一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器

摘要

本发明属于水处理技术领域，公开了一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器。该太阳能蒸馏器包括一个或多个竖向依次叠加的太阳能蒸馏器子结构，其中，单个太阳能蒸馏器子结构包括底层无盖水箱、集水槽、冷凝板以及储水挡板，所述底层无盖水箱部含有储液槽，所述冷凝板包含冷凝面和垂滴面。本发明的太阳能蒸馏器，能够实现在充分利用太阳能资源的基础上实现对水蒸气余热的多级利用，同时通过毛细作用快速吸收、运输冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，防止水珠散射阳光降低系统效率，进而在显著提高净水处理的效率基础上进一步提升了太阳能的利用率，而且还具备结构更为紧凑、便于操控、环境适应性更强和净水成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能海水淡化/净化污水等水处理技术领域，更具体地，涉及一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器。

背景技术

饮水问题是全球面临的主要问题之一，大多数健康问题都是由于缺乏干净的饮用水引起的。而近几十年来，世界各地的降雨量不足，更是导致水体盐度增加。环境的污染又进一步加剧了清洁淡水缺乏的程度。解决淡水缺乏最重要的手段之一就是海水淡化。一般而言，海水淡化技术大致分为两类：热法淡化技术和膜法淡化技术。在热法淡化技术中，淡水是通过加热海水使水蒸发和冷凝蒸汽而获得，这些技术种类繁多，包括多效蒸馏(MED)，多级闪蒸(MSF)，热蒸气压缩(TVC)，机械蒸气压缩(MVC)，加湿-除湿(HDH)和太阳能蒸馏器等。而膜淡化技术则利用选择性透过膜将盐和水分离开来。膜法淡化通常使用压力驱动盐水分离过程，该过程不需要发生相变，膜淡化技术主要包括反渗透(RO)技术和电渗析(ED)技术。

其中，太阳能海水淡化技术相比于使用燃油、电能等高品位能源的传统技术而言有诸多优点。太阳能不依赖于能源燃料的远程输运，几乎不受地理位置的影响，能源成本为0，因此具有很好的可普及性；同时，太阳能是清洁可再生能源，环保无污染，符合当前加强环境保护的全球趋势。除海水淡化外，污水净化也是补充洁净淡水的重要途径。传统蒸馏器包括一个楔形腔体，内部装有海水，通过吸收太阳辐射，使得海水和底部温度上升，以促进海水蒸发，水蒸气会在玻璃盖板上凝结并附着在玻璃上，冷凝水在重力的作用下沿着玻璃向下流动然后进入收集槽从而完成蒸发淡化过程。基于上述的传统蒸馏器原理，现有技术发展出了许多不同种类的太阳能蒸发器，例如阶梯式蒸发器和倾斜芯型蒸发器，但由于大量热损失使得传统的蒸发器的太阳能利用效率通常都低于50％。同时，现有技术在海水/污水中加入纳米颗粒，如纳米金属颗粒、纳米金属氧化物、纳米碳材料等，通过纳米颗粒的高热导率使得(低品位热能)的吸收效率,系统传热性能等显著提升，纳米流体对太阳能也有高的吸收率，从而纳米颗粒与海水/污水形成的纳米流体有效增加了系统的淡水产量。

然而，基于纳米技术的蒸馏器仍然存在许多问题。一方面由于蒸馏器中的水蒸气直接在玻璃盖板上冷凝形成冷凝水，冷凝水把照射进来的太阳光进行了散射，从而大幅度降低了太阳能的利用，同时，凝聚的冷凝水在重力的作用下又滴入海水或污水容器，导致冷凝水回收效果差。另一方面，现有技术采用单级蒸馏器，不能实现对太阳能的多级利用，同时，也无法实现被太阳能加热的海水或污水散热的利用，虽然蒸发效率有80-90％，但系统综合效率仅有不到30％。相应的，本领域亟需做出进一步的改善或改进，以便更好地实现高效利用太阳能来驱动水蒸发并加速冷凝，以满足现代干净的饮用水的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器，其通过结合各类污水或海水的再利用，并充分利用太阳能热能进行净水的具体工况需求，相应的能够实现在充分利用太阳能资源的基础上实现对水蒸气余热的多级利用，同时通过毛细作用快速吸收、运输冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，从而显著提高净水处理的效率，而且还具备结构更为紧凑、便于操控、环境适应性更强和净水成本低等优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器，其特征在于，包括一个或多个竖向依次叠加的太阳能蒸馏器子结构，其中，单个太阳能蒸馏器子结构包括底层无盖水箱、集水槽、冷凝板以及储水挡板；其中，

