一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置及方法

摘要

本发明提供一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置，包括太阳能集热器、辅助电加热器、闪蒸装置、换热器、腔体、淡水收集器、海水进水泵、真空泵、海水循环泵、浓海水出水泵和PLC控制器，闪蒸装置包括通过管道自下而上依次串联连接的压力逐级减小的一级闪蒸桶、二级闪蒸桶和三级闪蒸桶。本发明提供的海水淡化装置充分利用太阳能加热海水，成本较低，海水淡化效果好，不需要添加化学品，所得淡水水质清澈，同时末级排出的浓海水与新进海水换热之后，也可将这部分海水进行制盐等操作，实现废品利用，同时本装置关于淡水的输出避开了采用泵等动力装置直接将海水抽出，而是选择将一个腔体作为液体输送装置，能量消耗也很少。

说明书

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，主要涉及一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置及方法。

背景技术

随着世界人口的增长、经济的快速发展以及气候的不断变化，全球淡水资源危机不断加重，世界范围内约36％的人口缺少干净安全的饮用水，同时水资源的短缺也阻碍了工业的发展。我国也是水资源短缺的国家之一，由于近年来环境污染导致了淡水资源急剧减少，对于社会的稳定发展造成了很大的影响。淡水资源缺乏是世界上所有国家都要面临的问题，而利用海水淡化解决水资源紧缺的局面已成了很多国家都在关注的问题。

海水淡化的方法包括电渗析法、膜法、蒸馏法和冷冻法等方法。

电渗析法是指将电位差作为推动力，利用离子交换膜的选择透过性脱除水中离子的淡化过程。

膜法从原理上可以分为反渗透膜法和膜蒸馏法。

反渗透法是指将海水加压，迫使海水通过半渗透性膜的淡化过程。这种膜只允许纯水通过而排斥盐离子，在反渗透的过程中，要求处在环境温度下的海水要升高压力，然后将其暴露在半渗透性聚合膜上。反渗透法具有的特点是过程中没有相变，能量耗费少，对有机杂质和不带电荷的杂质，也可以实现分离的作用。

膜蒸馏法是蒸汽通过疏水微孔膜的蒸发过程。大多以温度差为推动力，也有些以浓度差作为推动力。在膜蒸馏过程中没有雾沫夹带液问题，组件的结构很紧凑，适合大型化，不要求较高的操作温度，不需要加热到沸点，可以很好的利用低温低品位热源。

蒸馏法是指将海水加热使它变成水蒸汽，再使水蒸汽冷凝，获得淡水的过程，根据所用能源及流程、设备不同可将其分为闪蒸、压汽蒸馏、竖管多效蒸发和太阳能蒸馏。

冷冻法是利用降温原理，从含盐水中析出冰晶，在其融化后得到淡水。这种方法不需要高温，不会产生腐蚀，运行安全高效，得到的淡水无污染，水质较好。

与传统的热源和动力源相比，太阳能由于其无污染、储藏量丰富等优势，将其与传统的海水淡化技术相结合是一种可持续发展的海水淡化技术，近些年来受到了越来越多的关注。

当前海水淡化设备遇到主要问题就是能源消耗量大、投资成本高、产水率较低，因而对结构简单，成本较低，充分利用可再生能源的高效集热式海水淡化装置的需求越来越大。

发明内容

本发明的目的针对目前海水淡化设备遇到的问题，提供了一种结构简单，海水淡化效果好，设计合理的集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置及方法。

