本發(fā)明屬于可再生能源的熱能利用領域，涉及一種太陽能雙級加熱海水淡化裝置。

背景技術：

在我國一些沿海地區(qū)和孤立的島礁上，存在淡水資源稀缺的問題,但該地區(qū)海水資源豐富，為海水淡化技術的實施提供了有利條件。

目前，已有的海水淡化技術中，常見的有膜過濾式海水淡化技術與常規(guī)蒸餾式海水淡化技術。其中，利用膜過濾式海水淡化技術雖然可以得到較純凈的淡水，但存在投資高、設備復雜等缺點；常規(guī)蒸餾式海水淡化系統(tǒng)需要結合外部熱源加熱，工作過程會消耗較多能量，增加運行成本；傳統(tǒng)的太陽能海水淡化裝置，曬水池底部為吸熱材料，太陽輻射投射到曬水池中，從而使海水吸熱蒸發(fā)，但該系統(tǒng)運行時，海水升溫慢，蒸發(fā)速率小，導致海水淡化效率低下。

綜上所述，如何在投資較低、設備較為簡單的條件下，解決海水淡化時海水升溫慢、蒸發(fā)效率低問題，以確保海水淡化系統(tǒng)的高效運行，是本領域技術人員所關注的焦點問題之一。

技術實現要素：

針對上述初投資高、設備復雜、海水升溫慢、蒸發(fā)效率低的問題，本發(fā)明目的在于，提供一種太陽能雙級加熱海水淡化裝置，該裝置結構簡單、生產方便、節(jié)約常規(guī)能源，不僅可以實現對海水“雙級加熱”使海水升溫快，而且還具有較高的海水的淡化效率。

為實現上述目的，本發(fā)明采取如下技術方案：

一種太陽能雙級加熱海水淡化裝置，包括補水機構，補水機構連接曬水池，所述曬水池連接一級加熱機構，曬水池內部設置有二級加熱機構和噴灑機構，一級加熱機構連接噴灑機構；曬水池還連接冷凝機構，冷凝機構連接淡水收集裝置；

海水通過補水機構輸入到曬水池內部，海水輸出到一級加熱機構內進行一級加熱，經由噴灑機構噴灑到二級加熱機構上進行二級加熱，加熱后的海水形成的水蒸氣由冷凝機構冷凝形成淡水，被淡水收集裝置收集。

具體地，所述一級加熱機構包括太陽能集熱器和循環(huán)水泵，所述曬水池內的海水經由循環(huán)水泵流入太陽能集熱器內。

具體地，所述二級加熱機構包括吸熱板和透光板，吸熱板設置在所述曬水池內部，吸熱板包括階梯板和豎直板，階梯板將所述曬水池分成上下兩部分，豎直板與所述曬水池的一側側壁之間留有間隙，形成水流通道；透光板設置在所述曬水池的頂部。

具體地，所述透光板為玻璃板，透光板為弧形結構。

具體地，所述階梯板的每一個階梯面相對于水平面的傾斜角度為15°。

具體地，所述噴灑機構設置在所述吸熱板和透光板之間，噴灑機構包括圓環(huán)形噴淋管和T形噴淋管，T形噴淋管設置在圓環(huán)形噴淋管的端部；T形噴淋管所在平面平行于所述曬水池的側壁。

具體地，所述冷凝機構設置在所述曬水池的外壁上，冷凝機構包括第一冷凝管道和第二冷凝管道，第一冷凝管道與所述曬水池內的吸熱板的上方空間連通，第二冷凝管道與所述曬水池內的吸熱板的下方空間連通。

具體地，補水機構包括全熱交換器、補水泵和閥門，海水依次經過全熱交換器、補水泵和閥門流入所述曬水池內；所述補水機構還包括壓力傳感器,；所述第一冷凝管道道的末端和第二冷凝管道的末端均穿過全熱交換器連接所述淡水收集裝置。

具體地，所述曬水池的底部設置有排水漏斗，排水漏斗下方設置有排水閥門。

具體地，所述圓環(huán)形噴淋管的一周設置有多個霧化噴嘴，所述T形噴淋管的管壁上設置有多個霧化噴嘴。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下技術效果：

1、解決海水淡化時海水升溫慢、蒸發(fā)速率低的問題

本發(fā)明將海水通過海水輸入到曬水池內部，海水輸出到一級加熱機構內進行一級加熱，經由噴灑機構噴灑到二級加熱機構上進行二級加熱，大幅度的提高了海水溫度。與此同時，被加熱后的海水經噴灑機構反復霧化，增強海水與周圍空氣的熱濕交換過程，有利于提高海水的蒸發(fā)速率。

