CN105858769A - 一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置，涉及海水淡化装置的技术领域。本发明包括依次布置的7级集热单元组成，第一级包括依次串接的8个集热槽，所述每个集热槽包括海水箱、海水入口、盐水排口，海水箱内布置有加热管，加热管内穿置热管蒸发段，加热管的一端通过密封螺栓、密封垫片与海水箱连接，热管蒸发段远离密封螺栓的一端穿过海水箱壁后与热管冷凝管，热管冷凝管的外周包裹全玻璃集热管，热管冷凝管、全玻璃集热管设置在CPC聚光版；本发明实现了结构简单，海水淡化效率高，显著提升装置制水性能系数的目的。

Description

一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化装置的技术领域。

背景技术

淡水资源是人类赖以生存的必要资源。然而，随着环境的不断恶化及淡水资源的日益枯竭，淡水资源的缺乏在很大程度上影响了人类社会的持续发展。地球有大约70%的面积是海洋，将海水淡化为可以直接饮用的淡水成为解决淡水资源缺乏的有效途径。为达到淡化海水的目的，人们设计出各种方法和设备将海水中的盐分去除以得到淡水。常见的方法，一个是蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。真空蒸馏式海水淡化装置中的真空度是依靠装置的真空泵建立和保持的。在装置工作过程中，当进入装置的给水量与排出的淡水量和盐水量相等时，装置中的真空度一方面会因在真空压力下海水中溶有的不凝性气体逸出及由装置不严密处漏人的空气而不断下降；另一方面，海水汽化产生的蒸汽只有及时被冷凝为淡水并抽出，才能保持真空度的稳定。另一个是冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态的冰的同时，盐被分离了出去；此外，还有反渗透法等等。这些方法大多存在以下缺陷:一是需要大量消耗能源，造成能源的浪费；二是设备复杂、体型大，不适于推广；尤其是采用真空蒸馏式的海水淡化装置。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单，海水淡化效率高，显著提升装置制水性能系数的多级满液回热式太阳能海水淡化装置。

本发明采用复合抛物面式聚光集热板 (Compound Parabolic Concentrator)进行太阳能采集，以下简称CPC集热板。

一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置，包括依次布置的7级集热单元组成，第一级包括依次串接的8个集热槽，所述每个集热槽包括海水箱、海水入口、盐水排口，海水箱内布置有加热管，加热管内穿置热管蒸发段，加热管的一端通过密封螺栓、密封垫片与海水箱连接，热管蒸发段远离密封螺栓的一端穿过海水箱壁后与热管冷凝管，热管冷凝管的外周包裹全玻璃集热管，热管冷凝管、全玻璃集热管设置在CPC聚光版；

第二级到第七级的集热单元包括集热槽，设置在海水箱内加热管的外周绕置热回收盘管，热回收盘管的两端分别设置蒸汽/水混合入口、蒸汽/水混合出口；

上述集热槽、集热单元上设置气液分离器，气液分离器的一端设置在海水箱内，另一端与蒸汽/水混合出口连接；相邻两个集热单元之间上一集热单元的蒸汽/水混合出口与下一集热单元的蒸汽/水混合入口连接；位于最末端的集热单元的蒸汽/水混合出口通过冷凝器与淡水收集箱连接。

比较好的是，本发明的加热管远离密封螺栓的一端设置与热管蒸发段密封连接的密封圈。

比较好的是，本发明的加热管与热管蒸发段之间设置导热油。

比较好的是，本发明的全玻璃集热管与热管冷凝管之间设置不锈钢网。

比较好的是，本发明的蒸汽/水混合出口上设置减压阀。

比较好的是，本发明的7个集热单元的温度依次为150℃、140℃、132℃、124℃、116℃、108℃、100℃。

比较好的是，本发明的热管蒸发段与热管冷凝管之间的夹角为135°。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明使用热管作为传递热量的部件，利用热管良好的导热性和等温性，能将集热器吸收的太阳辐射快速地导向热管冷凝段，加热海水，使其蒸发；

2、本发明的热管将全玻璃真空集热管和海水箱有效地连接起来，使集热器、蒸发器和换热器三者集为一体，有效地简化了装置的复杂程度，系统结构简单，拆装方便；

3、本发明在蒸汽的推动下，被动式运行，无需真空泵，能够在常压下运行。各级海水箱中的温度压力逐级递减，最后一级与大气相通，因此最后一级海水箱中的压力即为一个大气压；