为达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案是：

一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置，包括太阳能集热器、辅助电加热器、闪蒸装置、换热器、腔体、淡水收集器、海水进水泵、真空泵、海水循环泵、浓海水出水泵和PLC控制器，所述闪蒸装置包括通过管道自下而上依次串联连接的压力逐级减小的一级闪蒸桶、二级闪蒸桶和三级闪蒸桶，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的结构相同，由上至下依次设置有排气口、冷凝管、淡水槽、喷洒器和海水出口，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的所述排气口的出口分别设有第三电动阀、第四电动阀和第五电动阀并通过管道连接有所述真空泵，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的所述排气口的出口还分别设有第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的所述冷凝管串联连接，所述三级闪蒸桶的所述冷凝管的入口与所述换热器的新海水出口连通，所述一级闪蒸桶的所述冷凝管的出口通过设有第一电动阀的管路与所述太阳能集热器的入口连通，所述一级闪蒸桶的所述喷洒器的入口通过设有所述海水循环泵的管路与所述太阳能集热器的出口连通，所述一级闪蒸桶的所述海水出口通过管路与所述二级闪蒸桶的所述喷洒器连通，所述二级闪蒸桶的所述海水出口通过管路与所述三级闪蒸桶的所述喷洒器连通，所述三级闪蒸桶的所述海水出口通过设有所述浓海水出水泵的管路与所述换热器的浓海水进口连通，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的所述淡水槽出口分别设有第六电动阀、第七电动阀和第八电动阀并通过管道与所述腔体的进口连通，所述太阳能集热器的两端之间还并联着设有所述辅助电加热器和第二电动阀的管路，所述太阳能集热器的出口还设有温度传感器，所述换热器还设有新海水进口和浓海水出口，所述换热器的新海水进口与所述海水进水泵的出口连通，所述腔体的位置低于所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶，所述腔体的出口还通过设有第九电动阀的管路与位置低于所述腔体的所述淡水收集器的进口连通，所述腔体内由低到高依次设置有第一水位传感器、第二水位传感器、第三水位传感器和第四水位传感器，所述第一水位传感器、所述第二水位传感器、所述第三水位传感器、所述第四水位传感器、所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和所述温度传感器均通过信号电缆与所述PLC控制器连接，所述第一电动阀、所述第二电动阀、所述第三电动阀、所述第四电动阀、所述第五电动阀、所述第六电动阀、所述第七电动阀、所述第八电动阀和所述第九电动阀均通过控制电缆与所述PLC控制器连接并受所述PLC控制器控制。

进一步，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的内壁和外壁之间设有隔热层，从而增加保温效果。

进一步，所述第一电动阀、所述第二电动阀、所述第三电动阀、所述第四电动阀、所述第五电动阀、所述第六电动阀、所述第七电动阀、所述第八电动阀和所述第九电动阀均为直行程电动阀，更加结实耐用。

进一步，所述换热器优选为管壳式换热器，安装简便。

进一步，太阳能集热器包括全玻璃真空集热管和集热器联箱，全玻璃真空集热管可以有多个，其开口端插入到集热器联箱内。

进一步，所述淡水收集器的出口还连接有出水喷头，方便取水。

本发明还提供上述集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：启动所述真空泵，开启所述第三电动阀，在所述真空泵的作用下所述一级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述一级闪蒸桶内的压力达到所述第一压力传感器设定的值，所述第一压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第三电动阀关闭，并打开所述第四电动阀，同理在所述真空泵的作用下所述二级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述二级闪蒸桶内的压力达到所述第二压力传感器设定的值，所述第二压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第四电动阀关闭并打开所述的第五电动阀，同理在所述真空泵的作用下所述三级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述三级闪蒸桶内的压力达到所述第三压力传感器设定的值，所述第三压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第五电动阀和所述真空泵关闭；

步骤二：将所述海水进水泵的进口连通海水，并启动所述海水进水泵、所述海水循环泵和所述浓海水出水泵并打开所述第一电动阀，此时海水经过所述海水进水泵加压进入所述换热器进行换热后进入所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶的所述冷凝管，然后通过管道流入所述太阳能集热器，在所述太阳能集热器内加热后经过所述海水循环泵二次加压，然后通过所述一级闪蒸桶的所述喷洒器进入所述一级闪蒸桶，由于所述一级闪蒸桶内的压力低于进入的海水所对应的饱和蒸汽压，所以海水在进入所述一级闪蒸桶后，会立刻发生部分蒸发，同时未蒸发的海水温度降低，继续通过所述二级闪蒸桶的所述喷洒器进入所述二级闪蒸桶，所述二级闪蒸桶内的压力低于进入海水对应的饱和蒸汽压，因而仍会有部分蒸发，同时未蒸发的海水温度继续降低，然后通过所述三级闪蒸桶的所述喷洒器进入所述三级闪蒸桶，继续发生闪蒸，部分未发生闪蒸的海水温度继续降低，并通过所述三级闪蒸桶的所述海水出口在所述浓海水出水泵的作用下流入所述换热器的所述浓海水进口，与新海水进行换热后从所述换热器的所述浓海水出口流出，所述一级闪蒸桶、所述二级闪蒸桶和所述三级闪蒸桶中的蒸汽遇到所述冷凝管后，冷凝得到淡水，被所述淡水槽收集；