2、具有良好的節(jié)能效果

第一，與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，本發(fā)明具有不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高等優(yōu)點；第二，海水在蒸餾裝置內被加熱蒸發(fā)后，形成熱負壓，在其作用下使水蒸氣具有較高的流動速度，在冷凝機構中完全可以節(jié)約相應送風裝置；第三，末端設有全熱交換器，使海水與蒸汽進行熱量交換，即有利于蒸汽凝結成淡水，又對海水起預熱作用。

3、運行成本低，結構簡單，操作性強

本發(fā)明初投資及運行成本低，結構簡單，易于制作和安裝，幾乎無需外界動力。另外，配備有較為完善的自動補水裝置，當曬水池內海水低于設定水位時，補水泵自動開啟向曬水池補水；當水位達到設定位置時，閥門關閉，補水泵自動關閉停止向曬水池補水，從而保證了系統(tǒng)的正常運行。對于節(jié)省人力、物力具有積極意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是圓環(huán)形噴淋管的示意圖；

圖3是T型噴淋管的示意圖；

圖4是階梯板的示意圖；

圖5是排水漏斗的示意圖；

圖6是吸熱板上部蒸發(fā)速率模擬圖；

圖7是曬水池底部蒸發(fā)速率模擬圖；

圖中的標號分別表示：1—補水機構，101—全熱交換器，102—補水泵，103—閥門，104—壓力傳感器，2—曬水池，3—一級加熱機構，301—太陽能集熱器，302—循環(huán)水泵，4—二級加熱機構，401—吸熱板，40101—階梯板，40102—豎直板，402—透光板，5—排水閥門，6—噴灑機構，601—圓環(huán)形噴淋管，602—T形噴淋管，7—冷凝機構，701—第一冷凝管道，702—第二冷凝管道，8—淡水收集裝置，9—水流通道，10—排水漏斗，11—霧化噴嘴，12—冷凝總管。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的方案作進一步詳細地解釋和說明。

具體實施方式

本發(fā)明的太陽能雙級加熱海水淡化裝置，參見圖1，包括補水機構1，補水機構1連接曬水池2，所述曬水池2連接一級加熱機構3，曬水池2內部設置有二級加熱機構4和噴灑機構6，一級加熱機構3連接噴灑機構6；曬水池2還連接冷凝機構7，冷凝機構7連接淡水收集裝置8。

具體工作過程如下：海水通過補水機構1輸入到曬水池2內部，海水輸出到一級加熱機構3內進行一級加熱，經由噴灑機構6噴灑到二級加熱機構4上進行二級加熱，加熱后的海水形成的水蒸氣由冷凝機構7冷凝形成淡水，被淡水收集裝置8收集。本發(fā)明設置兩級加熱機構，大幅度的提高了海水溫度；與此同時，被加熱后的海水經噴灑機構6反復霧化，增強海水與周圍空氣的熱濕交換過程，有利于提高海水的蒸發(fā)速率。

所述一級加熱機構3包括太陽能集熱器301和循環(huán)水泵302，曬水池2內的海水經由循環(huán)水泵302流入太陽能集熱器301內。一級加熱機構3中的各個部件均通過水管連接，循環(huán)水泵302通過水管安裝在曬水池2的底部；太陽能集熱器301對海水進行加熱，加熱后的海水經由鍍鋅鋼管進入噴灑機構6內部。

參見圖4，所述二級加熱機構4包括吸熱板401和透光板402，吸熱板401設置在曬水池2內部，吸熱板401包括階梯板40101和豎直板40102，階梯板40101將曬水池2分成上下兩部分，豎直板40102與所述曬水池2的一側側壁之間留有空心，形成水流通道9；透光板402設置在曬水池2的頂部，用于密封曬水池2。

參見圖2和圖3，所述噴灑機構6設置在所述吸熱板401和透光板402之間，噴灑機構6包括圓環(huán)形噴淋管601和T形噴淋管602，T形噴淋管602設置在圓環(huán)形噴淋管601的端部；T形噴淋管602所在平面平行于所述曬水池2的側壁。圓環(huán)形噴淋管601的一周設置有多個霧化噴嘴11，T形噴淋管602的管壁上也設置有多個霧化噴嘴11，由一級加熱機構3輸送來的經過一級加熱的海水經過噴灑機構6的圓環(huán)形噴淋管601和T形噴淋管602在吸熱板401的上方空間進行噴灑；經由霧化噴嘴11噴灑出來的海水充分霧化，增大了海水與周圍空氣的接觸面積，有利于海水與周圍空氣的熱濕交換，促進海水的蒸發(fā)。

