的能耗降低。

本发明的另一目的在于提供一种双通道烟囱式海水淡化装置，其淡化海水的能耗被降低。

本发明的另一目的在于提供一种利用烟囱效应形成双气流通道的方法，其使得形成气流的能耗降低。

本发明的再一目的在于提供一种双通道烟囱式海水淡化方法，其使得淡化海水的能耗被降低。

为实现所述目的的双通道烟囱装置，包括加热室和连通加热室的上升气道，其特点是，还包括下降气道，下降气道的出口连通加热室，下降气道、加热室和上升气道之间的气体流路借助于烟囱效应使加热室内的气体受热膨胀之后，进入上升气道，并同时使下降气道引入气体至加热室。

所述的双通道烟囱装置，其进一步的特点是，下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕而设置，和/或下降气道与加热室中的一方在另一方的外围环绕而设置，下降气道和上升气道之间，和/或下降气道和加热室之间至少部分区段可进行热交换。

所述的双通道烟囱装置，其进一步的特点是，所述加热室是太阳能集热棚，所述上升气道是太阳能烟囱。

所述的双通道烟囱装置，其进一步的特点是，所述气体流路中的气流速度最大位置处设置有风力发动机。

所述的双通道烟囱装置，其进一步的特点是，在太阳能集热棚内或者上升气道底部设置水容器，水容器内的水通过吸收太阳能升温而存贮热能。

所述的双通道烟囱装置，其进一步的特点是，所述上升气道入口在在加热室的顶部，所述下降气道的出口在加热室的底部，使受热膨胀的气体在加热室自然上升，并集中到上升气道的入口处。

为实现所述目的的双通道烟囱式海水淡化装置，包括蒸发室，用于蒸发海水；连通蒸发室的上升气道；其特点是，还包括连通蒸发室的下降气道，下降气道、蒸发室和上升气道之间的气体流路借助于烟囱效应使加热室内的气体受热膨胀之后，进入上升气道，并同时使下降气道引入气体至蒸发室，下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕而设置，和/或下降气道与蒸发室中的一方在另一方的外围环绕而设置，下降气道和上升气道之间，和/或下将气道与蒸发室之间至少部分区段可进行热交换，热交换的区段为热交换通道；以及淡水收集装置，具有收集端口，该收集端口位于热交换通道的下方。

所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其进一步的特点是，所述上升气道入口在蒸发室的顶部，所述下降气道的出口在蒸发室的底部，使受热膨胀的气体在加热室自然上升，并集中到上升气道的入口处。

所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其进一步的特点是，所述蒸发室是太阳能集热棚，所述上升气道是太阳能烟囱。

所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其进一步的特点是，还包括设置在蒸发室内的毛细蒸发装置和/或海水喷射装置，毛细蒸发装置从海水容器中吸附海水并扩散海水与气体的接触面积以加速所述海水的蒸发，海水喷射装置从海水容器中抽取海水并喷成水雾状以加速所述海水的蒸发。

为实现所述目的的利用烟囱效应形成双气流通道的方法，利用热气体上升的原理将加热室中的热气体向上导入到大气中而形成上升气道，其特点是，同时还借助于热气体的排放导致的气压差向下吸入大气的气体到加热室中而形成下降气道。

所述的利用烟囱效应形成双气流通道的方法，其进一步的特点是，将下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕设置，和/或下降气道与加热室中的一方在另一方的外围环绕而设置，并在下降气道和上升气道之间，和/或下降气道和加热室之间至少部分区段之间进行热交换。

所述的利用烟囱效应形成双气流通道的方法，其进一步的特点是，利用太阳能集热棚来构成所述加热室，并利用太阳能烟囱来构成所述上升气道。

为实现所述目的的双通道烟囱式海水淡化方法，在蒸发室中蒸发海水，利用热气体上升的原理将蒸发室中的热气体竖直向上导入到大气中而形成上升气道，其特征在于，同时还借助于热气体的排放导致的气压差竖直向下吸入大气的气体到蒸发室中而形成下降气道；将下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕设置，并在下降气道和上升气道之间至少部分区段之间进行热交换，以冷凝上升气道中的热气体中的淡水。

