CN107215916A - 毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，包括太阳能集热装置、第一循环泵、蒸发器和冷凝器。蒸发器包括壳体、毛细芯、分配器、集液器和管束。壳体具有海水腔和蒸汽腔，海水腔和蒸汽腔通过毛细芯相互隔开；分配器和集液器分别位于海水腔两端；管束设于海水腔内，管束两端分别与分配器和集液器连接；太阳能集热装置的热媒出口通过第一循环泵与蒸发器的热媒入口连通，蒸发器热媒入口通过分配器与管束连通，管束通过集液器与蒸发器冷媒出口连通，蒸发器冷媒出口与太阳能集热装置的冷媒入口连通；冷凝器的蒸汽入口与蒸汽腔的蒸汽出口连通。本发明具有换热系数高、出水量多、成本低等优点，可以实现太阳能独立驱动；不消耗外部能源和泵功。

Description

毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化系统。

背景技术

全世界约1/3的人口生活在缺水的国家和地区，解决淡水资源短缺的问题最主要的手段是进行海水淡化。传统的海水淡化技术需要消耗大量常规能源，加剧了资源的消耗并带来环境污染。而太阳能是一种分布广、储量多的可再生能源，如果能将太阳能技术和海水淡化技术结合在一起解决海水淡化关键问题，将具有重要的社会及经济效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种换热系数高、出水量多、制造和运行成本低的太阳能海水淡化系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，包括太阳能集热装置、第一循环泵、蒸发器和冷凝器；蒸发器包括壳体、毛细芯、分配器、集液器和管束；壳体具有海水腔和蒸汽腔，海水腔和蒸汽腔通过毛细芯相互隔开；分配器和集液器分别位于海水腔的两端；管束设置于海水腔内，管束的两端分别与分配器和集液器连接；海水腔具有海水入口和浓海水出口，蒸汽腔具有蒸汽出口；冷凝器具有蒸汽入口和淡水出口；太阳能集热装置的热媒出口通过第一循环泵与蒸发器的热媒入口连通，蒸发器的热媒入口通过分配器与管束连通，管束通过集液器与蒸发器的冷媒出口连通，蒸发器的冷媒出口与太阳能集热装置的冷媒入口连通；冷凝器的蒸汽入口与蒸汽腔的蒸汽出口连通。

本发明可至少达到以下的有益效果之一：

1、本发明结合了太阳能集热装置进行海水淡化，基本不消耗高品位能源，不仅绿色环保，而且降低了制造及运行的成本。此外，本发明利用在蒸发器的管束内流动的热源媒质与海水进行热交换，可以更加充分、高效地实现海水与热源之间的换热，加大蒸汽的产生量，提升换热效率；

2、该发明利用冷凝器实现了海水的预热，更好地利用了系统循环热量，提高了整体性能；

3、设置在蒸发器管束上的折流板可以加大海水在蒸发器内的扰动，在相同体积下，增加了海水侧的流程，减小了蒸发器的尺寸，提高了换热效率；

4、蒸发器和冷凝器内的管束的内表面和外表面设有翅片，翅片的表面设有纳米涂层，可提高海水与管束对流传热效率，减小管束尺寸，节省成本，提高了太阳能转化为海水内能的效率；

5、该发明采用内部加热海水的方式提高了能量利用效率，与现行的在蒸汽腔外表面通过蒸汽腔对毛细芯加热的方式相比具有显著的优点：热阻小，而且本发明可以直接控制热媒工质循环的吸热量控制海水在毛细芯中蒸发的温度，从而更好地适应系统压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明一实施例的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

根据本发明一实施例的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，包括太阳能集热装置1、辅助热源2、第一循环泵51、蒸发器3和冷凝器4。

太阳能集热装置1最好是采用高效的太阳能集热器，通过吸收太阳能对循环媒质（通常为水）进行加热。该太阳能集热器还可采用太阳自动追踪技术，以最大效率地吸收太阳能。

辅助热源2与太阳能集热装置1并联连接。辅助热源2用于在太阳能集热装置1不能工作时（例如夜晚等没有日照的时刻）作为替代该太阳能集热装置1的热源，从而使得本发明的太阳能海水淡化系统可以连续不间断地进行海水淡化处理。辅助热源2优选采用余热热源，例如海边的火电站或核电站的蒸汽余热，从而达到良好的节能效果。图1中还示出了设置在辅助热源2和太阳能集热装置1的连接管路上的多个控制阀6，这些控制阀6可以起到对辅助热源2和太阳能集热装置1的切换控制作用。