經霧化噴嘴11噴灑出來的海水一部分蒸發(fā)到上方空間，大部分落在了吸熱板401上，吸熱板401接收透過透光板402照射進曬水池2內的光，溫度升高，落在吸熱板401上的海水被二次加熱后，經由水流通道9流回到曬水池2底部。

所述透光板402為玻璃板，為弧形結構，其接收陽光的有效面積較大，能夠透過較多的陽光。

所述階梯板40101的每一個階梯面相對于水平面的傾斜角度為15°。階梯板40101的設置保證落到吸熱板401上的海水能夠沿階梯板40101的傾斜面流入回曬水池2底部。階梯板40101的向陽面附著有吸熱層，背陽面附著有保溫層。

蒸發(fā)形成的水蒸氣經由冷凝機構7冷凝輸出，所述冷凝機構7設置在所述曬水池2的外壁上，冷凝機構7包括第一冷凝管道道701和第二冷凝管道702，第一冷凝管道道701與所述曬水池2內的吸熱板401的上方空間連通，第二冷凝管道702與所述曬水池2內的吸熱板401的下方空間連通。

噴灑機構6在噴灑過程中會形成水蒸氣，此部分水蒸氣進入第一冷凝管道701內部；流回曬水池2內部的海水由于被加熱，溫度較高，在回流到曬水池2內后，蒸發(fā)形成水蒸氣，此部分水蒸氣進入第二冷凝管道702內部。

第一冷凝管道701和第二冷凝管道702在出口處交匯形成一個冷凝總管12，兩個冷凝管道中的水蒸氣均進入到冷凝總管12內，冷凝總管12的末端連接淡水收集裝置8。

所述補水機構1包括全熱交換器101、補水泵102和閥門103，海水依次經過全熱交換器101、補水泵102和閥門103流入所述曬水池2內；為了對海水進行預熱，所述冷凝總管12穿過全熱交換器101，此處，全熱交換器101的設置，利用冷凝總管12內的水蒸氣的較高溫度對溫度較低的海水進行預熱，同時，利用海水的較低溫度對冷凝總管12內的水蒸氣進行冷卻，加快淡水的生成。

所述補水機構1還包括壓力傳感器104，當水位低于設定壓力時，補水泵102自動進補水，壓力傳感器104設置在曬水池2的底部，用于測得曬水池2底部的水壓，并將水壓信號傳遞到補水泵102，控制補水泵102的開啟和關閉，若水壓較小，說明曬水池2內的海水較少，開啟補水泵2；若水壓較大，說明曬水池2內的海水較多，關閉補水泵2。利用自動控制原理，保證補水機構1的正常運行。

參見圖5，當本發(fā)明的裝置運行一段時間后，曬水池2的海水鹽度過高時，需將曬水池2底部的海水排出，因此，在曬水池2的底部設置排水漏斗10，排水漏斗10下方設置有排水閥門5。通過開啟排水閥門5，將海水排出。

本發(fā)明的裝置與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，具有不消耗常規(guī)能源、無污染，且獲取的淡水純度較高的優(yōu)點；其次，海水在蒸餾過程中被加熱蒸發(fā)后，形成熱負壓，在其作用下時水蒸氣具有較高的流動速度，在凝水管道中完全可以節(jié)約相應的送風裝置。

實施例

本實施例中，曬水池為圓柱體，底部半徑為r＝2m，內部海水的液位高度h＝1.5m；

太陽能集熱器的平均集熱效率為η₁＝0.6；透光板的面積A₁＝πr²≈12.56m²，穿透率為α＝0.8；階梯板的平均集熱效率η₂＝0.2，有效利用率為75％，有效吸熱面積A₂≈A₁×75％＝9m²；全熱交換器的換熱系數300w/(k m²)，全熱交換器的入口海水溫度t_in＝28℃，出口海水溫度t_out＝48℃。

補水機構中的供水管流速v＝2m/s.供水管管徑為DN32mm，斷面面積第一冷凝管道和第二冷凝管道的截面面積A₃＝0.2×0.2＝0.04m²。

海水密度ρ＝1.025kg/m³，海水溫度t₀＝28℃,海水鹽度s＝30，海水比熱為c＝4200j/(kg℃)。

40℃時，水蒸氣密度ρ₁＝0.05kg/m³；122℃時，水蒸氣密度ρ₂＝1.12kg/m³，r＝2202kj/kg；125℃時，水蒸氣密度ρ₃＝1.2kg/m³。

