一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，屬于太陽(yáng)能集熱和海水淡化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括上中下三層透明薄膜，蒸餾膜，黑色毛細(xì)管和耐溫防水密封膠層。上中層透明薄膜充入海水，形成大小雙凸透鏡結(jié)構(gòu)。垂直入射的光線依次經(jīng)上層大凸透鏡和中層小凸透鏡，匯聚光線穿透下層透明薄膜，最終在底層蒸餾膜處形成焦點(diǎn)。膜下部的海水被持續(xù)加熱，下側(cè)溫度不斷升高而上側(cè)溫度較低。在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，水蒸汽形式通過(guò)膜孔，從膜熱側(cè)擴(kuò)散到冷側(cè)。進(jìn)入該空間內(nèi)的蒸汽將氣化熱傳遞給黑色毛細(xì)管壁面，進(jìn)一步重復(fù)利用。斜入射光線會(huì)從焦點(diǎn)處向周邊黑色毛細(xì)管壁面移動(dòng)，受熱毛細(xì)管上端蒸發(fā)出的淡水在中下層透明薄膜間冷凝收集。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及利用太陽(yáng)能聚光直接加熱蒸餾膜表層，使膜另一側(cè)海水溫度不斷升高，氣態(tài)水分子穿過(guò)蒸餾膜冷凝出淡水的裝置。屬于太陽(yáng)能熱利用和海水淡化及水處理技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自航海時(shí)代來(lái)臨后，人類(lèi)就發(fā)明了不同形式用于海上自救的小型漂浮式海水淡化器。全世界每年有很多船只在海上由于各種原因而沉沒(méi)，在膜技術(shù)不是很發(fā)達(dá)的過(guò)去，在海上直接利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化成為獲取淡水唯一可行的方法。
[0003]自上世紀(jì)60年代膜蒸餾技術(shù)出現(xiàn)以后，膜蒸餾技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。在太陽(yáng)能與膜蒸餾技術(shù)結(jié)合方面，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)專(zhuān)利早已破百，而我國(guó)卻為數(shù)不多。如公開(kāi)的CN102060340A裝置，雖自動(dòng)補(bǔ)償海水并利用蒸餾膜提取淡水，但裝置部件較多運(yùn)行繁瑣效率較低。而且裝置整體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有單元化，不能復(fù)制擴(kuò)大使用。公開(kāi)的CN103964526A裝置采用了聚光直接進(jìn)行海水淡化的薄膜結(jié)構(gòu)，但裝置空間利用率低，蒸汽的冷凝潛熱未得到充分利用，淡水產(chǎn)量不高。
[0004]許多海水淡化器被世界各國(guó)研究者們?cè)O(shè)計(jì)出了，其中利用盤(pán)式蒸餾器漂浮在海上來(lái)獲取淡水的裝置比較常見(jiàn)，電影《少年派的奇幻漂流》熱映時(shí)，一個(gè)類(lèi)似水母的錐形透明物體被拴在救生艇旁，它被認(rèn)為是利用太陽(yáng)能收集淡水的工具。實(shí)際上遠(yuǎn)洋船上配有專(zhuān)門(mén)的造水機(jī)以提供淡水，一般救生艇上存有桶裝水，而電影里該裝置獲取的淡水流量可能微乎其微。還有一種叫watercone的淡水收集器，可以將鹽分從咸水里分離出來(lái)而產(chǎn)生淡水的巧妙裝置，是由寶馬設(shè)計(jì)師St ephanAugus t in設(shè)計(jì)。這個(gè)裝置的構(gòu)造簡(jiǎn)單，只要有陽(yáng)光就能使這個(gè)小裝置工作起來(lái)，將海水注入后在高熱下將水蒸氣集結(jié)，并可過(guò)濾海水中的鹽分，因此一天下來(lái)可獲得約1.6升的飲用水。制造它是非常的容易，價(jià)格僅30美元。
[0005]總結(jié)現(xiàn)有太陽(yáng)能海上淡化裝置存在下面缺陷:
[0006](I)現(xiàn)有裝置攜帶不方便，海水存量不大。
[0007](2)沒(méi)有將太陽(yáng)能聚光和海水淡化結(jié)合使用，整體能量利用率低。
