一种太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置

1.本发明涉及淡水制取的关键技术领域；尤其涉及一种太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置。


背景技术：

2.太阳能利用技术国内相对落后，以太阳能作为能源，尤其使用聚光集热方法的太阳能海水淡化系统尚无应用。淡水缺乏作为21世纪的焦点，需加大太阳能服务于淡水的研究力度。太阳能必将成为该世纪解决淡水资源紧缺的能源之一。我国淡水资源患贫,人均水量很少,时间和地域分布上又很不均衡。近10年来，各地经济增长迅速,再加上连续几年降雨偏少，以及许多水源严重污染,水的供需矛盾更显突出。目前我国有110个城市严重缺水，主要分布在华北、东北、西北和沿海地区。在高山哨所、边防海岛、沼泽地、戈壁滩及其他一些干旱、半干旱地区，淡水缺乏问题尤其突出。联合国专家不完全统计，地球上约10-15亿人缺少饮用水，许多地区或国家因缺水而面临降低发展速度和生活质量的问题。解决淡水供给问题是解决上述问题的根本。
3.现有制取淡水技术包括以下几种：(1)直接减压式太阳能制取淡水技术，是利用真空减压技术收集水蒸汽制备淡水，该技术操作简单，设备成本低，但占地面积大，产率低以致发展受到限制；(2)太阳能膜蒸馏海水淡化技术，是一种将太阳能集热系统和膜蒸馏淡化系统相结合的海水淡化技术，该技术成本低，分离性能和好，但膜通量低，产水时间短，产水效率低，膜通量受水温度影响较大；(3)水蒸气吸附海水淡化技术，该技术能量利用率高，所产淡水水质高，对驱动热源的适应性广，但反渗透产水纯度略低，预处理要求严格，多效蒸馏和压汽蒸馏亦存在严重的腐蚀和结垢问题，对于设备维修多有繁琐；(4)热法太阳能管式海水淡化强化技术，该技术热利用率高、传热效率高以及单位面积蒸发量大，但占地面积大，淡化成本和能耗较大，受季节和外界环境的影响装置操作要求很高。太阳能膜蒸馏海水淡化技术，是以太阳能为驱动能源、基于膜蒸馏过程的新型海水淡化技术，该技术节能环保，淡水质量高，工况性能良好，但占地面积大、且太阳能膜蒸馏的造水成本较高，太阳能辐射的不稳定。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置。本发明解决高山哨所、边防海岛、沼泽地、戈壁滩及其他一些干旱、半干旱地区的供水问题；对常年潮湿的地区，进行除湿，达到比之前制取淡水的方法更高效，成本更低，系统材料制备简单、结构紧凑、能耗损失较少，水质更优的目的。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.本发明涉及一种太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置，包括：太阳能光伏发电系统1、第二板翅式换热器12、制冷压缩机2、分离器17、第一鼓风机4，第二鼓风机13、第一板翅式换热器7和散热器5；其中，太阳能光伏发电系统1供电给制冷压缩机2和第一鼓风机4和
第二鼓风机13；
7.制冷压缩机2做功将-5℃，0.29mpa的氨气15升压至1.36mpa，同时氨气温度升高至90℃，1.36mpa的氨气3进入散热器5；
8.利用第一鼓风机4带动常温空气形成对流与散热器5中1.36mpa，90℃的氨气3换热，将其冷却为75℃，1.36mpa的氨气6，氨气进入第一板翅式换热器7；
9.在第一板翅式换热器7中将75℃，1.36mpa的氨气6与0℃副产品冷空气换热，得到35℃，1.36mpa液氨9；再经节流膨胀阀10绝热膨胀，得-10℃的氨饱和液11，进入第二板翅式换热器12；由第二鼓风机13将常温空气14送入第二板翅式换热器12，常温空气14与-10℃氨饱和液11在第二板翅式换热器12中换热，得到-5℃，0.29mpa的氨气15和0℃含水空气16，0℃含水空气16进入分离器17分离后得到副产品0℃冷空气8和淡水18。
10.其中，太阳能光伏发电系统1由太阳能电池板，蓄电池组，太阳能控制器，逆变器，交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统组成。
11.首先，通过充放电控制器对蓄电池组进行充电，将由光能转换而来的电能(光电效应)贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到交流配电柜，由交流配电柜的切换作用进行供电。
