太阳能蒸发式分离方法及所用装置 【技术领域】
本发明涉及物质分离及海水淡化技术，具体地说是一种太阳能蒸发式分离方法及所用装置，特别适用于海水淡化。
背景技术
当今，物质的提纯和分离成为了重要的工业产业，这种生产过程可分物理方法和化学方法，其物理方法最具代表性的是蒸馏法和膜分离法。其中蒸馏法一般需要蒸发器和冷凝器，工作时不仅需要加热而且还需要制冷，结构复杂、耗能大。而膜分离法现在应用较多，但这种系统需要定期清洗、更换膜材料，同时工作时需要消耗一定的电能，因此成本相对较高。近年来太阳能的利用得到迅猛发展，太阳能被誉为绿色环保能源，无论是太阳能热水器还是太阳能电池都给人们带来了巨大的方便和利益。同时随着工业迅猛发展和人们生活水平日益提高，人们对淡水的需求量越来越大。但现在我国淡水资源日益趋贫乏，而沿海城市普遍淡水短缺。世界各地普遍重视淡水的利用问题，均提出了节约用水、采取淡水循环再利用等一系列的解决方案，这些都是为社会的可持续发展提供必须的淡水资源保障，但是充分利用太阳能能源、实现能量循环再利用，以达到蒸发分离物质之目的的物质分离方法，特别是海水淡化方法还未见报道。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能充分利用太阳能、实现能量循环再利用的太阳能蒸发式分离方法及所用装置。它结构简单、节能、成本低，主要解决海水淡化问题，采用本发明装置将为沿海城市及海岛地区提供丰富的淡水资源。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
太阳能蒸发式分离方法：利用太阳能吸收材料将太阳辐射能量吸收进绝热的装置中，被吸收的能量集中用于加热待分离的物质，使其表面温度局部升高，以提高物质的蒸发速度及其在装置中的饱和蒸汽压，导致蒸汽在装置内各个面上凝结、液化，定向流到收集用容器内，由混合物中各物质间饱和蒸汽压及蒸发速度的差异，实现分离；同时，物质蒸发吸收地能量在冷凝时被放出，产生能量的移动，再利用发出的能量加热待蒸发混合物，实现能量的再利用；所述物质指混合液。
所用装置：由黑体板、透光板、加热板、冷凝器、海水池、淡水池、壳体组成，其中壳体为内外双层的容器，上部开口为斜面结构，内层与外层之间加设保温材料构成保温层，底部作为淡水池；透光板覆盖在壳体上开口处，黑体板与透光板平行设置、于其下方，两者之间留有真空腔；在黑体板下方通过导热器与位于海水池中的加热板相连；海水池水平安装在黑体板下方，海水池底部设冷凝器；另设海水导入口于壳体上经海水进水管与海水池相通，淡水导出口位于壳体的底部，通过淡水导出管与水泵相连。
在海水导入口及淡水导出口加设阀件A、B；在加热板下方设加热器于海水池中，配有电源插座及插座盖板；在壳体外壁设有配重勾；水位探测器分别设在淡水池和海水池的上方，海水温探测器设置在海水池中，在水面和加热器之间；所述探测器输出信号与微处理器电连接，实现水位、水温、进水、排水的自动控制；透光板与壳体间设密封装置。
海水池的水位不高于加热板20mm，又不低于加热板；
本发明装置的设计原理是：从质量守恒角度出发，蒸发和冷凝将会达到一种动态平衡。从能量的角度出发，海水池蒸发出的每克水蒸气将带走539卡的热量，而水蒸气将在整个装置空间内的各个表面积凝结，其凝结时每克蒸汽将放出539卡的热量，因此整个过程是能量平衡过程；由于海水池的温度高所以其中的水蒸发快(是主要的蒸发源)，蒸发到装置内的水蒸汽将弥散整个装置内空间，但冷凝主要发生在冷凝器、黑体板下表面、壳体内壁上这些冷凝水即为淡水。因此，在这种能量和物质的动平衡过程中实现水的定向流动。
本发明具有如下优点：
1.具有多功能。采用本发明方法可以实现蒸发分离功能(主要是利用太阳能实现物质分离)，可以用于物质(如混合液)的阳光分离，同时本发明通过对太阳能的利用为海水淡化提出条新技术路线。本发明应用于海水淡化，实现了基本的阳光海水淡化功能，为沿海城市及海岛地区提供丰富的淡水资源。
2.结构设计简单、合理。本发明黑体板可以增强对光线的吸收，并能将能量通过导热器传导给待加热物质；透光板和黑体板间存在封闭的真空腔，实现绝热保温作用。加热器在待加热液中，可以实现局部加热升温，有利于提高蒸发效率。整体装置既可以将海水引入到装置中在陆地上使用，又可以将其放置在海水中使用。
3.冷凝效果好。冷凝器、黑体板和壳体内壁为主要的淡水冷凝面，增大了冷凝面积，加速了冷凝，有利于物质分离。
