CN105776391A

CN105776391A - 太阳能海水淡化装置

Info

Publication number: CN105776391A
Application number: CN201610333670.4A
Authority: CN
Inventors: 刘振华; 李双菲; 邵志雄; 王登锋; 成东升; 夏宁
Original assignee: SUNSHORE SOLAR ENERGY CO Ltd; Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: SUNSHORE SOLAR ENERGY CO Ltd; Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明太阳能海水淡化装置，包括集热单元、制水单元、末端冷凝单元；其中，集热单元包括集热管和汽包；制水单元包括四级自流式蒸发冷凝装置，所述自流式蒸发冷凝装置，第一级至第四级结构相同，通过各级间节流减压阀控制各级工作温度，实现蒸汽在非负压条件下逐级降温冷凝；集热单元、制水单元、末端冷凝单元和收集装置依次连接，集热单元生成水蒸汽，各级蒸汽在压力差驱动下自发流动通过制水单元的四级蒸汽冷凝装置后，进入末端冷凝装置形成淡水，该装置利用了流体在压差驱动下能自发流动的流体动力，无需动力泵和真空泵，结构简单，环保、低能耗、高效的将海水淡化。

Description

太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，特别涉及太阳能海水淡化装置。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，然而随着人类文明的不断发展和社会的不断进步，水资源短缺已成为21世纪人类面临的重大问题。地球表面积约为5.1亿平方公里，其中海洋面积就占据了70.8％，由此看来地球上水资源是十分丰富的，但是由于含盐度太高而不能直接饮用或者灌溉的海水占据了地球上总水量的97％以上，在不到3％的淡水中，3/4被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中；我国的水资源形势更加不容乐观，作为世界上13个缺水国家之一，人均水资源年占有量只相当于世界平均水平的1/4,缺水城市占全国城市的2/3。发展海水淡化事业，是解决我国淡水紧缺的重要战略途径。

从国家“十二五”到“十三五”规划，节能环保和新能源一直都是国家重点研究方向，而太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其储量丰富，取用方便，将太阳能应用于海水淡化技术，通过集热器收集太阳能，蒸馏海水获得淡水，这种不受电力条件限制，无污染、低能耗的技术，在能源及淡水资源紧缺的未来具有很强的竞争优势。

目前现有技术中，已有利用太阳能热能，采用多效蒸发或多效闪蒸技术进行海水淡化的，但一般都是负压运行，需要动力泵进行工质输送，需要真空泵维持负压。例如中国申请号为01240510.8的实用新型专利，其多效蒸发技术专利一般采用金属管横管或者竖管降膜蒸发多效回热式()、多效闪蒸式技术都要采用真空泵维持多级蒸发器内负压运行；中国发明专利ZL200510042840.5)，这类结构用于大型海水淡化装置已经成熟，但难以用在小型化的太阳能蒸汽冷凝装置上；且这些太阳能海水淡化装置必须要使用真空泵保持低压运行，因此对装置的密封性要求非常高，而且真空泵比较昂贵，长时间间断性工作容易损坏，并且运行压力也很难保持稳定；除此之外，现有太阳能集热器温度不高也是太阳能海水淡化装置总热效率和蒸发效率低，难以商品化的一个主要原因；另外，传统的太阳能海水淡化装置也还需要其他输送工质的动力泵，和真空泵一样，这些动力部件需要大量消耗电能，而太阳能蒸汽冷凝装置最有应用期望的场所如海岛、渔船恰恰是缺电场所，目前尚未见中小型太阳能海水淡化装置投入商业化使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种太阳能海水淡化装置，无需动力泵和真空泵，结构简单，环保、低能耗、高效的将海水淡化。

本发明太阳能海水淡化装置，包括集热单元、制水单元、末端冷凝单元；集热单元包括集热管和汽包；制水单元包括四级自流式蒸发冷凝装置，自流式蒸发冷凝装置，第一级至第四级结构相同，通过各级间节流减压阀控制各级工作温度，实现蒸汽在非负压条件下逐级降温冷凝；集热单元、制水单元、末端冷凝单元依次连接，集热单元生成水蒸汽，各级蒸汽在压力差驱动下自发流动通过制水单元的四级蒸汽冷凝装置后，进入末端冷凝装置形成淡水，收集。

本发明装置集热单元的集热管利用太阳能，通过集热管内工质的相变换热快速将热量传递到汽包，在汽包内生成蒸汽，水蒸汽进入制水单元，通过自流式蒸发冷凝装置持续提供中温度水蒸汽，利用各级工作温度的不同来进行有效的蒸发换热和冷凝回热，末端冷凝单元为对流型空冷器，将制水单元流出的中温水蒸汽冷凝成淡水，进入收集装置；装置可在正压下运行，并且不需要任何动力装置，无电能等其他能耗，整体结构简单紧凑，占地面积小，装置成本及运行成本低，运输方便，太阳能有效利用率高。

