一种具有主动冷凝功能的晾晒式海水淡化装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能海水淡化的技术领域，尤其涉及一种具有主动冷凝功能的晾晒式海水淡化装置及方法。
【背景技术】
[0002]地球上由于含盐度太高而不能直接饮用和灌溉的海水占据了总水量的97%以上，人类真正可以利用的淡水只占全球总水量已不足0.36%，淡水的供应不足是全球面临的一个严峻问题。现代工业的迅速发展使得淡水需求量激增，同时也使得大量河流湖泊等水体污染，进一步加剧了人类的淡水供求矛盾。考虑到能源日益紧缺，找到新的海水淡化方法迫在眉睫。
[0003]海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是有效解决水资源危机的重要手段之一。利用太阳能进行海水淡化分为热法和膜法，热法是利用太阳能产生热能驱动海水相变的过程，膜法是利用太阳能发电以驱动渗析过程，前者利用低级能，后者利用高级能。传统的海水淡化工艺包括多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透等等，当前的太阳能技术与任何一种传统的海水淡化工艺相结合都能形成新的装置。
[0004]热法太阳能海水淡化技术实际应用最早，目前太阳能蒸馏装置主要有主动式系统和被动式系统两大类。被动式太阳能蒸馏装置设计简单，运行费用极低，但是单位采光面积的产水量较低，内部传热传质主要靠自然对流，效率不高，典型的如单级盘式蒸馏器最理想的效率也不到35%，在增大凝结盖板的面积时，由于散热面积同时增大了，产水量反而有较多降低。
[0005]主动式太阳能蒸馏装置在被动式的基础上增加了额外的辅助元件，使其运行温度大幅度提高，改善了内部的传热传质过程，另外它能主动回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，因而这类系统比传统太阳能蒸馏系统的产水量高出一倍以上。但是这种系统里辅助加热海水的太阳能集热器会增加占地面积和运行费用，辅助强化自然对流的风机会消耗电能，同时也使得装置复杂化，有些系统将蒸馏和冷凝分开，即外带冷凝器，大幅度提升了系统产水率，却使得设备更加复杂化，投资成本更高。这些太阳能蒸馏器白天可以很好地利用太阳辐射，在夜间的低温环境下，如果没有配备储热水箱，产水量将大打折扣。中国专利CN102225787A公开了一种复合式太阳能海水淡化装置及方法，装置通过平板集热器和复合抛物面集热器吸收太阳能，使海水进行降膜和薄膜蒸发，收集蒸汽并冷凝得到淡水，充分利用了凝结潜热，但是该装置适合于高玮度地区，运行成本高，占地面积大，结构较为复杂。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有太阳能海水淡化技术存在的不足，提供了一种具有主动冷凝功能的晾晒式海水淡化装置，低成本运作地基础上充分提高热能利用率，降低装置的热惰性，提高能量利用率和产水效率。
[0007]本发明提供了一种海水淡化装置，如图1，包括透明密闭壳体1、晾晒式蒸发体2、内置冷凝器3、供水与喷淋子系统、淡水回收器和余热回收子系统4等主体组成部分，可以通过添加自然对流循环人为增强系统和辅助加热系统提高装置产水效率。所述的透明密闭壳体I是由透光性能好的材料做成的壳体，分为上壳体和下壳体两部分，可以是单层或双层，双层可以减少热量的损失；所述的晾晒式蒸发体2是由吸光效果好的深色织物或多孔弹性材料2-1包裹着供水系统管路2-2和(或)辅助加热管路2-3形成的，其截面如图2所示，蒸发体内外两侧均为蒸发面，外侧晾晒于太阳光下，蒸发体的外侧和透明密闭壳体I外侧形成一个蒸发冷凝区，由蒸发体外侧海水蒸发的蒸汽凝结在壳体内壁上，蒸发体的内侧和内置冷凝器3的外侧形成了另一个蒸发冷凝区，由蒸发体内侧海水蒸发的部分蒸汽凝结在冷凝器外沿壁3-1外侧上，蒸发体每层之间留有一定间隙；所述的内置冷凝器3的主体是一组海水管，它通过与淡水蒸汽进行热交换以升高海水的温度，同时使蒸汽释放潜热凝结成淡水；所述的供水与喷淋子系统是由上水柱12、冷凝器3中的海水管、蒸发体2中的海水管、喷淋管7和喷头5组成，作用是将海水通过管路引至晾晒式蒸发体2的上部并喷淋或滴洒至蒸发体表面；所述的淡水回收器包括内置冷凝器3下方的淡水回收区(淡水回收区由套杯9内圈围成)和透明密闭壳体I内壁，作用是回收各部分凝结的淡水；所述的余热回收子系统4指蒸发体表面未及时蒸发的海水向下流动聚集在蒸发体底部形成的浓海水池，作用是利用浓海水的余热来预热冷海水；所述的自然对流循环人为增强系统是由内置冷凝器3外沿壁3-1的收敛型间隙形成的，利用区域之间温度的差异以及热蒸汽与干空气比重的差异，形成一个自然的对流循环，如图3所示，加速冷凝和蒸发；所述的辅助加热系统指辅助加热管2-3和辅助热源，可通过电加热体、热气体或热流体加热蒸发体使得蒸发体升温，增强其蒸发海水的能力。在太阳光充足的情况下，可以不使用辅助加热管，而在太阳光不充足的时候，才使用辅助加热管。