4、本发明采用逐级降压回热的方式， 7级(14个单元)集热，6级回热，加强蒸汽凝结潜热的回收利用，从而提高对热量的利用效率和系统制水率。

5、本发明的第一级使用8个集热槽并联，产生的蒸汽聚集起来，进入第二级的回热盘管。这样在第一级中，用于加热海水的有效热量便相当于共有8份，第二级有9份热量，第三级有10份热量，以此类推，系统制水性能系数得到显著提高。

6、本发明采用塔形回热盘管，提高传热效率。圆柱形盘管下部管子产生蒸汽直接冲击上部管子，整体盘管处于受限自然对流，自然对流系数低，塔形盘管下部管子产生的蒸汽不影响上部管子。

7、本发明的热管冷凝段与加热管间通过介质（如导热油、导热油中加纳米材料的传热物质等），导热面积大，传热效果好。能有效克服加热管因与海水箱焊接而导致的变形，使得装配困难加大（间隙可以较大，而又不影响传热）。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明集热单元的结构示意图。

图3是本发明热管蒸发段与热管冷凝管之间的夹角示意图。

图4是本发明热回收盘管的结构示意图。

图5是本发明加热管与热管蒸发段之间密封结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示，一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置，包括依次布置的7级集热单元组成，第一级包括依次串接的8个集热槽，所述每个集热槽包括海水箱4、海水入口1、盐水排口10，海水箱4内布置有加热管6，加热管6内穿置热管蒸发段7，加热管6的一端通过密封螺栓2、密封垫片3与海水箱4连接，热管蒸发段7远离密封螺栓2的一端穿过海水箱壁后与热管冷凝管15，热管冷凝管15的外周包裹全玻璃集热管14，热管冷凝管15、全玻璃集热管14设置在CPC聚光版16；

如图1、图2、图4所示，第二级到第七级的集热单元除了包括第一级中集热槽结构外，还包括设置在海水箱4内加热管6的外周绕置热回收盘管8，热回收盘管8的两端分别设置蒸汽/水混合入口9、蒸汽/水混合出口12；

如图1所示，上述集热槽、集热单元上设置气液分离器18，气液分离器18的一端设置在海水箱4内，另一端与蒸汽/水混合出口12连接；相邻两个集热单元之间上一集热单元的蒸汽/水混合出口12与下一集热单元的蒸汽/水混合入口9连接；位于最末端的集热单元的蒸汽/水混合出口12通过冷凝器19与淡水收集箱20连接。

如图5所示，本发明的加热管6远离密封螺栓2的一端设置与热管蒸发段7密封连接的密封圈17。

如图2所示，本发明的加热管6与热管蒸发段7之间设置导热油5。

如图2所示，本发明的全玻璃集热管14与热管冷凝管15之间设置不锈钢网13。

如图2所示，本发明的蒸汽/水混合出口12上设置减压阀11。

本发明的7个集热单元的温度依次为150℃、140℃、132℃、124℃、116℃、108℃、100℃。

如图3所示，本发明的热管蒸发段7与热管冷凝管15之间的夹角为135°。

本发明主要由CPC集热板(Compound Parabolic Concentrator，复合抛物面式聚光集热板)、全真空玻璃集热管、热管、不锈钢丝网、回热盘管、海水箱、加热管、蒸汽出汽管、减压阀、冷凝管等部件组成。整个装置分为7级，第一级的加热管外没有回热盘管，而后面的六级，加热管外均盘绕回热管，用于回收上一级蒸汽的汽化潜热。

系统各级的连接关系如图1所示。第一级（设置8个集热槽）的海水箱中没有回热盘管，后面六级（均只设一个集热单元）的海水箱中均盘绕回热管，上一级产生的蒸汽通过回热管把潜热释放给下一级的海水，如此进行下去。最后一级，也就是第七级的出口，所有的气液混合物进入到空冷器中，与空气换热后，充分冷却成为过冷水。

