CN105174338B - 聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，其包括光接收器、透明壳体、通风汇液器、通风道和除湿器。透明壳体位于装置中部，经定日镜反射的光线，透过透明壳体进入到增湿腔，照射到杆状光接收器和增湿腔内壁上，转为热能使海水降膜蒸发。海水通过一级冷凝器进入，与除湿腔内高温高湿空气换热后进入到二级冷凝器，大部分通过一级增湿腔喷淋到接收器表面上，形成比表面积大的水膜，少部分海水被送到四级蒸发腔喷淋，补充循环海水。接收器表面的海水受阳光加热后蒸发并与自下而上流动的空气发生热湿交换，饱和湿空气在风机作用下输送到除湿腔内，被进料海水冷凝生成淡水，最终由通风汇液器收集并输送给用户。

Description

聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化 装置

技术领域

本发明涉及直接利用太阳能加湿除湿，提取淡水的装置，属于太阳能热利用和海水淡化及水处理技术领域。具体涉及一种塔式聚光多效回热矩阵式加湿除湿太阳能海水淡化装置。

背景技术

利用太阳能进行海水淡化既节能又环保，因而受到人们推崇。加湿除湿型海水淡化工艺将加热、蒸发和冷凝过程分开，这样可以采用有针对性的技术强化各个过程，提高每一过程的能量利用效率，同时它还具有控制简单、产水稳定、常压进行、耗能低、易于和可再生能源结合等优点。利用高效太阳能聚光系统，尤其是现有塔式聚光系统，产生高强度太阳光，使其直接聚焦于海水中，产生高温高压蒸汽，蒸汽输入传统海水淡化系统生成淡水。针对塔式加湿除湿蒸发器进行相应的改进来提高太阳能海水淡化装置的性能，符合实现太阳能海水淡化技术规模化、低成本应用的发展要求的。

申请号201210181611.1公开了一种用于聚光式海水淡化装置的海水蒸发器，可用于塔式太阳能海水淡化装置，但没有充分利用高温水蒸气的汽化潜热。

申请号201310411226.6公开了一种串列式多级等温加热多效回热加湿除湿海水淡化机，由于换热器的存在，太阳能集热系统和海水淡化系统间，有许多的传热环节，从而降低了聚热效率。

发明内容

有鉴于此，为了改善现有太阳能海水淡化装置的性能，提高其热能利用率，实现太阳能聚光集热技术和新型加湿除湿传统海水淡化技术的高度耦合，本发明提供了一种聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，能够充分利用除湿加湿太阳能海水淡化装置中的蒸汽凝结潜热，降低太阳能海水淡化的单位体积淡水成本，提高在海水淡化装置中的太阳能利用率，可以用在缺乏淡水的偏远内陆地区和岛屿上，尤其是用在太阳辐照度高的地区。

一种聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，该海水淡化装置包括通风汇液器、光接收器、透明壳体、风道、循环水泵、增湿腔、除湿腔、风机和受热盘管，其中增湿腔内部包括海水器、光接收器和网盘，除湿腔内部有除湿器，底部有通风汇液器。

连接关系：多个增湿腔和除湿腔通过串联方式连接，进料海水先进入第1级除湿腔，穿过第1级和第2级之间的内壁面，再进入第2级加湿除湿腔。第2级除湿器出口盐水分为两路，一路回到第1级增湿腔内，另一路通过控制阀和流量计与第4级底部的盐水一起给第4级光接收器喷淋。

第2级上部增湿腔底部的盐水，通过管路串联水泵进入第3级除湿器中，最后回到第2级增湿腔内进行喷淋。第3级增湿腔底部的盐水，通过管路串联水泵进入第4级除湿器中，再回到第3级增湿腔内进行喷淋。

所述的透明外壳位于装置中部的增湿腔外，为双层真空玻璃管。其他部分为不透光壳体。光接收器的表面可形成亲水膜，作为填充床均布在加湿腔内。

有益效果：

(1)采用定日镜聚光，无需冗长管路，太阳光直接照射外壳体的受热盘管，或穿过中间透明壳体直接照射到黑色的光接收器上。使得海水直接吸收太阳光，利用强光直接蒸发海水，省略了换热器，减少了传热环节，提高了聚热效率。

(2)黑色多孔光接收器，可增加太阳光在增湿腔内的光程，使增湿器由被动吸收光变为主动吸收光，强化喷淋海水对太阳热能的吸收效率，使光接收器上的降膜海水蒸发，提高了装置的可靠性。

(3)聚光塔上的换热部分，即与海水接触的装置全部可以用非金属材料制造，比如接受太阳光而使海水蒸发的透明壳体可以用石英玻璃制造，从而提高了整个系统的抗腐蚀性；降低了装置造价，有利于推广应用。

(4)利用多效喷淋系统、亲水黑色光接收器、外层受热盘管提高了进料海水与空气的传热传质，以及湿空气的含湿量，增大了海水与空气的接触面积，利用多效回热方法，对进料海水与设定启动加热温度的温差，缩短了装置的启动时间，降低了浓海水排温，有效地对排浓海域的生态环境进行了保护。