所述的双通道烟囱式海水淡化方法，其进一步的特点是，利用太阳能集热棚来构成所述蒸发室，并利用太阳能烟囱来构成所述上升气道。

所述的双通道烟囱式海水淡化方法，其进一步的特点是，还利用蒸发室内的毛细蒸发装置和/或海水喷射装置来加速海水的蒸发，毛细蒸发装置从海水容器中吸附海水并扩散海水与气体的接触面积以加速所述海水的蒸发，海水喷射装置从海水容器中抽取海水并喷成水雾状以加速所述海水的蒸发。

在前述的发明中，当加热室或蒸发室内的气体受热膨胀之后，密度就会减小，进而向上进入上升气道；而在下降气道中，因为气体是从高空大气流入，所以温度低于上升气道中的气体的温度，从而密度大于上升气道中气体的密度，从而形成烟囱效应。这样高空气体不断的从下降气道的顶部进入，直到进入加热室或蒸发室内，受热之后再进入上升气道，再从上升气道的顶部出口流出，从而不停地运行。

前述的发明具有很多优势，包括但不限于，第一，因为地球表面的气体温度随高度而降低，也就是说高空的气体温度更低，密度更大，所以下降气道内的气体的平均温度低于对应高度外界的空气温度，因此下降气道内的平均密度也大于对应位置的外界空气平均密度，从而会产生更强的烟囱效应；第二，加热室的底部是实质上密封的，相较于地表的空气，高空的空气比较清洁，因此这样可以保持整个装置更加清洁；第三，因为设有双向气道，这样为两个气道，以及下降气道与加热室之间进行热交换提高方面，进而会有更广泛的用途。尤其，当下降气道环绕在上升气道和加热室的外围的时候，上升气道与加热室的高温气体的辐射散热就会被下降气道内的气体吸收，重新带入到加热室内，换句话说，下降气道起到了为上升气道和加热室保温的作用——区别于双层真空的静态保温，可以称之为动态保温。有了这样的保温作用，能量的利用率就会大大提高。而相比较于真空保温，这种动态保温的结构具有成本低廉而且可以进行大规模建造的优势。

前述发明降低能耗的表现主要体现在：第一、封闭式或回流式设计使得大部分热量留在装置内，而不会流失到大气中；第二、水蒸气的流动有烟囱效应驱动，仅仅需要高耸的气体通道，所以成本较低；第三、毛细蒸发装置极大地扩大了蒸发面积，提高水蒸气蒸发。因此本发明提高了太阳能海水淡化的速率和太阳能的利用率是通过烟囱效应来实现气体的流动，从而实现海水蒸发或发电等各方面的应用，因止降低了能耗。

海水包括苦咸水等其他可以通过蒸发来提取淡水的液体。

另外，前述发明的加热室或蒸发室所需要的能源可以是多样化的，当使用电能等能源，并利用双通道烟囱装置来进行海水淡化的时候。第一，可以节省土地面积，因为电能等能源能量密度高，可以在很小的范围内实现海水的大量蒸发，而双向气道可以向天空延伸，这样就无需占用大量的土地；第二，能耗较低，因为气体在两个气道中进行热交换，从而使得大部分能量得以回收利用，并在能量回收的同时，冷凝水蒸气得到淡化水。所以利用电能等能源的双向气道烟囱海水淡化装置，即把太阳能集热棚变成利用电能等能源的蒸发室，在蒸发室内可以利用毛细蒸发装置或者喷水喷雾装置来促进蒸发。

前述目的、技术方案以及技术效果将结合后述的附图和实施方式来详细说明。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中一种普通的太阳能烟囱装置的结构示意图；

图2A为本发明一个实施例的双通道烟囱装置的结构示意图；

图2B为本发明另一个实施例的双通道烟囱装置的结构示意图；

图2C为本发明再一个实施例的双通道烟囱装置的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的双通道烟囱式海水淡化装置的结构示意图；

图4为本发明另一个实施例的双通道烟囱式海水淡化装置的结构示意图。

具体实施方式

后述实施例利用到一个重要的原理，就是烟囱效应。所谓烟囱效应是指户内气体沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成气体加强对流的现象。最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热气体随着烟囱向上升，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热气体散溢而造成的气流，将户外的气体抽入填补，令火炉的火更猛烈。从而加强气体的对流。所以一般来说，在烟囱底部附近压力差最大，气体的速度最大。后述实施例中所述的烟囱，都是指的可以起到烟囱效应的装置。所以后述实施例中所指的烟囱装置，包括太阳能烟囱，和其他是能起到烟囱效应的装置。另外后述实施例揭示了一种新的烟囱装置，比起传统烟囱具有诸多优点，这将在实施例中具体阐述。

