一种太阳能光热海水淡化一体化系统和方法与流程

技术领域：

本专利涉及太阳能光热应用和海水淡化技术领域，涉及一种太阳能光热海水淡化一体化系统以及利用其进行海水淡化的方法。

背景技术：
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水资源短缺是目前面临的一个全球性问题，对地球上丰富的海水进行淡化则是解决水资源短缺问题的一个重要途径。但传统的海水淡化往往需要高能量消耗，在一些能源短缺的地区难以实现，因此，亟需一种绿色、高效、可持续的海水淡化方法来缓解上述危机。

太阳能作为一种可再生能源，清洁安全，不污染环境，利用太阳能淡化海水是一项利国利民并有利于环境的工程，符合人类可持续发展的要求。现有的太阳能海水淡化技术主要有太阳能蒸馏技术、太阳能多级闪蒸、太阳能多效沸腾等。太阳能多级闪蒸、太阳能多效沸腾等技术容易与太阳能结合在一起，但是也存在这诸多不足，常规的太阳能海水淡化系统主要有以下问题：⑴蒸馏过程中产生的蒸汽凝结潜热未能得到有效利用，致使能量损失到大气环境中，如传统的被动式太阳能蒸馏器单位采光面积的产水量过低，仅为5～10kg/m²·d；⑵常规的蒸馏装置中循环海水量大，总热容量大，削弱了蒸发的驱动力；⑶蒸馏系统中主要以自然对流为主要换热模式，传热效率较低，限制了系统性能的提升；⑷太阳能集热面积高，系统初投资太大，产水成本过高；⑸由于太阳能能量的低密度性和不稳定影响系统的稳定、安全运行，尤其是对系统产水方面的影响。因此寻找技术途径，高效收集太阳能热并连续运行进行海水淡化，就成为解决淡水资源匮乏的重要方向。

技术实现要素：
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本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于太阳能光热海水淡化一体化系统。

本发明的第二个目的是提供一种利用太阳能光热海水淡化一体化系统进行海水淡化的方法。

1.一种利用太阳能光热海水淡化一体化系统，包括：太阳能集热系统、海水闪蒸系统、余热回收系统和海水淡化控制系统；

所述太阳能集热系统包含太阳能进水口1，增压循环泵16，太阳能集热器2和太阳能出水口3；

太阳能辐射照度仪安装在太阳能集热器表面，第一温度传感器安装在太阳能集热器；

太阳能集热器通过管路依次连接节流电磁阀和太阳能出水口管路，所述太阳能进水口和太阳能出水口，与海水淡化和余热回收一体化系统连接；

所述海水闪蒸系统和余热回收系统，为一体化成型结构；一体化成型结构分为三层设计，底层为蒸馏层5，中间层为淡水层6，上层为海水层7；三层结构用隔板隔开，隔板有开孔，中间导热板9上下贯穿，开孔处有密封；

该一体化结构包含蒸汽连接管，蒸馏层，淡水层，海水层，海水进水管，中间导热板，海水补水口，蒸馏水出口，排污口、海水过滤器和真空泵等部件；

在一体化结构的最下部为蒸馏层；蒸馏层与海水层通过海水进水管8连通，海水进口管路上有补水电磁阀15门；补水电磁阀门位于海水层与蒸馏层连接管路上；太阳能出水口连接海水喷淋器；海水喷淋器位于蒸馏层内部；蒸馏层的侧壁设有排污口12，

一体化结构中间层为淡水层，淡水层一面侧壁与蒸馏层通过蒸汽连接管4连通；淡水层另一面侧壁设有蒸馏水出口11和真空泵连接口；真空泵连接口位于蒸馏水出口上部，用于连接真空泵19；

一体化结构最上部为海水层，海水层两端侧壁分别设置海水补水口10和海水进水管8。

进一步，中间导热板9上下贯穿三层，并分割流道呈“蛇形”布置。

进一步，在蒸馏层设置第二温度传感器、在淡水层设置第三温度传感器、在海水层设置第四温度传感器。

一种利用太阳能光热海水淡化一体化系统，包括：太阳能集热系统、海水闪蒸系统、余热回收系统和海水淡化控制系统。所述海水闪蒸系统和余热回收系统为一体化系统，包含蒸汽连接管，蒸馏层，淡水层，海水层，海水进水管，中间导热板，海水补水口，蒸馏水出口，排污口、海水过滤器和真空泵等部件。

