小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置

摘要

一种小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置，包括有前后依次串联起来的8个工作级；其中，第一工作级为集热结构，由至少1个第一集热单元并联而成，第二工作级至第七工作级各级的结构相同，为集热/蒸发/冷凝三位一体结构，每一工作级各包含1个第二集热单元；第一工作级至第七工作级通过控制各工作级的工作温度，实现蒸汽在非负压的条件下逐级降温冷凝；第八工作级为冷却结构，将蒸汽全部冷凝为淡水并收集储存。本发明采用中温中压水蒸气逐级降温回热、热管传热和重力型液滴降膜蒸发技术，将太阳能中温集热器、热管和降膜蒸发/冷凝装置合为一体，不需要任何动力装置，提高了热利用效率和制水率，降低了成本，适用于渔船、海岛和沙漠地区，具有较好的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能海水淡化设备，具体涉及一种用于海水淡化和净水处理的 小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置，属于太阳能技术领域。

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。地球表面积约为5.1亿平方公 里，其中海洋面积就占据了它的70.8％。若从地球上人均占有水量来看，水资源是十 分丰富的，人类似乎不应有缺水之虞。然而，由于含盐度太高而不能直接饮用或灌溉 的海水占据了地球上总水量的97％以上，仅剩的不到3％的淡水，其分布也极其不均， 它的3/4被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中，其余的从分布上说，地下水也比地 表水多得多(多37倍左右)，剩下的存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水 已不足0.36％。随着经济社会的高速发展和人口的急剧增加，淡水资源危机已成为仅 次于全球气候变暖的世界第二大环境问题。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其储量丰富，无污染，无毒害，取 用方便。将太阳能应用于海水淡化技术，利用太阳能作为热源，蒸馏海水，这种不受 蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗的技术，在能源紧缺的未来具有很强的竞争 优势。

目前已公开的各种太阳能海水淡化装置一般采用传统的金属管横管或竖管降膜蒸 发多效回热式(例如中国实用新型专利申请号01240510.8)、闪蒸多效回热式(例如 中国发明专利申请号200510042840.5)。这些装置存在有下列共同的问题，使得装置 难以小型化和商业化推广使用。一是金属管降膜蒸发多级回热方式使得蒸发和冷凝装 置庞大而复杂；二是由于热源温度低，这些太阳能海水淡化装置必须要使用真空泵来 保持负压运行，为此对装置的密封性要求非常高，而且真空泵比较昂贵，长时间连续 工作容易损坏。此外，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 发效率低下，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都是太 阳能集热器与后面的蒸发冷凝装置分离，太阳能集热器仅仅起一个热源供给作用，这 也使得整个系统庞大昂贵，性价比很低，因此目前还未见中小型太阳能海水淡化装置 能够商业化使用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种小型太阳能多级降膜蒸发回热式 海水淡化装置，将集热器、蒸发器和冷凝器集中在一个单元，不需要任何动力装置， 三位一体在非负压状态下运行，使系统在结构更加紧凑简单的同时，降低装置成本和 运行成本，提高蒸发换热系数和制水性能系数，以适应于渔船、海岛以及沙漠地区。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置，其包括有前后依次串联起来 的8个工作级；其中，第一工作级为集热结构，由至少1个第一集热单元并联而成， 利用太阳能加热并降膜蒸发海水，产生蒸汽进入下一工作级；第二工作级至第七工作 级各级的结构相同，为集热/蒸发/冷凝三位一体结构，每一工作级各包含1个第二集热 单元，回收前一工作级产生的蒸汽的冷凝潜热，并利用太阳能共同加热且降膜蒸发海 水，产生蒸汽进入下一工作级；该第一工作级至第七工作级通过控制各工作级的工作 温度，实现蒸汽在非负压的条件下逐级降温冷凝；第八工作级为冷却结构，将蒸汽全 部冷凝为淡水并收集储存。