后述实施例是利用烟囱效应的海水淡化装置，烟囱效应的产生可以利用太阳能作为能源，也可以利用其他的如电能或者钢铁厂余热或者发电厂废气余热等来作为能源。而利用烟囱效应的烟囱装置，起到是气体流动，从而加速海水淡化的作用。所以以下实施例以太阳能作为能源来阐述，但是太阳能可以直接用其他能源替换，而原理基本相同。另外不管是利用太阳能还是利用其他能源，后述实施例中的所有装置都充分考虑了能量的回收，因此能量利用率会大大提高，从而降低淡化水的成本。

除了烟囱效应，后述实施例还利用毛细作用原理和连通器原理等。毛细作用，是液体表面对固体表面的吸引力引起的。毛细管插入浸润此毛细管的液体中，管内液面上升，高于管外的液面，可以称之为浸润毛细作用；毛细管插入不浸润此毛细管的液体中，管内液体下降，低于管外的液面，可以称其为不浸润毛细作用；以上情况都是毛细作用引起的毛细现象，后述实施例利用的是前者，即液体对毛细管浸润的情况。而毛细管泛指一切可以起到毛细作用的物体。通过毛细管的毛细作用，可以把水从水源在一定的高度范围内向四周传递，从而极大的增加水与气体的接触面积，从而实现快速蒸发的效果。后述实施例用到的毛细蒸发装置需要是对海水或者苦咸水具有很强的毛细作用，又可以产生较大的蒸发面积的材料，比较好的材料包括玻璃纤维线或者网，锦纶纤维线或者网，以及其他多孔材料，如海绵等具有较强吸水性的装置。

除了用毛细作用以外，还可以通过喷水喷雾装置来产生水雾，即把水雾化喷扫到较热较干燥的气体中，以扩大海水与空气的接触面积，而实现提高蒸发速度的效果。这种方法和毛细作用的方法作用相近，可以单独使用，也可以一起使用。总之，在这两种方法的作用下，使得在这两种方法使用的空间内，水蒸气立即达到饱和，然后通过为这样的气体降温而得到淡化水，换句话说就是根据高温和低温时，饱和水蒸气密度的不同，实现海水的淡化。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

后述实施例揭示了几种新型的烟囱装置，并揭示了利用此烟囱装置来实现太阳能发电或者海水淡化的装置。海水淡化所需要的能量可以为太阳能，也可以为其他能源，例如电能、风能、地热能或者生物能等，或者多种能源共同作用，以达到最优化的效果。而以下是实施例中，仅以太阳能作为淡化水的能源来进行说明，所以实施例中的名称以太阳能烟囱、太阳能集热棚等来命名，但是并不表示只能使用太阳能。

图1为已有的一种普通的太阳能烟囱装置的结构示意图。如图1所示，该太阳能烟囱装置100主要包括太阳能烟囱103和太阳能集热棚101，其中太阳能烟囱103设计为具有隔热效果，防止其内的气体热量流失到周围空气中，而太阳能烟囱103的高度越高，则其内的气流速度就越大。而太阳能集热棚101一般为透明结构，太阳能集热棚101之下往往设置黑色的物质以提高太阳能的吸收率，显然太阳能集热棚101的面积越大，则产生的气体温度越高，在太阳能烟囱103底部产生的气压也就越高，而气压越高，在太阳能烟囱103内的气流速度就越高。普通太阳能烟囱103，一般只有一个上升气道。在后述实施例是具有两个气道，即一个上升气道，一个下降气道，两个气道中的气流方向相反。

