一种双被动太阳能水处理系统

本发明涉及一种双被动太阳能水处理系统，属于太阳能利用技术领域。

背景技术：

零排放是将工业废水浓缩成固体或浓缩液体的形式再加以处理，而不是以废水的形式外排到自然水体。实现零排放需要将膜脱盐后剩余30％～40％浓盐水需要进一步进行浓缩处理。当前，工业高盐污水零排放部分采用了大面积水池被动蒸发进行处理，由于蒸发效率很低，占地面积较大，并容易受下雨等气象条件影响，大部分的尝试零排放企业选择采用蒸发结晶工艺进行处理。基于雾化结晶技术的高浓盐水雾化结晶处理技术可以实现理论零排放，但是系统能耗较高，吨水耗电达到40-50千瓦时，并消耗320㎏蒸汽，能耗巨大，成本过高，产业界很少应用。能耗和效率是影响零排放技术产业化应用的关键所在。

专利cn201010509740提出了基于空气集热器的水池里系统，其是太阳能应用于水处理的重要方式，但该类系统在大行水处理系统中，存在大容量空气集热器系统的流畅组织问题，由于风量大-阻力大，而造成系统运行风机能耗过高的问题，同时该类系统中，为了强化空气和水之间的热质交换，需要太阳能液体即热系统对处理水进行加热，系统整体建设和运行成本过高，在大型系统中的应用较为困难。

太阳池是一种较好的被动式太阳能吸热储热系统，专利cn201310243817采用太阳池作为吸热装备，为低温蒸馏系统提供热源，该水处理系统继承了传统蒸馏水处理的技术路线，不能实现零排放处理，且系统需要在真空条件下运行，系统维持较为复杂，且传统太阳池吸热效率不高，整体性能较差。太阳能烟囱是一种典型的被动太阳能空气动力系统，专利cn101671056a是采用太阳能烟囱作为空气动力和加热系统进行海水淡化，但是在该专利中，喷淋系统位于太阳池正上方，未蒸发的高空喷淋水直接落入太阳池中，将直接硬气太阳池内的水体扰动，破坏太阳池的稳定分层与储热性能，热损失加大，太阳池热能品位降低，并破坏了太阳池的储热特性，且该太阳池系统为传统太阳池，效率较低，该专利喷淋系统放置于烟囱内，加湿蒸发后的空气温度降低，将严重影响太阳能烟囱的空气动力学特性，降低烟囱启动性能，从而影响太阳能烟囱内的热质传递性能。本发明将建立基于太阳能烟囱及太阳池的双被动水处理系统，并通过吸热强化、合理的功能区划以及热场气动场的优化组织，建立高效的浓盐水零排放系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有浓污水零排放以及盐湖资源提炼等过程中的高能耗问题，建立以太阳能为热源的水处理系统，克服现有研究的主要太阳能水处理技术中与原有蒸馏技术结合的系统运维复杂性，并提升被动技术的热性能与气动性能，本发明提供一种双被动太阳能水处理系统。该系统为基于太阳池、太阳烟囱和雾化加湿等技术在内的双被动太阳能水处理系统技术，具体是基于太阳能烟囱和太阳池耦合的集热蓄热型双被动太阳能浓盐水零排放处理系统。

本发明引入太阳烟囱作为浓盐水处理的集热与气动设备，并在太阳烟囱集热棚和烟囱内加入吸热强化和启动强化部件，以强化太阳烟囱的启动特性，同时本发明引入太阳池作为浓盐水吸热储热系统，并进行了吸热强化、热损失抑制和分层保持强化措施，以保障太阳池的吸蓄热效率，提升运行时数，在太阳烟囱和太阳池的技术上，通过雾化技术，在吸热池浓盐水与气动空气间建立热质交换，实现浓盐水的高效蒸发浓缩。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双被动太阳能水处理系统，包括太阳能集热棚、烟囱、太阳池、太阳能选择性吸热板和雾化器；所述太阳能集热棚上设置烟囱，并且烟囱底部与太阳能集热棚连通，所述太阳能集热棚下方从外到内依次设置太阳能选择性吸热板、太阳池和雾化器。

