專利名稱：陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用毛細管作用原理來增大蒸發(fā)表面從而實現(xiàn)用太陽能進行海水淡化的技術(shù)與設(shè)備。
背景技術(shù)：
眾所周知，地球上的水幾乎都儲存在海洋中，依靠太陽能的蒸發(fā)作用將海水轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的云輸送到陸域，最后以雨雪的形式降到地面，成為江河湖泊的地表水及滲透地下的地下水。由于受各種自然因素的影響，地球上的淡水資源分布在時空上均很不平衡，缺水與洪澇在不同地區(qū)及同一地區(qū)的不同時間都會發(fā)生。尤其是沿海地區(qū)，淡水資源大都十分匾乏，如何實施海水淡化是人們長期研究的熱點之一。蒸發(fā)是人們研究最多海水淡化方法之一，在熱能資源豐富的沿海地區(qū)具有很大的吸引力，特別是新型的閃蒸技術(shù)，廢熱及低品位熱能在熱能資源的綜合利用，可以實現(xiàn)經(jīng)濟的海水淡化過程，一般可以達到地表水的制水成本，但如果應(yīng)用新鮮蒸汽則經(jīng)濟上尚有疑問，成本將會在8-10元/噸水；反滲透技術(shù)是目前工業(yè)化應(yīng)用頗多的海水淡化技術(shù)，其制水成本最低可以達到5-8元/噸水；但設(shè)備投資較大，在淡水資源十分匾乏的場合采用；由于太陽能屬于低品位熱能，需要在熱能利用技術(shù)方面有新的突破。我們知道，蒸發(fā)過程的快慢及蒸發(fā)總量，取決于傳熱溫度差和傳熱面積，直接利用太陽能來加熱海水時的溫度與海水的溫度差基本固定，因此增大傳熱面積是關(guān)鍵問題。多孔性纖維具有較大的比表面積，利用該特性可以增加傳熱面積。
1995年A-A-AL-Karaghouli等人基于黃麻布的良好毛細作用，提出一種太陽能漂浮皺褶型海水蒸發(fā)器，將漂浮在聚苯乙烯板上的黃麻布制成皺褶狀漂浮單元設(shè)置在水平面上約5mm的高度，這種蒸發(fā)器的性能優(yōu)于平布式和平面式蒸發(fā)器，運行維護方便，最大日產(chǎn)量是10.5升/平米。這種蒸發(fā)器可用于偏遠地區(qū)及海島上居民生活用水的制水設(shè)備。
1999年Bachir Bouchekima等人發(fā)表了“毛細管膜式太陽能海水淡化器的理論研究與應(yīng)用”的文章，介紹了一種多效毛細管膜式蒸發(fā)器用于阿爾及利亞南部的實驗裝置“DIFICAP”，利用該地區(qū)地下水溫65℃，研究毛細管膜運動原理，改進蒸發(fā)器效率。理論與實驗結(jié)果表明，隨著該地區(qū)苦咸水源溫度的升高，太陽輻射能密度的加大，效數(shù)的增加，海水蒸發(fā)效率也增大。
2001年有人設(shè)計了另一種太陽能蒸發(fā)器，目的是通過采用毛細管膜來提高淡水產(chǎn)率。該蒸發(fā)器由一定斜傾角度特殊的蒸發(fā)冷凝單元構(gòu)成，將纖維以非常薄的膜形式依靠毛細吸力貼服在一塊斜板壁上，苦咸水從上端纖維沿斜放膜壁流下，蒸發(fā)的水汽在斜板下面空間冷凝成水被收集。
上述幾種海水淡化器雖然具有許多特點，但蒸發(fā)面積都不夠大，尚未達到立體蒸發(fā)的狀態(tài)，其冷凝過程也存在問題，不能充分的將熱量轉(zhuǎn)移出去，以便提高冷凝效率。
本發(fā)明的目的是利用低品位太陽能，盡可能充分利用具有較大比表面積的多孔性纖維來增大傳熱面積，提高單位體積蒸發(fā)器的蒸發(fā)負荷，使海水蒸發(fā)形成立體蒸發(fā)，實現(xiàn)海水淡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器(附圖1)是由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷卻槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]、透光密封淡化器箱體[7]、海水布水管[8]、濃鹽水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撐架[12]、密封墊片[13]、中間板[14]、濃鹽水出口[15]、海水進入口[16]和螺栓[17]組成；它們的結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系是海水淡化器箱是由透光密封淡化器箱體[7]和淡水冷凝板冷卻槽[4]，用螺栓[17]、密封墊片[13]和中間板[14]緊固在一起，構(gòu)成一個密閉、蒸發(fā)、冷凝系統(tǒng)；由中間板隔開，分成上、下兩部分；上面部分是有機玻璃做成的透光密封淡化器箱體[7]、下面部分是埋于地下的淡水冷凝板冷卻槽[4]。