图2A和图2B分别为本发明一个实施例的双通道烟囱装置的结构示意图。如图2A和图2B所示，双通道烟囱装置200包括太阳能烟囱(为上升气道)203、太阳能集热棚(为加热室)201和进气管道(为下降气道)204。太阳能烟囱203和进气管道204相对于普通太阳能烟囱103单个上升气道而言构成双向气道，其特点是，太阳能烟囱203与进气管道204并行。本发明的利用烟囱效应形成双气流通道的方法的实施可结合图2A、图2B所示的实施例理解。太阳能集热棚201底部保持密封，这样当太阳能集热棚201内的气体受热膨胀之后，就会在太阳能烟囱203底部产生高压，进而进入太阳能烟囱203。而在进气管道204中，因为进气管道204内的气体是从高空大气流入，所以平均温度低于太阳能烟囱203中的气体的平均温度，从而密度大于太阳能烟囱203中气体的密度，从而形成烟囱效应。这样高空气体不断的从进气管道204的顶部进入，直到进入太阳能集热棚201内，受热之后再进入太阳能烟囱203，再从太阳能烟囱203顶部出口流出，从而不停地运行。至于太阳能集热棚201的形状，则根据地形或者应用场所的不同而有所不同。典型的为以太阳能烟囱203底部为最高点向四周辐射的圆锥型。图2A与图2B的区别在于，烟囱203和进气管道204的相对位置不同，在图2A中烟囱203位于进气管道204中，而在图2B中，进气管道204从烟囱203中穿过，其运行原理都相同，故不再赘述。如果集热棚201内用比热较高的物质来制造，那么在夜晚，集热棚201的热量会释放出来，使得整个装置200将会继续运转一段时间，这是一个优化设计。

相较于普通的太阳能烟囱装置100，双通道烟囱装置200具有三个优势，第一，进气管道204内的气体的平均温度低于对应位置外界的空气温度，因为地球表面的气体温度随高度而降低，大约每升高1000米，温度降低6.5摄氏度，因此进气管道204内的平均密度也大于对应位置的外界空气平均密度，从而会与上升气道203产生更强的烟囱效应，第二，双通道烟囱装置200，底部(加热室)是密封的，相较于地表的空气，高空的空气比较清洁，因此这样可以保持整个装置200更加清洁；第三，因为设有双向气道，这样为两个气道进行热交换提供了有利条件，以及下降气道与加热室之间进行热交换，进而会有更广泛的用途。尤其，当下降气道204环绕在上升气道203和加热室201的外围的时候，上升气道203与加热室201的高温气体的辐射散热就会被下降气道204内的气体吸收，重新带入到加热室201内，换句话说，下降气道204起到了为上升气道203和加热室201保温的作用——区别于双层真空的静态保温，可以称之为动态保温。有了这样的保温作用，能量的利用率就会大大提高。而相比较于真空保温，这种动态保温的结构具有成本低廉而且可以进行大规模建造的优势。

如图2C当下降气道204设置在上升气道203外围并与之进行有效的热交换，同时下降气道204设置在加热室的外围吸收高温加热室201的辐射热，双气道烟囱装置可以作为太阳能集热和保温装置使用，因为这样从上升气道203的顶部出口流出的热量可以减到最少，而大部分热量被回收到加热室201，因为热量流失的速度正比于两种物质的温差，而下降气道内的气体与外界大气的温差很小，所以流失的热量很小，从而起到保温作用。换句话说，在气体温度较高的加热室201和上升气道203与外界大气之间，设置的下降气道204成为一个动态的保温层。而作为收集太阳能和保温作用使用的双气道烟囱装置在产生气流方面，气流的速度会降低。

利用双通道烟囱装置200的太阳能收集和保温特性，在太阳能集热棚201内设有水容器205，水容器可以直接吸收太阳能的热量，也可以通过热交换器与集热棚内的空气进行热交换而吸收热量。水容器205内的水可以吸收太阳能集热棚内的热量并存储，从而产生高温的水，这些水可以直接给人们提供使用，也可以作为热量的收集器，来平衡太阳能集热棚201内的温度，把太阳能集热棚201内的气体温度稳定在一定范围之内，避免因为昼夜等因素引起的温度起伏。另外热交换装置也可以直接吸收太阳能为水容器205内的水加热，而利用双通道烟囱装置200来保温。而水容器205和热交换装置都是常见的设备，不做过多描述。

而当下降气道204设置在上升气道203和加热室的外围或者仅设置在加热室201的外围的时候，而不刻意的提高它们之间的热交换，只是吸收它们的自然热辐射，那么下降气道204可以吸收来自上升气道203和/或加热室201的辐射热，此时的下降气道204起到热量回收的作用的同时，并不降低上升气道203内气流的温度和速度。那么在气流较大的位置设置风力发动机，产生动力或者电力，将极大的提高太阳能的利用效率。这是对传统太阳能烟囱发电系统的改进。加热室201利用太阳能作为能源的时候，成为太阳能集热棚。