蒸发器3包括壳体31、毛细芯32、分配器33、集液器36和管束35。壳体31具有海水腔311和蒸汽腔312，海水腔311和蒸汽腔312通过毛细芯32相互隔开。分配器33和集液器36分别位于海水腔311的两端。管束35设置于海水腔311内，管束35的两端分别与分配器33和集液器36连接。在图1所示的实施例中，海水腔311呈圆柱体形，管束35沿着该海水腔的轴向延伸；蒸汽腔呈圆环体形，并环绕于海水腔311中部的外侧；毛细芯32呈圆环体形。图1所示的蒸发器的形状仅为示例，本发明所采用的蒸发器形状并不限于此。

海水腔311具有海水入口和浓海水出口，该海水腔的海水入口和浓海水出口优选地被设置成使海水的流动方向与管束35内的媒质流动方向相反，以构成逆流流动，强化换热效果。蒸汽腔312具有蒸汽出口。冷凝器具有蒸汽入口和淡水出口。

太阳能集热装置的热媒出口通过第一循环泵51与蒸发器3的热媒入口连通，蒸发器3的热媒入口通过分配器33与管束35连通，管束35通过集液器36与蒸发器3的冷媒出口连通，蒸发器3的冷媒出口与太阳能集热装置1的冷媒入口连通。冷凝器4的蒸汽入口与蒸汽腔312的蒸汽出口连通。

优选地，冷凝器4还具有海水入口和海水出口。冷凝器4的海水出口与海水腔311的海水入口连通。这样，冷凝器4可将从该冷凝器的海水入口流入的海水与来自蒸汽腔312的蒸汽进行热交换后输出给海水腔311，通过调节流入冷凝器内的海水的流量可控制蒸汽腔312的饱和压力。蒸发器的管束35和冷凝器4内的管束均由多根强化管构成，可增大蒸汽侧冷凝面积，提高蒸汽侧的冷凝换热系数，同时减小冷凝器的体积及占地面积。冷凝器4内的海水与蒸汽的流向相反，构成逆流换热。此外，在与冷凝器4的淡水出口相连的管路上还设有第二循环泵52，在与冷凝器4的海水入口相连的管路上还设有第三循环泵53，在蒸发器3的冷媒出口与辅助热源2的冷媒入口之间的连接管路上还设有第四循环泵54。第一、第二、第三和第四循环泵可以为整个海水淡化系统的换热介质循环、海水流动及蒸汽流动提供更充足的动力，以解决传统方法中采用毛细芯的毛细压差驱动海水淡化循环动力不足、启动运行不稳定及产水量上限较低等缺点。

要说明的是，海水可以在毛细力的作用下抽吸回到蒸发器，不需要消耗额外的泵功。第二循环泵52和第三循环泵53是起辅助作用的，是为提高淡水量而额外设置的，正常淡水需求情况下，可以不设置。第一至第四循环泵51、52、53和54均可以通过太阳能发电驱动，无需外部电源。

优选地，蒸发器的管束35上通过焊接等方式固定连接有多块折流板34。设置折流板能够加强海水腔内的海水扰动，强化蒸发换热系数。蒸发器的管束35和冷凝器的管束的内表面和外表面设有翅片，翅片的表面设有纳米涂层，以提高蒸发器管束和冷凝器管束的管内外表面换热系数。

根据本发明一实施例的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统的工作过程大致如下。

海水通过第三循环泵53引入冷凝器4内，在冷凝器4中与来自蒸汽腔312的水蒸汽进行热交换，预热后的海水进入蒸发器3的海水腔311。在蒸发器3的海水腔311内由于折流板34的阻挡作用，海水周期性地冲刷管束35，并与管束内的热源媒质进行热交换，使得海水温度升高。高温的海水在毛细芯32中微细通道的毛细力的抽吸下、流进蒸汽腔312的过程中在毛细芯32内低温蒸发为淡水蒸汽，纯净的淡水蒸汽汇聚于蒸汽腔312中，高浓度海水从蒸发器的浓海水出口排出。上述的低温是指30℃~40℃。