进一步地，太阳能集热棚空间根据功能由外向内依次划分为空气加热区、太阳池加热区和雾化蒸发区；空气加热区为环境空气加热的主要区域，太阳池加热区为浓盐水加热和蓄热区；雾化蒸发区为浓盐水蒸发结晶和空气加湿区；环境空气在烟囱和太阳能集热棚的热压驱动下，依次经过空气加热区、太阳池加热区和雾化蒸发区后，通过空气的加热加湿过程，带走浓海水中的水分，并经由烟囱排放至大气；空气加热区内安装太阳能选择性吸热板提升光热转换效率。

进一步地，系统空气循环由烟囱和太阳能集热棚提供动力，并引入太阳池系统，实现浓盐水的被动加热与蓄热，系统中的盐水集热和空气流动过程均为被动系统。

进一步地，在烟囱内增加太阳池辅助气动换热器，以太阳池内的热浓盐水为热源，对烟囱内的上升气流加热，提升烟囱的动力特性。

进一步地，太阳池内放置了蜂窝吸热器，将太阳能转化为热能，加热太阳池内的盐水，蜂窝吸热器能够抑制太阳池内的对流换热，提高储热性能。

进一步地，太阳池上安装透明盖板，以抑制太阳池表面热损失，带有吸热强化-热损失抑制和对流抑制的太阳池的吸蓄热系统，能够实现双被动水处理系统24小时连续运行。

进一步地，太阳能选择性吸热板位于空气加热区；太阳池位于太阳池加热区；雾化器位于雾化蒸发区。

进一步地，在太阳池和雾化器之间设置浓盐水泵，浓盐水泵抽吸太阳池内底部的热海水，并经过雾化器的雾化喷嘴雾化为小粒径浓海水雾滴。

本发明主要包括太阳能烟囱气动系统、太阳池吸蓄热系统、雾化加湿与气动强化的热质交换系统。系统的工作过程如下：

气动过程：该发明采用太阳能烟囱作为一种双被动太阳能水处理系统的被动式气动系统，在太阳能集热棚和烟囱的双重热力学作用下，太阳能集热棚四周的环境空气被抽吸进入太阳能集热棚空气加热区，环境空气掠过空气加热区的太阳能选择性吸热板表面被加热，并在太阳能集热棚温室效应和烟囱抽吸力的作用下，环境空气经过空气加热区、太阳池加热区，雾化蒸发区被逐级加热和加湿，并最终通过烟囱排放至高空，完成空气的自主气动过程。

太阳池吸蓄热系统：本发明的太阳能集热棚内的太阳池区域，太阳池为具有一定盐浓度梯度的浓盐水，抑制了池内水体的对流，在深度方向建立稳定的温度梯度，减少太阳池的热损失，作为蓄热系统应用，为了提升太阳池的吸热性能，在太阳池内放置了蜂窝吸热器，蜂窝吸热器的黑体效应增加了太阳能在池内的光热转换效率，将太阳能转化为热能，并加热太阳池内的盐水，蜂窝吸热器亦可以进一步抑制太阳池内的对流换热，稳定池内斜温层的建立，提高储热性能，太阳池上安装透明盖板，以抑制太阳池表面热损失，带有吸热强化-热损失抑制和对流抑制的太阳池的吸蓄热系统，太阳池的蓄热特性，可以通过换热系统，强化系统夜间浓盐水蒸发能力和严重的气动能力，保持烟囱系统的24小时连续高效运行。

雾化加湿过程：为了强化浓盐水的蒸发过程，本发明在太阳能集热棚内设置了雾化蒸发区，浓盐水泵抽吸太阳池内底部的热海水，并经过雾化器的雾化喷嘴雾化为小粒径浓海水雾滴，与经过空气加热区加热后的热空气接触，进行热质交换，对过流空气进行加湿，对浓海水进行进一步浓缩，未蒸发浓海水降落至雾化蒸发区地面后，部分在空气气动力的作用下进一步通过表面蒸发不是进行浓缩，同时缓慢回流至太阳池内。通过雾化加湿后的热湿空气，在烟囱气动力的作用下，从烟囱顶部排出。