12.太阳能电池板是太阳能光伏发电系统1的核心，是利用半导体材料太阳能光伏发电图的电子学特性实现p-v转换的固体装置。本发明所述太阳能电池板中电池为单晶硅太阳能电池，其具有以下优点：光电转换能力强，电池寿命长，综合性价比高。
13.太阳能控制器是整个光电电源系统的中心控制环节，可稳定放电电流，确保电池组不过量放电，也可以控制和保护负载和电池；蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。蓄电池组由于其“无故障”特性和污染程度较低，对可靠的太阳能系统非常适合，特别是在无人维修的工作站。
14.逆变器，也称功率调节器或功率调节器，是光电系统的一个重要组成部分。当太阳辐射会变得更强，当输出功率达到完成逆变器任务所需的功率时，逆变器开始工作，操作结束后，逆变器又控制太阳能电池的输出。除此之外，逆变器还有一个最大功率跟踪节制功能。逆变器是将直流电转换成交流电的设备，由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，所以逆变器是必不可少的。
15.所述第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12均由以下部件组成：常温空气进口12-1、0℃含水空气出口12-2、-10℃氨饱和液进口12-3、-5℃，0.29mpa氨气出口12-4、导流片12-5、隔板12-6、封条12-7、翅片12-8、侧板12-9、接管12-10、封头12-11、支座12-12。
16.为了使换热器的传热效率得到强化，选用第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12，使液态饱和制冷剂冷却空气，使空气所含水蒸气冷凝，产生露点，得到淡水的关键；第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12中气体侧的传热速率是决定换热器得换热性能的关键，翅片对传热系数的影响，流体的流动速率是决定换热器换热性能的关键。
17.所述翅片、导流片和封条设置在相邻的隔板12-6之间。在相邻两隔板12-6间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12的核心。
18.本发明所涉及的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12的流道布置为逆流形式，不仅提高了换热效率，而且布置相比较其他流道简单且更加紧凑，在工艺方面节约了成
本；其中，翅片12-8、导流片12-5、封条12-7以及封头12-11选取3a21型铝合金，材料使用广泛，容易采购，可以满足相应强度要求，耐腐蚀性能高，不需要增加其它材料专门处理。隔板12-6和侧板12-9采用4a13型铝合金，耐热耐磨，避免了人工二次维修，降低开销。本发明所涉及的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12具有较大的换热系数和高导热性，可以达到很高的效率，单位体积因为它的特殊结构所以换热面积大。采用铝材料所以质量比较轻，结构相对紧凑、适应换热温度范围比较大。
19.本发明所述制冷压缩机2为离心式压缩机；与压缩气体产生的热量相比，离心式压缩机与外界之间的换热能力非常小，因此可视为绝热过程。离心式压缩机中气压的提高，是靠叶轮旋转、扩压器扩压而实现的。离心式压缩机主要由转子和定子两部分组成：转子包括叶轮和轴，叶轮上有叶片、平衡盘和一部分轴封；定子的主体是气缸，还有扩压器、弯道、回流器、迸气管、排气管转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。
20.本发明所涉及的分离器17为旋风分离器，采用立式圆筒结构，内部沿轴向分为集液区、旋风分离区、净化室区等。旋风分离器适用于净化大于1-3μm的非粘性、非纤维的干燥粉尘，在设计压力和气量条件下，均可除去≥10μm的固体颗粒，在工况点，分离效率为99％，在工况点
±
15％范围内，分离效率为97％，正常工作条件下，单台旋风分离器在工况点压降不大于0.05mpa。
21.本发明所涉及的第一鼓风机4、第二鼓风机13为滑片式鼓风机，靠气缸内偏置的转子偏心运转，使转子槽中的叶片之间的容积变化将空气吸入、压缩、排出。第一鼓风机4、第二鼓风机13主要由电机、空气过滤器、鼓风机本体、空气室、底座(兼油箱)、滴油嘴六部分组成。
22.本发明具有以下优点：