1、所述太阳能集热系统包含太阳能进水口，增压循环泵，太阳能集热器和太阳能出水口。本专利中根据所需淡水生产量配置多个太阳能集热器串联或并联使用。所述太阳能集热器可以是平板型、真空管型或槽式聚光型太阳能集热器，型式不限制。所述太阳能集热器可以是储能型或者非储能型，储能型式不限制。太阳能集热温度可达到100-150℃。太阳能辐射照度仪安装在太阳能集热器表面，第一温度传感器安装在太阳能集热器中，用于测量海水集热温度。

太阳能集热器通过管路依次连接节流电磁阀和太阳能出水口管路，该节流电磁阀的作用是控制海水节流后的压力，调整气相分率。增压循环泵分别与太阳能进出口和太阳能集热器通过管路连接，增压循环泵用于循环海水并增加海水压力。

所述太阳能进水口和太阳能出水口，与海水淡化和余热回收一体化系统连接。太阳能进水口和出水口的材质为不锈钢或者黄铜，涂有防腐涂层体系；材质为聚氨酯、环氧树脂或者氟树脂，厚度为50～200微米。太阳能进水口管路和太阳能出口管路插入到海水闪蒸和余热回收系统一体化结构中，进入蒸馏层。在蒸馏层内部的太阳能出水管路长度大于太阳能进出水管路长度，太阳能出水口大概位于蒸汽连接管的正下方位置。

2、所述海水闪蒸系统和余热回收系统，为一体化成型结构。一体化结构的材质为不锈钢、铝合金或铜合金。一体化成型结构分为三层设计，底层为蒸馏层，中间层为淡水层，上层为海水层。三层结构用隔板隔开，隔板有开孔，中间导热板上下贯穿，开孔处有密封。隔板材质为不锈钢、铝合金或铜合金。所述中间导热板为铜板、铝板、石墨烯板，或者平板热管，板厚度为2～5mm。该一体化结构包含蒸汽连接管，蒸馏层，淡水层，海水层，海水进水管，中间导热板，海水补水口，蒸馏水出口，排污口、海水过滤器和真空泵等部件。一体化结构内部涂有防腐涂层体系，材质为聚氨酯、环氧树脂或者氟树脂，厚度为50～200微米。

在一体化结构的最下部为蒸馏层，蒸馏层内部设置液位计和消沫器。消沫器由网眼很细的丝网组成，如200～500目之间的丝网，材质为耐腐蚀材料，如不锈钢丝、黄铜丝或者碳纤维丝等。太阳能进水口与太阳能出水口通过管路插入到蒸馏层内部，太阳能进水口靠近蒸馏层底部，太阳能出水口靠近蒸馏层上部。蒸馏层与海水层通过海水进水管连同，海水进口管路上有补水电磁阀门。补水电磁阀门位于海水层与蒸馏层连接管路上。太阳能出水口连接海水喷淋器。海水喷淋器位于蒸馏层内部。蒸馏层的侧壁靠近底部位置设有排污口，用于排出浓盐水。排污口与高盐水排污泵通过管路依次连接。

一体化结构中间层为淡水层，淡水层一面侧壁与蒸馏层通过蒸汽连接管连通。淡水层另一面侧壁设有蒸馏水出口和真空管泵连接口。真空泵连接口位于蒸馏水出口上部。真空泵通过管路连接真空泵连接口，根据压力需要将淡水层抽成减压状态。蒸馏层与淡水层通过蒸汽连接管连通，处于减压状态，有利于降低海水闪蒸温度，增加淡水产率。真空泵为通用设备，市场面购买即可。

一体化结构最上部为海水层，海水层两端侧壁分别设置海水补水口和海水进水管。在海水补水口进口处通过管路连接海水过滤器，用于去除地表海水中存在的颗粒泥砂、胶体、微生物等杂质。

