專利名稱：利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱能利用、水處理以及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種有效利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活、工作中都要用到水處理裝置。目前，已有許多種水處理裝置的發(fā)明。這些裝置可以大致分為四類①工廠對(duì)水進(jìn)行集中處理，然后分散至各需水點(diǎn)，如目前常飲用的純凈水就屬于這一類；②自來(lái)水經(jīng)過(guò)一定的過(guò)濾消毒后，即可飲用，這類裝置體積小、壽命長(zhǎng)，基本無(wú)需電能，使用在家庭以及辦公等場(chǎng)所十分方便；③通過(guò)電加熱的方法加熱水至100℃左右，這種水處理裝置的種類以及生產(chǎn)廠家較多，但這類裝置需要消耗大量的電能；④一些工業(yè)以及生活廢水在污水廠中集中處理，這種水處理設(shè)備，工藝流程較為復(fù)雜，需要一定的電耗。以上這些水處理裝置不適合用于海島、沙漠等地區(qū)處理海水、苦咸水以獲取所需的生活以及飲用水。第一類水處理裝置不適合處理海水、苦咸水，且向偏遠(yuǎn)海島補(bǔ)給已制備好的純凈水的費(fèi)用相當(dāng)高；第二類水處理裝置雖然使用方便，且無(wú)需消耗電能，但卻不能處理海水、苦咸水；第三類裝置雖然能夠處理海水等，電加熱生產(chǎn)蒸餾水以供生活及飲用水之用，但需消耗大量的電能，這在海島以及沙漠等電力缺乏的地區(qū)也是不太適用的；第四類裝置不僅不適用于處理海水、苦咸水等，且需要消耗一定的電能，設(shè)備龐大，占地面積大。目前，中國(guó)的海島基本上還是依賴于遠(yuǎn)洋補(bǔ)給船補(bǔ)給淡水，費(fèi)用高，且對(duì)于非常偏遠(yuǎn)的海島，費(fèi)用就更加昂貴，且補(bǔ)給周期長(zhǎng)，遇到戰(zhàn)爭(zhēng)等非常時(shí)期，淡水補(bǔ)給線容易被切斷，使得海島國(guó)防、生產(chǎn)及生活等極為被動(dòng)?？v深地帶的沙漠地區(qū)淡水的需求也同樣依賴于補(bǔ)給，費(fèi)用高且不方便。另外，在中國(guó)的一些偏遠(yuǎn)干旱且電力不充足的地區(qū)，長(zhǎng)期連續(xù)的飲用水和生活用水的供應(yīng)也十分困難。但在海島(如中國(guó)的南沙群島)、沙漠以及干旱地區(qū)，太陽(yáng)能資源非常豐富。若能有效地利用太陽(yáng)能來(lái)處理海水、苦咸水等，這樣即能省去遠(yuǎn)途補(bǔ)給的費(fèi)用，又可以不依賴于電能而解決生活以及飲用水的問(wèn)題。
目前也有許多種直接利用太陽(yáng)能蒸餾淡化海水的方法，如盤(pán)形蒸餾器、傾斜蒸餾器等，這些蒸餾器實(shí)際上是一個(gè)密閉的溫室，其頂蓋是透明的，溫室底部是涂黑的淺槽，淺槽中裝了薄薄的一層海水。太陽(yáng)光穿過(guò)透明頂蓋后，大部分被水和涂黑的底面吸收，從而使部分水蒸發(fā)，因頂蓋吸收的太陽(yáng)能很少，且直接向大氣散熱，故頂蓋的溫度低于溫室中水的溫度，于是，蒸發(fā)的水蒸汽會(huì)在頂蓋的下表面凝結(jié)，頂蓋有一定的傾角，凝結(jié)水滴就會(huì)順頂蓋下流，匯集后流出蒸餾器。這些太陽(yáng)能蒸餾器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行和維護(hù)都比較容易，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)都存在一些問(wèn)題，例如水蒸汽的泄漏損失，已凝結(jié)的水滴再次蒸發(fā)或滴落到水槽中形成的損失，還有為了保持蒸餾器內(nèi)鹽分的平衡而必須進(jìn)行的排放濃縮而帶來(lái)的顯熱損失等。最重要的是這類蒸餾方法的產(chǎn)量太小，產(chǎn)量一般在0.1-1.5kg/(m2·d)，效率最高的蒸餾器的淡水產(chǎn)量也不超過(guò)5.0kg/(m2·d)且在夜間等太陽(yáng)能不充足的時(shí)間段內(nèi)基本上無(wú)法工作生產(chǎn)，不能夠連續(xù)地進(jìn)行太陽(yáng)能蒸餾。
此外，在一些工廠中，如石化企業(yè)等，工業(yè)廢熱非常多，大多都排放至大氣中，而生產(chǎn)、生活中的廢水處理又需要消耗大量的電能，不能有效的利用這些廢熱，增加了生產(chǎn)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種可以有效利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置。該裝置以非揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液(如海水、苦咸水等)為蒸餾處理對(duì)象，有效地利用太陽(yáng)能或者廢熱，使用疏水性膜，通過(guò)膜蒸餾過(guò)程，以獲取所需要的生活與飲用淡水。該裝置可以連續(xù)地處理原料液，源源不斷地得到生活及飲用水；還可以省去電加熱，無(wú)需任何電耗；并且可以利用換熱器回收冷凝潛熱，大大減小所需太陽(yáng)能集熱器的規(guī)模。