其中，集热单元与制水单元第一级自流式蒸发冷凝装置之间通过回路型重力热管结构连接，回路型重力热管结构包括蒸汽软管和回液软管，第一级自流式蒸发冷凝装置位置要高于集热单元的汽包位置，汽包、蒸汽软管、第一级换热器及回液软管组成一回路型重力热管结构热量和质量进行自流传递，不需要提供给其动力；这种结构设计实现了第一级自流式蒸发冷凝装置的压力自控，控制产生的水蒸汽保持相应温度，汽包内产生的蒸汽经由蒸汽软管流入第一级换热器，放热冷凝后，通过回液软管流回汽包。

其中，制水单元还包括一个非耐压大金属圆柱桶，自流式蒸发冷凝装置包括四个耐压金属小圆柱桶和四个管束型换热器；一个管束型换热器安装在一个耐压金属小圆桶内组成一个自流式蒸发冷凝装置，耐压金属小园桶也作为海水储存箱；四个小圆柱桶位置依次降低安装在大圆柱桶内，四个小圆柱桶及大圆柱桶之间空隙填充保温材料；四个小桶高低错落的位于打通内形成一个整体，小圆柱桶也是储存海水的储存容器；四个小圆柱桶首尾通过连通管及开关阀连接。通过控制开关阀的开启实现一次性注入海水或一次性排空浓盐水。蒸汽冷凝装置运行前，各级圆柱桶之间的开关阀打开，海水由输送口依次注入四个小圆柱桶内，然后关闭小圆柱桶之间的开关阀。运行结束后，各级圆柱桶筒之间的开关阀再次打开排液。

大金属圆柱桶水平放置时与水平面保持10°倾角，各管束型换热器管路内的淡水在重力作用下逐级向下流动，每级换热器内都不储存淡水。

其中，自流式蒸发冷凝装置的第二级、第三级、第四级之间通过节流降压阀调节，节流降压阀调节各级形成压差和温差，各级蒸汽在压差的驱动下自发流动，整个装置不需要提供动力；集热单元持续提供130℃-140℃水蒸汽；第四级自流式蒸发冷凝装置工作温度为环境压力对应的饱和温度为100℃，第一、第二、第三级自流式蒸发冷凝装置工作温度由高到低成梯度分布。

一些实施例中第一、第二、第三级自流式蒸发冷凝装置工作温度分别为124℃、116℃、108℃。

本发明热管式太阳能集热管与地面成30°倾斜摆放；所述集热单元，包括两个汽包组，汽包组由汽包和集热管组成；本发明集热单元含有两个汽包组，每个汽包直径为300mm，长为2000mm，每个汽包组含有24根商品化的金属热管式全真空玻璃集热管，其中全真空玻璃集热管外径为58mm，内径为47mm，有效长度为1600mm；安装在玻璃集热管内的金属热管冷凝端外径为28mm，长为200mm。蒸汽冷凝装置是金属一圆筒结构，直径800mm，长度1000mm。内部四个自流式蒸发冷凝装置外部也是金属圆筒结构，直径180mm，长1000mm；各级的工作温度依次降低，各级的工作温度通过调节节流减压阀实现。

集热单元总采光面积为4.06m²,自流式海水淡化装置制水性能系数可达到4，制水性能系数指系统用于加热海水的总功率与系统总的有效辐射吸收功率之间的比值，性能系数越大，即系统回热性能越好。按夏天7小时工作时间内，太阳能平均辐射强度740W/m²,装置全天制水量可达到48kg。

本发明利用了热管工质通过相变换热可进行高效热传递的传热学原理；利用了系统各级的工作温度不同能够进行有效的换热和回热，从而提高能量再次利用率的热力学原理；利用了流体在压差驱动下能自发流动的流体动力学原理；与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1)整个装置分为集热单元、制水单元及冷凝单元，各个单元结构紧凑，安装方便，占地面积小；

2)汽包、蒸汽软管、第一级管束型换热器及回液软管共同构成回路型重力热管结构进行热量和质量传递，将集热单元与制水单元巧妙连接，工作过程中热工质流动无需动力泵；

3)自流式蒸发冷凝装置通过节流减压阀调节各级蒸汽压力差，各级蒸汽在压差驱动下自发流动，不必使用真空泵形成负压运行条件。每一级水蒸气冷凝装置的的汽化潜热全部用于下一级海水的汽化，提高了制水率。