太阳能海水淡化装置由14个单元(分为7级)拼装而成，第一级的8个集热单元中，海水箱加热管外均没有回热盘管。装置从第2级开始，在加热管外均盘绕回热管，用于回收上一级蒸汽的汽化潜热。后面六级单元的结构和第一级基本相同，区别只是在于加热管外增加了回热盘管。后面六级的单元结构如图1所示。

在这个太阳能海水淡化装置中，回热盘管是提高系统制水性能系数的重要部件，装置从第二级开始，在海水箱加热管外均盘绕回热管，用于回收上一级蒸汽的冷凝潜热，让热量再次被利用。为了更好更完全地回收上一级蒸汽的冷凝潜热，前一级的工作温度必须比后一级的高。整个装置共分七级，从第一级到第七级的海水箱的工作压力和温度逐级递减。由于两级之间的蒸汽压差(或温差)，前一级产生的蒸汽会自动向后一级流动，进入后一级的回热盘管。在回热盘管中，前一级蒸汽被后一级海水箱中的低温海水冷凝，释放出冷凝潜热。后一级的低温海水受到前一级高温蒸汽的加热，产生蒸汽。通过这种回热方式，高温蒸汽的冷凝潜热被充分利用。

与此同时，后一级海水箱中的海水还受到自身海水箱中加热管的加热，升温产生蒸汽，在两种热量的加热下，后一级将会产生比前一级更多的蒸汽。然后，这一级产生的蒸汽又能通过回热盘管把热量传递给后面一级的海水。理论上，如果没有热量损失和温差损失，这种回热换热法可使制水效率达到无穷大。依据热力学原理，不同的蒸汽压力对应着不同的蒸汽饱和温度，实现多效回热的关键是控制好每级回热器工作压力(或温度)。理论上最高集热温度(即第1级蒸汽温度)越高，各级间温差越大，全天平均回热效率越接近100%，全天的制水量随之增加另一方面，集热温度越高，集热玻璃管选择性涂层的集热效率会下降，对制水量带来负面效应，因此也不是集热温度越高越好。在本设计中，第一级的集热温度设定在150℃左右，最后一级由于与大气相连，蒸汽温度在100℃左右，系统共有7级，各级间温差在8℃左右，系统各级的集热温度设定大致为：150℃，140℃，132℃，124℃，116℃，108℃，100℃。

Claims (7)

1.一种多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于包括依次布置的7级集热单元组成，第一级包括依次串接的8个集热槽，所述每个集热槽包括海水箱（4）、海水入口（1）、盐水排口（10），海水箱（4）内布置有加热管（6），加热管（6）内穿置热管蒸发段（7），加热管（6）的一端通过密封螺栓（2）、密封垫片（3）与海水箱（4）连接，热管蒸发段（7）远离密封螺栓（2）的一端穿过海水箱壁后与热管冷凝管（15），热管冷凝管（15）的外周包裹全玻璃集热管（14），热管冷凝管（15）、全玻璃集热管（14）设置在CPC聚光版（16）；

第二级到第七级的集热单元包括集热槽，设置在海水箱（4）内加热管（6）的外周绕置热回收盘管（8），热回收盘管（8）的两端分别设置蒸汽/水混合入口（9）、蒸汽/水混合出口（12）；

上述集热槽、集热单元上设置气液分离器（18），气液分离器（18）的一端设置在海水箱（4）内，另一端与蒸汽/水混合出口（12）连接；相邻两个集热单元之间上一集热单元的蒸汽/水混合出口（12）与下一集热单元的蒸汽/水混合入口（9）连接；位于最末端的集热单元的蒸汽/水混合出口（12）通过冷凝器与淡水收集箱连接。

2.根据权利要求1所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述加热管（6）远离密封螺栓（2）的一端设置与热管蒸发段（7）密封连接的密封圈（17）。

3.根据权利要求1或2所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述加热管（6）与热管蒸发段（7）之间设置导热油（5）。

4.根据权利要求1所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述全玻璃集热管（14）与热管冷凝管（15）之间设置不锈钢网（13）。

5.根据权利要求1所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述蒸汽/水混合出口（12）上设置减压阀（11）。

6.根据权利要求1所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述7个集热单元的温度依次为150℃、140℃、132℃、124℃、116℃、108℃、100℃。

7.根据权利要求1所述的多级满液回热式太阳能海水淡化装置，其特征在于上述热管蒸发段（7）与热管冷凝管（15）之间的夹角为135°。