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，包括膜組件、太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器、一個(gè)以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動(dòng)裝置以及連接各部件的管路；所說(shuō)的膜組件原料液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器的出口與進(jìn)口相連接，構(gòu)成了原料液的回路，該原料液回路中裝有循環(huán)泵，膜組件蒸餾液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與循環(huán)泵的出口、進(jìn)口相連接，構(gòu)成了蒸餾液側(cè)的回路，裝置還包括與原料液的回路相連的原料液的補(bǔ)充管路。
所說(shuō)的原料液的回路中的泵可以裝在膜組件的進(jìn)口側(cè)，也可以裝在膜組件出口側(cè)；所說(shuō)的膜組件采用疏水性膜組件，可以由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等疏水性膜制成。
所說(shuō)的太陽(yáng)能集熱器可以是平板型或真空管式等形式的集熱器。
所說(shuō)的廢熱集熱器可以是一個(gè)能夠完成熱量傳遞的設(shè)備或組件，如換熱器，廢熱流通過(guò)換熱器的一側(cè)，原料液通過(guò)換熱器的另一側(cè)，通過(guò)換熱器將熱量傳給原料液。
所說(shuō)的循環(huán)泵是能輸送液體的任何形式的泵，但最好是能夠耐腐蝕的輸水泵。該循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)裝置可用太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)或太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，也可以由電網(wǎng)電力直接驅(qū)動(dòng)。
在所說(shuō)的原料液的回路與蒸餾液的回路中可連接有一級(jí)換熱器。
在所說(shuō)的原料液的補(bǔ)充管路與蒸餾液的回路中還可連接有二級(jí)換熱器。
在所說(shuō)的原料液的回路中的膜組件原料液側(cè)的進(jìn)口處還可連接有過(guò)濾器。
本發(fā)明利用膜蒸餾原理，由于采用疏水性膜組件，液體不潤(rùn)濕膜，由于表面張力的作用，膜兩側(cè)的水溶液都不能通過(guò)膜孔進(jìn)入另一側(cè)。膜一側(cè)原料相溫度高于另一側(cè)滲透相溫度，溫差導(dǎo)致蒸汽分壓差，因此蒸汽分子通過(guò)膜孔，從高蒸汽壓側(cè)向低蒸汽壓側(cè)運(yùn)動(dòng)，低蒸汽壓側(cè)的蒸汽冷凝成純凈水，部分蒸餾液在循環(huán)泵的作用下重新回到膜組件的蒸餾液側(cè)。原料液從膜組件出來(lái)后，進(jìn)入到太陽(yáng)能集熱器(或廢熱集熱器)中，太陽(yáng)能集熱器(或者廢熱集熱器)加熱原料液，使進(jìn)入膜組件的原料液維持在一較高的溫度水平，從而使膜蒸餾過(guò)程可以連續(xù)的進(jìn)行。這一過(guò)程使用集熱器充分地利用了太陽(yáng)能(或者廢熱)，節(jié)省了大量的電加熱能耗。本發(fā)明由于利用太陽(yáng)能給循環(huán)泵供電，可以無(wú)需任何電能。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的水處理裝置，可用在海島、沙漠等地區(qū)，這些地方電力缺乏，但太陽(yáng)能充足，利用這套裝置處理海水、苦咸水等可以得到所需的生活及飲用水；也可以用在偏遠(yuǎn)的干旱地區(qū)，這里常常遠(yuǎn)離集中的電力供應(yīng)，缺乏充足的電力，但太陽(yáng)能較充足，利用該裝置可以解決家庭等飲用水的問(wèn)題。該裝置也可以用在一些工業(yè)廢熱較多，且能夠利用膜蒸餾的方法能夠處理該地方的工業(yè)及生活廢水的地區(qū)。
本發(fā)明的產(chǎn)水率主要取決于膜自身的蒸發(fā)面積、原料液流量以及太陽(yáng)能集熱器(或者廢熱集熱器)的性能，可在0.2kg/h～200kg/h之間；處理后凈水的電導(dǎo)率＜30μs/cm。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程。
本實(shí)施例由膜組件1、太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器6、過(guò)濾器7、蒸餾液罐4、儲(chǔ)液罐5、一級(jí)換熱器2、二級(jí)換熱器3、多個(gè)循環(huán)泵8、9、10、14及其太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光電池13，閥門(mén)12、13，以及將各部件相連通的管路組成。其中，膜組件1原料液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器6、儲(chǔ)液罐5、的出口與進(jìn)口相連接，構(gòu)成了原料液的回路(圖中以實(shí)線示出)，原料液回路中還裝有過(guò)濾器7、循環(huán)泵8、14、10和閥門(mén)11、12；膜組件蒸餾液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與循環(huán)泵9、蒸餾液罐4的出口、進(jìn)口相連接，構(gòu)成了蒸餾液的回路(圖中以虛線示出)；在原料液的回路與蒸餾液的回路中連接有一級(jí)換熱器2，在原料液的補(bǔ)充管路與蒸餾液的回路中連接有二級(jí)換熱器3；各循環(huán)泵8、9、14、10均與太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光電池13相連(圖中點(diǎn)劃線為供電線路)。