步骤三：所述PLC控制器控制所述第八电动阀打开，此时所述腔体与所述三级闪蒸桶连通，所述腔体内的气体通过管道进入所述三级闪蒸桶内，当两容器的压力平衡时，所述三级闪蒸桶中的淡水通过管道在重力的作用下流入所述腔体；

步骤四：当流入所述腔体内的水位达到所述第二水位传感器时，所述第二水位传感器将监测到的信号传送给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第八电动阀关闭，控制所述第七电动阀打开，由于所述三级闪蒸桶与所述腔体进行过压力平衡，所述腔体内的压力从常压变成了负压，同时其内部的压力低于所述二级闪蒸桶与所述一级闪蒸桶的压力，因此当所述第七电动阀打开后，所述二级闪蒸桶内的淡水直接流进所述腔体内；

步骤五：当流入所述腔体内的水位达到所述第三水位传感器时，所述第三水位传感器将监测到的信号传送给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第七电动阀关闭，控制所述第六电动阀打开，由于所述腔体内的压力低于所述一级闪蒸桶内的压力，因此当所述第六电动阀打开后，所述一级闪蒸桶内的淡水直接流进所述腔体内；

步骤六：当流入所述腔体内的水位达到所述第四水位传感器时，所述第四水位传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第六电动阀关闭，控制所述第九电动阀打开，所述腔体内的压力恢复到常压，同时淡水在重力的作用下流入所述淡水收集器；

步骤七：当所述腔体内的淡水完全流出，所述腔体内第一水位传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第九电动阀关闭。

进一步，当所述温度传感器监测到所述太阳能集热器出口的温度低于设定值时，所述PLC控制器控制所述第二电动阀打开并开启所述辅助电加热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的海水淡化装置充分利用可再生能源太阳能加热海水，设备简单，连接紧凑，成本较低，海水淡化效果好，不需要添加化学品，所得淡水水质清澈，同时末级排出的浓海水与新进海水换热之后，也可将这部分海水进行制盐等操作，实现废品利用，不仅可以解决水资源短缺，也秉持着可持续发展的理念。同时本装置关于淡水的输出避开了采用泵等动力装置直接将海水抽出，而是选择将一个腔体作为液体输送装置，通过将腔体与最低压力的三级闪蒸桶进行压差平衡，由于腔体的体积很小，所以三级闪蒸桶在与它进行压力平衡时，很短的时间就可以实现，能量消耗也比较少。同时，一级闪蒸桶与二级闪蒸桶与腔体连通后，会直接通过管道将淡水流到腔体内，腔体在这个过程中，压力也逐渐得到了回升，节省了将淡水流到淡水收集器的时间，通过消耗一级的压差，实现多级闪蒸桶内淡水的直接流出，这种逐级利用压差，有效的实现了节能。