例如，传统的太阳集热棚201内的温度大约为70摄氏度，而对应的外界气温设为30摄氏度，这样温差为40摄氏度左右，流失热量速度很快，以至于太阳能集热棚内的温度很难再提高。而使用下降气道204回收热量之后，下降气道204内的气体温度介于外界气温与集热棚内气温之间，大约35～45摄氏度。所以，集热棚内流失到下降气道204内的热量又很快回到集热棚，而下降气道204内的气体与外界大气的温差约为5～10摄氏度，热辐射的速度很慢，结果是太阳能集热棚201和上升气道203内的气温提高了，烟囱效应因此加强。下降气道204的设置大大降低了集热棚内热量的流失。同时，因为太阳能集热棚的总高度相对于上升气道203来说可以忽略，因此下降气道204内温度的提高，尤其下降气道204底部的气温提高，对烟囱效应强度的影响很小。

尤其作为太阳能集热棚201一般采用透明的玻璃来建造，其保温性能较差。而上升气道203或者太阳能烟囱不需要透明，可以利用保温材料制作。用这样的动态保温装置，可以提高其太阳能利用效率，同时也可以扩大太阳能烟囱装置的使用范围，即不管在热带，温带还是寒带，也不管是夏天还是冬天都可以使用。因为太阳能烟囱装置利用的是烟囱或上升气道内外的温差，而不是其内的绝对温度。下降气道设置在加热室的外围还是内部，需要考虑成本。对于太阳能集热棚而言，其表面积很大，所以把下降气道204设置在太阳能集热棚外围，相当于使用双层结构，下降气道为双层之间的夹层，这样这部分的成本就加倍了，这是提高太阳能利用效率的代价。

双通道烟囱装置200有三个主要的应用，第一就是用来驱动风力涡轮机来发电，其方法是在气体流动速度最快的地方设置风力涡轮发电机，利用流动的气流来发电即可。一般来讲在太阳能烟囱203底部是较好的选择。第二就是用来淡化海水，主要是利用太阳能蒸发海水，然后进行冷凝这将在如图3和图4所示的实施例中详细分析。第三就是用来产生热水，即作为太阳能热水器。与传统真空管太阳能热水器相比，双通道烟囱装置200来收集太阳能制造热水器，成本更低而且规模更大。双向气道中，根据习惯思维，把向上运动气流所在的通道命名为烟囱或上升气道，而把另外一个气道命名为进气管道或下降气道。图3为本发明一个实施例的双通道烟囱式海水淡化装置的结构示意图。如图3所示，双通道烟囱式海水淡化装置300对应图2A所示的双通道烟囱装置。双通道烟囱式海水淡化装置300包括：太阳能集热棚(蒸发室)301、水池302(或其他引导或储蓄海水的池或容器)、太阳能烟囱(上升气道)303以及淡水收集装置305。其中，太阳能集热棚301用于收集太阳能来加热海水；水池302位于太阳能集热棚301的下方，其内盛有海水并促进海水的蒸发；太阳能烟囱303位于太阳能集热棚301的上方并与之相连通，其内设置有与太阳能烟囱303纵向平行的进气管道(下降通道)304，对太阳能集热棚301内的水蒸气形成烟囱效应；淡水收集装置305位于太阳能烟囱303的下部，用于将水蒸气冷凝成淡水收集起来。

在本实施例中，除了太阳能烟囱303、太阳能集热棚301和进气管道304之外，在太阳能集热棚301内设有蒸发设备，增强太阳能集热棚301作为蒸发室的蒸发性能，而为了促进海水的蒸发，设有水池302。另外设有毛细蒸发装置308和喷水喷雾装置309等，毛细蒸发装置308位于水池302中，利用毛细作用加速海水的蒸发；喷水喷雾装置309从水池302中抽取海水，在太阳能烟囱303的底部将海水喷成水雾状，加速海水的蒸发；其中二者可以同时使用，也可以单独使用，可以设置在太阳能集热棚301内，也可以设置在太阳能烟囱303内，具体情况根据实际情况或者成本而确定。喷水喷雾装置309包括喷头、水管和水泵等。毛细蒸发装置308和喷水喷雾装置309是为了加速蒸发，但是其并不是必须的，而是优化设计。提高太阳能集热棚301内蒸发水域的面积，也可以提高蒸发速度。