本實(shí)施例的工作過(guò)程為溫度較高的原料液和溫度較低的蒸餾液逆流經(jīng)過(guò)膜組件1，由于溫度差導(dǎo)致的蒸汽壓差作用，原料液中的一部分水分子會(huì)穿過(guò)膜的微孔以蒸汽狀態(tài)進(jìn)入蒸餾液一側(cè)。未蒸餾的原料液和蒸餾液、水蒸汽的混合物再次逆流經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱器2進(jìn)行熱交換，一部分蒸汽冷凝成純凈水，未冷凝的蒸汽連同蒸餾液一起進(jìn)入二級(jí)換熱器3，與向該裝置補(bǔ)給的原料液進(jìn)行換熱，加熱補(bǔ)給的原料液；在該換熱器中，蒸汽進(jìn)一步冷凝成純凈水，然后進(jìn)入蒸餾液罐4。當(dāng)蒸餾液積累至一定高度后，會(huì)自動(dòng)溢出，這就是凈水產(chǎn)品。蒸餾液罐4中的一部分液體在循環(huán)泵9的作用下，回到膜組件1中，進(jìn)行下一次循環(huán)，如此周而復(fù)始。從一級(jí)換熱器2出來(lái)的原料液在循環(huán)泵14的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入儲(chǔ)液罐5，與補(bǔ)給原料液混合。一部分原料液經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器(或者廢熱集熱器)6，在其中原料液被加熱后再次進(jìn)入儲(chǔ)液罐5。原料液從儲(chǔ)液罐5出來(lái)后，經(jīng)過(guò)膜組件1，這樣就完成了一個(gè)循環(huán)，如此周而復(fù)始。在該裝置的循環(huán)過(guò)程中，太陽(yáng)能集熱器(或者廢熱集熱器)6加熱原料液，維持了膜進(jìn)口原料液的工作溫度，而一級(jí)與二級(jí)換熱器兩次冷凝了蒸餾出來(lái)的蒸汽，保持了蒸餾液再次進(jìn)入膜組件的溫度，同時(shí)又回收了大量的冷凝潛熱，減小了集熱器的規(guī)模。
在上述工作過(guò)程中，可以視情況不使用二級(jí)換熱器3，補(bǔ)給的原料液直接進(jìn)入儲(chǔ)液罐5，而從一級(jí)換熱器2出來(lái)的蒸汽和冷凝水混合物直接進(jìn)入蒸餾液罐4。在太陽(yáng)能非常充足的地區(qū)，也可以同時(shí)省去一級(jí)換熱器2和二級(jí)換熱器3，完全依靠太陽(yáng)能集熱器加熱原料液，維持膜組件入口原料液溫度，使膜蒸餾過(guò)程得以持續(xù)地進(jìn)行下去；管路中的閥門(mén)用來(lái)調(diào)節(jié)流量，有些時(shí)候也可以省去。補(bǔ)給液可以直接補(bǔ)給進(jìn)入原料液側(cè)的管路，這樣可以省去儲(chǔ)液罐5。在電力較為充足的地區(qū)，循環(huán)泵8、9、10、14可以直接由電力驅(qū)動(dòng)；而在電力缺乏或根本無(wú)電力的地區(qū)，這些泵可以由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，用太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光電池13驅(qū)動(dòng)。循環(huán)泵14可以省去，依靠太陽(yáng)能集熱器(或廢熱集熱器)6加熱原料液而產(chǎn)生的溫差驅(qū)動(dòng)原料液經(jīng)過(guò)集熱器，然后流回儲(chǔ)液罐中。這樣這套水處理裝置可以在完全沒(méi)有電力供應(yīng)的情況下進(jìn)行工作。太陽(yáng)能集熱器(或廢熱集熱器)6起到了加熱原料液的作用，維持了儲(chǔ)液罐內(nèi)原料液的溫度，同時(shí)保證了進(jìn)入膜組件的原料液溫度。裝置中的管路、換熱器、膜組件以及儲(chǔ)液罐要保溫良好，這樣可以減少散失到周圍大氣的熱量。在太陽(yáng)光照十分充足的情況下，儲(chǔ)液罐的容積應(yīng)盡可能的大。這樣可以充分利用白天的太陽(yáng)光照，使儲(chǔ)液罐中的原料液維持在膜蒸餾所需要的溫度水平，在進(jìn)入傍晚或夜間，太陽(yáng)能供應(yīng)不充足的情況下，由于保溫層的保溫作用，此時(shí)該裝置仍可運(yùn)行，源源不斷地生產(chǎn)出凈水以供使用。