海水淡化器中間板下面的淡水冷凝板冷卻槽[4]的一端，有一個海水進入口[16]，另一端有一個從多個濃鹽水收集槽[9]匯總來的濃鹽水出口[15]，冷卻槽[4]內(nèi)還有多個垂直穿過中間板相互平行伸到槽內(nèi)的淡水冷凝板的下面部分，以及一根直徑Φ＝20-100毫米從槽里垂直穿過中間板向上一直伸到透光密封淡化器箱體[7]頂部，然后彎成水平方向分散到每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]頂端位置的海水布水管[8]；海水淡化器中間板上面的淡化器箱體[7]內(nèi)，除上述的海水布水管外，還有根據(jù)不同淡水產(chǎn)量設(shè)計的多個相互平行的活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器(表3)和多個穿過中間板與毛細管蒸發(fā)器相間并相互平行的淡水冷凝板的上面部分，它們均垂直固定于中間板上；以中間板為基準，冷凝板的上面部分與下面部分的面積之比為4∶1-3∶1；每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器的下端還有一個濃鹽水收集槽[9]，槽的一側(cè)均有一個濃鹽水排水口，通過管道連接到濃鹽水出口[15]；在中間板上的濃鹽水收集槽高度為100-200mm，槽中央有一條可被5-7mm厚的雙層毛細纖維氈伸入，寬10-15mm，長2.3-73m的插縫。
活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]是用黑色活性炭纖維制成厚度為2.5-3.5mm的毛細纖維氈，將其圍繞固定支撐架[12]橫桿對折，兩個端頭朝下，懸掛在支撐架[12]橫桿的兩側(cè)，再把雙層毛細纖維氈插到濃鹽水收集槽[9]中央寬為10-15mm的插縫中，兩個端頭直到中間板面；濃鹽水收集槽的高度應(yīng)高于淡水排放口[11]，使?jié)恹}水收集槽[9]的外面與中間板的上面空間構(gòu)成淡水收集槽[10]。
淡水冷凝板[5]是采用厚度為2mm的不銹鋼材料制成的方形板，其下面的1/3-1/4面積是穿過中間板[14]伸到冷卻槽[4]中，上面的2/3-3/4部分是穿過中間板固定在淡化器箱體[7]內(nèi)，冷凝板與活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]相間垂直平行；冷凝板的高度小于或等于活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器高度，一個蒸發(fā)器與一個冷凝板之間的間距是毛細管蒸發(fā)器高度的1/4-3/4。
海水布水管[8]分散到每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]頂部位置，在管子的下端，有許多滴洗的小孔，便于將海水均勻分布在活性炭纖維蒸發(fā)器上(附圖4)。
本發(fā)明中的海水淡化工藝過程是這樣來實現(xiàn)的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器建于近海岸邊，海水經(jīng)海水管[1]用海水泵[2]打到除藻器[3]中除藻，然后海水通過海水進入口[16]進入埋于地下的淡水冷凝板冷卻槽[4]，利用海水的低溫將淡水冷凝板[5]冷卻到15℃以下，同時海水也被預熱。預熱后的海水通過伸在冷卻槽海水中的海水布水管[8]，穿過中間板[14]進入到透光密封的有機玻璃淡化器箱體[7]的頂部，并被多組海水布水管分配到每一個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]上端，該蒸發(fā)器是由多個懸掛在支撐架[12]橫桿上的平行的活性炭纖維氈組成，活性炭纖維氈的單層厚度為2.5-3.5mm，懸掛高度500mm，根據(jù)淡化水產(chǎn)量不同來確定長度為2.3-73m，活性炭纖維氈的個數(shù)根據(jù)設(shè)計蒸發(fā)量大小定為5-158個，可設(shè)置許多組，具體數(shù)目和規(guī)格見表3。在每一個活性炭纖維蒸發(fā)單元之間設(shè)置一片由厚度為2mm不銹鋼制成的方形冷凝板[5]，從活性炭纖維氈上蒸發(fā)的水蒸氣遇到冷凝板后液化成淡水流下，收集在淡化器箱體與中間板上底部空間的淡水收集槽[10]內(nèi)，淡水達到一定量可從淡水排放口[11]放出。海水蒸發(fā)后殘留在活性炭纖維氈上的無機鹽類，不斷被從海水布水管[8]滴下的海水沖洗下來，沿著活性炭纖維氈收集在濃鹽水收集槽[9]內(nèi)，從濃鹽水出口[15]自動排出箱體或用于回收無機鹽。而收集的淡水經(jīng)過淡水排放口[11]輸送到用戶。海水泵所需要的動力，在電源方便的地方由陸上電源供給，如果遠離電源，可利用風能或浪涌動力發(fā)電來供給。
