本發(fā)明屬于熱能利用和淡化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
太陽能作為豐富的再生能源，可以產(chǎn)生電能或熱能，逐漸受到人們的重視，太陽能熱水器已被人們廣泛應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的太陽能熱水器功能單一，換熱效率較低，因此，太陽能熱水器功能上和結(jié)構(gòu)上的缺陷仍需要完善。另一方面，伴隨人們生活水平的提高，純凈水已成為人們生活的必需品，而純凈水的生產(chǎn)往往通過壓力驅(qū)動(dòng)獲得，需要耗費(fèi)大量的電能，太陽能作為潔凈能源已用于凈化水質(zhì)，但是太陽能凈水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且性能單一，限制了其推廣應(yīng)用。
中國(guó)專利zl200420089318.3家用太陽能純凈水熱水裝置，在太陽能集熱器上面安裝一個(gè)換熱器，用通孔導(dǎo)管與集熱器水箱內(nèi)部連通，當(dāng)水溫升高產(chǎn)生蒸汽時(shí)順通孔沿導(dǎo)管上部進(jìn)去換熱器，冷凝后的蒸餾水順導(dǎo)管流出。由于集熱水箱的水量較多，導(dǎo)致其不易加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，且蒸汽潛熱未能實(shí)現(xiàn)熱回收，使得整個(gè)系統(tǒng)的熱能利用率降低。
中國(guó)專利zl201610258180.2太陽能熱水集熱器及應(yīng)用其的熱水器和凈水器，將換熱器引入到集熱器水箱的內(nèi)部，利用換熱器冷卻蒸汽來產(chǎn)生蒸餾水，同時(shí)加熱集熱器水箱的原水。該系統(tǒng)雖然基于管體內(nèi)部的少量原水產(chǎn)生蒸汽和回收蒸汽潛熱，但是由于其產(chǎn)生蒸汽所要求的水溫較高，因此，其蒸汽產(chǎn)量受限，導(dǎo)致產(chǎn)水量偏少。
目前，太陽能同步制取純凈水和熱水系統(tǒng)的開發(fā)大多集中于傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)與太陽能熱水系統(tǒng)的耦合，產(chǎn)生蒸汽的水溫較高，熱效率較低，導(dǎo)致其構(gòu)造復(fù)雜和產(chǎn)水量有限，難以實(shí)現(xiàn)過規(guī)?；瘧?yīng)用，在開發(fā)新型高效太陽能同步制取純凈水和熱水水系統(tǒng)方面仍需要?jiǎng)?chuàng)新。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下：
一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)，包括太陽能集熱器1、第一循環(huán)泵2、第一換熱水箱3、第二循環(huán)泵4、空氣隙膜蒸餾組件5和第二換熱水箱6，第一換熱水箱3包括箱體3-4，在箱體內(nèi)的中下部設(shè)置有橫向隔板3-5，隔板將箱體分隔為上下兩部分，上部分為料液室3-1，下部分為熱工質(zhì)室3-2，熱工質(zhì)室內(nèi)設(shè)置有第一種熱工質(zhì)，熱管3-3豎向貫穿設(shè)置在隔板上，熱管內(nèi)設(shè)置有第二種熱工質(zhì)：所述空氣隙膜蒸餾組件5包括殼體5-8，在殼體的頂部設(shè)置有熱料液進(jìn)口5-1和冷料液出口5-4，在殼體的底部設(shè)置有熱料液出口5-3、冷料液進(jìn)口5-2和產(chǎn)水出口5-5，在殼體內(nèi)熱料液進(jìn)口5-1和熱料液出口5-3之間連接有中空纖維微孔疏水膜5-6，在冷料液進(jìn)口5-2和冷料液出口5-4之間連接有中空纖維冷凝管5-7；第二換熱水箱6包括水箱體6-2，在水箱體內(nèi)設(shè)置有毛細(xì)管6-1，毛細(xì)管的上端與配水管6-3連接，毛細(xì)管的下端與回水管6-4連接；水箱體上分別設(shè)置有冷水進(jìn)口6-5和熱水出口6-6；太陽能集熱器1通過管路與第一換熱水箱3熱工質(zhì)室連接；第一換熱水箱3的熱工質(zhì)室通過管路依次與第一循環(huán)泵2、太陽能集熱器1連接；第一換熱水箱3的料液室通過管路依次與第二循環(huán)泵4和空氣隙膜蒸餾組件5的熱料液進(jìn)口5-1連接，熱料液出口5-3通過管路與第二換熱水箱6的毛細(xì)管6-1的配水管6-3連接；第二換熱水箱6的回水管6-4通過管路分別與空氣隙膜蒸餾組件5的冷料液進(jìn)口5-2和濃料液排放管8連接；冷料液出口5-4通過管路分別與第一換熱水箱3的料液室3-1和料液補(bǔ)充管7連接。