所述底层无盖水箱为所述单个太阳能蒸馏器子结构的底座，该底层无盖水箱内部设有储液槽，且该储液槽内设有纳米流体或含水多孔材料，用于吸收太阳光并将太阳能转化为热能以将液体蒸发为水蒸气；

所述冷凝板覆盖于所述无盖水箱上且不与所述储液槽中的液体接触，该冷凝板包括表面均设有毛细结构的冷凝面和垂滴面，其中所述垂滴面与所述集水槽的内挡板内壁接触，且所述垂滴面的毛细作用力大于所述冷凝面的毛细作用力，以此方式，冷凝面用于快速冷凝来自所述储液槽的水蒸气并通过毛细作用将冷凝水运输至所述垂滴面，且垂滴面通过毛细作用快速吸收所述冷凝面运输过来的冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，防止水蒸气直接在冷凝面聚水；同时，水蒸气的余热能通过冷凝面传递到上一层太阳能蒸馏器子系统，以实现能量的多级利用，以及

所述集水槽安装于所述无盖水箱或储水挡板的侧面，用于收集来自所述垂滴面的冷凝水。

进一步的，所述毛细结构为采用沉积、旋涂、喷涂、棒涂、编织或压焊等工艺铺设于所述冷凝面表面的具有多孔结构的微米线或纳米线。

进一步的，所述毛细结构为具有多孔结构的透明金属有机框架材料。

进一步的，所述微米线或纳米线的直径小于100微米；所述微米线或纳米线所构成的多孔结构的孔径小于10毫米。

进一步的，所述冷凝面水平放置于所述无盖水箱或储水挡板上，且所述垂滴面与冷凝面采用直接搭接的方式连接或者粘结为一个整体。

进一步的，所述垂滴面设于所述冷凝面底面的四周边缘或部分边缘处；且，所述垂滴面为底部向下收拢的倒金字塔结构，优选的，所述垂滴面为底边与所述冷凝面底面贴合的一个三角形结构或者多个呈水平阵列排布的三角形结构，以便于在所述垂滴面底部尖锐处形成液滴。

进一步的，所述无盖水箱和储水挡板的横截面为矩形，多边形或圆形，且与所述冷凝板的形状结构相配。

进一步的，所述无盖水箱和储水挡板的高度小于等于5cm。

进一步的，所述无盖水箱至少一个侧壁上设有进水口，且所述无盖水箱至少一个侧壁上设有出水口，优选为该无盖水箱每个侧壁上均设有所述进水口和出水口；所述储水挡板至少一个侧壁上设有进水口，所述储水挡板至少一个侧壁上设有出水口，优选的为该储水挡板每个侧壁上均设有所述进水口和出水口。

进一步的，所述储液槽为存储海水、污水、纳米流体或含水多孔材料的槽体结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的太阳能蒸馏器，其通过紧密结合各类污水或海水的再利用，并充分利用太阳能热能进行净水的具体工况需求，对整体蒸馏器装置的空间布局及结构重新进行了设计，特别是针对其中的冷凝水系统从其具体结构组成、所配备的冷凝面和垂滴面、设于冷凝面和垂滴面的毛细结构的作用机理以及其与其他组件之间的安装设置等各个方面进行了改进，相应的能够实现在充分利用太阳能资源的基础上实现对水蒸气余热的多级利用，同时通过毛细作用快速吸收、运输冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，防止水珠散射阳光降低系统效率，进而在显著提高净水处理的效率基础上进一步提升了太阳能的利用率，而且还具备结构更为紧凑、便于操控、环境适应性更强和净水成本低等优点。

2.本发明的太阳能蒸馏器，其冷凝面的表面设有毛细结构，以加快对水蒸气的吸收和传导，避免水蒸气直接在板面冷凝聚水，从而防止水珠散射阳光降低系统效率，提高了对太阳能的利用率。