表1為不同淡水產(chǎn)量需要受熱面積和箱體體積的計算數(shù)據(jù)；計算表明隨著淡水產(chǎn)量的增加，淡化器接受太陽能輻射的受熱面積和箱體體積也都增大。
表2為不同淡水產(chǎn)量需要纖維氈體積、冷凝板體積的計算數(shù)據(jù)；計算表明隨著淡水產(chǎn)量的增加，纖維氈體積和冷凝板體積都相應(yīng)增加。
表3為不同淡水產(chǎn)量需要活性炭纖維氈規(guī)格和個數(shù)的計算數(shù)據(jù)；計算表明隨著淡水產(chǎn)量的增加，活性炭纖維氈在厚度和高度保持不變時，其長度和個數(shù)均急聚增加。
表4為不同淡水產(chǎn)量需要冷凝板規(guī)格和個數(shù)的計算數(shù)據(jù)；計算表明隨著淡水產(chǎn)量的增加，冷凝板在厚度和高度保持不變時，其長度和個數(shù)均急聚增加。


圖1為海水淡化器正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1-海水管，2-海水泵，3-除藻器，4-淡水冷凝板冷卻槽，5-淡水冷凝板，6-活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，7-透光密封淡化器箱體，8-海水布水管，9-濃鹽水收集槽，10-淡水收集槽，11-淡水排放口，12-支撐架，13-密封墊片，14-中間板，15-濃鹽水出口，16-海水進入口，17-螺栓。
圖2為海水淡化器俯視A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
其中3-除藻器，5-淡水冷凝板，6-活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，7-透光密封淡化器箱體，8-海水布水管，9-濃鹽水收集槽，11-淡水排放口，12-支撐架，14-中間板。
圖3為活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
其中6-活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，9-濃鹽水收集槽，12-支撐架，15-濃鹽水出口。
圖4為毛細蒸發(fā)海水淡化器中海水布水管立體分布示意圖。
其中5-淡水冷凝板，6-活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，8-海水布水管，12-支撐架，14-中間板。
本發(fā)明陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器的特點為1、充分利用活性炭纖維氈眾多發(fā)達的毛細管作用，可制成5-158個長2.3-73m，厚7.7mm，高500mm的活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，通過海水布水管[8]將海水滴到具有較大比表面積的纖維氈上，使每一個雙層活性炭毛細纖維氈由里向外，由上而下形成立體蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)冷凝板冷卻，變成為1-1000千克/時淡水(表3)，提高了單位體積海水蒸發(fā)器的蒸發(fā)負荷。
2、充分利用黑色活性炭纖維吸收太陽光的能力強、蒸發(fā)溫度高，加大蒸發(fā)推動力，提高蒸發(fā)量，從而提高了熱能利用率。海水溫度為15℃，蒸發(fā)溫度可達45～48℃。
3、利用剛從大海中提升的低溫海水作為冷卻劑，冷卻每塊淡水冷凝板，將透光密封淡化器箱體內(nèi)的水蒸汽盡快冷凝成淡水而被收集。
4、海水蒸發(fā)后殘留在活性炭纖維上的無機鹽類，不斷地被海水布水管從上滴下的海水沖洗帶下來，被收集在濃鹽水收集槽內(nèi)，通過濃鹽水管道和出口，自動排出箱體，也可用于回收無機鹽。
5、綜合上述特點，假設(shè)海水的平均溫度為10℃，吸收太陽能使海水溫度升高到40℃，水在40℃蒸發(fā)成水蒸氣，再經(jīng)冷凝到15℃，冷凝得到15℃淡水。據(jù)初步計算，本發(fā)明海水淡化器得到淡水的價格約為2-3元/噸。