进一步地，所述的第一集热单元包括中温集热器、海水箱、蒸汽出气管、热管和 调节阀；所述中温集热器包括安装在支架上的全玻璃真空太阳集热管及其外周的CPC 聚光板；所述海水箱被中间的一水平隔板分成为两部分，上半部是用于容纳海水的储 存箱，下半部是用于加热蒸发海水的蒸发室，所述水平隔板上开有内圈供液开孔，该 储存箱的顶部设有用于进入海水的供液口；所述蒸汽出气管的内端通过所述储存箱插 入所述蒸发室，外端与其它第一集热单元的蒸汽出气管并联连接；所述热管包括插在 所述全玻璃真空太阳集热管中的蒸发段、位于该全玻璃真空太阳集热管与所述海水箱 之间的绝热段和安装在该海水箱的蒸发室中的冷凝段，所述蒸发段的外周缠绕导热纸 并紧密插入所述全玻璃真空太阳集热管中，以保证热量的快速良好传递，所述冷凝段 的上部安装有位置对应于所述内圈供液开孔的环肋以承接由该内圈供液开孔滴下的海 水，在该环肋与冷凝段的接触处开有豁口以使海水通过该豁口流下并在所述热管的冷 凝段的表面形成降膜并进而被蒸发；所述调节阀设置于所述储存箱的供液口处，控制 海水从供液开孔滴出的速度，从而控制海水降膜的形成速度，实现对该工作级的工作 温度的控制；

所述的第二集热单元包括回热盘管和所述第一集热单元，该回热盘管位于所述海 水箱的蒸发室内且盘绕在所述热管的冷凝段的外周，两端分别设有气液入口和气液出 口，所述水平隔板上还开有外圈供液开孔，该外圈供液开孔的圆心所在圆的直径与所 述回热盘管的盘绕直径相同，以保证海水能够滴在该回热盘管的表面形成降膜并进而 被蒸发；

在第二工作级至第七工作级中，第二工作级的回热盘管的气液入口与第一工作级 的蒸汽出气管连接，其余工作级的回热盘管的气液入口与其前一工作级的气液出口连 接，第七工作级的回热盘管的气液出口与第八工作级连接，形成逐级多效回热的水汽 通路和第一工作级至第八工作级的串联结构。

进一步地，所述的第八工作级包括将蒸汽全部冷凝为淡水的冷却池和收集储存淡 水的淡水箱。

进一步地，所述的环肋呈向上倾斜30°的形状。

进一步地，在所述的回热盘管的气液出口处装有用以降低冷凝后的前级蒸汽压力 的减压阀或者减压孔板。

进一步地，所述的蒸汽出气管的内端连接有气液分离器。

进一步地，在所述的第一工作级至第七工作级中，各工作级的工作温度依次为 150℃、142℃、134℃、126℃、118℃、110℃和102℃。

进一步地，所述的第一集热单元的数量为8个。

本发明综合采用了中温中压水蒸气自动逐级流动换热、热管传热和重力型液滴降 膜蒸发技术，与现有的技术相比，具有下列优点：

1)所述海水淡化装置的集热单元将太阳能中温集热器、热管和降膜蒸发/冷凝装置 组合为一体，使装置结构更加紧凑，同时在第一工作级中将海水加热到温度大幅度超 过大气压下水的饱和温度(100℃)后蒸发为水蒸气，海水箱内的水蒸气压力超过大气 压，这样能够在高压和常压(即非负压状态)下进行多级蒸发和回热冷却，从而不必 使用真空泵来形成负压运行条件，不需要任何动力装置，因而简化了系统的结构，使 之便于运输和安装，大大降低了装置成本和运行成本，尤其适应渔船、海岛以及沙漠 环境的应用。

2)本发明采用最高效的降膜蒸发方式，其集热单元使用热管连接中温集热器和海 水箱，利用热管良好的导热性和等温性，将全玻璃真空太阳集热管吸收的太阳辐射能 快速地导向热管冷凝段，海水依靠重力通过水平隔板上的供液开孔自动滴下，淋在热 管冷凝段的表面和回热盘管的外表面，形成多效降膜蒸发产生水蒸气，从而大大提高 了蒸发传热系数，在相同的换热面积条件下能够获得更大的制水量。

3)所述海水淡化装置的第二工作级至第七工作级采用多级集热/蒸发/冷凝一体化 集热单元串联的结构，通过调节各级工作温度的不同而进行高压和常压下的多级蒸发 和冷凝换热，逐级加热海水和冷却水蒸汽，使用这种逐级降温回热方式回收蒸汽的冷 凝潜热，提高了太阳能的利用率以及海水的淡化制水率。

总之，本发明所述海水淡化装置具有热利用效率高、蒸发换热系数和制水性能系 数大、淡化制水率高、结构简单、装置成本和运行成本低、运输和安装方便、能够在 非负压状态运行等特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是第一集热单元的结构示意图。

