通過用太陽光加熱對水的淨化的製作方法

2023-05-04 22:10:21 2

通過用太陽光加熱對水的淨化的製作方法
【專利摘要】一種用於淨化水的裝置（300），包括中空結構，所述中空結構又包括：第一空間（310），所述第一空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置（311），所述蒸煮裝置被布置成使用聚焦的太陽光的能量來將所述水加熱到沸點，所述聚焦的太陽光經由用於太陽光的供應裝置（10）被供應到所述第一空間中的某一加熱位置；用於對來自所述蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器；以及用於水蒸氣的管道裝置（343），所述管道裝置被布置成將水蒸氣從所述第一空間帶到所述冷凝器中。本發明的特徵在於，換熱器（333）被布置成將來自所述蒸煮裝置中已蒸發的熱水蒸氣的熱能或來自仍然溫熱且源自該蒸氣的冷凝水的熱能，傳遞到將通過所述供應開口被引入到所述第一空間中的待淨化的水。本發明還涉及一種方法。
【專利說明】通過用太陽光加熱對水的淨化
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種裝置和方法，用於淨化水並且將水從水體中的一個位置運輸到更高高度處的一個所需運送地點。更具體而言，本發明涉及使用太陽能的這種淨化和運輸。
【背景技術】
[0002]為了產生用於飲用、灌溉等的水，經常需將水脫鹽並且/或者將其從傳染劑和其他汙染物中淨化出來。在許多情況下並且在許多地方都存在這樣的需要，而此時並沒有可靠的電力源。各實例包括在發展中國家、在海上或在孤島上的小規模使用。此外，通常希望使用的是可再生能量來源，而不是通常源自化石燃料電廠等的電能。因此，有必要使用太陽能來淨化水。
[0003]執行此淨化的一種方式是使用太陽能電池來產生電能，該電能隨後驅動常規的脫鹽和/或淨化裝備(plant)，例如基於滲透作用。這樣的方法效率較低，部分是由於常規太陽能電池的損耗較大。此外，此種設備通常較為複雜，從而導致購置成本較高並且維護昂貴，進而限制了使用領域。
[0004]已提議的另一種方式是使用US3，960，668中描述的那種類型的浮動蒸煮裝置，其中將包括蒸煮器的蓋子浸入水體中，並且其中使用太陽光來加熱蒸煮器，其中太陽光是通過使用布置在水表面上方的透鏡而聚焦在所述蒸煮器上。隨後將蒸發的蒸氣引導到冷凝器中，在所述冷凝器中該蒸氣匯集成冷凝的蒸餾水的形式。
[0005]此種裝置需要:將待淨化的水泵送到蒸煮器中；將殘餘的水從蒸煮器中泵送出來；以及將淨化水從用於盛裝冷凝水的容器中泵送出來。此外，還需要各種通風管和其他外圍設備。因此，此種裝置相對較複雜且昂貴，需要大量維護並且還需要可靠的電源來驅動該設備。透鏡相對於日光的角度是可變的，因為該角度在水中是傾斜的，從而導致隨著時間的過去光無法聚焦在同一點處。此外，所述裝置在其靠近水表面的位置處暴露在自然環境中，由此，水和殘餘水的飛濺將限制可以聚焦在蒸煮器上的光的量。最後，此種蒸煮裝置的效率相對較低，因為需要大量能量來將水體中的水從環境溫度加熱到沸點。

【發明內容】

[0006]本發明解決了上述問題。
[0007]因此，本發明涉及一種用於淨化水的裝置，所述裝置包括中空結構，所述中空結構又包括:第一空間，所述第一空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置，所述蒸煮裝置被布置成使用聚焦的太陽光的能量來將水加熱到沸點，所述聚焦的太陽光經由用於太陽光的供應裝置而被供應到第一空間中的某一加熱位置；用於對來自蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器；以及用於水蒸氣的管道裝置，所述管道裝置被布置成將水蒸氣從所述第一空間帶到所述冷凝器中，並且特徵在於，換熱器被布置成將來自蒸煮裝置中已經蒸發的熱水蒸氣的熱能或來自仍然溫熱且源自該蒸氣的冷凝水的熱能，傳遞到將通過所述供應開口被引入到第一空間中的待淨化的水。【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]在下文中，將參照本發明的示例性實施例和附圖對本發明進行詳細描述，在附圖中:
[0009]圖1a為根據本發明的用於淨化並且運輸水的第一裝置的說明性草圖，該裝置緊緊固定到底部；
[0010]圖1b為根據圖1a的裝置的說明性草圖，但是其中該裝置漂浮在表面上；
[0011]圖2為根據本發明的用於淨化並且運輸水的第二裝置的說明性草圖，該裝置包括有光聚焦在其上面的一個蒸煮器，以及一個換熱器；
[0012]圖3為根據本發明的用於淨化並且運輸水的第三裝置的說明性草圖，該裝置包括一個蒸煮器和一個換熱器；
[0013]圖4為根據本發明的用於淨化並且運輸水的第四裝置的說明性草圖，該裝置包括兩個蒸煮器和兩個換熱器；
[0014]圖5為根據本發明的用於淨化並且運輸水的第五裝置的說明性草圖，該裝置包括根據圖1的裝置、一個蒸煮器和一個換熱器；以及
[0015]圖6示出了根據本發明的一個吸引器。
[0016]對於相應細節，所有圖共享相同的參考編號。
【具體實施方式】
[0017]圖1a和圖1b示出了一種裝置100，用於淨化水並且將作為非淨化水的水體50 —部分的淨化水從其原始位置從水體50向上運輸。裝置100包括一個中空結構，該中空結構又包括蒸煮空間110、細長的管道裝置120以及上部分130。優選的是，管道裝置120採用中空圓柱體的形式，它將蒸煮空間110連接到上部分130，使得這兩部分可以自由地彼此連通。在本文中，這兩個空間彼此「可以自由地連通」應被解釋為，氣體和液體可以在這兩個空間之間自由地流動，而沒有任何中間障礙。
[0018]在操作過程中，裝置100至少部分地(優選為完全地)定位成以豎直操作位置浸入水體50中，如圖1a和圖1b所示，根據優選實施例，在所述豎直位置中，水蒸氣可以從蒸煮空間110在管道裝置120中基本上筆直地上升。
[0019]蒸煮空間110包括用於來自水體50且尚未淨化的水的供應開口 112。此外，在蒸煮空間110中存在一個蒸煮裝置111，該蒸煮裝置被布置成在空間110中的某一加熱位置處將非淨化水加熱到其沸點，使得有足夠量的蒸氣從該水中分離。
[0020]優選的是，蒸煮空間110採用從下方打開的兜帽形結構的形式，使得足夠量的水可以通過自循環在蒸煮空間110中翻滾。這使得，在具有高濃度汙染物的水被部分蒸發之後，該水可以用額外的非淨化水進行稀釋，而無需用自循環以外的某種其他方式來執行混合。同時，優選的是，加熱位置被布置在供應開口 112的上方，從而避免尚未蒸發的加熱水發生過度稀釋這種形式的功率損耗。
[0021]蒸煮裝置111從光纖電纜12接收其能量，所述光纖電纜在操作過程中將光從地面60上方(由此也在水體50的表面51上方)的聚光裝置10傳送到蒸煮裝置111。聚光裝置10包括鏡子11，該鏡子本身是常規的並且被布置成從較大表面聚焦太陽光並且將該光引導到光纖12中。例如，該裝置可以包括一個拋物線型的主反射鏡和一個較小的輔助反射鏡，後者被布置成將主鏡所反射的光束引導到光纖端中。優選的是，入射的太陽光所聚焦的表面至少為10m2。這樣，可以將足夠的光能通過光纖12而向上帶到蒸煮裝置111，從而在空間110中對水實現足夠強烈的蒸煮，由此實現當前目的。
[0022]蒸煮裝置111可以利用太陽能，從而用本身常規的方式來加熱水，例如通過將入射光導到空間Iio中的一個黑體上，這樣該黑體被加熱並且間接地加熱了水。
[0023]蒸煮空間110的上面對管道裝置120開放，使得從蒸煮過程分離出來的蒸氣可以通過管道裝置120上升並且向前進入上部分130中。後者包括用於對來自蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器133。