本发明将传统除湿加湿型太阳能海水淡化系统进行了改进，实现了聚光加热多效回热。在聚光方面，太阳光直接引入增湿器，高温直接蒸发海水。在热利用方面，将腔底部浓海水通过受热盘管和除湿器加热后喷淋来增湿空气，充分利用了湿空气的凝结潜热，采用多级加湿除湿相结合，各效充分利用各效所获得的热能，这样的装置中各效热能利用比较均衡。

附图说明

图1为本发明四级矩阵式海水淡化机的原理图；

图2为本发明通风汇液器结构图；

图3为本发明采用柱状光接收器的两级结构内部分布图；

图4为本发明两级海水淡化机在塔式太阳能海水淡化装置中安装图；

图5为本发明四级盘管矩阵式海水淡化机的原理图。

其中，1—除湿器；2—壳体；3—通风汇液盘；4—喷淋器；5—太阳入射光线；6—光接收器；7—透明壳体；8—流量计；9—控制阀；10—保温材料；11—淡水出口；12—风道；13—淡水通道；14—进料海水；15—排浓盐水；16—循环水泵；17—增湿腔；18—除湿腔；19-风机；20-网盘；21-支架；22-盐水通道；23—受热盘管；24—定日镜；25—蒸汽；26—淡水槽；27—淡水。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置。

如附图1所示，本发明提供了一种聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，装置主要包括除湿器1、通风汇液器3、光接收器6、风道12、增湿腔17、除湿腔18和支架21。进料海水(14)从装置底部右侧进入，沿海水进程方向，从下往上，从右往左，装置内增湿除湿腔依次命名为第1级、第2级、第3级和第4级。

其整体连接关系为：多个增湿腔17和除湿腔18均通过串联方式连接，进料海水先进入第1级除湿腔1-18，穿过第1级和第2级之间的内壁面，再进入第2级加湿除湿腔。第2级除湿器2-1出口盐水分为两路，一路回到第1级增湿腔1-17内，另一路通过控制阀9和流量计8与第4级底部的盐水一起给第4级光接收器4-6喷淋。

第2级上部增湿腔2-17底部的盐水，通过管路串联水泵16进入第3级除湿器3-1中，最终回到第2级增湿腔2-17内进行喷淋。第3级增湿腔3-17底部的盐水，通过管路串联水泵16进入第4级除湿器4-1中，再回到第3级增湿腔3-17内进行喷淋。

保温材料10紧贴在每级装置除湿腔18的外壁，保证热量不会传递到除湿腔内，从而影响腔内冷凝的效果。入射光线集中在装置的中部，这对定日镜跟踪精度提出了要求。入射光线穿过透明壳体7照射到黑色的光接收器6上，直接加热膜状海水。

黑色光接收器6会增加太阳光在蒸发器内的光程，大部分光线在孔状的陶瓷材料表面发生多次反射，一直能到达黑色光接收器6阵列的内部。使得靠近内部的黑色光接收器6温度不至于太低。

风机19安装在风道内位于除湿腔18的一侧，这样使得受表层被加热影响较小，保证风机在许可条件下工作。

如附图2所示，所述通风汇液器3的作用是，喷淋到光接收器6上的海水，与空气进行热湿交换形成湿饱和蒸汽25，在风道12中风机19驱动下通过通风汇液器3的窗口进入除湿腔内，冷凝后的淡水27滴落在通风汇液器3上的叶片上，最终汇聚到通风汇液器3四周的淡水槽26内。

在图3所示的一个实施例中，视图为两级结构的透视立体图，在增湿腔17有限空间内合理分布柱状光接收器6，最大限度的利用外部入射光线，同时增加太阳光在蒸发器内的光程，强化海水对太阳热能的吸收效率。在除湿腔18外壁面上有受热盘管23，用来吸收照射在除湿腔18外面的光线能量。

如附图4所示，将实现聚光直热多效回热两级空气加湿除湿的蒸发器应用在塔式太阳能海水淡化装置内，该塔式太阳能海水淡化装置包括除湿器1、通风汇液器3、光接收器6、透明壳体7、风道12、支架21、受热盘管23和定日镜24。将两级海水淡化机安装固定在支架21上，定日镜24位于装置一侧且正对着太阳。

具体的连接方式：进料海水通过进料海水管路由水泵16首先抽入第1级除湿腔18内的除湿器1中，再进入第2级除湿腔18中除湿器1，经过与除湿器1外的湿空气换热后，这部分海水分为两路分别进入到第2级和第1级增湿腔17内，进入第2级增湿腔17内的海水经海水喷淋器4，给第2级补水。第2级增湿腔17底部的浓海水通过底部的盐水通道22与第1级增湿腔17底部的海水相连通。

进入第1级增湿腔17内的海水经过海水喷淋器4，喷淋到被太阳光加热的多层亲水光接收器6上。空气在风机19驱动下从下往上流动并与海水膜热湿交换形成热湿空气进入到第1级除湿腔18中，未被蒸发的浓海水经筛孔型不锈钢网盘20上的小孔流到第1级增湿腔17底部，通过底部管道排出装置外。