图3是第二集热单元的结构示意图。

图4是第二集热单元水平隔板的示意图。

图中：1支架，2CPC聚光板，3全玻璃真空太阳集热管，4导热纸，5热管，6 海水箱，7水平隔板，8海水，9调节阀，10供液口，11蒸汽出气管，12气液分 离器，13环肋，14回热盘管，15减压阀，16排液口，17气液入口，18气液出口， 19冷却池，20淡水箱，21内圈供液开孔，22外圈供液开孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，该实施例以本发明的技术方案为前 提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。

如图1所示，所述小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置包括有前后依次 串联起来的8个工作级，即第一工作级、第二工作级、第三工作级、第四工作级、第 五工作级、第六工作级、第七工作级和第八工作级依次首尾相衔接。

所述第一工作级利用太阳能加热并降膜蒸发海水，产生蒸汽进入下一工作级。该 第一工作级为集热结构，由至少1个第一集热单元并联而成；即第一工作级包括n个 用于加热蒸发海水的第一集热单元，这里n的数量取决于用户的需求和安装场地的大 小，n可以是1也可以是更多，该n个第一集热单元的蒸汽出气管11并联在一起，这 样第一工作级中共有n份有效热量用于加热蒸发海水。本发明采用中温太阳集热技术， 所述第一工作级的最高集热温度控制在150℃左右。

所述的第一集热单元包括中温集热器、海水淡化器以及将该两大部分连接为一体 的热管5，如图2所示。该第一集热单元没有回热盘管，因此第一集热单元只有集热结 构，没有回热结构。

所述中温集热器包括支架1、CPC聚光板2和全玻璃真空太阳集热管3。该全玻璃 真空太阳集热管3安装在支架1上，该CPC聚光板是复合抛物面式聚光集热板，环围 在全玻璃真空太阳集热管3的外周，将太阳辐射能聚集到全玻璃真空太阳集热管3上。

所述海水淡化器主要包括海水箱6、蒸汽出气管11和调节阀9。所述海水箱6分 为上下两部分，被中间的一水平隔板7分开，上半部是用于容纳海水8的储存箱，下 半部是用于加热蒸发海水的蒸发室；该储存箱的顶部设有用于进入海水8的供液口10， 该蒸发室的底部设有排液口16。所述蒸汽出气管11采用双相不锈钢材料以避免海水腐 蚀，其内端通过所述储存箱插入所述蒸发室并且连接有丝网型气液分离器12，以避免 产生的蒸汽中携带海水；该蒸汽出气管11的外端与其它第一集热单元的蒸汽出气管11 并联连接，以形成多个第一集热单元并联的第一工作级结构。所述水平隔板7上开有 内圈供液开孔21，如图4所示，用于热管5冷凝段的供液。

所述热管5为园柱形，包括蒸发段、绝热段和冷凝段共3段；蒸发段插在所述全 玻璃真空太阳集热管3中，绝热段位于该全玻璃真空太阳集热管3与所述海水箱6之 间，冷凝段安装在该海水箱6的蒸发室中。为避免海水腐蚀，所述热管5采用双相不 锈钢材料。所述蒸发段与全玻璃真空太阳集热管3之间是浸过油的导热纸4，该蒸发段 的外周缠绕导热纸4并插入所述全玻璃真空太阳集热管3中以紧密连接，起到加快导 热的作用，保证热量的快速良好传递。所述冷凝段与海水箱6连为一体，可以通过焊 接固定，也可以通过其它方法固定(如胶粘)，热管5与海水箱6之间的固定连接应保 证装置的机械强度。该冷凝段的上部水平地安装有园形的环肋13，位置对应于所述水 平隔板7上的内圈供液开孔21，所述环肋13呈向上倾斜30°的形状，在该环肋13与 冷凝段的接触处开有豁口，这样就能够承接由该内圈供液开孔21滴下的海水，并使海 水通过该豁口沿热管5外壁流下，在所述热管5的冷凝段的表面形成液膜，进而被蒸 发。