配水管和回水管上均設(shè)置有若干小孔，毛細(xì)管的一端與配水管的小孔連接，毛細(xì)管的另另一端與回水管的小孔連接；
中空纖維微孔疏水膜和中空纖維冷凝管的數(shù)量比為1:2～4。
第一種熱工質(zhì)優(yōu)選為水或?qū)嵊?，還可以選用其它的熱工質(zhì)。
第二種熱工質(zhì)優(yōu)選為水、丙酮或甲醇，還可以選用其它的熱工質(zhì)。
一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化方法，包括如下步驟：
使用上述一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)；由料液補(bǔ)充管7注入預(yù)處理的海水、苦咸水或雨水至料液室3-1，生活用水從冷水進(jìn)口6-5注入第二換熱水箱6中；當(dāng)太陽能集熱器1與熱工質(zhì)室3-2的第一種熱工質(zhì)溫差值大于5℃時(shí)，啟動(dòng)第一循環(huán)泵2，將太陽能集熱器1的熱量依次經(jīng)熱工質(zhì)室3-2內(nèi)第一種熱工質(zhì)和熱管3-3的第二種熱工質(zhì)輸送至料液室3-1；當(dāng)太陽能集熱器1與熱工質(zhì)室3-2的第一種熱工質(zhì)溫差值小于2℃時(shí)，關(guān)閉第一循環(huán)泵2；當(dāng)料液室3-1與第二換熱水箱6的溫差大于25℃時(shí)，啟動(dòng)第二循環(huán)泵4，將料液室3-1中的料液輸送至空氣隙膜蒸餾組件5的中空纖維微孔疏水膜5-6產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生蒸汽后的料液輸送至第二換熱水箱6中的毛細(xì)管6-1；經(jīng)毛細(xì)管6-1換熱后的料液進(jìn)入空氣隙膜蒸餾組件5的中空纖維冷凝管5-7來吸收蒸汽潛熱，吸收蒸汽潛熱后的料液回流至料液室3-1進(jìn)行二次加熱，蒸汽冷凝產(chǎn)生的純凈水由空氣隙膜蒸餾組件5的產(chǎn)水出口5-5流出；當(dāng)料液室3-1與第二換熱水箱6的溫差小于15℃時(shí)，關(guān)閉第二循環(huán)泵4；當(dāng)料液濃縮至鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5％時(shí)，由濃料液排放管8排出濃料液；當(dāng)料液室液位小于熱管3-1的頂端高度時(shí)，由料液補(bǔ)充管7補(bǔ)充料液；當(dāng)?shù)诙Q熱水箱6液位小于毛細(xì)管6-1的毛細(xì)管配水管高度或第二換熱水箱6的溫度高于60℃時(shí)，由冷水進(jìn)口6-5補(bǔ)充冷水。
空氣隙膜蒸餾組件5的料液線速度為0.08m.s-1～0.2m.s-1，第二換熱水箱6的料液線速度為0.04m.s-1～0.1m.s-1。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
1.本發(fā)明在制取純凈水的同時(shí)，又可以產(chǎn)生熱水，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用功能。
2.由于膜蒸餾技術(shù)的引入，蒸汽可以在較低的料液溫度下產(chǎn)生，不僅純凈水產(chǎn)水量高，而且產(chǎn)水水質(zhì)好。
3.料液可以使用海水、苦咸水及雨水等水源多種水源，應(yīng)用范圍較廣，尤其適合海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)等特殊場(chǎng)合。
4.空氣隙膜蒸餾組件具有內(nèi)部熱回收功能，造水比較高；此外，由于熱管換熱技術(shù)和毛細(xì)管換熱技術(shù)引入，第一換熱水箱和第二換熱水箱的換熱效率較高，因此，整個(gè)系統(tǒng)的熱能利用率高。
5.由于循環(huán)泵的強(qiáng)制作用，各設(shè)備的空間布置相對(duì)自由，可以適應(yīng)不同產(chǎn)水規(guī)模，便于形成系列化系統(tǒng)。
附圖說明
圖1是一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的舉例是為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠更好地理解本發(fā)明，但并不對(duì)本發(fā)明作任何限制。