在第2级增湿腔17中，未被蒸发的浓海水经筛孔型不锈钢网盘20上的小孔流到腔内底部，通过底部管道由水泵16抽入装置上部外壁面的受热盘管23中。在受热盘管23内经过太阳光加热的海水，进入第2级海水喷淋器4，喷淋到被太阳光加热的多层亲水光接收器6上，从下部增湿腔17进入到上部除湿腔18的热湿空气，在除湿腔18内形成的淡水，被通风汇液器3收集。

在图5所示的一个实施例中，四级海水淡化装置采用矩阵式分布，每级装置结构一致，上层为除湿腔，下层为加湿腔。入射光线照射到整个装置上，第一、二级单元和第三、四级单元内除湿腔外均由保温材料10和受热盘管23包裹。

具体连接方式为：进料海水通过进料海水管路由循环水泵16首先抽入第1级除湿腔内的除湿器1中，再进入第2级除湿腔中除湿器1，经过与除湿器1外的湿空气换热后，这部分海水分为两路，一路进入第1级增湿腔17内的海水经过海水喷淋器4，喷淋到被太阳光直接加热的黑色光接收器6表面水膜上，光接收器上亲水膜和孔可以形成面积很大的海水蒸发层。另一路通过控制阀9和流量计8，与第4级增湿腔17底部海水管路串联循环水泵16一起进入第3和第4级除湿腔18外的受热盘管23中。受热盘管23吸收太阳入射的热量，再次加热盘管内部海水。最终高温海水从受热盘管23出口，连接第4级增湿腔17内的海水喷淋器4。

第2级增湿腔17底部海水管路串联水泵16联通到第3级除湿器1，经过加热的海水，进入第1和第2级除湿腔18外的受热盘管23中。受热盘管23吸收太阳辐射的热量，再次加热海水。最终高温海水从受热盘管23出口，连接到第2级增湿腔17内的海水喷淋器4。

第3级增湿腔17底部海水管路串联水泵16联通到第4级除湿器，经过加热的海水，进入第3级增湿腔内的海水喷淋器4，进行喷淋。

空气在风机19驱动下从下往上流动并与光接收器6表面海水膜热湿交换形成热湿空气进入到第1级除湿腔18中，未被蒸发的浓海水经筛孔型不锈钢网盘20上的孔流到第1级增湿腔17底部，通过底部管道排出装置外。喷淋到被太阳光加热的多层光接收器6上，从下部增湿腔17进入到上部除湿腔18的热湿空气，在除湿腔18内形成的淡水，被通风汇液器3收集。其他各级内部运行情况基本一致。

第2级增湿腔17底部的浓海水通过底部的盐水通道与第1级增湿腔17底部的海水相连通。第3和第4级底部也是相通的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括除湿器(1)、通风汇液器(3)、光接收器(6)、透明壳体(7)、风道(12)、增湿腔(17)、除湿腔(18)、支架(21)和定日镜(23)；进料海水(14)从装置底部右侧进入，沿海水进程方向，从下往上，从右往左，装置内增湿除湿腔依次命名为第1级、第2级、第3级和第4级；每级分上下两层腔体，为了使透明壳体(7)位于装置中部，增湿腔(17)和除湿腔(18)按照要求上下分布；上层为除湿腔(18)的结构中，风道(12)设置在靠内侧的壁面上，上进风口位于除湿腔顶部，下出风口紧靠在网盘(20)下面；上层为增湿腔(17)的结构中，上进风口位于增湿腔(17)顶部，下出风口紧靠在除湿器(1)下面；风机(19)安装在风道(12)内位于除湿腔(18)的一侧；其整体连接关系为：多个增湿腔(17)和除湿腔(18)均通过串联方式连接，进料海水先进入第1级除湿腔(1-18)，穿过第1级和第2级之间的内壁面，再进入第2级加湿除湿腔；第2级除湿器(2-1)出口盐水分为两路，一路回到第1级增湿腔(1-17)内，另一路通过控制阀(9)和流量计(8)与第4级底部的盐水一起给第4级光接收器(4-6)喷淋；第2级上部增湿腔(2-17)底部的盐水，通过管路串联水泵(16)进入第3级除湿器(3-1)中，最终回到第2级增湿腔(2-17)内进行喷淋；第3级增湿腔(3-17)底部的盐水，通过管路串联水泵(16)进入第4级除湿器(4-1)中，再回到第3级增湿腔(3-17)内进行喷淋。

2.如权利要求1所述的聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述透明壳体(7)采用双层透明真空玻璃管，分为左右两个半圆柱腔体；中间采用隔热的不锈钢板做风道(12)；光接收器(6)位于装置中部透明壳体(7)的增湿腔(17)内；光接收器(6)采用黑色柱状多孔陶瓷，表面有亲水膜；也可采用球状结构，放置在网盘(20)之上。

3.如权利要求1所述的聚光加热多效回热矩阵式空气加湿除湿型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述通风汇液器(3)位于每级除湿腔(18)内除湿器(1)的下方，喷淋器(4)之上，外形为百叶窗结构；通风汇液器(3)内水槽底部有淡水出口(11)，向外输送淡水。