3.本发明的太阳能蒸馏器，垂滴面的毛细作用力不弱于所述冷凝面的毛细作用力，以此方式，冷凝面用于快速冷凝来自所述储液槽的水蒸气并通过毛细作用将冷凝水运输至所述垂滴面，且垂滴面通过毛细作用快速吸收所述冷凝面运输过来的冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，防止水蒸气直接在冷凝面聚水。

4.本发明的太阳能蒸馏器，其包含多个太阳能蒸馏器子结构，且多个太阳能蒸馏器子结构的厚度可以设置为较薄，进而上一层子结构能够充分吸收和利用下一层子结构水蒸气的余热，以加快水分蒸发的速度，同时，多层子结构叠加具有结构紧凑，能有效降低装置散热面积，减少系统热损失的特点。

5.本发明的太阳能蒸馏器，所采用的单级和多级结构能有效回收冷凝潜热，使吸收的热量被多次利用，从而大大提高系统产量。

附图说明

图1为本发明实施例太阳能蒸馏器的爆炸图；

图2为本发明实施例太阳能蒸馏器的冷凝板示意图；

图3为本发明实施例太阳能蒸馏器的集水槽示意图；

图4为本发明实施例太阳能蒸馏器的底层无盖水箱示意图；

图5为本发明实施例太阳能蒸馏器的储水挡板示意图；

图6为本发明实施例太阳能蒸馏器的储液槽结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图6，本发明实施例提供一种基于毛细作用收集冷凝水的太阳能蒸馏器，包括一个或多个竖向依次叠加的太阳能蒸馏器子结构，其中，单个太阳能蒸馏器子结构包括底层无盖水箱1、集水槽2、储液槽(内存储水或纳米流体或含水多孔材料)3、冷凝板4以及储水挡板5。其中，底层无盖水箱1为蒸馏器的底座，内部含有储液槽3，用于吸收太阳光，并使水蒸发。冷凝板4覆盖在无盖水箱1上面且不与储液槽3中的液体接触，用于冷凝来自储液槽3的水蒸气并运输冷凝水，且冷凝板4为透明材料制成。集水槽2安装在无盖水箱1或储水挡板5的侧面，用于收集来自冷凝板4的冷凝水。储水挡板5放置在冷凝板4上方。储水挡板5和冷凝板4接触处用硅酮胶或其他材料密封，防止放置在储水挡板5中的储液槽3从缝隙中泄露。蒸馏器包含底层无盖水箱1、集水槽2、储液槽3、冷凝板4和储水挡板5，其中储水挡板5和其中的储液槽3用于冷却冷凝板4，防止冷凝板4过热降低冷凝效果。当太阳能蒸馏器包含多个子结构时，蒸馏器包含底层无盖水箱1、集水槽2、储液槽3、冷凝板4和储水挡板5，其中储水挡板5中的储液槽3用于冷却冷凝板4和作为该级的蒸汽源。太阳能蒸馏器子结构的个数根据需求和工况来确定。冷凝板4具有良好的毛细作用并保持透明，可以有效冷凝水蒸气及输运冷凝水到集水槽2，同时防止冷凝板表面起雾阻碍阳光进入系统。

参照图1～图6，冷凝板4包含表面具有毛细结构的冷凝面401和垂滴面402，其中垂滴面401与集水槽2的内挡板的内壁202相接触(搭接)。垂滴面402与冷凝面401可以为同种材料或不同材料，但垂滴面402的毛细作用力要不弱于冷凝面401。垂滴面402与冷凝面401相互接触，接触方式可以为物理搭接或者合为一体。冷凝面401为水平放置在无盖水箱1或储水挡板5上，其为透明材料，同时具有很强的毛细作用力。垂滴面402为垂直放置，其设置在冷凝面401四周边缘或部分边缘处。优选垂滴面402设置成一个或多个三角形，便于在垂滴面下部尖锐处形成液滴，从而有利于冷凝水的收集。同时，优选垂滴面的高度低于无盖水箱1和储水挡板5的高度约1-2cm。当来自储液槽3的热蒸汽接触冷凝面401时，蒸汽在该表面冷凝成为液体，冷凝所得液体在毛细作用下，从冷凝面401向垂滴面402运输。聚集在垂滴面402下部的液体在重力的作用下，形成水流或水滴流往集水槽2。集水槽2固定连接在无盖水箱1和储水挡板5上，且集水槽2上开有排水口201，用于将收集到的冷凝液体排出蒸馏器。