3、海水闪蒸系统和余热回收系统为一体化成型三层结构设计，分别为蒸馏层，淡水层和海水层。中间导热板上下贯穿三层，并分割流道呈“蛇形”布置。在蒸馏层和淡水层内流体从左向右流动，温度逐渐降低；在海水层内液体从右向左流动，温度逐渐升高。冷热流体在各层的蛇形流道形成逆流，增强蒸汽冷凝和余热回收效果。一体化结构包含蒸汽连接管和海水进水管，管材质为铝合金、铜合金或不锈钢。蒸汽连接管将蒸馏层产生的水蒸汽导入淡水层，与中间导热板换热冷凝成蒸馏水，中间导热板将热量向上传递与海水层流体进行换热，海水进水管将预热过的海水导入蒸馏层。在蒸馏层设置第二温度传感器、在淡水层设置第三温度传感器、在海水层设置第四温度传感器。

4、所述海水淡化控制系统包含可编程逻辑控制器plc、温度压力传感、循环控制、流量传感控制、和真空度传感控制。所述可编程逻辑控制器plc连接并采集所有液位计、温度传感器、压力传感器和太阳能辐射照度仪的数据。根据传感器反馈的温度、压力、流量、真空度等参数，运行编译好的程序，从而执行太阳能集热循环、闪蒸、补水、排污、调整真空度等控制策略。

本发明采用的元器件可根据需要从市场上购买，均为通用件，但需要具备一定的海水防腐性能。可编程逻辑控制器plc可选用通用控制器，品牌如西门子、施耐德或南大傲拓等，都可以实现上述功能需要。

本发明的技术实施方案如下：

通过增压循环泵16将海水从太阳能进水口1输送至太阳能集热器2进行加热后从太阳能出水口3喷射进入蒸馏层5内闪蒸形成水蒸气；水蒸气向上通过蒸汽连接管4进入淡水层6，未蒸发海水回到蒸馏层5底部，再次进入太阳能进水口1进行循环加热蒸馏；水蒸气在淡水层6接触中间导热板9后，冷凝形成淡水并释放热量；淡水沿着蛇形流道从左向右流动，不断将热量通过中间导热板9向上传递，其温度不断降低；淡水到达淡水层6最右端时温度降为15～40度左右，从蒸馏水出口11流出；真空泵连接口位于蒸馏水出口上部，真空泵19通过真空泵连接口将淡水层6抽成减压状态，蒸馏层5与淡水层6通过蒸汽连接管4连通，处于减压状态；海水淡化控制系统可控制真空泵19调控蒸馏过程的减压状态。

蒸馏层5，淡水层6，海水层7用隔板分为三层，中间导热板9上下贯穿；中间导热板9吸收蒸馏层5内海水以及淡水层6内水蒸气、蒸馏水所含热量并快速向上传递，换热储存至海水层7内新鲜海水；新鲜海水从海水补水口10进入海水层7，经过中间导热板9加热后通过海水进水管8进入蒸馏层5；

淡水层6内蒸馏水通过中间导热板9回收热量后，从蒸馏水出口11流出；蒸馏层5内高盐浓度海水通过中间导热板9回收热量后，从排污口12流出。蒸馏层5，淡水层6，海水层7被中间导热板9分割成蛇形流道，蒸馏层5和淡水层6内的流体从左到右流动，温度逐渐降低，从右侧出水口排出；海水层7内的流体从右侧进水口补入，从右到左流动，温度逐渐升高。为了提高热回收效果，可延长一体化箱体结构长度增加中间导热板数量，从而增加蛇形流道逆流换热长度。