6、水蒸汽被冷凝板冷凝成淡水和活性炭纖維上殘留的無機鹽被海水滴洗帶走，均是由上而下同步進行的。
本發(fā)明所達到的效果為充分利用活性碳纖維的發(fā)達比表面積增大海水的蒸發(fā)面積，使平面蒸發(fā)成為立體蒸發(fā)，提高了單位體積海水蒸發(fā)器的蒸發(fā)負荷.利用黑色活性碳纖維的吸光能力強，從而蒸發(fā)溫度高的優(yōu)點，加大蒸發(fā)推動力，提高蒸發(fā)量.利用透光罩將水蒸汽有效地封閉于罩內(nèi)，并利用剛從海中提升的海水溫度低的特點，設(shè)置海水冷凝槽冷卻淡水冷凝板，使水蒸汽及時冷凝成液體，整個設(shè)備充分利用了太陽能低品位能源，實現(xiàn)了海水淡化的目標。
具體實施例方式
實施例1一個淡水產(chǎn)量1千克/小時的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，在長2.5m，寬2.5m，高600mm的透光密封淡化器箱體內(nèi)，均勻安裝5個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器，每一個厚度為7mm，長2.3m，高500mm，并在每相鄰兩個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器之間，安裝一個淡水冷凝板，它的長2.3m，高500mm，厚2mm，冷凝板固定在厚10mm塑料中間板上。每個毛細管蒸發(fā)器的下端均有高100mm的濃鹽水收集槽，槽內(nèi)有一小孔，連接到濃鹽水出口。海水布水管安裝在淡化器箱體內(nèi)，并垂直穿過中間板伸到冷卻槽內(nèi)。冷卻槽的一端有一個海水進入口，另一端有濃鹽水出口，淡化器箱體靠中間板處有一個淡水排放口。海水由海水泵抽上打入除藻器進入冷卻槽。該裝置按照中國北方日照強度可產(chǎn)淡水量1千克/小時。
實施例2-4按照表3、表4的計算數(shù)據(jù)以及上述實施例1安裝結(jié)構(gòu)，可分別制作淡水產(chǎn)量10千克/小時、100千克/小時、1000千克/小時的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器。
本發(fā)明海水淡水器常見設(shè)備的技術(shù)規(guī)格如下海水溫度平均10℃海水鹽濃度3.5％(NaCl)汽化水溫度40℃冷凝水溫度15℃表1 不同規(guī)格淡化器的接受太陽能輻射面積及箱體體積計算

表2 不同規(guī)格淡化器的各部分體積計算

表3 不同規(guī)格淡化器的碳纖維氈規(guī)格計算

表4 不同規(guī)格淡化器的冷凝板規(guī)格計算

權(quán)利要求
1.一種由海水泵、冷凝板、海水蒸發(fā)器、淡化器箱體、海水布水管、淡水收集槽和濃鹽水收集槽組成的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，其特征在于該海水淡化器是由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷卻槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]、透光密封淡化器箱體[7]、海水布水管[8]、濃鹽水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撐架[12]、密封墊片[13]、中間板[14]、濃鹽水出口[15]、海水進入口[16]和螺栓[17]組成；它們的結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系是a)海水淡化器是由透光密封淡化器箱體[7]和淡水冷凝板冷卻槽[4]，用螺栓[17]、密封墊片[13]和中間板[1]緊固在一起，構(gòu)成一個密閉、蒸發(fā)、冷凝系統(tǒng)；由中間板隔開，分成上、下兩部分；上方是有機玻璃透光密封淡化器箱體[7]、下方是淡水冷凝板冷卻槽[4]；海水淡化器中間板下面的淡水冷凝板冷卻槽[4]的一端，有一個海水進入口[16]，另一端有一個從多個濃鹽水收集槽[9]匯總來的濃鹽水出口[15]，冷卻槽[4]內(nèi)還有多個垂直穿過中間板相互平行伸到槽內(nèi)的淡水冷凝板的下面部分，以及一根直徑Φ＝20-100毫米從槽里垂直穿過中間板向上一直伸到透光密封淡化器箱體[7]頂部，然后彎成水平方向分散到每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