23.本发明所涉及的太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置，由太阳能光伏发电系统1驱动，没有任何废气产生，制冷剂在其中一直循环利用，几乎没有损失，仅在运行很长时间才需要补充少量制冷剂，制水系统稳定，大大减少人工成本，提高了整个系统的效率。工艺流程简单，能量利用率高，制取淡水纯度高，是一种制取淡水的新工艺。
附图说明
24.图1为太阳能驱动空气露点冷却制取淡水工艺流程图；
25.图2为太阳能驱动空气露点冷却制取淡水系统结构布置示意图；
26.图3为标准板翅式换热器结构拆卸图；
27.图4为标准板翅式换热器结构局部放大拆卸图；
28.附图标记：1为太阳能光伏发电系统；2为制冷压缩机；3为氨气(90℃，1.36mpa)；4为第一鼓风机；5为散热器；6为氨气(75℃，1.36mpa)；7为第一板翅式换热器；8为干冷空气(0℃)；9为液氨(35℃，1.36mpa)；10为节流膨胀阀；11为-10℃氨饱和液；12为第二板翅式换热器；12-1为常温空气进口；12-2为0℃含水空气出口；12-3为-10℃氨饱和液进口；12-4为氨气(-5℃，0.29mpa)出口；12-5为导流片；12-6为隔板；12-7为封条；12-8为翅片；12-9为侧板；12-10为接管；12-11为封头；12-12为支座；13为第二鼓风机2；14为常温空气；15为氨气(-5℃，0.29mpa)；16为0℃含水空气；17为分离器；18为淡水。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
31.实施例
32.本实施例涉及一种太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置，其结构见图2所示，包括：太阳能光伏发电系统1、第二板翅式换热器12、制冷压缩机2、分离器17、第一鼓风机4，第二鼓风机13、第一板翅式换热器7和散热器5；其中，太阳能光伏发电系统1供电给制冷压缩机2和第一鼓风机4和第二鼓风机13；
33.制冷压缩机2做功将-5℃，0.29mpa的氨气15升压至1.36mpa，同时氨气温度升高至90℃，1.36mpa的氨气3进入散热器5；
34.利用第一鼓风机4带动常温空气形成对流与散热器5中1.36mpa，90℃的氨气3换热，将其冷却为75℃，1.36mpa的氨气6，氨气进入第一板翅式换热器7；
35.在第一板翅式换热器7中将75℃，1.36mpa的氨气6与0℃副产品冷空气换热，得到35℃，1.36mpa液氨9；再经节流膨胀阀10绝热膨胀，得到-10℃的氨饱和液11，进入第二板翅式换热器12；由第二鼓风机13将常温空气14送入第二板翅式换热器12，常温空气14与-10℃氨饱和液11在第二板翅式换热器12中换热，得到-5℃，0.29mpa的氨气15和0℃含水空气16，0℃含水空气16进入分离器17分离后得到副产品0℃冷空气8和淡水18。
36.所述第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12均由以下部件组成：见图3和图4所示：常温空气进口12-1、0℃含水空气出口12-2、-10℃氨饱和液进口12-3、-5℃，0.29mpa氨气出口12-4、导流片12-5、隔板12-6、封条12-7、翅片12-8、侧板12-9、接管12-10、封头12-11、支座12-12。所述翅片12-8、导流片12-5和封条12-7设置在相邻的隔板12-6之间。在相邻两隔板12-6间放置翅片、导流片12-5以及封条12-7组成一夹层，称为通道。
37.本发明所涉及的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12的流道布置为逆流形式，不仅提高了换热效率，而且布置相比较其他流道简单且更加紧凑，在工艺方面节约了成本；其中，翅片12-8、导流片12-5、封条12-7以及封头12-11选取3a21型铝合金，材料使用广泛，容易采购，可以满足相应强度要求，耐腐蚀性能高；隔板12-6和侧板12-9采用4a13型铝合金，耐热耐磨，避免了人工二次维修，降低开销。本发明所涉及的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12具有较大的换热系数和高导热性，可以达到很高的效率，因为它的特殊结构所以单位体积换热面积大。采用铝材料所以质量比较轻，结构相对紧凑、适应换热温度范围比较大。
