CN209922972U - 一种太阳能集热管束式海水淡化装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能集热管束式海水淡化装置及系统，包括：膜蒸馏组件和复合抛物面聚光器；膜蒸馏组件安装于复合抛物面聚光器的预设位置；膜蒸馏组件包括：待淡化海水通道、携带水通道、通道外侧蓄热材料和真空保温层；待淡化海水通道设置有进水口和出水口；携带水通道的数量为多根并设置有进水口和出水口；携带水通道布置于待淡化海水通道内，工作时通入携带水将海水转换生成的淡水带出；待淡化海水通道和携带水通道通过疏水微孔膜分隔；疏水微孔膜采用聚四氟乙烯材料；蓄热材料和真空保温层依次安装在海水通道外侧。本实用新型具有较高的太阳能热利用效率和产水率，并有效解决聚光效果非均匀问题，延长系统的工作时间。

Description

一种太阳能集热管束式海水淡化装置及系统

技术领域

本实用新型属于膜蒸馏海水淡化技术领域，特别涉及一种太阳能集热管束式海水淡化装置及系统。

背景技术

清洁饮用水是当今最重要的国际卫生问题之一，现在仍然有许多国家与地区面临着淡水不足的威胁。近年来，淡水资源的短缺已经成为国家发展的重要障碍，发展淡水资源的开源增量技术已经成为当务之急。采用传统能源进行海水淡化具有投资高、污染严重以及加剧能源短缺的问题，因此利用太阳能等可再生清洁能源是海水淡化技术发展的重要方向。

目前，现有的太阳能海水淡化技术主要分为两个方法，一种是利用太阳能产生的热能促使海水发生相变生产淡水的热法；另一种是利用太阳能间接提供驱动力进行渗析过程的膜法。根据《2015-2016全球海水淡化概况(译文)》的调研结果显示，全球膜技术海水淡化产能持续超过热法技术，且会变得更加关键。因此，采用新型能源驱动膜技术海水淡化，改进膜组件设计方法具有重要意义。

现在的太阳能集热驱动膜法海水淡化装置往往包括可追踪太阳方向的槽式集热器和中低温膜组件；其中，可追踪太阳方向的槽式集热器的槽式设计在相同的采光半角时，无法达到最大的几何聚光比，因此不能采用固定式布置。追踪系统虽然提高了集热效果，但需要定期更换电机和蓄电池，相对于固定式集热器成本更高。中低温膜组件产品通道往往为单通道形式布置，反应温度低，驱动力不强，能源利用效率不高；利用管路连接的拆分形式布置容易造成热损失，且占地面积过大。

综上，亟需一种新型的膜蒸馏海水淡化装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太阳能集热管束式海水淡化装置及系统，以解决目前存在的海水淡化技术生产效率和能源利用效率低下、太阳能热利用效率不高以及占地面积大的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种太阳能集热管束式海水淡化装置，包括：膜蒸馏组件和复合抛物面聚光器；所述膜蒸馏组件安装于所述复合抛物面聚光器的预设位置，所述复合抛物面聚光器用于聚光并加热待淡化海水；所述膜蒸馏组件包括：待淡化海水通道和携带水通道；所述待淡化海水通道设置有第一进水口和第一出水口，分别用于通入待淡化海水和处理后的海水；所述携带水通道的数量为多根；所述携带水通道布置于所述待淡化海水通道内；所述携带水通道设置有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口用于通入携带用水，所述第二出水口用于通出携带用水及海水转化生成的淡水；所述待淡化海水通道和所述携带水通道通过疏水微孔膜分隔；所述疏水微孔膜承受的反应温度能够达到80℃～180℃；所述膜蒸馏组件外还套设有相变储热层。

本实用新型的进一步改进在于，所述膜蒸馏组件安装于所述复合抛物面聚光器的焦斑上，二者的轴线重合；所述复合抛物面聚光器的工作表面置于所述膜蒸馏组件下侧。

本实用新型的进一步改进在于，所述相变储热层外还套设有真空保温层。

本实用新型的进一步改进在于，疏水微孔膜的材料为聚四氟乙烯；相变储热层的相变储热材料为八水氢氧化钡或六水硝酸镁。

本实用新型的进一步改进在于，所述待淡化海水通道和所述携带水通道内的液体流向为异向。

一种太阳能集热管束式海水淡化系统，包括：第一储水箱、第一循环泵、第二循环泵、第二储水箱和本实用新型上述的海水淡化装置；所述第一储水箱用于存储携带用水，所述第二储水箱用于存储待淡化海水，所述第一循环泵用于泵送携带用水，所述第二循环泵用于泵送待淡化海水；所述第一储水箱的出水口通过第一输水管道与所述携带水通道的第二进水口相连通，所述携带水通道的第二出水口通过第二输水管道与所述第一储水箱的回水口相连通；所述第一输水管道上设置有所述第一循环泵；所述第二储水箱的出水口通过第三输水管道与所述待淡化海水通道的第一进水口相连通，所述待淡化海水通道的第一出水口通过第四输水管道与所述第二储水箱的回水口相连通；所述第三输水管道上设置有所述第二循环泵。

