一种基于太阳能中温聚热的正压运行多效蒸发海水淡化系统的制作方法

本发明涉及一种海水淡化系统，特别涉及一种基于非聚光太阳能中温聚热的正压运行多效蒸发海水淡化系统，属于太阳能热利用领域。

背景技术：

能源与资源是维系人类社会生存与发展的最基本要素。太阳能是一种取之不尽、分布广泛的可再生清洁能源，其开发利用对于解决全球能源与环境危机具有重要的意义。水是自然资源的重要组成部分，人类生产生活离不开水。地球虽然有71%的表面为水所覆盖，但人类真正能够利用的河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水约占全球淡水总储量的0.3%，仅占全球总储水量的十万分之七。地球上淡水资源的分布也极不均匀。约65％的水资源集中在不到10个国家，而约占世界人口总数40％的 80个国家和地区却严重缺水。对于沿海缺水区域及无水岛礁，海水淡化是解决水资源短缺的有效途径。在一些干旱与半干旱内陆地区，如我国新疆部分地区，由于土地盐碱化，下游河水中含盐过高，已无法饮用及用于农业灌溉。此外，采用洗盐方式降低耕地盐度，洗出来的盐碱水也需要淡化处理。因此，沿海地区海水及内陆地区盐碱水淡化，对于解决当地淡水资源短缺，促进工农业及经济可持续发展具有重要作用。

人类很早就利用太阳能为海水淡化供给能量，发展了多种形式的太阳能闷晒式海水蒸馏装置，并采用外部反射镜、太阳集热器加热等方式加以改进。这些装置基本不需外部输入其它能量，但产水量和热利用效率不高。主要原因有两点：一是太阳辐射能量密度低（1000 W/ m²），且同时加热装置中全部进液，水汽化温度不高；二是水的蒸发潜热较大（一个大气压下，100℃时水的汽化潜热为2257.2kJ/kg），水蒸汽凝结后的潜热在此类装置中未被重复利用。对于水汽化温度不高的问题，随着制造技术的发展，近年来采用光学聚光来提高太阳辐射的能量密度，获得较高温位热能，已实现从低倍聚光（低于10倍）到高倍聚光（超过1000倍）的各种应用。采用光学聚光器为海水淡化系统供能，有效提高了供能热源温度及产水量。但太阳聚光器一般包括高质量的曲面光学镜面，运行中使用复杂的跟踪系统追踪太阳，也存在建造和运行维护成本较高的问题。

为将水蒸汽潜热复用，提高系统产水率和能量利用效率，现代规模化的热法海水淡化技术采用多级闪蒸法（MSF）和多效蒸馏法（MED）。MSF将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，闪蒸室中的压力控制在低于热海水温度对应的饱和蒸汽压，故热海水进入闪蒸室后即成为过热溶液而急速部分气化，热海水自身温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为淡水。MED是让加热后的海水在多个串联的水平管喷淋降膜蒸发器中蒸发，用一定量的蒸汽输入首效，前一效蒸发出来的蒸汽作为后一效的热源，后一效的蒸发温度和压力均低于前一效，经过多次蒸发和冷凝，得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。热法MSF和MED技术运行温度不高，可重复利用水蒸汽冷凝的潜热，获得多倍产水量，但需要大量蒸汽，目前一般与电厂共建，通过回收利用电厂废热，降低生产蒸汽的能耗与成本；由于负压运行，系统结构及运行控制复杂，耗电及造水成本高。

可见，太阳能海水淡化技术取得了一定的进展，但前述关键困难仍然没有解决。针对这些存在的问题，本发明利用非聚光太阳能聚热集能装置实现中温供能，并在此基础上设计了一种正压运行的多效蒸发海水淡化系统，不仅解决了太阳辐射能量密度低造成供能温度低，或者利用光学聚光系统造成系统复杂的问题，而且避免了多效蒸发海水淡化系统在负压工作，从而简化了系统结构，降低了能耗与造水成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于太阳能中温聚热的正压运行多效蒸发海水淡化系统，在利用非聚光太阳能聚热集能装置实现中温供能，并可控产生水蒸汽的基础上，通过正压蒸发实现在中温稳定运行的多效蒸发海水淡化系统。

一种基于太阳能中温聚热的正压运行多效蒸发海水淡化系统，主要由多个太阳能中温聚热可控蒸汽产生装置和普通太阳集热器阵列供能的多级预热恒温池组成。其中，太阳能中温聚热可控蒸汽产生装置主要包括金属蒸汽发生管、金属聚热集热板、透光隔热材料、隔热材料、玻璃夹层、支架等六个部分；通过金属聚热集热板将收集的太阳能汇聚至金属蒸汽产生管，加热管内含海水，使之发生汽化相变。

