CN105174339A - 顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顺向聚光多效回热阵列式空气加湿除湿太阳能海水淡化装置，其包括聚光器，加湿器，冷凝器，风道。上方入射的太阳光经聚光器汇聚并穿透玻璃盖板，到达加湿器表面转为热能。海水经喷淋到加湿器上，吸收太阳光热能的蒸汽，与空气热湿交换形成饱和湿空气，高温湿空气在风机的驱动下，进入冷凝腔中与冷海水换热形成淡水。海水出冷凝器后，部分海水补充喷淋到加湿器上，剩余部分排出系统。未蒸发的盐水滴落盐水盘中被循环使用，多余的盐水经盘底部排出装置。该装置可阵列成多效系统，每效结构相同，高温湿空气和盐水盘中盐水被分别送至另一效去加热冷凝器中的盐水和冷却湿空气，回收蒸汽冷凝时放出的潜热，实现高效淡化海水的目的。

Description

顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及利用太阳能聚光直接加热海水使之蒸发，通过空气的加湿除湿过程，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。具体涉及一种顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿太阳能海水淡化装置。

背景技术

目前太阳能海水淡化的最大问题是成本高、规模小。从成本上来说，大规模反渗透海水淡化系统目前的造水价格约在5-8元/吨；大规模低温多效海水淡化系统一般与电厂结合，成本在8-10元左右。而太阳能海水淡化系统，目前造水价格都在20元/吨以上，这是以系统寿命20年，平均每平方米集热器产水12升/天得到的，实际价格可能比这要高。从规模上看，目前世界上比较大的太阳能海水淡化系统每天也只有几十吨，与反渗透系统相比差距较大，也无法比拟低温多效系统的产水量。这些瓶颈一直困扰着太阳能海水淡化技术的前景。

针对上述问题，提出顺向聚光直接加热海水淡化的技术方案。其特点是将光直接输送到海水中，并直接引起海水蒸发，后续再重复利用蒸汽凝结的潜热，从而将聚光器、接收器、储热器、管路和淡化器合而为一。变成一个浓缩的系统，从而减少能量的传递阻力，并尽可能地使用非金属材料，实现抗腐蚀和低成本的目标。

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耦合，本发明提供了一种顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿的海水淡化装置，采用聚光直接加热多效加湿除湿系统，实现加湿除湿系统多效回热，提高系统的热利用效率。聚光器采用经设计的菲涅尔透镜进行聚光，也可以采用槽式CPC聚光器和其他顺向聚光器。这里，光的接收器就是淡化系统的蒸发器，将多个系统浓缩在一起，大大降低了系统的传热阻力和减少了系统的部件。

一种顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿太阳能海水淡化装置，该海水淡化装置包括聚光器，透明玻璃盖板，加湿器，冷凝器，盐水盘，冷热风道，循环水泵，控制阀。其中加湿器内部包含喷淋器，黑色多孔材料和盐水盘。加湿器和冷凝器上下分布，组成一个独立单元。

工作原理：沿聚光器表明垂直方向入射的太阳光线经过聚光器和二次聚光器汇聚到玻璃盖板，并透过盖板，进入由黑色多孔材料组成的加湿器中。透过喷淋器喷洒到加湿器上，与空气进行热湿交换形成湿饱和蒸汽，湿空气在风道中风机的驱动下，进入下一级冷凝器中冷凝成淡水。盐水盘底部的浓海水经循环水泵抽到下一级冷凝器中，在冷凝器中吸收了气化潜热的浓海水，再回到本级的加湿腔中进行喷淋。每一级单元结构完全相同，封闭空间内空气在风机的作用下不断循环，在每一效之间不断被加湿，然后被除湿。能量回收级不采用聚光方式加热，只是回收盐水盘和第一级冷凝器中的热能，是个单级热回收加湿除湿系统。

所述的二次聚光器是为了使个别散射的光线重新汇聚到透明玻璃盖板范围内，玻璃盖板采用超白玻璃，增强透过性。多孔材料的表面有亲水膜，作为加湿器均布在加湿腔内。

有益效果：

(1)采用菲涅尔透镜、复合抛物面以及其他类似聚光器进行聚光，太阳光直接照射外壁面的受热盘管和加湿腔内的黑色多孔材料上。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)黑色多孔材料对加湿器进行填充，可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，提高了装置的可靠性。

(3)采用塑料冷凝器，整个装置全部可以用非金属材料制造，从而提高了整个系统的抗腐蚀性；降低了装置造价，减轻重量，有利于推广应用。

(4)利用多效喷淋系统、亲水黑色多孔陶瓷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，降低了进料海水与加热温度的温差，节约了热能。