[0008](3)未能單元化，組成龐大的海上淡水收集器，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本和規(guī)?；贿m合現(xiàn)代海洋農(nóng)業(yè)對(duì)淡水的巨大需求量。
[0009]盡管有許多太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)及裝備已經(jīng)成規(guī)模地在陸地上得到很好的實(shí)際應(yīng)用，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、操作繁瑣而不適合于在海上直接利用。為了解決這些矛盾，可設(shè)計(jì)一種海上漂浮式太陽(yáng)能海水淡化膜的結(jié)構(gòu)單元，期待利用薄膜中微孔聚光，直接蒸發(fā)海水實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能淡化過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜裝置，能夠完全利用天然能量在海面上直接生產(chǎn)淡水。
[0011]—種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，包括上中下三層透明薄膜、底層蒸餾膜、底層透明薄膜、黑色毛細(xì)管和兩個(gè)以上的海水淡化單元，海水淡化單元包括大小雙聚光透鏡、透明薄膜形成的隔層、黑色毛細(xì)管和底層蒸餾膜;其中大小雙聚光透鏡結(jié)構(gòu)是由海水進(jìn)行填充的，所以上部的大凸透鏡朝上，下部的小凸透鏡朝下。底層蒸餾膜位于凸透鏡的正下方中央位置，結(jié)構(gòu)為上凸?fàn)?，這樣利于其下部的海水升溫。黑色毛細(xì)管穿過(guò)下層和底層透明薄膜膜，兩者將毛細(xì)管固定住。底層的高溫防水密封膠層是為了使黑色毛細(xì)管貫穿底層是不發(fā)生海水滲入。
[0012]結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立的單元進(jìn)行水平陣列，組成整張膜結(jié)構(gòu)。單個(gè)膜單元四周豎隔膜和水平透明薄膜將整張膜分隔成無(wú)數(shù)個(gè)獨(dú)立腔室。上中下三層透明薄膜之間構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的腔室，分別為海水腔，上層淡水腔。下層透明薄膜和底層蒸餾膜之間，形成下層淡水腔。獨(dú)立海水腔之間利用海水連通孔進(jìn)行連通，上層淡水腔同下層淡水腔一樣，有淡水連通孔進(jìn)行連通。這樣由單元組成的膜結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)緊湊且相互關(guān)聯(lián)，使得膜在制作和使用上方便簡(jiǎn)易。
[0013]該淡化膜的工作原理:裝置整體置于海面上，當(dāng)太陽(yáng)光高度角較高，光線豎直向下射入表層透明薄膜，穿過(guò)充滿(mǎn)海水的上層形成的大小雙凸透結(jié)構(gòu)，最終匯聚在蒸餾膜上表面。膜上凸結(jié)構(gòu)表面溫度持續(xù)增加，使得其包圍腔內(nèi)海水溫度不斷上升。由于蒸餾膜下層暖側(cè)海水與膜界面的水蒸汽壓高于上層冷側(cè)，水蒸汽就會(huì)透過(guò)膜孔從暖側(cè)進(jìn)入冷側(cè)，在蒸餾膜上部源源不斷生成水蒸氣。產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入下腔體內(nèi)，遇到充滿(mǎn)較冷海水毛細(xì)管的壁面，冷凝出淡水。同時(shí)毛細(xì)管吸收了蒸汽的凝結(jié)潛熱，起到了回?zé)岬淖饔谩?br>[0014]當(dāng)太陽(yáng)高度角較低，光線斜入射進(jìn)入表層透明薄膜，在通過(guò)大小雙凸透鏡后，光線不再匯聚到蒸餾膜焦點(diǎn)處。形成的光斑會(huì)移動(dòng)到下層與底層透明薄膜之間的黑色毛細(xì)管側(cè)壁面上，并加熱毛細(xì)管上端的海水，在中層與下層透明薄膜之間的中間腔內(nèi)形成蒸汽，并冷凝出淡水。底層耐溫防水密封膠層使黑色毛細(xì)管貫穿底層薄膜而不發(fā)生海水滲入。同時(shí)毛細(xì)管的虹吸作用使海水不斷向上流動(dòng)，毛細(xì)管下端浸沒(méi)在海水中，不斷吸取低濃度的海水進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)上端高濃度海水向下流動(dòng)，自然稀釋上端蒸發(fā)面，使毛細(xì)管上部不易結(jié)垢。
