一种基于环境压力下太阳能驱动产生高温蒸汽的装置的制作方法

本发明属于高温蒸汽新型发生装置技术领域，涉及一种基于环境压力下太阳能驱动产生高温蒸汽的装置。

背景技术：

中高温蒸汽在化学工业、热力加工、食物处理、医疗行业、海水淡化等工农业生产生活中有着非常广泛的应用。一方面，传统的中高温蒸汽往往是通过工业锅炉产生的，这需要消耗大量的煤炭、石油等化石燃料，对环境造成不可逆的破坏，并且，在这些转化过程中，大量能量耗散，利用效率低下。另外一方面，利用太阳能驱动产生的高温蒸汽的方法往往需要在较高的压力或者较高的入射太阳光能。如何在常压以及较低的入射光强下，提高基于太阳能驱动技术产生的蒸汽温度具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于环境压力下太阳能驱动产生高温蒸汽的装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于环境压力下太阳能驱动产生高温蒸汽的装置，包括悬于被加热液体上的加热管道、将所述加热管道与被加热液体的界面隔开的隔热材料，以及一端连接所述加热管道内壁的入口、另一端穿过所述隔热材料并伸入被加热液体内的亲水材料，所述加热管道的内外表面具有高吸收率的光热转换材料。

进一步的，所述光热转换材料包括石墨、炭黑或黑色氧化铜等等。

进一步的，所述光热转换材料表面进行超疏水处理，使具备超疏水性质的材料一方面可以保证水在管道入口即时蒸发，另一方面保证产生的蒸汽在管道内进行有效地加热。

进一步的，所述加热管道为直管状、盘管状或螺旋状等，在蒸发以及加热过程中，加热管道的材料能耐受蒸汽产生的温度以及产生的压力，保持一定的几何外形，不至于使管道变形或者破裂。

进一步的，所述亲水材料为无尘纸等。

进一步的，所述隔热材料为pdms泡沫膜。

本发明的工作原理为：参见图1所示，整个装置置于被加热液体上方，即作为太阳能集热器又是蒸汽加热器，加热管道的内外表面均具有提高太阳能吸收率的高吸收率的光热转换材料(优选进行超疏水处理)，在这个过程中，太阳光首先加热管道，使得管道表面首先具备较高的温度，水在管道入口处进行界面蒸发，产生的蒸汽，产生的蒸汽随后在管道内通过与管壁热交换进行持续不断的加热，在管道出口形成一定温度的蒸汽。管道出口流出的高温蒸汽，可以进行化学以及生物灭菌的应用。传统利用太阳能驱动高温蒸汽的方法利用直接蒸汽发生技术，根据理想气体状态方程pv＝nrt，为了得到一定温度的蒸汽，需要调节压力或者提高入射光强。本发明的蒸汽发生装置，利用管道加热的方式将产生的蒸汽加热至所需的高温状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明使用了高吸收率的光热转换材料吸收光能并进行光热转化，使用的光能清洁无污染，有节能减排作用。

(2)本发明可以通过对加热管道的简单的长径比的变化，实现蒸汽的不断加热，得到了不同温度的高温蒸汽。具体通过改变管道的长径比，加热蒸汽的管道面积产生变化，因此出口温度变化。

(3)本发明的装置可以在环境压力下实施，成本较低，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为实施例1的装置在稳态下的出口蒸汽温度随入射光强度的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

实施例1

(1)铜管表面的清洁：将不同形状的铜管超声清洗以去除表面的有机物等杂质，随后将清洗完毕的铜管放置在30ml的4摩尔每升的稀盐酸溶液中超声以去除表面的氧化物，随后用去离子水冲洗表面两到三次以去除表面残留的稀盐酸溶液，随后放在烘箱中烘干备用。

(2)铜管的氧化：将清洗干净的铜管放入2.5摩尔每升的氢氧化钾和0.065摩尔每升的过硫酸钾的30ml的混合溶液，随后放入60℃烘箱中1小时，将氧化成黑色的氧化铜管取出，用去离子冲洗黑色的氧化铜管表面两到三次，然后放置在烘箱中烘干待用。

(3)黑色氧化铜管的超疏水处理：黑色的氧化铜具有致密的层状结构，具有超亲水的性质，因此需要通过氟化处理使之转变成超疏水的结构。将烘干后的黑色氧化铜铜管放置配好的无水乙醇和全氟辛基三氯硅烷混合溶液中，使铜管完全浸没在混合溶液中，其中无水乙醇与全氟辛基三氯硅烷的体积比为100:1，24小时后取出，用无水乙醇冲洗两到三次，在常温下自然晾干。若不做超疏水处理，实验发现水在进入具有亲水性质的材料制成的管道后，一部分水进行蒸发，观测到另一部分水往往会沿着内部管壁传输至管口，因此降低了产生高温蒸汽的效率。

(4)多孔聚二甲基硅烷泡沫膜的制备：将有机硅弹性体以及有机硅弹性体固化剂以质量比混合在中号培养皿中，将混合液体一直进行搅拌，随后将混合液体移至60℃烘箱直到液体凝固形成多孔pdms膜，形成的pdms膜厚度为1厘米，直径为4厘米。

(5)太阳能驱动蒸汽发生装置：在烧杯中加入去离子水，将多孔pdms膜放置在水面上，随后将制备完成的超疏水氧化铜管放置在多孔pdms膜上，超疏水氧化铜管和pdms膜可以漂浮在水面上。将无尘纸裁剪制备成芯条，芯条的一端放置在超疏水氧化铜管的入口端(为了保证蒸汽沿指定方向行进，超疏水氧化铜管入口端采用芯条封住)，芯条另一端穿过多孔pdms膜并浸入在水中，由于无尘纸具有亲水性结构，因此可以将下方的水传输到铜管入口处进行蒸发加热。烧杯的外壁由耐高温隔热布包裹，用以减少系统对环境的热损失。

图2为超疏水氧化铜管的长径比(长度与内径的比值)为150的太阳能驱动蒸汽发生装置在不同入射光功率下的出口蒸汽温度图，从图中可以看出，相比于常规的太阳能蒸汽发生装置而言，本发明可以在常压以及较低的入射光强下，获得较高的蒸汽温度。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，光热转换材料为覆盖在加热铜管表面的太阳光谱选择性吸收膜，其采用物理气相沉积(真空磁控溅射)的方式涂镀在加热管道表面。

上述实施例中所制备得到的蒸汽发生装置，可以与工业过程结合，如医用灭菌、化学制造、食品加工以及发电等。

上述实施例中的蒸汽发生装置中，加热管道表面的光热转换材料可以通过化学或物理方法制备得到，如浸泡，浸渍，雾化喷涂等，磁控溅射法，化学气相沉积，物理气相沉积，或将具有延展性的材料直接卷成所需形状等。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于环境压力下太阳能驱动产生高温蒸汽的装置，包括悬于被加热液体上的加热管道、将所述加热管道与被加热液体的界面隔开的隔热材料，以及一端连接所述加热管道内壁的入口、另一端穿过所述隔热材料并伸入被加热液体内的亲水材料，所述加热管道的内外表面具有高吸收率的光热转换材料。与现有技术相比，本发明实现了基于环境压力下利用简易太阳能驱动蒸汽发生器产生高温蒸汽，通过调节管道的长径比(长度与内径的比值)，可以获得不同温度范围的蒸汽等。

技术研发人员：王心语;宋成轶;刘颜铭;冯睿;付本威;栾添;陶鹏;尚文;邓涛
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2019.01.25
技术公布日：2019.04.16