在本實(shí)施例中，該裝置的熱回收率可達(dá)到80％，使用了如下組件膜組件1聚丙烯中空纖維微孔膜組件，膜管長(zhǎng)約300mm，孔隙率25％，微孔為長(zhǎng)方形(0.8×0.2μm)，內(nèi)徑0.3mm，蒸餾面積約為2.6m2。原料液質(zhì)量濃度2％的鹽水溶液循環(huán)泵塑料離心泵一級(jí)換熱器2鋸齒型板翅式換熱器，材料為鋁合金，兩側(cè)各一層翅片，原料液側(cè)采用的是25Jc1402型鋸齒式翅片，翅片高2.5mm、節(jié)距1.4mm、厚度0.15mm；蒸餾液側(cè)采用65DK1402型多孔式翅片，高6.5mm、節(jié)距1.4mm、厚0.15mm；換熱面積0.98m2二級(jí)換熱器3鋸齒型板翅式換熱器，材料及翅片形式同換熱器1，換熱面積0.03m2過(guò)濾器7標(biāo)準(zhǔn)ABS材料濾桶配長(zhǎng)度5英寸、直徑90mm、孔徑0.1μm塑料濾芯太陽(yáng)能集熱器6采用太陽(yáng)能真空管式集熱器，集熱面積約為2m2閥門(mén)普通球閥太陽(yáng)電池13單晶硅光伏電池陣列，2m2，電功率250.0W原料液流量120.0kg/hr蒸餾液流量24.0kg/hr膜組件原料液側(cè)進(jìn)口溫度70.0℃蒸餾液進(jìn)口溫度54.0℃產(chǎn)水率1.8kg/hr處理后的水質(zhì)電導(dǎo)率10～30μs/cm
權(quán)利要求
1.一種利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，包括膜組件、太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器、一個(gè)以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動(dòng)裝置以及連接各部件的管路；所說(shuō)的膜組件原料液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器的出口與進(jìn)口相連接，構(gòu)成了原料液的回路，該原料液回路中裝有循環(huán)泵，膜組件蒸餾液側(cè)的進(jìn)口、出口分別與循環(huán)泵的出口、進(jìn)口相連接，構(gòu)成了蒸餾液側(cè)的回路，裝置還包括與原料液的回路相連的原料液的補(bǔ)充管路。
2.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的膜組件采用疏水性膜組件。
3.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的太陽(yáng)能集熱器是平板型或真空管式等形式的集熱器。
4.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的廢熱集熱器是一個(gè)換熱器，通過(guò)該換熱器將熱量傳給原料液。
5.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的循環(huán)泵是能夠耐腐蝕的輸水泵。
6.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)裝置采用太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說(shuō)的循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)裝置采用太陽(yáng)能電池。
8.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說(shuō)的原料液的回路與蒸餾液的回路中可連接有一級(jí)換熱器。
9.如權(quán)利要求1或6所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說(shuō)的原料液的補(bǔ)充管路與蒸餾液的回路中連接有二級(jí)換熱器3。
10.如權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說(shuō)的原料液的回路中的膜組件原料液側(cè)的進(jìn)口處還可連接有過(guò)濾器。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱能利用、水處理以及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，包括膜組件、太陽(yáng)能集熱器或廢熱集熱器、一個(gè)以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動(dòng)裝置以及連接各部件的管路；分別構(gòu)成了原料液的回路，蒸餾液側(cè)的回路，以及原料液的補(bǔ)充管路。本發(fā)明可以連續(xù)地處理原料液，源源不斷地得到生活及飲用水；還可以省去電加熱，無(wú)需任何電耗；并且可以利用換熱器回收冷凝潛熱，大大減小所需太陽(yáng)能集熱器的規(guī)模。
文檔編號(hào)C02F1/44GK1396120SQ0112043
公開(kāi)日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2001年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月13日
發(fā)明者張信榮, 任建勛, 過(guò)增元, 梁新剛, 胡桅林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)