[0015]當(dāng)中層和下層淡水腔內(nèi)的水蒸氣冷凝出淡水，可通過(guò)中層和下層腔體連通孔，匯集的淡水通過(guò)淡水出口，輸出裝置。
[0016]進(jìn)一步的，黑色毛細(xì)管均布在下層與底層透明薄膜之間的底層腔內(nèi)，并位于蒸餾膜周?chē)?。黑色毛?xì)管上端高于下層透明薄膜并伸入中間腔內(nèi)，下端低于底層透明薄膜并伸入海水之中。
[0017]進(jìn)一步的，耐溫防水密封膠層緊壓在底層透明薄膜上，使毛細(xì)管穿過(guò)底層透明薄膜形成的孔洞，不發(fā)生海水滲入。
[0018]進(jìn)一步的，底層蒸餾膜具有向上凸起的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)底層內(nèi)的海水接收蒸餾膜上層傳遞過(guò)來(lái)的熱量，在該結(jié)構(gòu)所形成的腔內(nèi)持續(xù)升溫，最大程度的減少了能量的耗散。
[0019]有益效果:
[0020](I)采用用海水填注的大小雙凸透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚光，太陽(yáng)光直接照射到底層蒸餾膜和黑色的毛細(xì)管上。間接加熱了海水，省略了復(fù)雜的換熱結(jié)構(gòu)，減少了傳熱環(huán)節(jié)，提高了聚熱效率。
[0021](2)黑色壁面的毛細(xì)管，吸收斜入射的部分太陽(yáng)光外，還能夠最大程度回收熱蒸汽的凝結(jié)潛熱，提高裝置能量利用效率。
[0022](3)由于裝置可以組合使用，可以用非金屬制造，減低了裝置造價(jià)，有利于推廣應(yīng)用。采用輕質(zhì)柔軟的透明薄膜作為海水淡化膜的主體材料，打開(kāi)淡水閥即可使用淡水，便于在海水作業(yè)的人員使用和收集淡水。在不使用時(shí)，便于卷起存放。
[O O2 3 ] (4)海水的表面張力，使得水對(duì)的膜體材料有一定的粘性。而且海水淡化膜非常薄，能夠抗拒較小風(fēng)浪。
[0024](5)地球上70%的表面都被海水覆蓋，太陽(yáng)能資源在一些大洋地區(qū)極為豐富。本發(fā)明可以將單個(gè)結(jié)構(gòu)排列組合，在海上形成大規(guī)模太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，從而滿(mǎn)足海上生產(chǎn)和生活需求。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明運(yùn)行原理示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明將網(wǎng)格腔體結(jié)構(gòu)改為長(zhǎng)方體腔的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
[0028]其中，I 一入射光線；2—上層腔體連通孔;3—大凸透鏡;4一小凸透鏡；5—透明薄膜;6—底層蒸餾膜;7—黑色毛細(xì)管;8—耐溫防水密封膠層;9一中層腔體連通孔;10—下層腔體連通孔；11—淡水連通孔；12—豎隔膜；13—上層海水腔；14—中層淡水腔；15—下層淡水腔;16—海水入口 ； 17—淡水出口。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]如附圖1和2所示，本發(fā)明提供了一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜裝置，
[0031]裝置主要包括大凸透鏡3、小凸透鏡4、底層蒸餾膜6和黑色毛細(xì)管7;其中，大小凸透鏡采用在上中兩層透明薄膜形成的上層海水腔13內(nèi)注入海水形成。底層蒸餾膜6僅位于透鏡正下方焦斑處，周?chē)糠譃榈讓油该鞅∧?。
[0032]其整體關(guān)系為:四層透明薄膜和豎隔膜組成上中下三個(gè)相對(duì)封閉的腔室。底層蒸餾膜6僅位于透鏡正下方焦斑處，周?chē)糠譃榈讓油该鞅∧?。大凸透鏡位于上層透明薄膜5，方向向上。小凸透鏡位于中層透明薄膜5，方向向下。黑色毛細(xì)管7間隔分布在下層腔室中，位于下層和底層透明薄膜5之間，上端頭伸出下層透明薄膜5，下端頭低于底層透明薄膜5。
[0033]工作原理為:裝置漂浮于海面上，底層耐溫防水密封膠層8使黑色毛細(xì)管7貫穿底層透明薄膜5而不發(fā)生海水滲入。同時(shí)黑色毛細(xì)管7下端浸沒(méi)在海水中，虹吸作用使管內(nèi)海水不斷向上流動(dòng)。