所述第一集热单元采用热管5连接中温集热器和海水淡化器，以实现热量的快速 传递。

所述调节阀9设置于所述储存箱的供液口10处，该调节阀9的作用为：控制海水 8从供液开孔滴出的速度，从而控制海水降膜的形成速度，实现对该工作级的工作温度 的控制。

所述装置的第二工作级至第七工作级的各级的结构相同，为集热/蒸发/冷凝三位一 体结构，每一工作级各包含1个第二集热单元，用以回收前一工作级产生的蒸汽的冷 凝潜热，并利用太阳能共同加热且降膜蒸发海水，产生蒸汽进入下一工作级。

所述第二集热单元的结构是在第一集热单元结构的基础上增加一回热盘管，并对 所述水平隔板7的结构进行改进，请参阅图3，所述第二集热单元包括回热盘管14和 第一集热单元。所述回热盘管14采用双相不锈钢材料制成，位于所述海水箱6的蒸发 室内，并且盘绕在所述热管5的冷凝段的外周，该回热盘管14的两端分别设有气液入 口17和气液出口18，该气液出口18处装有减压阀15或者减压孔板，用以降低冷凝后 的前级蒸汽的压力，前一级的高温蒸汽经过回热盘管14被冷凝后，再通过减压阀15 降压，与蒸汽出气管11中的蒸汽汇合，通过气液出口18进入下一工作级。所述第二 集热单元的水平隔板7与第一集热单元略有不同，请参阅图4，除了内圈供液开孔21 外，该水平隔板7上还开有外圈供液开孔22，用于回热盘管14的供液，该外圈供液开 孔22的圆心所在圆的直径与所述回热盘管14的盘绕直径相同，从而保证海水8能够 通过内圈供液开孔21和外圈供液开孔22分别滴在热管5的冷凝段的表面和回热盘管 14的表面形成降膜，并进而被蒸发。

请参阅图1，在第二工作级至第七工作级中，第二工作级的回热盘管14的气液入 口17与第一工作级的蒸汽出气管11连接，其余工作级即第三工作级至第七工作级的 回热盘管14的气液入口17与其前一工作级的气液出口18连接，第七工作级的回热盘 管14的气液出口18与第八工作级连接，形成逐级多效回热的水汽通路和第一工作级 至第八工作级的串联结构。

所述第一工作级至第七工作级通过调节阀9控制各工作级的工作温度，实现蒸汽 在非负压的条件下逐级降温冷凝。

请参阅图1，所述第八工作级为冷却结构，用以将蒸汽全部冷凝为淡水并收集储存。 该第八工作级包括冷却池19和淡水箱20，冷却池19用以将蒸汽全部冷凝为淡水，其 入口与第七工作级的回热盘管14的气液出口18连接，淡水箱20用以收集储存淡水。

以下为本发明的一实施例。

实施例

本实施例中，CPC聚光板2的长宽高分别为1600mm、330mm、146mm，支架1 与地面成30°倾斜摆放。所述海水淡化装置分为8个工作级，共含有8个第一集热单元 和6个第二集热单元，第一工作级是由并联的8个第一集热单元组成。在所述的第一 工作级至第七工作级中，各工作级的工作温度依次为150℃、142℃、134℃、126℃、 118℃、110℃和102℃。各集热单元中的全玻璃真空太阳集热管3的外径为58mm，内 径为47mm，有效长度为1.6m。热管5的外径为45mm，长2.5m。海水箱6的内径为 380mm，整体高度为500mm，中间通过水平隔板7分割成储存箱和蒸发室，上部的储 存箱用于盛放海水8。蒸汽出气管11的尺寸为回热盘管14的尺寸为 盘绕的直径为100mm。系统中产生的水蒸气会依靠两工作级之间的压力差 逐级向下级流动，最终在冷却池19中被完全冷凝，流入淡水箱20。

本实施例中，每个集热单元的采光面积为0.6m²，14个集热单元的总面积为8.4m²， 制水性能系数可达到5.5。这里的制水性能系数指的是，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，表示系统回热性能越好。按 夏天太阳能平均辐射强度600W/m²，全天工作6小时计算，系统全天的制水量可以达 到120kg。假设每一个集热单元的有效辐射吸收功率为Q，在第一工作级中，共有8 个集热单元，那么其用于加热海水的功率即为8Q；第二工作级中，用于加热海水的功 率，除全玻璃真空太阳集热管3吸收的有效功率Q之外，还有来自第一工作级的蒸汽 释放出的汽化潜热，这里假设蒸汽在回热盘管14中被完全冷凝，那么第一工作级蒸汽 释放出的潜热即为8Q，所以第二工作级用于加热海水的功率为9Q，依次类推，后面 各级用于加热海水的功率分别为：10Q、11Q、12Q、13Q、14Q。系统的理想制水性能 系数为：(8Q+9Q+10Q+11Q+12Q+13Q+14Q)/14＝5.5。