本发明的双通道烟囱式海水淡化方法可参照图3或图4所示的实施例来理解。当海水受热蒸发变成水蒸气之后，含有大量甚至饱和水蒸气的高温气体，必然沿着太阳能烟囱303上升，因此为了使得水蒸气冷凝成淡化水，需要为此气体冷却，而冷却的方法是使得太阳能烟囱303内的气体与进气管道304的气体的热交换能量。因此如图3所示，太阳能烟囱或上升气道303的部分区段为热交换气道307，其为一个或多个细长的管道，具有一个多多个出气口306，淡水收集装置305位于热交换气道307的下方，热交换气道307被进气管道304包围。而热交换气道307可以是太阳能烟囱303的一部分或者全部，这要根据具体情况而定。热交换气道307可以设置为一根或者数根并行的管道，并且需要使用热导率较高的材料制成，例如铜和铝等金属材料，同时要提高这些热交换气道307的表面积。而提高表面积的方法有，第一，减小单个气道的截面积，提高热交换气道307的个数；第二，在热交换气道307的表面设有与其粘合在一起的金属片；第三，把热交换气道307做成弯曲的形状，以在有限的高度内实现更大的长度，从而提高表面积。

除此之外，在热交换气道307下面还设有淡水水槽3052以及淡水的导流通道3051等(合称淡水收集装置305，作用是把热交换气道307内冷凝而得的淡水导入淡水水槽3052并存贮起来)，其中导流通道3051位于热交换气道307的下方，用于收集冷凝淡水；淡水水槽3052位于太阳能烟囱303的外侧并与导流通道3051相连接，用于将淡水储存。而淡水水槽3052的位置根据需要和具体情况而定。虽然太阳能烟囱303，包括热交换气道307，与进气管道304进行热交换，但是热量是从太阳能烟囱303传递给进气管道304，因为热量的传递总是从高温传向低温，随着热交换的两个气道的气体温差越来越小，热转递的速度也会降低，因此太阳能烟囱303内的气体平均温度大于进气管道304内的气体平均温度，进而太阳能烟囱303内的气体密度小于进气管道304内的气体平均密度，这样就保证了烟囱效应，从而使得气体流动。而且为了控制烟囱效应的大小，可以根据需要设计热交换的效率，以保证海水淡化的速率最大化。

太阳能烟囱303或者热交换气道307与进气管道304进行热交换，从而使得太阳能烟囱303或者热交换气道307内的气体冷凝成液态，同时把部分热量传递给进气管道304内的气体，并向下流动，最终进入太阳能集热棚301，不过为了更好的实现气体的对流，进气管道304在集热棚301内的出口要远离太阳能烟囱303底部，同时因为进气管道304获得了一定的热量而升温，因此在集热棚301之下的进气通道(图中为细长管道部分)可以和海水水池进行热交换，即把热量传递给将要蒸发的海水，以促进蒸发，同时把进气管道304底部的气体温度降低，有利于提高烟囱效应强度，保证气体的循环。

如图3所示，在太阳能烟囱303底部，喷水喷雾装置309的上方、淡水收集装置305的下方可以设置风力涡轮发电机310利用水蒸气来发电，这样做的话，就可以让能量得到更充分的利用，并且利用所产生的电能为喷水喷雾装置309的水泵提供动力。当然，用来发电的话，太阳能烟囱303就需要做的更高，以提高烟囱效应的强度。而海水淡化则需要热交换气道307与进气管道304内的气体进行充分的热交换，这会降低烟囱效应，所以二者是矛盾的，同时利用的与否更加实际需要而定。

进气管道304的气体入口(进气口)3041在进气管道304的顶端，靠近太阳能烟囱303的顶部出口，而进气管道304的气体出口向集热棚301四周辐射，而且处于集热棚301内高度较低的地方，以保证集热棚301内仅较热气体进入太阳能烟囱303，即在纵向和横向上，都远离太阳能烟囱303底部的位置。这样就可以保证从进气管道304流入到太阳能集热棚301内的气体，流过较长的路径并被充分的加热，并融合大量水蒸气之后，再进入太阳能烟囱303。