本发明所述的太阳能海水淡化装置用于海水净化、淡化，装置体型小，结构简单，小型装置占地面积少，安装运输方便，不消耗电力，生产成本运行成本低，热利用效率和制水率高。

附图说明

图1是本发明太阳能海水淡化装置的运行原理示意图。

图2是本发明太阳能海水淡化装置结构示意图。

图3是集热单元结构示意图。

图4是自流式蒸发冷凝装置结构示意图。

图5是图4的B-B视图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1和图2所示，所述太阳能海水淡化装置包括集热单元、制水单元和冷凝单元；汽包4、蒸汽软管6、第一级自流式蒸发冷凝装置的的管束型换热器12及回液软管7组成回路型重力热管结构进行热量和质量传递，将集热单元与制水单元巧妙连接；制水单元的大金属圆柱桶20水平放置，水平面夹角为10°安装，其包括四级蒸发/冷凝器，各级之间通过节流减压阀13连接，通过调节节流减压阀实现各级蒸汽自发流动，整个装置运行不需要提供动力。

如图1和图3，集热单元包括：支架1、全玻璃真空太阳集热管2、热管3、汽包4。热管3蒸发端插入全玻璃真空太阳集热管2并一同安装在支架1上，热管蒸发端与全玻璃真空太阳集热管之间装有导热翅片、热管冷凝端嵌入式安装在汽包4内，热管冷凝端与汽包之间填充导热硅脂，汽包4包有保温材料21，汽包4内一次性注入纯净水5并抽真空，汽包4顶部蒸汽出口接蒸汽软管，底部接回液软管7。

如图4和图5，制水单元包括大金属圆柱桶20、小圆柱桶28、回热蒸汽管9、海水注液管8、浓盐水排液管27、第一级到第四级自流式蒸发冷凝装置分别为10,11,14,15；第一级自流式蒸发冷凝装置10的管束型换热器12、换热器积液排液管24、开关阀19、节流减压阀13、制水单元封盖25和不锈钢蒙皮32；第一级到第四级均装有管束型换热器12，管束型换热器圆管31上装有环肋22；第一级管束换热器有蒸汽软管接口29及回液软管接口30分别与蒸汽软管6和回液软管7连接；第一级蒸汽出口与第2级管束型换热器进口连接，第二级管束型换热器出口接节流减压阀13，然后和第2级蒸汽出口通过三通一同接入第3级管束型换热器进口，第三级管束型换热器出口接节流减压阀13，然后和第三级蒸汽出口通过三通一同接入第四级管束型换热器进口，第四级管束型换热器出口接节流减压阀13，然后和第四级蒸汽出口通过三通一同接入自然对流型空冷器16；所述管束型换热器12由在两个平行圆柱形扁盒式封头23之间焊接数根圆管31加工而成，圆管31上套有环肋22；第二到第四级管束型换热器底部均接有换热器积液排液管24用以排空换热器内积存的淡水。

开关阀19在自流式蒸汽冷凝装置中共设置12处；其中5处设置在海水注液/排液管处，其作用是：注水时，关闭第4级排液管27处开关阀，打开其余4处开关阀进行注液，蒸汽冷凝装置工作时，关闭5处开关阀，使个工作级独立工作，排液时，打开5处开关阀，使浓盐水排出；其中4处设置在蒸汽出气管处，其作用是：注液时，关闭4处开关阀，防止注液过程中海水溢流进入换热器，蒸汽冷凝装置工作时，打开4处开关阀保持蒸汽流动畅通；其中3处设置在换热器积液排液管处，其作用是：海水淡化装置工作时，关闭3处开关阀，保证换热器不漏气，工作结束后，打开3处开关阀，排空换热器内积液。

所述节流减压阀13在自流式蒸汽冷凝装置中共设置3处，分别设置在第2级、第3级及第4级换热器出口处，其作用是：通过调节减压阀13来实现各级在不同工作温度下工作，达到逐级回热效果，并实现各级之间产生压差，使得蒸汽在压差驱动下自发流动，从而达到装置工作不需要提供动力的效果。

如图5，所述自流式海水淡化装置中各级蒸发/冷凝器由高到底错落排布，各级间隙中填充保温材料26。

如图1和图2，所述自然对流型空冷器16用以将自流式蒸汽冷凝装置最后一级蒸汽全部冷凝为淡水并收集储存在淡水箱17中，自然对流型空冷器16入口与自流式蒸汽冷凝装置20出口连接。

空冷器可自制或购买商品。

实施例2

本实施例中，热管式太阳能集热管与地面成30°倾斜摆放。所述集热单元含有两个汽包组，每个汽包直径为300mm，长为2000mm，每个汽包组含有24根商品化的金属热管式全真空玻璃集热管，其中全真空玻璃集热管外径为58mm，内径为47mm，有效长度为1600mm；安装在玻璃集热管内的金属热管冷凝端外径为28mm，长为200mm。蒸汽冷凝装置是金属一圆筒结构，直径800mm，长度1000mm。内部四个蒸发/冷凝器也是金属圆筒结构，直径180mm，长1000mm。各级的工作温度依次降低，各级的工作温度通过调节节流减压阀实现。