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，实现了多效加热，在热利用方面，将盐水盘底部浓海水通过受冷凝器加热后喷淋来产水湿空气，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为本发明采用单级菲涅尔聚光加湿除湿的海水淡化机原理图；

图2为本发明采用菲涅尔聚光五级海水淡化机的原理图；

图3为本发明聚光体的复合式抛物面形成原理图；

图4为本发明复合式抛物面海水淡化机的光路运行原理图；

图5为本发明采用复合抛物面两列五级阵列槽式海水淡化机的立体结构图；

图6为本发明采用多个复合抛物面整列的槽式海水淡化机原理图。

其中，1—太阳入射光；2—顺向聚光器；3—二次聚光器；4—玻璃盖板；5—喷淋器；6—补水器；7—加湿器；8—控制阀；9—盐水盘；10—热风道；11—循环水泵；12—排浓出口；13—淡水出口；14—海水入口；15—冷凝器；16—风机；17—冷风道；18—海水进口；19—淡水出口；20—抛物面外沿入射光线；21—抛物面内沿入射光线；22—抛物面反射面；23—保温材料；f1—左侧抛物面焦点；f2—右侧抛物面焦点。

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。

如附图1和2所示，本发明提供了一种顺向聚光多效回热阵列式加湿除湿太阳能海水淡化装置，装置主要包括聚光器2、二次聚光器3、喷淋器5、加湿器7、控制阀8、盐水盘9、循环水泵11、冷凝器15和风机16；其中，聚光器采用自制菲涅尔圆弧形透镜，二次聚光器采用复合抛物面型反射铝板。二次聚光器连接在加湿除湿单元的边缘处。

如图2所示，从右往左分别是回热级、第一级、第二级、第三级、第四级和最终级加湿除湿海水淡化单元。该海水淡化机将多个加湿除湿型海水淡化单元串连阵列起来，进料海水是通过串联水平阵列方式进入装置参与淡化过程，组成一个多级太阳能加湿除湿型海水淡化装置。利用顺向聚光器将汇聚的光线穿透玻璃盖板4对加湿器7进行聚光直接加热。每一级的盐水盘9通过管道相连，这样保证有同等的水量。盐水盘9对从加湿器7滴落的海水进行收集，经过底部循环水泵11和喷淋器5将海水喷入各级加湿器7上，实现对海水等温加热的过程，并与空气进行热湿交换形成的湿饱和蒸汽，在第一级和最后一级单元内风机16的驱动下，在各级加湿除湿单元中循环，实现了加湿除湿的过程；高温高湿的蒸汽与冷凝器的进料海水进行换热、冷凝，生成淡水，同时对进料海水进行预热，实现了多级等温加热、多效回热的过程，提高了太阳能的热利用效率。

具体的连接方式如图2，进料海水首先进入能量回收级的加湿除湿单元，此单元不在聚光器2聚光范围之内，只是用来回收第一级冷凝器中部分海水的显热。第一级中的风机16将加湿器7中高温高湿蒸汽，通过风道送入第二级的冷凝器15中，与冷凝器15内部较冷的海水进行换热、冷凝，生成淡水，同时对进料海水进行预热。冷凝后的空气再进入第三级的加湿器7中，产生的高温高湿蒸汽，送入第四级除湿腔中冷凝，冷凝后的空气进入最终级加湿器中。最终一级中的风机，助推空气，依次经过，最终级除湿腔、第四级加湿腔、第三级除湿腔、第二级加湿腔和第一级除湿腔，这样空气在加湿腔和除湿腔中交错通过，形成了一来一去完整封闭式循环。在整个装置中，前一级盐水盘中的浓盐水总是被各级的循环水泵11送入后一级冷凝器，再在后一级加湿器上进行喷淋。只有最终级盐水盘中的浓盐水被水泵送入该级加湿器喷淋。

如附图3所示，左右聚光体内侧的抛物面反射面形成的复合抛物面反射面。复合抛物反射面是由一个平面抛物线沿水平轴向右平移此抛物线的两倍焦距的距离并与原抛物线的右半部分相交，去掉交点两侧的抛物线部分，用长度为两抛物线焦点距离一半的直线去截剩余的锥形抛物线图，对截后图形的两下端点竖直延长成线，达到设计长度后分别于一个半圆相切，将两点切点水平相连，所形成的图形即可得到一个槽式复合抛物面。

如附图4和5所示，抛物面外沿入射光线21是入射到抛物面反射面的边界光线，抛物面内沿入射光线22是入射到抛物面反射面内沿的边界光线，抛物面外沿入射光线21和抛物面内沿入射光线22之间的入射光线沿对称轴入射都能照射到抛物面反射面23上，并被反射到玻璃盖板4上。