[0024]在圖1a和圖1b中，所示的裝置100均具有兩個不同所示類型的冷凝器133。可以了解到，可以使用這兩種冷凝器中的任一者，或冷凝器的組合，和/或其他類型的冷凝器。然而，優選的是，冷凝器133被布置成通過使用周圍水體50中的非淨化水進行冷卻而將水蒸氣冷凝成液態。實現這一目的的最簡單方式是，在操作過程中將冷凝器133浸沒在水體50的表面51下方。
[0025]因此，有用的冷凝器133的第一實例是與水蒸氣和冷凝水隔離的且延伸通過上部分130的管道系統133a，由於在操作過程中上部分130中存在溫度梯度，故非淨化水能藉助於自循環而流動通過該管道系統113a。
[0026]第二實例由一系列凸緣133b構成，所述凸緣要麼容納與水蒸氣和冷凝水相隔離的非淨化水，要麼熱連接到該水。
[0027]冷凝器133連接到用於盛裝冷凝水的容器131並且與該容器自由連通，該容器被布置成匯集使用冷凝器133冷凝的水。因此，管道裝置120和用於盛裝冷凝水的容器131被設計成使得存在一條用於水蒸氣的通道從蒸煮空間110經由冷凝器133而延伸到容器131，從而使得空間110可以與容器1 31自由連通。優選的是，冷凝器133的冷卻構件，例如其冷卻凸緣133b，被定位在該通道中並且沿著該通道，在容器131的上方或在該容器的內部。
[0028]如圖1a和圖1b所示，根據優選實施例，上述通道首先向上延伸通過管道裝置120，隨後再向下延伸到容器131中。根據所示實施例，實現後者使用的是管道部分120的上部分與容器131之間的基本豎直的分隔壁135，以及上部分130中的密封頂板。容器131，優選是整個容器131，優選被布置在比蒸煮空間110更高的高度處。
[0029]使用這樣的構造，冷凝水可以被匯集在容器131中，從而不會通過管道裝置120向下倒漏。
[0030]容器131被布置具有冷凝水的出口 134，在操作過程中該出口被布置在容器131中的液位132下方。
[0031]在操作過程中，裝置100至少部分地定位成浸入水體50中，其中蒸煮空間110向下。在該位置中，空間110將因此與水體50自由連通。此外，除了非淨化水的供應開口 112和冷凝水的出口 134以外，上述結構在操作過程中被布置成是關閉的。換句話說，除了出口134以外，該結構由上方氣封和液封的容器構成，即使當該結構被浸入水體50中時，所述容器也可以保留一定量的氣態水蒸氣。
[0032]此外，在操作過程中，出口 134被布置在蒸煮空間110中的加熱位置的上方。
[0033]在操作過程中，裝置100因此被定位成浸入水體50中，其中非淨化水經由開口 112而流入裝置100中。優選的是，當裝置100浸入水體50中時，出口 134保持密封，使得在操作開始時，一定量的大氣被保留在容器中。此後，通過向蒸煮裝置111供應光能來開始蒸煮。
[0034]因此，在空間110中從非淨化水中分離出來的水蒸氣向上流到管道裝置120和上部分130中。冷凝水被匯集在容器131中。由此，在操作過程中，在一個平衡狀態下，氣柱121保持在該結構中，該氣柱主要由水蒸氣組成並且其一端受限於水表面132且另一端受限於空間110中的水表面113。在操作過程中，有可能通過對供應的光能以及/或者經由出口 134的冷凝水排放進行適當控制，來獲得加熱位置上方的水表面113的穩定水位。
[0035]由於加熱位置被布置在出口 134的下方，因此，空間110中穩定水位113也可以被布置在出口 134的下方。因此，表面113作用在中空結構內的氣柱上的水壓，以及結構中由於蒸煮而引起的蒸氣壓力，將在中空結構中產生超壓。容器131中的冷凝水中將以此超壓為主並且在出口 134處也存在此超壓。
[0036]從出口 134起，冷凝水將被引導到地面上方的所需運送位置處，在圖1a和圖1b中所示為用於盛裝淨化水的水槽20的形式。由於該水隨後被蒸餾，因此它也從(例如)顆粒和鹽中淨化出來。此外，該蒸 煮使得任何微生物均可以被有效地消滅。