所述金属蒸汽发生管内置有4根水汽管，分别为进水口管、出水口管、水蒸气出口管、上一级/下一级蒸汽管。工作时金属蒸汽发生管内部分充入，但并不充满海水。含盐水液面根据工作温度、收集到的能量情况确定。这样，所汇聚的热能可以集中用于较少液体的汽化，且更大比例液体能与加热表面接触换热，进水口管和水蒸气出口管置于液面的以上，出水口管和上一级/下一级蒸汽管置于液面的以下。上一级/下一级蒸汽管封闭贯穿整条金属蒸汽发生管，用于上一级产生的水蒸汽通过，获取交换热能。

所述水蒸汽出口管的尾部设有汽水分离丝网，防止沸腾海水进入。

所述聚热集热板为高导热金属平板，或者包含热管，用于高效传热，面积根据聚热温度要求和散热损失确定，其受光表面制备工作于中温的选择性吸收层，蒸汽发生管通过装配扣板扣紧紧贴聚热集热板。

所述太阳能中温聚热集能装置置于四周均为双层玻璃的保温隔热结构中，且在其上表面和下表面分别设有一层透光隔热材料和普通隔热材料。

所述基于太阳能中温聚热的正压多效蒸发海水淡化系统是在非真空环境下运行的一种海水淡化的系统，避免了多效蒸发含海水淡化系统在负压工作，简化了系统的结构。含盐水泵入系统后先进入由普通太阳集热器阵列供能的多级预热恒温池分段梯级加热，并在最后一级预热恒温池被加热至沸点温度附近。分段梯级加热是因为不同温位的加热方法、散热损失和保温隔热措施不同；最后一级加热至沸点温度是为了尽量由普通集热器阵列提供水升温所需显热，太阳能中温聚热集能装置汇聚的能量尽可能用于水汽化相变。各预热恒温池温度及所保持的水量根据系统产汽（水）速率，按照减少散热损失的原则确定。预热后温度接近沸点的含盐水依次进入各“效”聚热集热蒸汽产生装置，在其中吸热汽化、换能释能，最后凝结的淡水在含盐水预热恒温池中冷却至略高于入口含盐水温度，将显热交换给新泵入的含盐水。

附图说明

图1：基于太阳能中温聚热的正压运行多效蒸发海水淡化系统示意图；

图2：太阳能中温聚热集热装置；

图2中，1—金属蒸汽发生管，2—金属聚热集热板，3—透光隔热材料，4—夹层玻璃，5—隔热材料，6—支架；

图3：金属蒸汽产生管示意图；

图3中，1—接上一级蒸汽入口，2—出水口，3—水蒸气出口，4—汽水分离丝网，5—海水液面，6—进水口，7—接下一级蒸汽入口，8—蒸汽发生管。

具体实施方式

本发明提出了一种基于太阳能中温聚热的正压多效蒸发海水淡化系统，下面将结合说明书附图对本发明进行详细说明。如图1、图2、图3所示，一种基于太阳能中温聚热的正压多效蒸发海水淡化系统，由多个太阳能中温聚热可控蒸汽产生装置和普通太阳集热器阵列供能的多级预热恒温池组成。其中，太阳能中温聚热可控蒸汽产生装置主要包括金属蒸汽发生管（2-1、3-8）、金属聚热集热板（2-2）、透光隔热材料（2-3）、隔热材料（2-5）、夹层玻璃（2-4）、支架（2-6）等六个部分。

图1中，海水通过水泵送入系统，首先进入由普通太阳集热器阵列供能的多级预热恒温池分段梯级加热，并在最后一级被加热至沸点温度；海水依次流经多个工作于不同温度、压力的“效”蒸汽产生管内，每一“效”蒸汽产生管产生的二次蒸汽引入下一“效”蒸汽产生管作为加热蒸汽，并在下一“效”蒸汽产生管中冷凝释热；每一“效”能量的获得、转换、输运及产汽量是相互耦合关联的。

分段梯级加热是因为不同温位的加热方法、散热损失和保温隔热措施不同；最后一级加热至沸点温度是为了水升温所需显热尽量由普通集热器阵列提供，聚热集热蒸发器汇聚的能量尽可能用于水汽化相变；预热后温度接近沸点的水接着在各“效”聚热集热蒸发器中换能、汽化相变，最后水蒸气凝结并将能量交换给新泵入海水。