本发明的优点在于：

1.本发明的优点在于，结合了太阳能烟囱被动气动系统特性和太阳池的被动吸热储热系统特性，为浓盐水的快速雾化浓缩，建立了双被动能源系统，节省了常规浓盐水浓缩雾化过程中的气动能耗和盐水加热能耗。

2.本发明的优点在于，对系统各个环节进行了热质传递强化和气动强化，在太阳能空气集热器和太阳池内均增加了吸热强化系统，提升了系统的光热转换效率，通过雾化传热强化，提升浓盐水浓缩过程，在烟囱内增加气动强化系统，提升系统气动能力。

附图说明：

图1是本发明一种双被动太阳能水处理系统原理图；

图中：1太阳能集热棚、2空气加热区、3太阳能选择性吸热板、4太阳池加热区、5太阳池、6雾化蒸发区、7烟囱、8太阳池辅助气动换热器、9雾化器、10透明盖板、11蜂窝吸热器、12浓盐水泵。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的一种双被动太阳能水处理系统，是一种基于太阳能烟囱和太阳池耦合的集热蓄热型双被动太阳能浓盐水零排放处理系统，主要涉及太阳能烟囱气动系统、太阳池吸蓄热系统、雾化加湿与气动强化的热质交换系统，具体实施方式如下。

如图1所示，一种双被动太阳能水处理系统，主要包括太阳能集热棚1、空气加热区2、太阳能选择性吸热板3、太阳池加热区4、太阳池5、雾化蒸发区6、烟囱7、太阳池辅助气动换热器8、雾化器9、透明盖板10、蜂窝吸热器11、浓盐水泵12以及阀门管道等辅助元件等。太阳能集热棚1上设置烟囱7，并且烟囱7底部与太阳能集热棚1连通，所述太阳能集热棚1下方从外到内依次设置太阳能选择性吸热板3、太阳池5和雾化器9。在太阳池5和雾化器9之间设置浓盐水泵12，浓盐水泵12抽吸太阳池内底部的热海水，并经过雾化器9的雾化喷嘴雾化为小粒径浓海水雾滴。在烟囱7内增加太阳池辅助气动换热器8，以太阳池5内的热浓盐水为热源，对烟囱内的上升气流加热，提升烟囱的动力特性。

太阳能集热棚1内空间根据功能由外向内依次划分为空气加热区2、太阳池加热区4，雾化蒸发区6。太阳能选择性吸热板位于空气加热区2；空气加热区2为环境空气加热的主要区域。太阳池5位于太阳池加热区4；太阳池加热区4为浓盐水加热和蓄热区。雾化器9位于雾化蒸发区；雾化蒸发区6为浓盐水蒸发结晶和空气加湿区。

系统空气循环由烟囱7和太阳能集热棚1提供动力，并引入太阳池5系统，实现浓盐水的被动加热与蓄热，系统中的盐水集热和空气流动过程均为被动系统。

太阳能透过太阳能集热棚1，加热太阳能集热棚1内的空气，热空气在烟囱7的热压抽吸作用力下，依次经过空气加热区2、太阳池加热区4和雾化蒸发区6，空气被加热加湿后，进入烟囱7，并向上移动，在烟囱7出口排放至高空大气。受烟囱7和太阳能集热棚1的热压驱动影响，太阳能集热棚1四周的环境空气被吸热太阳能集热棚1内，形成开式的被动太阳能空气加热气动系统。

空气加热区2内安装太阳能选择性吸热板3上提升光热转换效率，择性吸热板3将太阳能转化为热能，太阳能选择性吸热板3的温度升高，对进入太阳能集热棚1的空气进行加热，提升集热棚的气动提升能力，并在太阳能集热棚温室效应和烟囱抽吸力的作用下，经过太阳池加热区4，雾化蒸发区6被逐级加热和加湿后最终通过烟囱7排放至高空，完成空气的自主气动过程。