附图说明

图1是本发明实施例的装置构造示意图；

图中：1为太阳能集热器、2为助电加热器、3为一级闪蒸桶、4为二级闪蒸桶、5为三级闪蒸桶、6为换热器、7为腔体、8为淡水收集器、9为海水进水泵、10为真空泵、11为海水循环泵、12为浓海水出水泵、13为温度传感器、14为第一压力传感器、15第二压力传感器、16为第三压力传感器、17为第一水位传感器、18为第二水位传感器、19为第三水位传感器、20为第四水位传感器、21为所述第一电动阀、22为第二电动阀、23为第三电动阀、24为第四电动阀、25为第五电动阀、26为第六电动阀、27为第七电动阀、28为第八电动阀、29为第九电动阀、30为冷凝管、31为PLC控制器、32为淡水槽、33为出水喷头、34为排气口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示：为本发明的一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置，包括太阳能集热器1、辅助电加热器2、闪蒸装置、换热器6、腔体7、淡水收集器8、海水进水泵9、真空泵10、海水循环泵11、浓海水出水泵12和PLC控制器31，所述闪蒸装置包括通过管道自下而上依次串联连接的压力逐级减小的一级闪蒸桶3、二级闪蒸桶4和三级闪蒸桶5，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的结构相同，由上至下依次设置有排气口34、冷凝管30、淡水槽32、喷洒器和海水出口，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的所述排气口34的出口分别设有第三电动阀23、第四电动阀24和第五电动阀25并通过管道连接有所述真空泵10，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的所述排气口34的出口还分别设有第一压力传感器14、第二压力传感器15和第三压力传感器16，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的所述冷凝管30串联连接，所述三级闪蒸桶5的所述冷凝管30的入口与所述换热器6的新海水出口连通，所述一级闪蒸桶3的所述冷凝管30的出口通过设有第一电动阀21的管路与所述太阳能集热器1的入口连通，所述一级闪蒸桶3的所述喷洒器的入口通过设有所述海水循环泵11的管路与所述太阳能集热器1的出口连通，所述一级闪蒸桶3的所述海水出口通过管路与所述二级闪蒸桶4的所述喷洒器连通，所述二级闪蒸桶4的所述海水出口通过管路与所述三级闪蒸桶5的所述喷洒器连通，所述三级闪蒸桶5的所述海水出口通过设有所述浓海水出水泵12的管路与所述换热器6的浓海水进口连通，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的所述淡水槽32出口分别设有第六电动阀26、第七电动阀27和第八电动阀28并通过管道与所述腔体7的进口连通，所述太阳能集热器1的两端之间还并联着设有所述辅助电加热器2和第二电动阀22的管路，所述太阳能集热器1的出口还设有温度传感器13，所述换热器6还设有新海水进口和浓海水出口，所述换热器6的新海水进口与所述海水进水泵9的出口连通，所述腔体7的位置低于所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5，所述腔体7的出口还通过设有第九电动阀29的管路与位置低于所述腔体7的所述淡水收集器8的进口连通，所述腔体7内由低到高依次设置有第一水位传感器17、第二水位传感器18、第三水位传感器19和第四水位传感器20，所述第一水位传感器17、所述第二水位传感器18、所述第三水位传感器19、所述第四水位传感器20、第一压力传感器14、第二压力传感器15、第三压力传感器16和所述温度传感器13均通过信号电缆与所述PLC控制器31连接，所述第一电动阀21、所述第二电动阀22、所述第三电动阀23、所述第四电动阀24、所述第五电动阀25、所述第六电动阀26、所述第七电动阀27、所述第八电动阀28和所述第九电动阀29均通过控制电缆与所述PLC控制器31连接并受所述PLC控制器31控制。

所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的内壁和外壁之间设有隔热层。

所述第一电动阀21、所述第二电动阀22、所述第三电动阀23、所述第四电动阀24、所述第五电动阀25、所述第六电动阀26、所述第七电动阀27、所述第八电动阀28和所述第九电动阀29均为直行程电动阀。

所述换热器6为管壳式换热器。

太阳能集热器1包括全玻璃真空集热管和集热器联箱。

所述淡水收集器8的出口还连接有出水喷头33。

本发明的一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：启动所述真空泵，开启所述第三电动阀，在所述真空泵的作用下所述一级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述一级闪蒸桶内的压力达到所述第一压力传感器设定的值，所述第一压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第三电动阀关闭，并打开所述第四电动阀，同理在所述真空泵的作用下所述二级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述二级闪蒸桶内的压力达到所述第二压力传感器设定的值，所述第二压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第四电动阀关闭并打开所述的第五电动阀，同理在所述真空泵的作用下所述三级闪蒸桶内的压力逐渐降低，当所述三级闪蒸桶内的压力达到所述第三压力传感器设定的值，所述第三压力传感器将监测到的信号传给所述PLC控制器，所述PLC控制器根据接收到的信号作出判断，控制所述第五电动阀和所述真空泵关闭；