进一步地，所述第二输水管道上设置有余热回收换热器。

进一步地，所述复合抛物面聚光器用于加热待淡化海水。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型中，在待处理热盐水流域内布置多根冷水管道组成的管束式通道，能够充分利用高温膜蒸馏的高产水量和高热流量特点，使得收集到的光能被更加合理的利用，可降低集热器带来的热流密度非均匀性并提高单位长度的产水量；将膜蒸馏组件直接安装于复合抛物面集热器的预设位置，不采用管路连接的拆分形式，可减小热损耗和占地面积。本实用新型采用太阳能复合抛物面集热器吸收光能加热浓盐水，对于固定式聚光器，在相同的体积下具有更高的聚光比和热效率，可提高光能利用率同时增加系统的功率；相对于追踪太阳方向的槽式集热器，其成本较低且容易维护。利用太阳能往往受到昼夜、天气等自然因素的影响，装置工作时间受到限制，即系统运行时间和运行稳定性受限；本实用新型的膜组件中设置有相变蓄热材料层，可在日间收集光能和热量并在夜间凝固放热，继续维持系统运行，能够延长系统的工作时间，实现能量调峰，保持运行稳定，提高经济效益；同时，可保持热盐水和冷水在整个膜蒸馏过程中都保持较高的温度差，使整个管路的产水量更加均衡，延长疏水微孔膜的寿命。

进一步地，本实用新型的海水淡化装置，可使得反应温度达到80℃～180℃，在提高生产效率的同时也提高了对疏水微孔膜的要求，本实用新型选用的疏水微孔膜材料为聚四氟乙烯，通过聚四氟乙烯能够耐受高温高压而保持性质稳定的特性，能够提高浓盐水入口温度以提高系统的产水率和相对热效率。现有技术已经证实在80℃～180℃反应温度下，具有较高的产水率。

进一步地，本实用新型还设置有真空保温层，可进一步降低热损失。

本实用新型的管束式高温膜蒸馏海水淡化系统，基于本实用新型的管束式高温膜蒸馏海水淡化装置，具有生产效率和能源利用效率较高、太阳能热利用效率较高以及占地面积较小的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种束式膜蒸馏海水淡化系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中膜蒸馏组件中的管路布置结构示意图；

图1和图2中：1-第一储水箱，2-第一循环泵，3-真空保温层，4-膜蒸馏组件，5-复合抛物面聚光器，6-相变储热层，7-第二循环泵，8-第二储水箱，9-余热回收换热器，11-待处理海水通道，12-冷水通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，本实用新型实施例的一种太阳能集热管束式海水淡化装置，包括：膜蒸馏组件4和复合抛物面聚光器5。

膜蒸馏组件4安装于复合抛物面聚光器5的预设位置，复合抛物面聚光器5用于聚光加热待处理海水或浓盐水；复合抛物面聚光器5的工作表面是复合抛物面，该表面由反光材料构成，置于膜蒸馏组件4下侧。

膜蒸馏组件4包括：待处理海水通道11和冷水通道12；待处理海水通道11设置有进水口和出水口，分别用于通入待处理海水和处理后的海水；冷水通道12的数量为多根，例如可以是4根，均布于待处理海水通道11内；每根循环冷水通道12均设置有进水口和出水口，进水口用于通入冷水，出水口用于通常冷水及海水转化来的淡水；其中，冷水一般采用常温，15℃-25℃。

冷水通道12和待处理海水通道11仅通过疏水微孔膜分隔，所述疏水微孔膜的材料为聚四氟乙烯。本实用新型的装置中，疏水微孔膜材料为聚四氟乙烯，其能够耐受高温高压而保持性质稳定的特性，可以提高浓盐水入口温度以提高系统的产水率和相对热效率。本实用新型对比市场上现有的膜材料，聚四氟乙烯(PTFE)具有较好的热稳定性，可以在-190～250摄氏度的温度范围内长时间进行工作，且可以同时承受6.4MPa的压强；而聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)都没有这样良好的热稳定性。PVDF的使用温度为-40～150℃，PP的使用温度是-35～110℃，同时这两种材料都不能在高温下承受压力，容易变形或融化。因此选取以聚四氟乙烯为原料的疏水微孔膜。

待处理海水通道11外依次还设置有相变储热层6和真空保温层3；相变储热材料可以选用八水氢氧化钡(Ba(OH)₂·8H₂O)和六水硝酸镁(Mg(NO₃)₂·6H₂O)等；真空保温层3可以为真空玻璃套筒。