本发明中，在太阳能集热棚1内，设置太阳池加热区4，太阳池为具有一定盐浓度梯度的浓盐水，抑制了池内水体的对流，在深度方向建立稳定的温度梯度，减少太阳池的热损失，在本发明中作为集热蓄热系统应用，为了提升太阳池加热区4的吸热性能，在太阳池加热区4内放置了蜂窝吸热器11，蜂窝吸热器11的黑体效应增加了太阳能在池内的光热转换效率，将太阳能转化为热能，并加热太阳池内的盐水，蜂窝吸热器11亦可以进一步抑制太阳池加热区4内的对流换热，稳定池内斜温层的建立，提高储热性能，太阳池上安装透明盖板10，以抑制太阳池加热区4表面热损失，带有吸热强化-热损失抑制和对流抑制的太阳池加热区4的吸蓄热系统，太阳池的蓄热特性，可以通过换热系统，强化系统夜间浓盐水蒸发能力和严重的气动能力，保持烟囱系统的24小时连续高效运行。

为了强化浓盐水的蒸发过程，本发明在太阳能集热棚1内设置了雾化器9组成的雾化蒸发区，浓盐水泵抽吸太阳池加热区4内底部的热海水，并经过雾化器9的雾化喷嘴雾化为小粒径浓海水雾滴，与经过空气加热区2加热后的热空气接触，进行热质交换，对过流空气进行加湿，对浓海水进行进一步浓缩，未蒸发浓海水降落至雾化蒸发区地面后，部分在空气气动力的作用下进一步通过表面蒸发进行浓缩，同时缓慢回流至太阳池加热区4内。通过雾化加湿后的热湿空气，在烟囱7气动力的作用下，从烟囱顶部排出。

本发明主要包括太阳能烟囱气动系统、太阳池吸蓄热系统、雾化加湿与气动强化的热质交换系统。系统的工作过程如下：

气动过程:该发明采用太阳能烟囱7作为一种双被动太阳能水处理系统的被动式气动系统，在太阳能集热棚1和烟囱7的双重热力学作用下，太阳能集热棚1四周的环境空气被抽吸进入太阳能集热棚1空气加热区2，环境空气掠过空气加热区2的太阳能选择性吸热板3表面被加热，并在太阳能集热棚1温室效应和烟囱7抽吸力的作用下，环境空气经过空气加热区2、太阳池加热区4，雾化蒸发区6被逐级加热和加湿，并最终通过烟囱7排放至高空，完成空气的自主气动过程。

太阳池吸蓄热系统：本发明的太阳能集热棚内的太阳池区域，太阳池5为具有一定盐浓度梯度的浓盐水，抑制了池内水体的对流，在深度方向建立稳定的温度梯度，减少太阳池5的热损失，作为蓄热系统应用，为了提升太阳池5的吸热性能，在太阳池5内放置了蜂窝吸热器11，蜂窝吸热器11的黑体效应增加了太阳能在池内的光热转换效率，将太阳能转化为热能，并加热太阳池内的盐水，蜂窝吸热器11亦可以进一步抑制太阳池5内的对流换热，稳定池内斜温层的建立，提高储热性能，太阳池上安装透明盖板10，以抑制太阳池5表面热损失，带有吸热强化-热损失抑制和对流抑制的太阳池5的吸蓄热系统，太阳池5的蓄热特性，可以通过换热系统，强化系统夜间浓盐水蒸发能力和严重的气动能力，保持烟囱7系统的24小时连续高效运行。

雾化加湿过程：为了强化浓盐水的蒸发过程，本发明在太阳能集热棚内设置了雾化蒸发区6，浓盐水泵12抽吸太阳池5内底部的热海水，并经过雾化器9的雾化喷嘴雾化为小粒径浓海水雾滴，与经过空气加热区2加热后的热空气接触，进行热质交换，对过流空气进行加湿，对浓海水进行进一步浓缩，未蒸发浓海水降落至雾化蒸发区6地面后，部分在空气气动力的作用下进一步通过表面蒸发不是进行浓缩，同时缓慢回流至太阳池5内。通过雾化加湿后的热湿空气，在烟囱7气动力的作用下，从烟囱7顶部排出。

该系统采用了太阳能烟囱效应和太阳池的双被动耦合技术，并利用空气热湿过程，实现浓盐水的零排放处理，并通过相关强化换热与耦合技术，实现了被动系统的整体运行效率和太阳能系统的连续性，解决了浓盐水零排放高能耗和高成本问题。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。