本专利还提供了一种利用太阳能光热海水淡化一体化系统进行海水淡化的方法，具体步骤如下：

通过增压循环泵16将海水从太阳能进水口1输送至太阳能集热器2进行加热；当太阳能集热器2内海水温度达到60～120℃且压力达到0.2～0.5mpa(a)时，打开节流电磁阀14将海水引入蒸馏层5内进行闪蒸；未蒸馏海水及水蒸气压力降到0.01-0.1mpa(a)，温度降到50-100℃，水蒸气向上通过蒸汽连接管4进入淡水层6，未蒸发海水回到蒸馏层5底部，再次进入太阳能进水口1进行循环加热蒸馏；水蒸气在淡水层6接触中间导热板9后，冷凝形成淡水并释放热量；淡水在淡水层6最左端的温度为50-100℃，在淡水层6的蛇形流道向右流动，不断与中间导热板9换热，到达最右端时温度降为15-40℃，从蒸馏水出口11流出；新鲜海水经过海水过滤器18后，从海水补水口10进入海水层；新鲜海水在海水层7最右端的温度为5-25℃，在海水层7的蛇形流道向左流动，不断与中间导热板9换热，到达最左端时温度升为50-100℃，当补水电磁阀15打开时从海水进水管8进入蒸馏层5；蒸馏层5底部的海水温度为50-100℃，一部分通过太阳能进水口1进入太阳能集热器2加热，一部分在蒸馏层5的蛇形流道向右流动，不断与中间导热板9换热，到达最右端温度降为15-40℃{通过中间导热板换热}，从排污口12流出；蒸馏层5内安装液位传感器，随着蒸馏层5内海水不断蒸发以及从排污口12排出，当液位下降至25％以下时，打开补水电磁阀15从海水进水管8不断补充已充分预热的新鲜海水，维持蒸馏层5内海水的液位波动不超过±10％、温度控制范围在45～120℃、压力控制范围在0.01-0.1mpa(a)和海水浓度浮动在±5％以内；根据太阳能集热器2内的海水温度，通过真空泵19调整淡水层6、蒸汽连接管4和蒸馏层5的压力，海水温度越低压力越低，保证蒸馏层5内的压力小于海水在此温度下的饱和蒸气压；当太阳能集热器2内的海水温度低于60℃时，停止增压循环泵16和真空泵19，结束海水淡化过程。

本专利的有益效果：

1、整个系统为一体化设计，简单高效，充分回收水蒸气、蒸馏水和高盐海水余热，减少太阳能集热器制热压力，仅需少量太阳能热量即可连续进行海水淡化，具有较大的推广意义。

2、海水淡化和余热回收一体化结构为三层结构设计，内部的蒸馏层、淡水层和海水层被中间导热板分割，呈“蛇形”流道布置。冷热流体通过中间导热板逆流换热。在各层的蛇形流道逆流设计，保证了足够的换热温差和稳定的余热回收效果。蒸馏层起到蒸馏塔再沸器作用，增强受热的海水气化，强化余热回收，增加淡水回收率。在蒸馏侧形成高温侧，在另一边进出口侧形成低温侧，太阳能热量仅用来加热高温侧液体进行气化。随着全热回收过程的不断进行，水蒸气冷凝将热量传递给高温侧和低温侧，补入的新鲜海水逆流将低温侧的热量不断带回高温侧。

3、本系统通过海水淡化和余热回收一体化设计，既回收了水蒸气的冷凝潜热，又利用了浓海水和蒸馏水的显热，增加了换热面积和换热时间，提高了能量回收效率。同时还增加了水蒸气冷凝速度，提高了淡水产量。传统的被动式太阳能蒸馏器单位采光面积的产水量过低，仅为5～10kg/m²·d，而通过该系统设计的太阳能海水淡化系统，每平米集热器制得淡水产量，可达35l/(㎡d)以上。

附图说明

图1、一种太阳能光热海水淡化一体化系统流程图

图2是图1的俯视图

1、太阳能进水口2、太阳能集热器3、太阳能出水口4、蒸汽连接管5、蒸馏层6、淡水层7、海水层8、海水进水管9、中间导热板10、海水补水口11、蒸馏水出口12、排污口13、海水淡化和余热回收一体化装置14、节流电磁阀15、补水电磁阀16、增压循环泵17高盐水排污泵18、海水过滤器19、真空泵