[0034]光線豎直向下射入上層透明薄膜5，穿過(guò)充滿(mǎn)海水的上層形成的大小雙凸透結(jié)構(gòu)，最終匯聚在底層蒸餾膜6上表面。膜上凸結(jié)構(gòu)表面溫度持續(xù)增加，使得其包圍腔內(nèi)海水溫度不斷上升。由于底層蒸餾膜6下層暖側(cè)海水與膜界面的水蒸汽壓高于上層冷側(cè)，水蒸汽就會(huì)透過(guò)膜孔從暖側(cè)進(jìn)入冷側(cè)，在蒸餾膜上部源源不斷生成水蒸氣。產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入下腔體內(nèi)，遇到充滿(mǎn)較冷海水毛細(xì)管的壁面，冷凝出淡水。同時(shí)黑色毛細(xì)管7吸收了蒸汽的凝結(jié)潛熱，起到了回?zé)岬淖饔谩?br>[0035]光線斜入射進(jìn)入上層透明薄膜5，在通過(guò)大小雙凸透鏡后，光線不再匯聚到底層蒸餾膜6焦點(diǎn)處。形成的光斑會(huì)移動(dòng)到下層與底層透明薄膜5之間黑色毛細(xì)管7側(cè)的壁面上，并通過(guò)加熱壁面，使管內(nèi)海水升溫，上端頭部蒸發(fā)出水蒸氣，在中層與下層透明薄膜5之間的中間腔內(nèi)形成蒸汽，并冷凝出淡水。
[0036]黑色毛細(xì)管7下端不斷吸取低濃度的海水進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)上端部高濃度海水向下流動(dòng)，自然稀釋上端蒸發(fā)面，使黑色毛細(xì)管7上端部不易結(jié)垢。
[0037]如附圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，將正方形網(wǎng)格腔體結(jié)構(gòu)改為長(zhǎng)方形腔體。上方大小雙凸透鏡為也改為了長(zhǎng)條形，其縱剖面仍為上層透明薄膜5向上凸起，下層薄膜向下凸起。上述改變使點(diǎn)聚光變?yōu)榫€聚光，提高膜體表面利用率，同時(shí)也提高海水淡化效率。
[0038]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括四層透明薄膜(5)、底層蒸餾膜(6)、黑色毛細(xì)管(7)和耐溫防水密封膠層(8)。 其中連接關(guān)系是:四層平行分布的透明薄膜(5)分別為上、中、下和底層透明薄膜(5)，和四周豎壁面薄膜組成淡化膜的內(nèi)腔體;底層蒸餾膜(6)嵌入各獨(dú)立底層腔體的下面透明薄膜(5)中部，小凸透鏡(4)的正下方；黑色毛細(xì)管(7)位于下層腔體內(nèi)，采用兩層透明薄膜(5)將其固定住;所述耐溫防水密封膠層(8)緊貼在底層透明薄膜(5)上。2.如權(quán)利要求1所述的具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，將上中兩層透明薄膜(5)間的上層海水腔(13)內(nèi)充滿(mǎn)海水，最終凸起，形成雙凸透鏡聚光結(jié)構(gòu)；大凸透鏡位于上層透明薄膜(5)，向上凸出；小凸透鏡位于中層透明薄膜(5)，向下凸出。3.如權(quán)利要求1所述的具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述蒸餾膜(6)位于凸透鏡下方的焦點(diǎn)處，是一種耐溫微孔疏水膜，其膜體疏水側(cè)朝上，親水側(cè)朝下，作用之一是利用膜的疏水性，兩側(cè)的水溶液均不能透過(guò)膜孔進(jìn)入另一側(cè)，其二是在暖側(cè)水溶液與膜界面的水蒸氣壓高于冷側(cè)，水蒸氣會(huì)透過(guò)膜孔進(jìn)入冷側(cè)而冷凝。4.如權(quán)利要求1所述的具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，所述的黑色毛細(xì)管(7)固定在下層和底層的透明薄膜(5)之間的底層腔體內(nèi)，上端固定在下層透明薄膜(5)上，位于的中層淡水腔(14)內(nèi)，下端被固定在底層透明薄膜(5)上，處于底層透明透明薄膜(5)下方的海水中。5.如權(quán)利要求1所述的具有回?zé)崦?xì)管作用的漂浮式海水淡化膜，其特征在于，用輕質(zhì)柔軟的透明薄膜作為海水淡化膜的主體材料，膜內(nèi)中下層淡水腔的淡水，通過(guò)壁面淡水出口(17)輸出，便于在海水作業(yè)的人員使用和收集淡水。在不使用時(shí)，便于卷起存放。
【文檔編號(hào)】C02F1/14GK106006808SQ201610439271
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】鄭宏飛, 伍綱, 楊軍偉, 金日輝
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)