优选的，冷水通道12和待处理海水通11道内的液体流向为异向。

优选的，膜蒸馏组件4安装在复合抛物面聚光器5的焦斑上，二者的轴线重合，两端对齐，以便经聚光器将入射光线汇聚到蓄热膜蒸馏组件4表面。

本实用新型的装置采用CPC可使得反应温度达到80℃～180℃，能够显著提高单位长度的产水量，可提高了光能利用率同时增加系统的功率。

请参阅图1，本实用新型实施例的一种太阳能集热管束式海水淡化系统，基于本实用新型上述的海水淡化装置，包括：第一储水箱1、第一循环泵2、膜蒸馏组件4、复合抛物面聚光器5、第二循环泵7和第二储水箱8。

第一储水箱1为冷水箱，用于储存携带用冷水；第二储水箱8为热水箱，用于储存待处理的海水；第一循环泵2为冷水循环泵，用于循环携带用冷水；第二循环泵7为热水高压泵，用于循环待处理海水。

其中，冷水循环泵用于克服循环系统的阻力，可依据海水淡化系统的布置长度选取适当的循环水泵。热水高压泵需要提供一定的压力，依据膜材料聚四氟乙烯的承压能力选择，可以采用扬程在100米附近的增压泵或深井泵。

膜蒸馏元件包括：冷给水通道和热给水通道；冷给水通道是由四根管道组成的管束，冷给水通道可以均布，冷给水通道外侧是热给水通道，二者仅通过疏水微孔膜分隔，整体组成圆柱体型的膜蒸馏元件，膜蒸馏元件周向具有塑料膜封装；其中，疏水微孔膜材料为聚四氟乙烯。

冷水循环泵布置在冷水箱旁，冷水箱的出水口通过冷水管道与冷水循环泵的入水口相连通，冷水循环泵的出水口通过另一根冷水管道与膜蒸馏元件的冷给水通道的进水口相连通；冷给水通道的出水口与冷水出水管连通并经余热回收换热器9通至冷水箱的回水口。余热回收换热器9是余热回收装置，利用净化得到的淡水所携带的热能，可以是一个换热器。冷却水经过膜蒸馏组件吸收热量升温，经由余热回收装置与原料海水进行热交换，将热量传至海水中，达到提高热效率的效果。

热水高压泵的入口通过热水管道与热水箱的出水口相连通；热水高压泵的出口通过热水管与膜蒸馏元件的热给水通道的入水口相连通，热给水通道的出水口通过热海水出水管与热水箱相连通。其中，热给水通道的入水口与冷给水通道的出水口位于膜蒸馏元件的同一侧；热给水通道的出水口与冷给水通道的入水口位于膜蒸馏元件的同一侧。热水箱还设置有用于补充待处理海水的补水口。

膜蒸馏元件外侧套有直径略大于膜蒸馏元件的套筒，套筒与膜蒸馏元件之间的夹层填充有八水氢氧化钡或六水硝酸镁等相变储热材料，夹层两端密封。套筒外侧套有真空保温玻璃套筒例如：《GB/T 17049-2005全玻璃真空太阳集热管》规定：全玻璃真空太阳能集热管真空夹层内的气体压强不大于5.0×10^(-2)Pa等具有真空保温效果的真空保温层均可使用，套筒与真空保温玻璃套筒紧密封装；膜蒸馏元件、八水氢氧化钡或六水硝酸镁相变储热材料、铁套筒和玻璃套筒组成蓄热膜蒸馏组件4；蓄热膜蒸馏组件4安装在新型复合抛物面聚光器5的焦斑上，二者的轴线重合，两端对齐。

本实用新型的工作原理：

本实用新型中，膜蒸馏元件包括冷给水通道、热给水通道和疏水微孔膜；冷给水通道外侧是热给水通道，冷给水通道和热给水通道之间由疏水微孔膜分隔，整体组成圆柱体型的膜蒸馏元件。工作时冷热水通道中的液体流向相反，热盐水中的水分子通过疏水微孔膜在冷水侧被冷循环水带走；膜蒸馏元件外侧套有直径略大于膜蒸馏元件的套筒，套筒与元件之间的夹层密封填充八水氢氧化钡(Ba(OH)₂·8H₂O)或六水硝酸镁(Mg(NO₃)₂·6H₂O)相变储热材料，相变材料在日间储存多余的热量，在光照不足或无光照时释放；套筒外侧套有真空玻璃套筒，铁套筒与真空玻璃套筒紧密结合。蓄热膜蒸馏组件安装在新型复合抛物面聚光器的焦斑上，二者的轴线重合，两端对齐，以便经聚光器将入射光线汇聚到蓄热膜蒸馏组件表面。