38.本实施例涉及的前述太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置的工作过程为：见图
1所示，
39.(1)采用rx-dbg单晶硅光伏电池组件(电池温度为25℃，太阳能辐射强度为1000w/m3，最大输出功率为190w，电池转换效率为18％，单块太阳能硅片尺寸为1579mm
×
807mm
×
35mm)，太阳能光伏发电系统1通过将直流电转换成交流电给制冷压缩机2和第一鼓风机4，第二鼓风机13提供电力。太阳能光伏发电系统的基础是光电效应，系统通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来，但蓄电池容量要受到末端需电量和日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用对制冷压缩机2和第一鼓风机4，第二鼓风机13进行供电，蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，因其能自动防止蓄电池过充电和过放电，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。
40.(2)所述制冷压缩机2利用太阳能光伏发电系统1提供的电能将-5℃，0.29mpa的氨气15通过制冷压缩机2压缩升温至90℃，1.36mpa的氨气3。在制冷压缩机2叶轮高速旋转时，气体随着旋转，在离心力作用下，气体被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮快速旋转，气体不断排出去和吸进去，从而高速轮在离心力作用下保证了气体的连续运动，一方面叶轮在气体上工作，叶轮外圈的圆周速度和叶轮在单位时间内对单位质量气体做功的多少密切相关，压力提高；叶轮在气体质量上的工作越大，叶轮在气体上的功越大。另一方面速度也极大增加，即制冷压缩机2通过叶轮首先将原动机的机械能转变为气体的静压能和动能，此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，起到增压的作用，得到90℃，1.36mpa的氨气3。气体在制冷压缩机2中的实际压缩过程是有损失的多变压缩，各级压缩比例越小越好。这里氨气的温度是由下式(i)计算得来：
[0041][0042]
p1、p2分别为压缩前后的压力，t1、t2分别为压缩前后的温度，m
t
为温度多变指数。
[0043]
压缩功为(ii)：
[0044][0045]
r为气体常数，r＝8.314j/(mol
·
k)，n为压缩过程指数，对于大中型压缩机n＝k，k为绝热指数，对于微小型压缩机n＝(0.9-0.98)k。
[0046]
制冷压缩机2在其运转时主要能量损失分为四个部分：流动损失、冲击损失、轮阻损失和漏气损失。流动损失因气体具有粘性，流动时有摩擦损耗，摩擦损耗转化为热，使气体温度上升，气流中产生涡流，涡流消耗能量，增加摩擦损失和流动能量损失；冲击损失当工作模式偏离时，实际入口与计算吸入角度大小不一；在这种情况下，气流将从叶片表面分
离，这将导致涡流区和能量的损失；轮阻损失因离心式压缩机叶轮旋转时，叶轮和机壳之间的空隙具有黏性，会产生摩擦，此外在离心力作用下，靠轮盘侧的气体向上流，而靠壳体侧的气体往下流，就会形成涡流，导致损失；漏气损失即压缩气体通过轴和机壳密封处的空隙(或机体之间的空隙)，直接泄漏到大气里面或泄漏的气体又重新回到压缩气体里面。
[0047]
(3)第一鼓风机4和第二鼓风机13为14e460型滑片式鼓风机，其抽取常温空气14，增加散热面积，使常温空气14与制冷压缩机2中的90℃，1.36mpa的氨气3充分接触，增加散热效率，冷却为75℃，1.36mpa的氨气6。换热过程中能量守恒，在此过程中只考虑内能的变化，氨气降温放出的热量等于空气吸收的热量。第一鼓风机4和第二鼓风机13的工作过程由：吸气行程，压缩行程，排气行程三部分组成，部分滑片式鼓风机旋转时，使转子槽内的四根滑片产生往复运动，将氨气吸进去、然后压缩、最后再吐出，就完成了一个过程，金属环或弹簧推动滑片沿缸体内壁匀速运动。构成风机、滑片和转子、气缸体间相互磨擦，产生热。所以风机运转时，由滴油嘴往气缸体内滴入必要的润滑油，使表面润滑，以减小磨擦热和磨擦噪音，并使部件之间形成一层油膜，使得汽缸里面的气体不再回流，保持风机的密封性。第一鼓风机4和第二鼓风机13根据处理气体的量10594m3/h，选择相应的机型6.3e，风量为12600m3/h，明确转速，功率等值。
[0048]