[0037]此外，無需用外部泵來將淨化水從布置在較低高度處的出口 134向上運輸到水槽20。相反，根據優選實施例，只使用上文所解釋的自身壓力。優選的是，一方面加熱位置(因此，水表面113)與另一方面出口 134之間的高度差(因此也是上述氣柱121的高度)，被選擇得足夠大，從而使所得的自身壓力足夠將淨化水向上推到水槽20中。
[0038]優選的是，出口 134被布置成在水體50的表面51下方打開。這樣使可獲得的自身壓力最大化，同時由於它有助於使冷凝器133被布置在水表面51的下方，因此這也簡化了水蒸氣的冷凝。
[0039]沿著管道140的閥21被布置成:處於關閉位置時，則保持操作過程中裝置100中的壓力；而在必要時處於打開位置時，則反過來使淨化水被運送到水槽20中。可以了解到，只有那麼多水可以從容器131中流出，使得出口 134仍然完全布置在水表面132的下方。如果沒有發生流出，那麼容器131中的水將溢到管道裝置120中，因此裝置100應能夠自動調節。
[0040]根據圖1a和圖1b中所示的優選實施例，管道裝置120被設計成細長的圓柱體，該圓柱體在操作位置中基本上豎直地延伸。例如，該圓柱體藉助於上部分130而在其上端關閉。同時，該圓柱體上部分處的開口允許將水蒸氣從蒸煮空間110引導到容器131中。這樣使得構造不複雜。
[0041]根據同樣在圖1a和圖1b中示出的尤其優選的實施例，它描繪了裝置100的截面，其中整個裝置是基本上圓對稱的。換句話說，空間110、管道裝置120和上部分130均為圓對稱的，並且容器131被設計成圍繞著管道裝置120外圍上部分的圓形環。優選地，冷凝器133的冷卻構件也是圓對稱的，而各種較小設備細節，例如蒸煮裝置111和出口 134等，可以是不對稱的。
[0042]這樣的主要圓對稱設置允許裝置100獲得重量的水平分布，從而使得無需考慮昂貴的負載重新分布構造即可以在水50中在其豎直位置中實現平衡。
[0043]裝置100優選由合適的塑料材料製成。由於裝置100在操作過程中含有一定量的氣體，因此它會整體浮動。因此，有必要使其在操作過程中在浸入水50中的豎直位置中實現穩定。
[0044]圖1a示出了實現該目的的第一優選方式，它所使用的是固定到底部的固定錨180，該固定錨使用鏈181等來固持住裝置100。
[0045]圖1b示出了實現該同一目的的第二優選方式，它所使用的是帶有附屬錨定繩183等的錨定浮筒182，以及帶有相連的錨定鏈185等的槽184。應了解，槽184和/或浮標182也可以整合在裝置100本身中。這種其他方式因此使裝置100在其操作的豎直位置中自由浮動，以此使在水淨化的小規模和/或臨時操作過程中對裝置100進行定位時的靈活性變大。在這種情況下，有必要對裝置100的總密度和重量分布進行選擇，使得它可以在水50中豎直地並且在所需深度處浮動。
[0046]根據上述內容的裝置100可以有利地用於只使用太陽能就能從海水中獲得脫鹽的飲用水。該淨化水隨後可以如上述，被運送到地面上方的所需運送位置以進行使用。
[0047]這樣的裝置也可以降低到受汙染的井等中，從而實現井中水的泵送和淨化的組合操作，從而將水運送到地面上方而獲得可飲用的飲用水。
[0048]圖2示出了用於對從非淨化水的水體50中匯集的水進行淨化的根據本發明的第二示例性裝置200。
[0049]與裝置100類似，裝置200包括一個中空結構，該中空結構又包括用於尚未淨化的水的第一蒸煮空間210，該蒸煮空間在該示例性實施例中被布置在水體50的水表面51上方。空間210包括用於將該水供應至空間210的供應開口，以及用於該水的蒸煮裝置，所述蒸煮裝置被布置成使用經由聚光裝置10被供應到蒸煮空間中某一加熱位置的能量來將水加熱到沸點。在裝置200中，空間210本身構成蒸煮裝置，並且聚光裝置10包括鏡子11，該鏡子被布置成將入射光直接反射朝向空間210。要麼空間210作為整體構成加熱位置，要麼空間210包括上面聚有太陽光 的一個黑體。在後一種情況下，緊鄰該黑體的區域構成加熱位置。