一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)，見圖1，包括太陽能集熱器1、第一循環(huán)泵2、第一換熱水箱3、第二循環(huán)泵4、空氣隙膜蒸餾組件5和第二換熱水箱6，第一換熱水箱3包括箱體3-4，在箱體內(nèi)的中下部設(shè)置有橫向隔板3-5，隔板將箱體分隔為上下兩部分，上部分為料液室3-1，下部分為熱工質(zhì)室3-2，熱工質(zhì)室內(nèi)設(shè)置有第一種熱工質(zhì)，熱管3-3豎向貫穿設(shè)置在隔板上，熱管內(nèi)設(shè)置有第二種熱工質(zhì)：所述空氣隙膜蒸餾組件5包括殼體5-8，在殼體的頂部設(shè)置有熱料液進(jìn)口5-1和冷料液出口5-4，在殼體的底部設(shè)置有熱料液出口5-3、冷料液進(jìn)口5-2和產(chǎn)水出口5-5，在殼體內(nèi)熱料液進(jìn)口5-1和熱料液出口5-3之間連接有中空纖維微孔疏水膜5-6，在冷料液進(jìn)口5-2和冷料液出口5-4之間連接有中空纖維冷凝管5-7；第二換熱水箱6包括水箱體6-2，在水箱體內(nèi)設(shè)置有毛細(xì)管6-1，毛細(xì)管的上端與配水管6-3連接，毛細(xì)管的下端與回水管6-4連接；水箱體上分別設(shè)置有冷水進(jìn)口6-5和熱水出口6-6；太陽能集熱器1通過管路與第一換熱水箱3熱工質(zhì)室連接；第一換熱水箱3的熱工質(zhì)室通過管路依次與第一循環(huán)泵2、太陽能集熱器1連接；第一換熱水箱3的料液室通過管路依次與第二循環(huán)泵4和空氣隙膜蒸餾組件5的熱料液進(jìn)口5-1連接，熱料液出口5-3通過管路與第二換熱水箱6的毛細(xì)管6-1的配水管6-3連接；第二換熱水箱6的回水管6-4通過管路分別與空氣隙膜蒸餾組件5的冷料液進(jìn)口5-2和濃料液排放管8連接；冷料液出口5-4通過管路分別與第一換熱水箱3的料液室和料液補(bǔ)充管7連接。
配水管和回水管上均設(shè)置有若干小孔，毛細(xì)管的一端與配水管的小孔連接，毛細(xì)管的另另一端與回水管的小孔連接。
中空纖維微孔疏水膜和中空纖維冷凝管的數(shù)量比為1:2～4。
第一種熱工質(zhì)為水或?qū)嵊?，還可以選用其它的熱工質(zhì)。
第二種熱工質(zhì)優(yōu)選為水、丙酮或甲醇，還可以選用其它的熱工質(zhì)。
一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化方法，包括如下步驟：
使用上述一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)；由料液補(bǔ)充管7注入預(yù)處理的海水、苦咸水或雨水至料液室3-1，生活用水從冷水進(jìn)口6-5注入第二換熱水箱6中；當(dāng)太陽能集熱器1與熱工質(zhì)室3-2的第一種熱工質(zhì)溫差值大于5℃時(shí)，啟動(dòng)第一循環(huán)泵2，將太陽能集熱器1的熱量依次經(jīng)熱工質(zhì)室3-2內(nèi)第一種熱工質(zhì)和熱管3-3的第二種熱工質(zhì)輸送至料液室3-1；當(dāng)太陽能集熱器1與熱工質(zhì)室3-2的第一種熱工質(zhì)溫差值小于2℃時(shí)，關(guān)閉第一循環(huán)泵2；當(dāng)料液室3-1與第二換熱水箱6的溫差大于25℃時(shí)，啟動(dòng)第二循環(huán)泵4，將料液室3-1中的料液輸送至空氣隙膜蒸餾組件5的中空纖維微孔疏水膜5-6產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生蒸汽后的料液輸送至第二換熱水箱6中的毛細(xì)管6-1；經(jīng)毛細(xì)管6-1換熱后的料液進(jìn)入空氣隙膜蒸餾組件5的中空纖維冷凝管5-7來吸收蒸汽潛熱，吸收蒸汽潛熱后的料液回流至料液室3-1進(jìn)行二次加熱，蒸汽冷凝產(chǎn)生的純凈水由空氣隙膜蒸餾組件5的產(chǎn)水出口5-5流出；當(dāng)料液室3-1與第二換熱水箱6的溫差小于15℃時(shí)，關(guān)閉第二循環(huán)泵4；當(dāng)料液濃縮至鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5％時(shí)，由濃料液排放管8排出濃料液；當(dāng)料液室液位小于熱管3-1的頂端高度時(shí)，由料液補(bǔ)充管7補(bǔ)充料液；當(dāng)?shù)诙Q熱水箱6液位小于毛細(xì)管6-1的毛細(xì)管配水管高度或第二換熱水箱6的溫度高于60℃時(shí)，由冷水進(jìn)口補(bǔ)充冷水。