4.具有节能特点。本发明所述装置在实现利用太阳能进行物质分离(如海水淡化)的同时，还可以尽可能地节约能源。表现在：1)所述装置为全封闭，外层有绝热保温层，防止能量损失。2)其电加热器起辅助加热的作用，可以不使用；在不使用时要拔掉电源，将电源插座孔用插座盖板塞紧，目的也是防止能量的损失。3)透光板增强光线透过率，并起绝热密封作用，电加热器和海水池通过密封圈密封，以有利于对蒸发液体的有效加热。另外，4)海水池下方紧连接着的冷凝器起主要的冷凝作用，并且将蒸汽冷凝放出的热量传递给海水池，以实现能量的再利用。
5.使用方便。本发明装置有配重钩可以带配重物，可使装置适当的进入海洋中；亦可以不带配重物，在陆地上使用。还可以根据需要通过安装水位探测器和水温探测器实现水位、水温、进水、排水的自动控制。
【附图说明】
图1为本发明装置结构示意图。
【具体实施方式】
以在海洋中试用为例：
利用太阳能吸收材料(沥青)将太阳辐射能量吸收进绝热的装置中，为了避免能量的散失，装置采用绝热密闭结构，被装置吸收的能量集中用于加热待分离的物质，使其表面温度局部升高，以提高物质的蒸发速度及其在装置中的饱和蒸汽压，但由于混合物中物质间的饱和蒸汽压相差较大导致蒸汽的组分以饱和蒸汽压高的为主，同时，蒸汽要在装置内各个面上凝结、液化，其液化过程在温度较低的表面上凝结速度较快，在这些表面上冷凝的物质将被定向流到收集用容器内，这样实现了物质蒸发和冷凝的动态平衡。在此过程中，被分离物实现了定向流动，但使得其组分大为改变，由于混合物中各物质饱和蒸汽压的差异，从而实现分离；同时，物质蒸发吸收大量的能量将在冷凝时被放出，导致能量的移动，冷凝器起主要冷凝作用，其将物质冷凝放出大部分能量用到加热待蒸发混合物中去，实现能量的再利用过程，同时降低冷凝器温度，以提高物质定向流动；
本实施例将整个装置放置到海洋中，在配重钩8上加配重物19，使装置适当地侵入在海水中，海水池13的水位和海洋中的水位相同，但海水池的水位不高于加热板20mm，又不能低于加热板4；阳光通过透光板3射入，被黑体板1吸收，黑体板1将热量通过导热器12传给加热板4，加热板4将局部海水加热，使海水池13表面海水蒸发速度加快，水蒸气将在整个装置的内表面凝结，凝结的水为淡水，其大部分将定向地流到淡水池中，实现物质的定向流动。冷凝器7起到主要的冷凝作用；水蒸气冷凝放出的热量将由冷凝器7传到海水池13中，加热待蒸发的海水，实现能源的再利用，同时，冷凝器7将被冷却，增强其对水蒸气冷凝效果。为了使能量不损失，所以采用绝热保温层26和真空腔2进行保温；电加热器5的工作可以进一步提高产率，但其只是辅助作用，在不使用时将其电源从插座20上拔下来，并将插座盖板16盖上，插座盖板16由绝热材料制成，具有防止热量散失的作用。
其中：黑体板1(可采用沥青)可增强对光线的吸收，并能将能量通过导热器传导给待加热物质；透光板3和黑体板1间存在封闭的真空腔2，实现绝热保温作用；加热器4在待加热液中，但距离液体液面距离不大于20mm，以实现局部加热升温，有利于提高蒸发效率；海水池13中的电加热器5位于加热器下方，保持间距在2mm左右。
冷凝器7、黑体板1和侧板14是主要淡水冷凝面，淡水冷凝面采取亲水处理工艺，加快在冷凝面上的淡水流到淡水池18的速度，提高淡水的产率。海水进水管6要长，即起到冷凝管的作用，又起到降低与外界海水温度梯度的作用。
黑体板1、导热器12、加热器4、海水池13、冷凝器7均为导热材料(本实施例采用高导热铝合金)制成，而透光板3、淡水池18、保温层26、海水进水管6、淡水出水管11均为绝热材料(本实施例采用四氟乙烯)；电加热器5和海水池13之间由密封垫圈15密封连接，密封垫圈15采用耐高温、具有绝缘绝热性能的材料(本实施例采用绝热橡胶)。
因此，其装置特点在于利用太阳能的同时采用能量的再循环利用技术，实现节约能源，达到物质提纯目的。本发明同时采用能量再利用方法，进而保证待分离混合物表面具有较高的温度，提高分离的产率。
以上实现了基本的阳光海水淡化功能，同时也可以用于其它物质的阳光分离。
另外，为了实现装置的自动化程度，可以采用微处理器21。将海水温度探测器22置于海水池13中，在水面和加热器5之间；与微处理器21电连接的水位探测器9分别设在淡水池18和海水池13的上方，微处理器21接收水位探测器9的水位信号，通过阀件A10(本实施例为电磁阀件)和泵23，控制淡水池18水位，并通过阀件B10(本实施例为电磁阀件)控制海水池13的水位。微处理器21根据海水温度探测器22的信号，通过电加热器5控制蒸发海水的温度，使蒸发控制在最佳的性价比上，水位传感器9分别测量海水池水位和淡水池水位，当淡水池18水位达到一定高度时淡水将由淡水排出管11排出。