[0050]此外，所述中空結構包括管道243、冷凝器233a、額外的管道244以及用於盛裝淨化水的水槽20。在空間210中獲得的水蒸氣在其自身壓力下通過管道到達冷凝器233a中，所述冷凝器將該蒸氣冷凝成熱水，所述熱水優選保持至少90°C的溫度。所述熱水繼續流動，通過管道244並且經由壓力控制閥22進入水槽20中。
[0051]在冷凝器233a與閥22之間，熱水穿過換熱器233b，其中熱水中含有的熱能被傳遞到已經從水體50經由管道240進入換熱器233b中的尚未淨化的水中。
[0052]根據優選實施例，換熱器233b為逆流型的，從而允許熱水與尚未淨化的水之間約90%的溫差可以很好地用於隨後的水中。這樣，到達閥22的冷凝水將保持一個溫度，該溫度只比水體50中水被吸到管道240中的位置處的主導溫度高數十攝氏度。同時，從換熱器233b流出的尚未淨化的水可以保持為至少70°C。
[0053]與使用太陽能的常規水淨化技術相比，這樣大大增加了水淨化過程的效率，因為只需將進入蒸煮裝置210中的水從它在換熱器233b之後所保持的溫度加熱到沸點。
[0054]冷凝器233b不一定是離散部件，如圖2所示。相反，冷凝器233a可以由換熱器233b構成，或者包括作為一種用於將蒸氣冷凝成液態水的子部件的換熱器233b。已經在蒸煮裝置中蒸發的熱水蒸氣的熱能傳遞到待淨化的水，這隨後促進或者引起蒸氣被冷凝。這樣的實施例在圖3至圖5中示出。
[0055]此外，蒸氣的冷凝可以發生在換熱器233b的上遊、換熱器中或下遊。因此，換熱器233b可以傳遞來自蒸氣或者來自液態水或者來自這二者組合的熱能含量，這均取決於當前應用。
[0056]已經在換熱器233b中加熱的尚未淨化的水經由管道241、泵260和額外的管道242並通過其供應開口被帶到蒸煮空間210中。泵260被布置成從水體50泵送水，並且在超壓(由於其中沸騰的壓力的原因而存在的超壓，它超過空間210中的壓力)下將該水供應給蒸煮空間210，使得供應的水可以被壓入已經加壓的空間210中。
[0057]在一定時間的操作之後，鹽、顆粒和/或其他汙染物將堆積在空間210中。空間210隨後可以被排空，方法是將殘餘水從空間210中經由供應開口(有利地布置在空間210的底部附近)、經由管道242、泵260以及可能的自來水管道245排出去。例如，這種流出可能通過用泵260將水從空間210中泵送出來，或者通過泵中的閥的臨時切換來發生，從而使得管道242可以自由地與管道245連通。
[0058]如果在當前操作位置上缺少可靠的電源，那麼優選的是太陽能電池裝置30等從入射的太陽光產生電壓並且將該電壓施加到連接到泵260和/或一個控制裝置(可以整合在泵中)的電纜31上，從而對泵和/或根據上述內容的任何閥進行控制。在這種情況下，所述控制裝置可以接通或斷開裝備，使得它只在白天操作。或者，這樣的操作通過以下方式變得可以自動控制:泵只在有太陽光且因此在電纜31上存在電壓時才被驅動。
[0059]這樣的系統使用太陽能提供了有效的水淨化。
[0060]圖3示出了本發明的採用裝置300形式的另一個優選實施例。聚光裝置10包括鏡子11，類似於圖1a和圖1b中示 出的鏡子，該鏡子被布置成對太陽光聚焦引導到光纖13中以進一步運輸到蒸煮裝置311，所述蒸煮裝置被布置在用於尚未淨化的水的蒸煮空間310中。蒸煮裝置311可以類似於蒸煮裝置111，並且被布置成將空間310中待淨化的水加熱到沸點。空間310的供應開口被布置在待淨化的水的水體50的表面51上方。
[0061]由於常規光纖中的光阻尼是有限的，並且由於聚焦的太陽光經由這樣的光纖從裝置10被引導到蒸煮裝置311，因此可以使蒸煮空間310相對於鏡子11定位方面的靈活性增加，並且聚焦的太陽光可以更有效地用於蒸煮過程中，因為蒸煮裝置310不會在尺寸或其他方面進行調適，從而能直接用入射的太陽光加熱。