具体实施方式

本发明的技术实施方案如下：

通过增压循环泵16将海水从太阳能进水口1输送至太阳能集热器2进行加热后从太阳能出水口3喷射进入蒸馏层5内闪蒸形成水蒸气；水蒸气向上通过蒸汽连接管4进入淡水层6，未蒸发海水回到蒸馏层5底部，再次进入太阳能进水口1进行循环加热蒸馏；水蒸气在淡水层6接触中间导热板9后，冷凝形成淡水并释放热量；淡水沿着蛇形流道从左向右流动，不断将热量通过中间导热板9向上传递，其温度不断降低；淡水到达淡水层6最右端时温度降为15～40度左右，从蒸馏水出口11流出；真空泵连接口位于蒸馏水出口上部，真空泵19通过真空泵连接口将淡水层6抽成减压状态，蒸馏层5与淡水层6通过蒸汽连接管4连通，处于减压状态；海水淡化控制系统可控制真空泵19调控蒸馏过程的减压状态。

蒸馏层5，淡水层6，海水层7用隔板分为三层，中间导热板9上下贯穿；中间导热板9吸收蒸馏层5内海水以及淡水层6内水蒸气、蒸馏水所含热量并快速向上传递，换热至海水层7内新鲜海水；新鲜海水从海水补水口10进入海水层7，经过中间导热板9加热后通过海水进水管8进入蒸馏层5；

淡水层6内蒸馏水通过中间导热板9回收热量后，从蒸馏水出口11流出；蒸馏层5内高盐浓度海水通过中间导热板9回收热量后，从排污口12流出。蒸馏层5，淡水层6，海水层7被中间导热板9分割成蛇形流道，蒸馏层5和淡水层6内的流体从左到右流动，温度逐渐降低，从右侧出水口排出；海水层7内的流体从右侧进水口补入，从右到左流动，温度逐渐升高。为了提高热回收效果，可延长水箱长度增加中间导热板数量，从而增加蛇形流道逆流换热长度。

本专利还提供了一种利用太阳能光热海水淡化一体化系统进行海水淡化的方法，具体步骤如下：

通过增压循环泵16将海水从太阳能进水口1输送至太阳能集热器2进行加热；当太阳能集热器2内海水温度达到60～120℃且压力达到0.2～0.5mpa(a)时，打开节流电磁阀14将海水引入蒸馏层5内进行闪蒸；未蒸馏海水及水蒸气压力降到0.01～0.1mpa(a)，温度降到50-100℃，水蒸气向上通过蒸汽连接管4进入淡水层6，未蒸发海水回到蒸馏层5底部，再次进入太阳能进水口1进行循环加热蒸馏；水蒸气在淡水层6接触中间导热板9后，冷凝形成淡水并释放热量；淡水在淡水层6最左端的温度为50～100℃，在淡水层6的蛇形流道向右流动，不断与中间导热板9换热，到达最右端时温度降为15～40℃，从蒸馏水出口11流出；新鲜海水经过海水过滤器18后，从海水补水口10进入海水层；新鲜海水在海水层7最右端的温度为5～25℃，在海水层7的蛇形流道向左流动，不断与中间导热板9换热，到达最左端时温度升为50-100℃，当补水电磁阀15打开时从海水进水管8进入蒸馏层5；蒸馏层5底部的海水温度为50～100℃，一部分通过太阳能进水口1进入太阳能集热器2加热，一部分在蒸馏层5的蛇形流道向右流动，不断与中间导热板9换热，到达最右端温度降为15～40℃{通过中间导热板换热}，从排污口12流出；蒸馏层5内安装液位传感器，随着蒸馏层5内海水不断蒸发以及从排污口12排出，当液位下降至25％以下时，打开补水电磁阀15从海水进水管8不断补充已充分预热的新鲜海水，维持蒸馏层5内海水的液位波动不超过±10％、温度控制范围45～120℃、压力控制在0.01～0.1mpa(a)和蒸馏层海水浓度浮动在±5％以内；根据太阳能集热器2内的海水温度，通过真空泵19调整淡水层6和蒸馏层5的真空度，海水温度越低真空度越高，保证蒸馏层5内的压力小于海水在此温度下的饱和蒸气压；当太阳能集热器2内的海水温度低于60℃时，停止增压循环泵16和真空泵19，结束海水淡化过程。