毛細(xì)管6-1的材質(zhì)為聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯中的一種。
空氣隙膜蒸餾組件5的料液線速度為0.08m.s-1～0.2m.s-1，第二換熱水箱6的料液線速度為0.04m.s-1～0.1m.s-1。
空氣隙膜蒸餾組件5優(yōu)選中空纖維空氣隙式膜蒸餾組件，造水比大于5。
實(shí)際應(yīng)用中，第二換熱水箱6中的低溫?zé)崴S著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度會(huì)逐漸升高，為了保證料液室3-1和第二換熱水箱6的溫差大于25℃，第一換熱水箱3的容積不宜過大，第二換熱水箱6的容積不宜過小，優(yōu)選二者體積比為1:3～5。料液室3-1中的原料液可以使用海水、苦咸水及雨水等多種水源，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，料液量減小，料液濃度增大，需要補(bǔ)充原料液和排放濃料液，操作方式選為間歇式或連續(xù)式；第二換熱水箱6的原水為生活用水，加熱后即為生活熱水，其溫度為40-60℃，第二換熱水箱6需要連續(xù)或間歇地補(bǔ)充冷水。管路、第一換熱水箱3和第二換熱水箱6等包裹絕熱材料，防止熱量的損失；第一循環(huán)泵2和第二循環(huán)泵4是能夠耐熱的泵，可以由電能或太陽能電池驅(qū)動(dòng)。
下面通過2個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1
使用圖1所示的一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)，其中第一種工質(zhì)為導(dǎo)熱油wry-320，第二種工質(zhì)為甲醇。
氣象條件：平均輻照強(qiáng)度684w/m2，氣溫24℃～33℃。
太陽能集熱器1選用u型真空管式集熱器，采光面積為2.38m2，正南放置，傾斜42°。
空氣隙膜蒸餾組件：中空纖維微孔疏水膜和中空纖維冷凝管均為聚四氟乙烯(ptfe)材質(zhì)，比例為1:3；兩個(gè)空氣隙膜蒸餾組件串聯(lián)，空氣隙膜蒸餾組件長(zhǎng)1.15m，膜面積0.78m2，孔隙率60％，接觸角120°，膜平均孔徑0.4μm；料液線速度為0.11m.s-1。
第一換熱水箱箱體的外殼和內(nèi)膽均為不銹鋼材質(zhì)，采用聚氨酯發(fā)泡保溫，熱管材質(zhì)為紫銅。
第二換熱水箱的水箱體的外殼和內(nèi)膽均為不銹鋼材質(zhì)，采用聚氨酯發(fā)泡保溫。
管路：熱工質(zhì)管路為無縫鋼管，保溫材料為巖棉；料水管路和熱水管路為ppr管，保溫材料為橡塑。
從料液補(bǔ)充管通入第一換熱水箱60l海水，電導(dǎo)率50400μs.cm-1，初始水溫52℃；第二換熱水箱150l自來水，電導(dǎo)率482μs.cm-1，初始水溫29.1℃。
運(yùn)行時(shí)間為7:00-18:00
運(yùn)行結(jié)果:第一換熱水箱料液溫度67.7℃，41.6l；第二換熱水箱熱水溫度50.5℃，150l；純凈水18.4l，電導(dǎo)率9.3μs.cm-1。
實(shí)施例2
使用圖1所示的一種高效同步制取純凈水和熱水的淡化系統(tǒng)，其中第一種工質(zhì)為導(dǎo)熱油wry-320，第二種工質(zhì)為水。
氣象條件：平均輻照強(qiáng)度702w/m2，氣溫26℃～37℃。
太陽能集熱器1選用u型真空管式集熱器，采光面積為7.14m2，正南放置，傾斜42°。
空氣隙膜蒸餾組件：3組膜組件并聯(lián)運(yùn)行，每組由兩個(gè)空氣隙膜蒸餾組件串聯(lián)構(gòu)成，總膜面積2.34m2，料液線速度為0.08m.s-1，空氣隙膜蒸餾組件構(gòu)型與實(shí)施例1相同。
第一換熱水箱、第二換熱水箱的保溫和管路材質(zhì)與實(shí)施例1相同。
從料液補(bǔ)充管通入第一換熱水箱110l苦咸水，電導(dǎo)率2840μs.cm-1，初始水溫54℃；第二換熱水箱400l自來水，電導(dǎo)率461μs.cm-1，初始水溫28.0℃。
運(yùn)行時(shí)間為7:00-18:00
運(yùn)行結(jié)果:第一換熱水箱料液溫度72.2℃，47.6l；第二換熱水箱熱水溫度54.5℃，400l；產(chǎn)水62.4l，電導(dǎo)率8.4μs.cm-1。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)該涵蓋在本方面的保護(hù)范圍之內(nèi)。