本发明的工作过程如下所述。

太阳光照射到各集热单元的CPC聚光板2上，通过CPC聚光板2将太阳辐射能聚 集到全玻璃真空太阳集热管3上，然后通过全玻璃真空太阳集热管3的内管外壁上的 可选择性吸收涂层将光能转化为热量，并通过导热纸4传递到热管5蒸发段的工作介 质，工作介质蒸发，热管5工作，热量快速传至热管5的冷凝段，加热冷凝段外壁上 滴下的海水液膜，形成降膜蒸发。在装置第一工作级的n个第一集热单元中，热管5 冷凝段蒸发产生的蒸汽，通过并联的蒸汽出气管11汇聚在一起，形成高温高压的蒸汽。 第一工作级产生的蒸汽随后进入第二工作级的回热盘管14中，由于各级间温差和压差 的存在，蒸汽在第二工作级的回热盘管14中被冷凝，将潜热释放出来，加热回热盘管 14外表面形成的海水降膜，产生大约与第一工作级相同量的蒸汽。同时，第二工作级 的热管5冷凝段也会加热其表面形成的海水液膜，产生蒸汽，与回热盘管14产生的蒸 汽经过气液分离器12后在蒸汽出气管11汇合。第一工作级的蒸汽经回热盘管14冷凝 后的气液混合物，经过减压阀15降压，与第二工作级的蒸汽出气管11中的蒸汽汇合， 进入第三工作级的回热盘管14。之后每一工作级的工作过程与第二工作级类似。可以 看到，在包括第二工作级的后面各工作级中，海水都会受到前级蒸汽释放的潜热和本 级热管5冷凝段释放的太阳辐射能这两种热量的加热，从而产生比前一级更多的蒸汽。 蒸汽这样被一级一级地冷凝，产生的蒸汽总量也会随之不断增加，最终进入冷却池19 被完全冷凝为淡水，流入淡水箱20。

不同的蒸汽压力对应着不同的蒸汽饱和温度，实现这种多效回热换热法的关键是 控制好每级工作级的工作压力。系统第一工作级的蒸汽温度控制在150℃左右，向后每 级下降约8℃，这样到达最后的第八工作级的蒸汽温度就在100℃左右，即对应一个标 准大气压。

本发明提出了一种小型太阳能多级降膜蒸发回热式海水淡化装置，使用全玻璃真 空太阳集热管构成的太阳中温集热器加热海水，将海水加热到大幅超过大气压下水的 饱和温度的温度，蒸发为水蒸气，海水箱内水蒸气压力超过大气压，从而在高压和常 压下进行多级蒸发和回热冷却，利用系统各级工作温度的不同而进行多效蒸发和冷凝 换热，逐级加热海水和冷却水蒸汽，从而提高太阳能的利用率以及海水淡化制水率。 这种多效回热方式不必使用真空泵来形成负压运行条件，只要利用一些减压阀或者节 流板孔来调节各级压力。另外，本发明应用了热管连接中温集热器和海水淡化器的结 构，利用热管良好的导热性和等温性，将全玻璃真空太阳集热管吸收的太阳辐射能快 速地导向热管冷凝段。在热管冷凝段，采用最高效的降膜蒸发方式，海水依靠重力自 动滴下，淋在热管冷凝段表面，形成降膜蒸发产生水蒸气，从而提高蒸发传热系数， 在相同的换热面积条件下获得更大的制水量。而在第二工作级至第七工作级的回热盘 管中，同样应用降膜蒸发的方法，使海水通过水平隔板上的供液开孔流下，滴在回热 盘管的外表面，形成降膜蒸发。

本发明将太阳能中温集热器、热管和降膜蒸发/冷凝装置合为一体，紧凑了结构， 不需要任何动力装置，大大降低了装置成本和运行成本，提高了热利用效率和淡化制 水率，具有蒸发换热系数大、制水性能系数高(理论值最小为4)、运输安装方便和能 够在非负压状态运行等特点，适用于渔船、海岛以及沙漠地区，具有较好的应用价值。