[0008]海水淡化的方法是:海水先经上水柱8进入冷凝器3内，海水通过管壁与冷凝器中分布的淡水蒸汽进行热交换完成海水的第一次预热，之后通过连接器件将海水管接入晾晒式蒸发体2，蒸发体中的辅助加热管通热源，蒸发体下部分浸泡在余热回收子系统4的浓海水中，海水通过管壁与浓海水进行热交换完成海水的第二次预热，未浸泡在浓海水中的蒸发体则晾晒于太阳光下，海水管内的海水在上升的过程中通过管壁与吸光效果好的深色织物或多孔弹性材料2-1进行热交换完成海水的第三次预热，经过预热的海水到达蒸发体上部后分成两路，一路接喷淋管7，另一路接喷头5，通过喷淋或滴洒的方式将海水喷至蒸发体表面，海水从上向下渗透，蒸发体每层之间有一定的间隙，间隙大小保证内侧喷洒的海水不会溅到透明密闭壳体壁上，同时一定量的太阳辐射可以进入内侧，这样在层与层之间形成降膜蒸发的效果，每一层蒸发体表面的薄海水膜在太阳光和辅助热的作用下蒸发形成淡水蒸汽，外侧的一部分淡水蒸汽在透明密闭壳体I内壁上凝结成淡水，一部分淡水蒸汽在蒸发体两侧的温度差的作用下透过蒸发体间隙向内侧流动，加快蒸发速度，蒸发体内侧的隔离罩6以上部分的淡水蒸汽进入透明密闭壳体I的上壳体内壁凝结，蒸发体内侧的隔离罩6以下部分的淡水蒸汽一部分进入冷凝器3中，一部分在冷凝器外沿壁3-1外侧上凝结，冷凝器外沿壁外侧3-1和冷凝器3中的凝结的淡水进入冷凝器下方的淡水回收区，透明密闭壳体内壁凝结的淡水从底部直接输出，未及时蒸发的海水向下流动汇集在余热回收子系统4中，形成浓海水池，用来加热将要进行第二次预热的海水，同时浓海水表面进行蒸发，形成的淡水蒸汽和蒸发体内侧的淡水蒸汽合并在一起。
[0009]所述的海水淡化装置包括三个蒸发区和三个冷凝区，晾晒式蒸发体I内侧海水膜为主蒸发区，晾晒式蒸发体I外侧海水膜和余热回收子系统4的浓海水表面为2个副蒸发区，冷凝器3为主冷凝区，冷凝器外沿壁3-1和透明密闭壳体I内壁为2个副冷凝区。
[0010]如果蒸发和冷凝速度不能满足要求，则可以添加自然对流循环人为增强系统，SP通过在内置冷凝器外沿壁3-1外侧形成收敛型间隙，利用区域之间温度的差异以及热蒸汽与干空气比重的差异，形成一个增强的自然的对流循环。
[0011]如果太阳辐射不能满足要求，则可以添加辅助加热系统，即在蒸发体内部添加一路管路，通过电加热体、热气体或热流体加热蒸发体，这样即使在多云天和晚上，也可以进行海水淡化，晚上的温度较低，可以加快蒸汽的凝结。
[0012]本发明具有以下有益效果:
[0013]1、本发明采用了透明密闭壳体来吸收太阳光，无论装置在哪个位置，太阳在哪个方位，太阳光都能很好地进入装置。壳体可以是单层或双层，双层的中间间隙起隔热作用，极大地阻止了装置内部热量的散失。
[0014]2、本发明采用了晾晒式蒸发体，蒸发体外侧绝大部分晾晒于太阳光下，和以前的蒸发体相比，充分增大了蒸发表面和蒸发速率。
[0015]3、本发明充分利用热蒸汽凝结释放的潜热和未及时蒸发的海水来预热海水，使得装置热量的损失降到最低
[0016]4、本发明在太阳辐射不能满足的情况下，可以采用辅助热源，不仅白天可以高效产水，晚上也可以利用热源和环境降低造成的温差增加淡水的产量。
[0017]5、本发明中蒸发体与冷凝器之间的结构加强气体形成自然对流循环。
[0018]6、本发明结构简单，装置紧凑合理，所有器件成本低廉，可操作性高，可以根据用户用水量需求选择相应的装置尺寸和规模。
【附图说明】
[0019]图1是以球形海水淡化装置为例说明的海水淡化装置的组成结构图；
[0020]图2是晾晒式蒸发体单层横截面图；
[0021]图3是以球形海水淡化装置为例说明的自然对流循环增强系统图；
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