图4为本发明另一个实施例的双向气道的太阳能烟囱式海水淡化装置的结构示意图。与图3所示实施例的区别在于，太阳能烟囱303中热交换气道307和进气管道304的位置对调了。即太阳能烟囱303在外，而进气管道304穿过太阳能烟囱303，热交换气道307包围进气管道304，其工作原理与图3所示实施例相同。在图4所示的实施例中，进气管道304最好是多根细长的管道，或者进气管道304的进气口最好是多个，分布在太阳能烟囱303的出气口的外围。图4的实施例对应图2B所揭示的双向气道的太阳能烟囱200。基于图3和图4实施例的分析可知，太阳能集热棚301除了收集太阳能的作用之外，还作为蒸发室而用。另外图3所示的实施例中，当在太阳能烟囱303底部使用喷水喷雾装置309的时候，太阳能烟囱303也起到蒸发室的作用。所以蒸发设备所在的区域即为蒸发室。

图3和图4的实施例是以太阳能作为能源来进行海水淡化的，但是利用太阳能，需要面积较大的土地，因为利用的太阳能的总能量与面积呈正比例，因此当使用电能等能源，并利用双通道烟囱装置来进行海水淡化的时候。第一，可以节省土地面积，因为电能等能源能量密度高，可以在很小的范围内实现海水的大量蒸发，而双向气道可以向天空延伸，这样就无需占用大量的土地；第二，能耗较低，因为气体在两个气道中进行热交换，从而使得大部分能量得以回收利用，并在能量回收的同时，冷凝水蒸气得到淡化水。所以利用电能等能源的双向气道烟囱海水淡化装置，即把太阳能集热棚变成利用电能等能源的蒸发室，在蒸发室内可以利用毛细蒸发装置或者喷水喷雾装置来促进蒸发。当仅仅利用烟囱效应产生流动，使得水蒸气冷凝的时候，蒸发室内气体温度应低于海水的沸点为宜，沸点一般在100摄氏度左右，因为当高过沸点的时候，蒸发室内气压可能接近或者大于外界大气压，那么虽然可以利用烟囱效应，但是水蒸气只是在烟囱内上升，而进气管道内的气体会停止流动，甚至有部分水蒸气在进气管道内向上流动。为了避免这种情况的出现，所以蒸发室内的气体温度应该低于海水沸点。但是如果在进气管道内设置抽气风扇，把外界的气体送入蒸发室内，则可以使得蒸发室内的气体温度大于海水沸点。

以上所有实施例中，虽然装置可以利用太阳能，但是并不排除使用其他能源为太阳能集热棚内的海水蒸发提高热量，同时也可以让太阳能与其他能源共同使用，以提高淡化水的速度。而用其他能源来提高海水淡化速度，可以直接加热太阳能集热棚内的海水或者气体。由于整个过程热量会反复的利用，因此即使使用其他能源，能耗也会非常的低。显而易见的是，太阳能烟囱与冷凝通道的位置是相对的，是可以替换的，也就是说太阳能烟囱在两侧或者周围，而冷凝通道在中间，同样可以实现上述功能。

以上用到太阳能烟囱包括封闭型太阳能烟囱的实施例中，太阳能烟囱的高度根据具体情况而设定，其高度要根据淡化水速率最大化而定。所以太阳能烟囱的高度，就与太阳能集热棚的受热面积、太阳能烟囱的截面积、当地的阳光能量密度以及太阳能烟囱的数量等因素有关。需要说明的是，以上所有利用太阳能烟囱的装置，其太阳能烟囱以及对应的逆流气道的数量都大于等于1。但是当使用太阳能烟囱产生风力来发电的时候，太阳能烟囱的高度就非常关键，因为风速的大小主要取决于空气的温度和太阳能烟囱的高度。另外以上实施例中所述的太阳能集热棚，其形状都是利用较热气体向太阳能烟囱底部集中的形状，如锥形或者弧形，并且使得太阳能集热棚与太阳能烟囱的接触部分为最高点。

以上的海水淡化装置，其能量的来源除了太阳之外，也可以来源于其他能源如电能等，也可以是多种能源共同使用。尤其小型的此类淡化水装置，可以利用太阳能与电能混合能源来加快蒸发速度，以提高淡化水的速度。另外以上所有实施例中用到的毛细蒸发装置，因为长时间的蒸馏而产生大量的结晶体附着其上，可以通过定期的更换清洗来解决，也可以收集固体结晶体做工业原料。清洗的方法很简单，直接利用大海中的海水来清洗即可，这是毛细蒸发的一个重要优势。