[0062]從空間310中的水表面312蒸發出來的水蒸氣，用對應於上述方式的一種方式，通過空間310的上部分中的出口，通過一個管道並且經由一個換熱器333 (優選為逆流型)以及一個轉換閥380、一個額外的管道344和一個壓力控制閥22，進入用於盛裝淨化水的水槽20中。
[0063]將待淨化的水從尚未淨化的水的水體50開始引導，使其經由管道340到達換熱器333，在所述換熱器中，熱水蒸氣的熱能傳遞到尚未淨化的水中。在該示例性情況下，換熱器333還構成冷凝器。
[0064]已經通過蒸煮來加壓並且已經穿過換熱器333的冷凝水的某一份數(優選小於50%)，從閥380開始被引導，經由管道345而被向下帶到水體50的表面51下方，並且到達一個吸引器泵裝置370上，所述吸引器泵裝置經由供應管道371被供應以尚未淨化的水並且它被布置成將該水向上泵送到換熱器333中以用於加熱，並且進一步進入用於尚未淨化的水的水槽361中。從布置在高於水體50表面51的高度處的水槽361開始，隨後使用泵360、供應管道342和空間310的供應開口，將待淨化的水壓入空間310中。由於泵裝置370將水抬升到容器361中，因此與其他情況相比，泵360可以被設計成具有較小容量。
[0065]吸引器泵裝置370被布置成只使用一方面管道345中的冷凝水(由於空間310中沸騰的壓力而處於超壓下)與另一方面水體50中現有的仍未淨化的水中主導壓力之間的壓力差，便將後者向上泵送到容器361中。
[0066]圖6示出了這樣的裝置如何可以基於文丘裡效應來設計的一個實例。管道345因此將加壓的水向上傳送到噴嘴601中的一個位置，在此處它與流經管道371的尚未淨化的水流匯合。優選的是，管道345、371在這兩個水流匯合的位置處被布置成同心管，其中用於加壓水的管道345作為內管。文丘裡管602使得流速增加並且因此壓力下降，這導致管道371中尚未淨化的水與來自管道345的冷凝水流一起被吸入。這樣，足夠量的尚未淨化的水可以只通過使用這兩個液體流之間的壓力差便被泵送到較大高度處。這樣的吸引器泵在所屬領域中是為人熟知的，並且相應原理同樣適用於使用冷凝器上遊的水蒸氣，以便將尚未淨化的水從水體50向上泵送到表面51上方的一個位置。
[0067]因此，這樣，蒸發的水蒸氣關於壓力和溫度的能量含量可以用於增加淨化過程的效率，從而使該過程變得更有效。
[0068]圖4示出了裝置400，它構成本發明的額外示例性實施例，它類似於圖3中所示的實施例，但是使用了並聯的兩個蒸煮空間410和420，每個蒸煮空間均包括用於待淨化的水的各自的供應開口、各自的水表面412、422和蒸煮裝置411、412，所述蒸煮裝置被布置成使用太陽能將待淨化的水加熱到沸點，所述太陽能經由各自的光纖13、14從太陽光聚焦裝置10進行運送。
[0069]從水體50開始， 待淨化的水被引導經由管道440和換熱器433a，所述換熱器優選為逆流型，其中熱能從第二空間420中蒸發的加壓水蒸氣傳遞到待淨化的水中，由此該水蒸氣也發生冷凝。此後，將加熱的尚未淨化的水引導通過管道441並且通過其供應開口而進入第一空間410中；以其中蒸發的加壓水蒸氣的形式將其引導通過管道422進入第二換熱器433b中，所述第二換熱器也優選為逆流型並且被布置成將蒸氣(該蒸氣由此冷凝)的熱能在它到第二空間420的途中傳遞到待淨化的水中；通過管道443到達類似於吸引器泵裝置370且被布置成從供應結構449向上泵送尚未淨化的水的吸引器泵裝置471中。
[0070]向上泵送的尚未淨化的水與冷凝水混合在一起被引導通過管道444再通過第二換熱器433b從而在其中被加熱，而後繼續通過管道445並且經由其供應開口而進入第二空間420。來自第二空間420的蒸發水蒸氣被引導通過管道446到達第一換熱器433a，在所述第一換熱器中該蒸氣被冷卻並且冷凝，從而在隨後被引導通過管道447到達吸引器泵470，該吸引器泵也類似於吸引器泵370並且被布置成以與吸引器泵471操作模式相對應的方式泵送尚未淨化的水，所述尚未淨化的水從水體50經由供應結構448而向上供應到吸引器泵470。