本实例中，集热单元总采光面积为4.06m²,自流式海水淡化装置制水性能系数可达到4，制水性能系数指系统用于加热海水的总功率与系统总的有效辐射吸收功率之间的比值，性能系数越大，即系统回热性能越好。按夏天7小时工作时间内，太阳能平均辐射强度740W/m²,装置全天制水量可达到48kg。

工作过程如下：

如图1，太阳光照射到全玻璃真空太阳集热管2上，然后通过全玻璃真空太阳集热管2内壁上的可选择性吸收涂层将光能转化为热能，然后通过导热传递到热管蒸发端的工作介质，工作介质通过相变换热将热量快速传递至热管冷凝端，加热汽包4内纯净水5，汽包4内纯净水5蒸发通过蒸汽软管6进入自流式蒸汽冷凝装置第1级的管束型换热器12内，并在第一级管束型换热器12内冷凝，冷凝液依靠重力通过回液软管7回流至汽包4，循环工作。

制水单元中第一级自流式蒸发冷凝装置10中，管束型换热器12将蒸汽冷凝潜热通过管壁传递给圆筒容器内海水，海水蒸发后通过圆筒顶部回热蒸汽管道9进入第二级换热器内，蒸汽在第二级换热器内再次冷凝释放潜热变为饱和水，加热第二级容器内海水，饱和水通过节流减压阀后再次汽化。依此类推，第四级换热器内饱和水同第四级的蒸汽一同进入自然对流型空冷器16冷凝，收集在淡水箱17中；本装置有效工作的关键是恰当的调节节流减压阀，通过节流减压阀的调节来实现各级蒸发/冷凝器在不同压力及温度条件下工作，实现各级蒸汽在非负压条件下自发流动，达到装置工作过程中不需要提供动力的目的。

Claims

1.太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括集热单元、制水单元、末端冷凝单元；其中，集热单元包括集热管和汽包；制水单元包括四级自流式蒸发冷凝装置，所述自流式蒸发冷凝装置，第一级至第四级结构相同，通过各级间节流减压阀控制各级工作温度，实现蒸汽在非负压条件下逐级降温冷凝；所述集热单元、制水单元、末端冷凝单元依次连接配置，集热单元生成水蒸汽，各级蒸汽在压力差驱动下自发流动通过制水单元的四级蒸汽冷凝装置后，进入末端冷凝装置形成淡水。

2.根据权利要求1所述太阳能海水淡化装置，其中，所述集热单元的汽包位于集热管上方，集热管吸收太阳能，通过集热管内工质的相变换热快速将热量传递到汽包内，在汽包内产生水蒸气。

3.根据权利要求1所述太阳能海水淡化装置，其中，所述集热单元与制水单元第一级自流式蒸发冷凝装置之间通过回路型重力热管结构连接，所述回路型重力热管结构包括蒸汽软管和回液软管，第一级自流式蒸发冷凝装置位置要高于集热单元的汽包位置，汽包、蒸汽软管、第一级换热器及回液软管组成一回路型重力热管结构，进行热量和质量自流传递。

4.根据权利要求1所述太阳能海水淡化装置，其中，所述制水单元还包括一个非耐压大金属圆柱桶，所述自流式蒸发冷凝装置包括四个耐压金属小圆柱桶和四个管束型换热器；一个管束型换热器安装在一个耐压金属小圆桶内组成一个自流式蒸发冷凝装置，耐压金属小圆桶也作为海水储存箱；四个金属小圆柱桶位置依次降低安装在大金属圆柱桶内，四个小圆柱桶及大金属圆柱桶之间空隙填充保温材料。

5.根据权利要求4所述太阳能海水淡化装置，其中，所述节流减压阀位于所述各管束型换热器连接出口处。

6.根据权利要求1所述太阳能海水淡化装置，其中，所述末端冷凝单元为对流型空冷器。

7.根据权利要求3所述太阳能海水淡化装置，其中，自流式蒸发冷凝装置的第二级、第三级、第四级之间通过节流降压阀调节，节流降压阀调节各级形成压差和温差。

8.根据权利要求4所述太阳能海水淡化装置，其中，所述大金属圆柱桶水平放置时与水平面保持10°倾角，各管束型换热器管路内的淡水在重力作用下逐级向下流动。

9.根据权利要求1所述太阳能海水淡化装置，其中，集热单元持续提供130℃-140℃水蒸汽；第四级自流式蒸发冷凝装置工作温度为环境压力对应的饱和温度为100℃，第一、第二、第三级自流式蒸发冷凝装置工作温度由高到低成梯度分布。

10.根据权利要求9所述太阳能海水淡化装置，其中，第一、第二、第三级自流式蒸发冷凝装置梯度工作温度分别为124℃、116℃、108℃。