复合抛物面下面并排放置着两组五级阵列式加湿除湿装置，经过抛物面反射面23反射的入射光线透过玻璃盖板4进入到加湿器7中，不断给加湿器7加热。装置四周和底部由保温材料24覆盖，阻止装置向外界散热。复合抛物面下的光线接收器部分就是五级淡化单元的蒸发器，将多个单元浓缩在一起，大大减少了系统的传热阻力和系统部件。位于复合抛物面聚光器外部的是用于能量回收的加湿除湿单元。复合抛物面下的五级淡化装置和外部用于能量回收的加湿除湿单元底部均有淡水出口13。两组能量回收单元前侧都有海水入口14，连接到内部冷凝器15。

如附图6所示，数个槽式复合抛物面聚光直热淡化装置串接在一起，通过给排水管道和冷热风道相连。入射光线分别直接加热各装置内的加湿器，海水从右侧能量回收级进入。各槽式装置内的盐水盘9通过穿过外壁的管道相连接，保证每效有同等的水量。高温饱和湿空气在各装置加湿除湿器中循环，通过冷凝器冷凝出淡水，分别由各装置底部淡水出口13输出系统，再进一步收集。低温空气进入加湿器7，重新获得高温饱和湿空气，循环往复。

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.顺向聚光多效回热阵列式空气加湿除湿太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括顺向聚光器(2)、透明玻璃盖板(4)、喷淋器(5)、加湿器(7)、盐水盘(9)、热风道(10)、冷凝器(15)和冷风道(17)；所述顺向聚光器(2)是一种可以实现顺向聚光的太阳能聚光器，焦斑与太阳分别位于聚光器两侧，聚光器置于淡化装置的上部。二次聚光器(3)分置于透明玻璃盖板的两侧，用于汇聚部分散射的光线，是对入射光线的二次汇聚。以盐水盘为界，将装置分为上下两部分，上部分为蒸发腔，下部为冷凝腔，蒸发腔和冷凝腔通过两侧的热风道(10)和冷风道(17)连通。喷淋器(5)、小喷淋器(6)和加湿器(7)置于蒸发腔中，冷凝器置于冷凝腔中，风机(16)置于冷风道(17)中。顺向聚光器(2)汇聚太阳光线(1)至透明窗口盖板(4)并通过(4)进入装置的蒸发腔并最终到达加湿器(7)上表面，实现对海水直接加热；从喷淋器(5)喷淋出来的海水在加湿器(7)上表面直接接受光照加热蒸发，产生的蒸汽与空气进行热湿交换形成的湿饱和空气，通过热风道(10)进入冷凝腔中，在那里经冷凝器冷却凝结成淡水，并经淡水出口(13)送给用户。盐水盘(9)置于加湿器(7)下部，对从(7)滴落的盐水进行收集，盐水经循环水泵(11)被再次送到喷淋器(5)喷淋。

2.如权利要求1所述的顺向聚光多效回热阵列式空气加湿除湿太阳能海水淡化装置，其特征在于，其独立装置可以阵列形成多效系统，每一效加湿除湿单元结构相同，除了最后一效作为热回收级不接受太阳光外，其余各效都接受太阳光。同时，除了最后一效作为独立淡化单元外，其余各效都通过热风道和冷风道相互连接。海水从热回收级进入，经冷凝器后再进入到前一效中的冷凝器中，用于冷却最后一效的湿空气，然后部分作为装置补充海水，经小喷头(6)进入最前一效中，另一部分返回至热回收级经喷淋器(5)喷淋。除了热回收级外，在后一级产生的热湿空气在风机的驱动下进入前一级冷凝腔中与冷凝器换热，湿空气被冷却后又被送至更前一级蒸发腔进行增温加湿然后又被送入到更前一级冷凝腔被冷却，直至最前一级。相反，最前一级产生的高温热湿空气将被送到次前一级冷凝腔中冷却，冷却后的湿空气再被送至更下一级增温加湿，如此直至最末一级，形成循环过程。

3.如权利要求2所述的顺向聚光多效回热阵列式空气加湿除湿太阳能海水淡化装置，其特征在于，盐水盘中的盐水都被循环水泵(11)抽至前一级冷凝腔中的冷却器中用于冷却前一效的热湿空气，受到加温后又返回至本级喷淋，形成循环，直至最前一级，最前一级的盐水直接被抽至本级的喷淋器中喷淋，形成封闭循环。所述的各效的盐水盘(9)通过管道相连，这样保证有每效有等量的盐水。