]頂端位置的海水布水管[8]；海水淡化器中間板上面的淡化器箱體[7]內(nèi)，除上述的海水布水管外，還有根據(jù)不同淡水產(chǎn)量設(shè)計的多個相互平行的活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器和多個穿過中間板與毛細管蒸發(fā)器相間并相互平行的淡水冷凝板的上面部分，它們均垂直固定于中間板上；以中間板為基準，冷凝板的上面部分與下面部分的面積之比為4∶1-3∶1；每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器的下端還有一個濃鹽水收集槽[9]，槽的一側(cè)均有一個濃鹽水排水口，通過管道連接到濃鹽水出口[15]；b)活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]是用黑色活性炭纖維制成厚度為2.5-3.5mm的毛細纖維氈，將其圍繞固定支撐架[12]橫桿對折，兩個端頭朝下，懸掛在支撐架[12]橫桿的兩側(cè)，再把雙層毛細纖維氈插到濃鹽水收集槽[9]中央寬為10-15mm的插縫中，兩個端頭直到中間板面；濃鹽水收集槽的高度應(yīng)高于淡水排放口[11]，使?jié)恹}水收集槽[9]的外面與中間板的上面空間構(gòu)成淡水收集槽[10]；c)淡水冷凝板[5]是采用厚度為2mm的不銹鋼材料制成的方形板，其下面的1/3-1/4面積是穿過中間板[14]伸到冷卻槽[4]中，上面的2/3-3/4部分是穿過中間板固定在淡化器箱體[7]內(nèi)，冷凝板與活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]相間垂直平行；冷凝板的高度小于或等于活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器高度，一個蒸發(fā)器與一個冷凝板之間的間距是毛細管蒸發(fā)器高度的1/4-3/4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，其特征在于海水淡化器的淡水產(chǎn)量為1-1000千克/小時時，需要活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器的數(shù)目應(yīng)為5-158個，每個毛細管蒸發(fā)器的規(guī)格為長2.3-73m，高為500mm，厚度5-7.7mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，其特征在于在中間板上的濃鹽水收集槽高度為100-200mm，槽中央有一條寬10-15mm，長2.3-73m的插縫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，其特征在于海水淡化器的淡水產(chǎn)量為1-1000千克/小時時，需要淡水冷凝板的數(shù)目應(yīng)為5-158個，每個淡水冷凝板的規(guī)格為長2.3-73m，高為500mm，厚度為2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，其特征在于海水布水管[8]分散到每個活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]頂部位置，在管子的下端，有許多滴洗的小孔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種陸上型太陽能毛細蒸發(fā)海水淡化器，它由海水管[1]、海水泵[2]、除藻器[3]、淡水冷凝板冷卻槽[4]、淡水冷凝板[5]、活性炭纖維毛細管蒸發(fā)器[6]、透光密封淡化器箱體[7]、海水布水管[8]、濃鹽水收集槽[9]、淡水收集槽[10]、淡水排放口[11]、支撐架[12]、密封墊片[13]、中間板[14]、濃鹽水出口[15]、海水進入口[16]和螺栓[17]組成，它充分利用活性炭纖維發(fā)達的比表面積來增大海水的蒸發(fā)面積，形成立體蒸發(fā)，提高了單位體積的蒸發(fā)負荷；黑色活性炭纖維的吸光能力強，蒸發(fā)溫度高，加大蒸發(fā)推動力，提高蒸發(fā)量；利用海水溫度低，使水蒸氣及時冷凝成淡水；實現(xiàn)了海水淡化。
文檔編號C02F1/14GK1583583SQ20041002062
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者周夢然, 周集體 申請人:周夢然