(4)利用第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12换热后所得0℃干冷空气8；在第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12的流动过程中两冷热流体通过板壁进行热交换，将通过常温空气14冷却过后的75℃，1.36mpa的氨气6通过第一板翅式换热器7继续冷却，冷却为液态制冷剂，得35℃，1.36mpa液氨9。其中，第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12中翅片交替排列，翅片间形成网状通道，密封垫把冷热介质密封在板翅式换热器9里，同时又合理的将冷热介质分开而不致混合。换热过程中只考虑内能的变化，氨气降温，放出热量，冷空气升温，吸收热量，这两个能量相等，即能量守恒。
[0049]
本发明实施例涉及的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12为气－液结构换热器；因气流体密度比液流体密度小很多，液流体的传热速率也比气流体大得多，所以气－液结构换热器，气体侧的传热速率基本上决定了换热器得换热性能，翅片不仅增大传热系数，而且还增大雷诺数，这样会增加流体的流动阻力，传热效率也会提高。
[0050]
(5)较高压力下的35℃，1.36mpa液氨9经节流膨胀阀10向较低压力方向绝热膨胀得到-10℃的氨饱和液11，此时处于非平衡态，该过程为节流膨胀过程，是等焓和不可逆过程。气体膨胀对外界有功的作用，但和外界没有进行换热。所述节流膨胀阀10主要起到节流、调节流量，以及减压的作用。节流功能：高温高压的液体，或者气态制冷剂通过节流阀的节流孔，在低温低压下雾化为液压制冷剂，形成制冷剂蒸发状态。制冷剂流量控制：制冷剂进入蒸发器。蒸发后，制冷剂从液体蒸发到气体，吸收热量，温度降低，节流阀控制制冷剂流量，保证蒸发器出口完全为气态，如果流量太小，蒸发提前完成，冷却不足。
[0051]
所述第一鼓风机4、第二鼓风机13将温度为常温空气14送入高效的第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12与节流膨胀阀10得到的-10℃氨饱和液11混合，通过第一板翅式换热器7、第二板翅式换热器12的换热作用得到-5℃，0.29mpa的氨气，同时空气温度降低，又有利于冷却75℃，1.36mpa的氨气6。氨有温度的升高，升温过程吸收热量，即可通过下式算得空气热负荷和氨热负荷，公式(iv)如下：
[0052]
q1＝g1cp1(t
2-t1)＝q2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(iv)
[0053]
q为热负荷，g为质量流量，cp为定压比热。
[0054]
液氨到氨气是物理状态转变成为另一种物理状态，即发生相变过程；在物质形态的相互转变过程中，一定伴随着热量的吸收或释放。吸收或释放热量的多少为相变热，表示液氨质量流量与液氨汽化热的乘积，见公式(v)：
[0055]
g2l＝q
2-g2cp2(t
2-t1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(v)
[0056]
l为汽化潜热。
[0057]
(6)所述分离器17靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的气流中的液滴甩向外壁面分开，得到0℃含水空气16和淡水18；得到的水由分离器17下端的出水口流出，即完成整个制取淡水的流程。
[0058]
通常，气体入口设计分三种形式：上部进气、中部进气、下部进气。对于湿气来说，常采用下部进气方案，因为下部进气可以利用设备下部空间，对直径大于300μm或500μm的液滴进行预分离以减轻旋风部分的负荷。而对于干气常采用中部进气或上部进气。上部进气配气均匀，但设备直径和设备高度都将增大，投资较高；而中部进气可以降低设备高度和降低造价。
[0059]
本发明所涉及的太阳能驱动空气露点冷却制取淡水装置，由太阳能光伏发电系统1驱动，没有任何废气产生，制冷剂在其中一直循环利用，几乎没有损失，仅在运行很长时间才需要补充少量制冷剂，制水系统稳定，大大减少人工成本，提高了整个系统的效率。工艺流程简单，能量利用率高，制取淡水纯度高，是一种制取淡水的新工艺。
[0060]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。