前述实施例的太阳能海水淡化装置，充分解决了目前太阳能海水淡化的缺点。第一、封闭式或回流式设计使得大部分热量留在装置内，而不会流失到大气中；第二、水蒸气的流动方式由烟囱效应驱动，所以建设和维护成本较低，且不消耗传统能源；第三、毛细蒸发装置极大地扩大了蒸发面积，同时可以降低装置内的气压，提高水蒸气蒸发。因此本发明提高了太阳能海水淡化的速率和太阳能的利用率。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种双通道烟囱装置，包括加热室和连通加热室的上升气道，其特征在于，还包括下降气道，下降气道的出口连通加热室，下降气道、加热室和上升气道之间的气体流路借助于烟囱效应使加热室内的气体受热膨胀之后，进入上升气道，并同时使下降气道引入气体至加热室。

2.如权利要求1所述的双通道烟囱装置，其特征在于，下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕而设置，和/或下降气道与加热室中的一方在另一方的外围环绕而设置，下降气道和上升气道之间，和/或下降气道和加热室之间至少部分区段可进行热交换。

3.如权利要求1所述的双通道烟囱装置，其特征在于，所述加热室是太阳能集热棚，所述上升气道是太阳能烟囱。

4.如权利要求1所述的双通道烟囱装置，其特征在于，所述气体流路中的气流速度最大位置处设置有风力发动机。

5.如权利要求3所述的双通道烟囱装置，其特征在于，在太阳能集热棚内或者上升气道底部设置水容器，水容器内的水通过吸收太阳能升温而存贮热能。

6.如权利要求1所述的双通道烟囱装置，其特征在于，所述上升气道入口在在加热室的顶部，所述下降气道的出口在加热室的底部，使受热膨胀的气体在加热室自然上升，并集中到上升气道的入口处。

7.双通道烟囱式海水淡化装置，包括

蒸发室，用于蒸发海水；

连通蒸发室的上升气道；

其特征在于，还包括

连通蒸发室的下降气道，下降气道、蒸发室和上升气道之间的气体流路借助于烟囱效应使加热室内的气体受热膨胀之后，进入上升气道，并同时使下降气道引入气体至蒸发室，下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕而设置，和/或下降气道与蒸发室中的一方在另一方的外围环绕而设置，下降气道和上升气道之间，和/或下将气道与蒸发室之间至少部分区段可进行热交换，热交换的区段为热交换通道；以及

淡水收集装置，具有收集端口，该收集端口位于热交换通道的下方。

8.如权利要求7所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其特征在于，所述上升气道入口在蒸发室的顶部，所述下降气道的出口在蒸发室的底部，使受热膨胀的气体在加热室自然上升，并集中到上升气道的入口处。

9.如权利要求7或8所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其特征在于，所述蒸发室是太阳能集热棚，所述上升气道是太阳能烟囱。

10.如权利要求7所述的双通道烟囱式海水淡化装置，其特征在于，还包括设置在蒸发室内的毛细蒸发装置和/或海水喷射装置，毛细蒸发装置从海水容器中吸附海水并扩散海水与气体的接触面积以加速所述海水的蒸发，海水喷射装置从海水容器中抽取海水并喷成水雾状以加速所述海水的蒸发。

11.一种利用烟囱效应形成双气流通道的方法，利用热气体上升的原理将加热室中的热气体向上导入到大气中而形成上升气道，其特征在于，同时还借助于热气体的排放导致的气压差向下吸入大气的气体到加热室中而形成下降气道。

12.如权利要求11所述的利用烟囱效应形成双气流通道的方法，其特征在于，将下降气道和上升气道中的一方在另一方的外围环绕设置，和/或下降气道与加热室中的一方在另一方的外围环绕而设置，并在下降气道和上升气道之间，和/或下降气道和加热室之间至少部分区段之间进行热交换。

13.如权利要求11所述的利用烟囱效应形成双气流通道的方法，其特征在于，利用太阳能集热棚来构成所述加热室，并利用太阳能烟囱来构成所述上升气道。

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