其中，所述冷凝板4覆盖于所述无盖水箱1上且不与所述储液槽3中的液体接触，该冷凝板4包括表面均设有毛细结构的冷凝面401和垂滴面402，其中所述垂滴面402与所述集水槽2的内挡板内壁202接触，且所述垂滴面402的毛细作用力不弱于所述冷凝面401的毛细作用力，以此方式，冷凝面401用于快速冷凝来自所述储液槽3的水蒸气并通过毛细作用将冷凝水运输至所述垂滴面402，且垂滴面402通过毛细作用快速吸收所述冷凝面401运输过来的冷凝水并将该冷凝水聚集凝水，防止水蒸气直接在冷凝面401聚水；同时，水蒸气的余热能通过冷凝面401传递到上一层太阳能蒸馏器子结构，以实现能量的多级利用。

其中，所述冷凝板4的毛细结构制作方式可以为，利用沉积、旋涂、喷涂、棒涂、压焊等工艺将微米线、纳米线附着在透明玻璃板、亚克力板、塑料膜等材料上，从而形成多孔透明毛细板。或者将微米线、纳米线等材料制作成透明毛细多孔膜，并贴合在玻璃板、亚克力板、塑料膜等材料上。或者基于透明金属有机框架多孔材料制作等。所述微米线、纳米线可以为纤维素等有机材料、也可以为银纳米线等无机材料。所述微米线、纳米线直径优选为100微米以下。所述微米线、纳米线、透明金属有机框架优选为亲水材料。所述微米线、纳米线形成的孔径优选为10mm以下。

如图4和图5所示，无盖水箱1和储水挡板5可以为矩形、多边形或者其他形状，且与所述冷凝板4的形状结构相配，优选为矩形结构。且至少一侧壁上设有进水口101和进水口502，同侧或另一侧设置有出水口102和出水口501。优选为每个侧壁上设有进水口101、进水口502、出水口102和出水口501，以快速输入待净化的污水或海水和排出高浓度海水或污水，其结构形式及数量可以根据实际需求进行设计。无盖水箱1位于蒸馏器的底部，而储水挡板5位于每一级冷凝板4的上方。储水挡板5和其下方的冷凝板4为密封连接，两者组合成一个水槽。储液槽3放置在无盖水箱1和储水挡板5中作为蒸发源。更改蒸馏器的级数时，只需要拆卸或者增加相应的储水挡板5、储液槽3和冷凝板4。优选无盖水箱1和储水挡板5的高度在5cm以内。

如图6所示，储液槽3可以存储海水、污水、纳米流体或含水多孔材料等可以吸收太阳能并产生水蒸气的物质。储液槽3放置在无盖水箱1和储水挡板5中。当储液槽3位于无盖水箱1中时，优选其形式为纳米流体或者含水多孔材料等具有高吸光率的物质。当储液槽3位于储水挡板5中时，优选其形式为海水、污水等较为透明的液体物质，以使阳光透过位于储水挡板5中储液槽3进入位于无盖水箱1中的储液槽3并被充分吸收。当蒸馏器为单级子结构时，位于储水挡板5中的储液槽3作为冷凝液使用，用于降低冷凝板4的温度，促进蒸汽冷凝。当蒸馏器为多级子结构时，位于储水挡板5中的储液槽3同时作为冷凝液和所在级蒸汽源使用，用于降低冷凝板4的温度和回收来自冷凝板4的冷凝潜热。

本发明的太阳能蒸馏器，由于冷凝板水平放置，装置第二层及以上层的水层厚度可根据需要调整，便于适应不同的工况以使系统始终处于较高效率的状态。同时本发明的多个子系统可以根据需求改变各层厚度和形状，适应不同的工作条件，如不同的空间限制。进一步的，本发明装置整体厚度较薄，其多边形结构使得其平放于地面或海面时，具有优良的稳定性和防风能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。