步骤二：将所述海水进水泵9的进口连通海水，并启动所述海水进水泵9、所述海水循环泵11和所述浓海水出水泵12并打开所述第一电动阀21，此时海水经过所述海水进水泵9加压进入所述换热器6进行换热后进入所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5的所述冷凝管30，然后通过管道流入所述太阳能集热器1，在所述太阳能集热器1内加热后经过所述海水循环泵11二次加压，然后通过所述一级闪蒸桶3的所述喷洒器进入所述一级闪蒸桶3，由于所述一级闪蒸桶3内的压力低于进入的海水所对应的饱和蒸汽压，所以海水在进入所述一级闪蒸桶3后，会立刻发生部分蒸发，同时未蒸发的海水温度降低，继续通过所述二级闪蒸桶4的所述喷洒器进入所述二级闪蒸桶4，所述二级闪蒸桶4内的压力低于进入海水对应的饱和蒸汽压，因而仍会有部分蒸发，同时未蒸发的海水温度继续降低，然后通过所述三级闪蒸桶5的所述喷洒器进入所述三级闪蒸桶5，继续发生闪蒸，部分未发生闪蒸的海水温度继续降低，并通过所述三级闪蒸桶5的所述海水出口在所述浓海水出水泵12的作用下流入所述换热器6的所述浓海水进口，与新海水进行换热后从所述换热器6的所述浓海水出口流出，所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5中的蒸汽遇到所述冷凝管30后，冷凝得到淡水，被所述淡水槽32收集；

步骤三：所述PLC控制器29控制所述第八电动阀28打开，此时所述腔体7与所述三级闪蒸桶5连通，所述腔体7内的气体通过管道进入所述三级闪蒸桶5内，当两容器的压力平衡时，所述三级闪蒸桶5中的淡水通过管道在重力的作用下流入所述腔体7；

步骤四：当流入所述腔体7内的水位达到所述第二水位传感器18时，所述第二水位传感器18将监测到的信号传送给所述PLC控制器31，所述PLC控制器31根据接收到的信号作出判断，控制所述第八电动阀28关闭，控制所述第七电动阀27打开，由于所述三级闪蒸桶5与所述腔体7进行过压力平衡，所述腔体7内的压力从常压变成了负压，同时其内部的压力低于所述二级闪蒸桶4与所述一级闪蒸桶3的压力，因此当所述第七电动阀27打开后，所述二级闪蒸桶4内的淡水直接流进所述腔体7内；

步骤五：当流入所述腔体7内的水位达到所述第三水位传感器19时，所述第三水位传感器19将监测到的信号传送给所述PLC控制器31，所述PLC控制器31根据接收到的信号作出判断，控制所述述第七电动阀27关闭，控制所述第六电动阀26打开，由于所述腔体7内的压力低于所述一级闪蒸桶3内的压力，因此当所述第六电动阀26打开后，所述一级闪蒸桶3内的淡水直接流进所述腔体7内；

步骤六：当流入所述腔体7内的水位达到所述第四水位传感器20时，所述第四水位传感器20将监测到的信号传给所述PLC控制器31，所述PLC控制器31根据接收到的信号作出判断，控制所述第六电动阀26关闭，控制所述第九电动阀29打开，所述腔体7内的压力恢复到常压，同时淡水在重力的作用下流入所述淡水收集器8；

步骤七：当所述腔体7内的淡水完全流出，所述腔体7内第一水位传感器15将监测到的信号传给所述PLC控制器31，所述PLC控制器31根据接收到的信号作出判断，控制所述第九电动阀29关闭。

进一步，当所述温度传感器13监测到所述太阳能集热器1出口的温度低于设定值时，所述PLC控制器31控制所述第二电动阀22打开并开启所述辅助电加热器2。

如此循环，根据所述腔体7与所述一级闪蒸桶3、所述二级闪蒸桶4和所述三级闪蒸桶5内所述淡水槽32的比例，计算出需要循环多少次，可以将每日闪蒸产得的淡水全部送到所述淡水收集器8内。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。