本实用新型的实施例给出了一种太阳能集热管束式海水淡化系统，以太阳能为驱动力，使管束外侧热盐水中的水分子通过疏水微孔膜并在冷水管束中被循环水带走，从而获得淡水；具有生产效率和能源利用效率较高、太阳能热利用效率较高以及占地面积较小的优点。

利用本实用新型的一种太阳能集热管束式海水淡化系统淡化处理海水的过程包括以下步骤：

在热水箱中存储待淡化海水，同时在冷水箱中加入适量纯净水。启动两个循环水泵，海水与纯净水分别通过热、冷水管逆向流入膜蒸馏元件。

太阳光经过复合抛物面聚光器汇聚在蓄热膜蒸馏组件的玻璃套筒表面上。热量首先被八水氢氧化钡(Ba(OH)₂·8H₂O)或六水硝酸镁(Mg(NO₃)₂·6H₂O)相变储热材料吸收并储存，同时热传导使内部热海水达到蓄热材料的相变温度，蓄热材料发生相变后继续升温与热海水达到稳态反应温度。该集热过程中热量进入热海水使其升温，提供膜蒸馏过程中的驱动力，热盐水中的水分子由于蒸汽压驱动透过疏水微孔膜而海水中的氯化钠等杂质则不能通过疏水微孔膜。膜蒸馏元件冷给水通道内的纯净水将通过疏水微孔膜的水分子捕获并通过循环送出，起到了海水淡化的作用。

处理过程中海水浓度会不断上升，要适时补充新海水并排出浓海水。

光照减弱或无光照时，八水氢氧化钡或六水硝酸镁相变储热层凝固放出热量用于加热海水，在光照不足时此装置仍可继续运行一定时间。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能集热管束式海水淡化装置，其特征在于，包括：膜蒸馏组件(4)和复合抛物面聚光器(5)；

所述膜蒸馏组件(4)安装于所述复合抛物面聚光器(5)的预设位置，所述复合抛物面聚光器(5)用于聚光并加热待淡化海水；

所述膜蒸馏组件(4)包括：待淡化海水通道和携带水通道；

所述待淡化海水通道设置有第一进水口和第一出水口，分别用于通入待淡化海水和通出处理后的海水；

所述携带水通道的数量为多根；所述携带水通道布置于所述待淡化海水通道内；所述携带水通道设置有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口用于通入携带用水，所述第二出水口用于通出携带用水及海水转化生成的淡水；

所述待淡化海水通道和所述携带水通道通过疏水微孔膜分隔；所述疏水微孔膜承受的反应温度能够达到80℃～180℃；

所述膜蒸馏组件(4)外还套设有相变储热层(6)。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能集热管束式海水淡化装置，其特征在于，

所述膜蒸馏组件(4)安装于所述复合抛物面聚光器(5)的焦斑上，二者的轴线重合；

所述复合抛物面聚光器(5)的工作表面置于所述膜蒸馏组件(4)下侧。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能集热管束式海水淡化装置，其特征在于，所述相变储热层(6)外还套设有真空保温层(3)。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能集热管束式海水淡化装置，其特征在于，疏水微孔膜的材料为聚四氟乙烯；

相变储热层(6)的相变储热材料为八水氢氧化钡或六水硝酸镁。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种太阳能集热管束式海水淡化装置，其特征在于，所述待淡化海水通道和所述携带水通道内的液体流向为异向。

6.一种太阳能集热管束式海水淡化系统，其特征在于，包括：第一储水箱(1)、第一循环泵(2)、第二循环泵(7)、第二储水箱(8)和权利要求1至5中任一项所述的海水淡化装置；

所述第一储水箱(1)用于存储携带用水，所述第二储水箱(8)用于存储待淡化海水，所述第一循环泵(2)用于泵送携带用水，所述第二循环泵(7)用于泵送待淡化海水；

所述第一储水箱(1)的出水口通过第一输水管道与所述携带水通道的第二进水口相连通，所述携带水通道的第二出水口通过第二输水管道与所述第一储水箱(1)的回水口相连通；所述第一输水管道上设置有所述第一循环泵(2)；

所述第二储水箱(8)的出水口通过第三输水管道与所述待淡化海水通道的第一进水口相连通，所述待淡化海水通道的第一出水口通过第四输水管道与所述第二储水箱(8)的回水口相连通；所述第三输水管道上设置有所述第二循环泵(7)。

7.根据权利要求6所述的一种太阳能集热管束式海水淡化系统，其特征在于，所述第二输水管道上设置有余热回收换热器(9)。

8.根据权利要求6所述的一种太阳能集热管束式海水淡化系统，其特征在于，所述复合抛物面聚光器(5)用于加热待淡化海水。

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