沿海地區(qū)例如廣州-汕頭，由中國氣象資料知八月份日平均太陽輻射強度約為I＝220w，大氣壓力約為100743pa，水蒸氣分壓力約為3700pa。

根據上述參數設置，進行如下計算：

(1)太陽能集熱器的選型

供水管流量 Q＝ρ·v·A₀

其中，ρ＝1.025kg/m³為海水密度，v＝2m/s為供水管流速，為供水管的斷面面積；

代入數據得 Q＝6kg/h

海水初溫t₀＝28℃，1小時后圓環(huán)形噴淋管和T型噴淋管額定出口水溫為t₁＝80℃。經太陽能集熱器加熱后，海水溫升Δt＝t₁-t₀＝52℃

太陽能集熱器集熱面積為A，根據能量守恒定律

cQΔt＝3600IAη₁

其中，c＝4200j/(kg℃)為海水比熱，η₁＝0.6為太陽能集熱器的平均集熱效率，I＝220w為太陽輻射強度；

代入數據得 A＝2.53(m²)

由上述計算可知：若使圓環(huán)形噴淋管和T型噴淋管額定出口水溫為t₁＝80℃，則需要太陽能集熱器的面積為2.6m²。

(2)計算混合后曬水池內海水水溫

海水經噴灑機構霧化后，噴灑在階梯板上，被階梯板加熱。在熱水輸運過程中，熱損失忽略不計。圓環(huán)形噴淋管和T型噴淋管的額定出口水溫為t₁＝80℃。設海水經階梯板加熱后溫度為t₃，Δt′＝t₃-t₁

根據能量守恒定律 cQΔt′＝3600IA₂αη₂

A₂≈A₁×75％＝9m²為太陽能集熱器的有效吸熱面積，η₂＝0.2為階梯板的平均集熱效率，代入數據得t₃＝125℃。

階梯板對海水進行二次加熱后，在1小時內能海水溫度由80℃提高到125℃；底部海水經全熱交換器預熱后海水溫度為48℃，兩者進行混合后，設混合水溫為t₄，曬水池內總水量m＝ρπr²h＝19.3kg

根據能量守恒定律cm(t₄-t_out)＝cQ(t₃-t₄)，得t₄＝66℃，即混合后曬水池內海水水溫為66℃。

(3)計算海水蒸發(fā)速率及凝水管道出口流速模擬

吸熱板蒸發(fā)速率ν計算公式

v＝0.0022t₃-0.0012s-0.02

其中，s＝30為海水鹽度，代入數據得v＝0.22m/s

經過對第一冷凝管道出口流速模擬(如圖6所示)，第一冷凝管道出口處蒸汽最大流速為v₁＝3.13m/s；

曬水池蒸發(fā)速率ν計算公式

v＝0.0022t₃-0.0012s-0.02

代入數據 v＝0.09m/s

同理，經過對第二冷凝管道出口流速模擬(如圖7所示)，第二冷凝管道出口處蒸汽最大流速為v₂＝1.17m/s。

(4)計算凝結水量

第一冷凝管道質量流量 Q₁＝ρ₁A₀ν₁＝0.15kg/s＝540kg/h

第二冷凝管道質量流量 Q₂＝ρ₂A₀ν₂＝3.84×10^-3kg/s＝13.8kg/h

根據質量守恒定律 Q₁+Q₂＝Q

得 Q＝554kg/h

蒸汽混合后，設混合后的溫度為t，

則由方程 cQ₁(t₃-t)＝cQ₂(t-t₄)

得 t＝122℃

水蒸汽在t＝122℃進行等溫凝結時，水蒸氣的凝結熱r＝2202kj/kg。則蒸汽與海水進行全熱交換時，其對數傳熱溫差為：

${\mathrm{\Δt}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_{max}-{\mathrm{\Δt}}_{\min }}{ln\left({\mathrm{\Δt}}_{max}\right)-ln\left({\mathrm{\Δt}}_{\min }\right)}$

求淡化水量m′：

γm′＝cmΔt′

代入數據 2202(kj/kg)×m′＝4200(j/kg·c)×554(kg/h)×83.6

m′＝88.3kg

故該雙級加熱海水淡化裝置每小時淡化水量最高為88.3kg。

對于單級式海水淡化裝置，在無預熱裝置情況下，太陽能集熱器出口水溫與曬水池混合后的水溫為海水終溫t₂。

則cm(t₂-28)＝cQ(80-28)代入數據得t₂≈40℃

蒸發(fā)速度v＝0.0022t₂-0.0012s-0.02代入數據得v≈0.032m/s

淡化水量γm″＝cm(40-28)得m″＝26.6kg

由此可以看出，本發(fā)明的雙級加熱海水淡化裝置不僅解決了海水淡化時海水升溫慢、蒸發(fā)速率低的問題，而且還具有很高的淡化效率。