蒸汽腔312内的水蒸汽在第二循环泵52的作用下进入到冷凝器4内，经过冷凝变化为淡水，而后通过冷凝器4的淡水出口流出。

来自太阳能集热装置1或辅助热源2的高温热源媒质通过分配器33流入管束35内，并与海水腔311内的海水进行热交换，海水吸热，热源媒质温度降低。完成热交换的低温热源媒质通过集液器36返回太阳能集热装置或辅助热源2，再通过加热成为高温热源媒质，从而完成整个热源循环。其中，可根据具体工况以及光照条件调节多个控制阀6，实现太阳能集热装置1与辅助热源2之间的切换。

根据本发明一实施例的海水淡化系统以毛细芯提供的内部毛细力为驱动力, 直接抽取海水进入毛细芯进行汽液相变, 由于冷凝器里的温度比毛细芯里的温度低，相对应的冷凝器里的蒸汽饱和压力比毛细芯里发生汽液相变产生的蒸汽饱和压力低，毛细芯里产生的蒸汽进入冷凝器生成淡水。实况实验结果如下：在杭州夏季14：00PM强太阳光辐射下: 太阳能独立驱动（即系统不接外部电源和无余热提供）：受热面积是 60 cm ² 的蒸发器, 在壁面温度为 39℃时，可以产淡水101g/h，淡水含盐约29 mg/L, 达到饮用水标准。毛细芯中的蒸汽与水分界液面可以自适应外界热源, 在 34℃~58℃间可以正常产水。因为温度适应性范围大, 尤其是40℃下的低温海水淡化能力, 使得本系统在太阳能利用等领域有优势。根据本发明一实施例的海水淡化系统在太阳能独立驱动的条件下实现了在 34℃~58℃自适应产水，根据热力学定律, 热源温度越低, 可用能越少。本系统实现可以实现40℃下的低温海水淡化。所以本海水淡化系统既可以提高能源利用效率，更重要的是可以实现太阳能独立驱动；不消耗外部能源。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，包括太阳能集热装置、第一循环泵、蒸发器和冷凝器；

所述蒸发器包括壳体、毛细芯、分配器、集液器和管束；所述壳体具有海水腔和蒸汽腔，所述的海水腔和蒸汽腔通过所述毛细芯相互隔开；所述的分配器和集液器分别位于所述海水腔的两端；所述管束设置于所述海水腔内，管束的两端分别与所述的分配器和集液器连接；所述海水腔具有海水入口和浓海水出口，所述蒸汽腔具有蒸汽出口；

所述冷凝器具有蒸汽入口和淡水出口；

所述太阳能集热装置的热媒出口通过所述第一循环泵与所述蒸发器的热媒入口连通，所述蒸发器的热媒入口通过所述分配器与所述管束连通，所述管束通过所述集液器与所述蒸发器的冷媒出口连通，所述蒸发器的冷媒出口与所述太阳能集热装置的冷媒入口连通；所述冷凝器的蒸汽入口与所述蒸汽腔的蒸汽出口连通。

2.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，流入所述海水腔内的海水在与所述管束内的热媒热交换后温度升高，在所述毛细芯的毛细力作用下，海水在所述毛细芯内低温蒸发得到淡水蒸汽，淡水蒸汽汇集在所述的蒸汽腔中，该淡水蒸汽流入冷凝器中冷凝以后产生淡水。

3.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统由太阳能独立驱动；海水在毛细力的作用下抽吸回到蒸发器，不需要消耗额外的泵功。

4.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述冷凝器还具有海水入口和海水出口；所述冷凝器的海水出口与所述海水腔的海水入口连通；所述冷凝器用于将从该冷凝器的海水入口流入的海水与来自所述蒸汽腔的蒸汽进行热交换后输出给所述的海水腔，通过调节流入冷凝器内的海水的流量可控制所述蒸汽腔的饱和压力。

5.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器内的管束均由多根强化管构成；所述蒸发器和冷凝器的管束的内表面和外表面设有翅片，所述翅片的表面设有纳米涂层。

6.如权利要求1或5所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述蒸发器的管束上固定连接有多块折流板。

7.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述海水腔呈圆柱体形，所述管束沿着该海水腔的轴向延伸；所述蒸汽腔呈圆环体形，并环绕于海水腔中部的外侧；所述的毛细芯呈圆环体形。

8.如权利要求1所述的毛细作用与太阳能耦合的新型低温海水淡化系统，其特征在于，所述太阳能海水淡化系统包括辅助热源，所述辅助热源与所述太阳能集热装置并联连接；所述辅助热源用于在所述太阳能集热装置不工作时作为替代该太阳能集热装置的热源。