[0071]切換閥480、481被布置成經由各自的管道450、451和壓力控制閥23、22而選擇性地將一部分或全部的冷凝水從各自的管道447、443引導到用於盛裝冷凝水的水槽20中。
[0072]裝置400以交替的方式操作。在第一步驟中，第一空間410因此用於蒸煮待淨化的水，方法是經由光纖13來供應太陽能。來自第一空間410的加壓蒸氣用於使用吸引器泵471和換熱器433b將待淨化的水向上泵送到第二空間並且用於預熱所述水，在此第一步驟中不使用太陽能來加熱水。由於第二空間420在此情況下沒有通過蒸煮來加壓，因此無需使用高供應壓力便可以將水引導到空間420中。同時，沿著管道441或與第一空間410的供應開口相連的閥482，可以保持在關閉位置中，從而產生第一空間410中沸騰壓力的反壓力。冷凝水的某一份數(優選至少50%)可以以淨化水的形式經由管道451開始引導。
[0073]在第二步驟中，空間410、420均起到與上述類似但相反的作用，並且第二空間420經由光纖14來加熱，而第一空間410則用預熱的尚未淨化的水來填充。閥482在此情況下是打開的，而在第一步驟中保持打開的閥483現保持關閉，從而在第二空間420中產生反壓力。圖4示出了根據第二步驟的操作過程中的情況。
[0074]在第二步驟之後，第一步驟再重新開始，從而實現交替的循環操作。一個完整循環的合適周期在20分鐘至300分鐘之間。
[0075]在該實施例中，優選的是這兩個空間410、420包括各自蒸煮空間的熱絕緣，使得一個空間中預熱的水不會在使用經由相應光纖的太陽能對所談及的此空間開始加熱之前冷卻到必要溫度以下。
[0076]為了控制這 些閥以及將起作用的光纖，優選使用控制裝置40，該控制裝置經由電纜32由太陽能電池裝置30來供應能量，所述太陽能電池裝置用於從入射的太陽光產生電壓。控制裝置40也可以被布置成打開兩個相應空間410、420中的相應底閥(foot-valve)413、423，以使殘餘水從將開始填充尚未淨化的水的空間中流出，這與從一個步驟到另一個步驟的操作模式切換有關。
[0077]同樣優選的是，控制裝置40配備有溢出保護功能，從而防止將過多的尚未淨化的水供應給目前填有水的空間。
[0078]這樣，這兩個蒸煮空間410、420中的任一者可以始終經由各自的光纖13、14而用太陽光來加熱，從而對水進行蒸煮以淨化。同時，當前未加熱的空間可以添加新的預熱的7JC,以在下一個加熱階段中對水進行淨化。除了經由這兩個光纖13、14供應的太陽光以外，只在外部供應的能量也是驅動控制裝置40所需的能量。
[0079]圖5示出了只具有位於地面60上方的一個蒸煮空間510的裝置500形式的額外優選實施例。
[0080]與蒸煮空間310、410和420相似，蒸煮空間510包括:蒸煮裝置511，它經由光纖13被供應光能並且從太陽光聚焦裝置10延伸出去；水表面512 ;以及用於使殘餘水流出的底閩513。
[0081]來自蒸煮裝置511的蒸發水蒸氣被引導通過管道542並經由冷凝器/換熱器533(類似於上述換熱器並且優選為逆流型)、額外的管道543和壓力控制閥22而到達用於盛裝冷凝水的水槽20。
[0082]根據圖1a和圖1b相關的上述內容的裝置100進一步被布置成至少部分地浸入水體50中，其中開放的蒸煮空間被布置成使用通過光纖14運送的太陽能來對尚未淨化的水進行蒸煮。如上所述，這樣使得裝置100的容器中的加壓冷凝水的量變多。此加壓冷凝水從容器的出口流出，並且被引導通過管道544進入圖3和圖4相關的上述類型的吸引器泵570中，所述吸引器泵570被布置成將冷凝水與通過入口 571被吸到泵中的尚未淨化的水一起，向上泵送通過管道540，經由換熱器533和額外的管道541並且繼續經由其供應開口到蒸煮空間510上並進入空間中。在換熱器533中，熱能從空間510中蒸發的水蒸氣中傳遞，所述換熱器如上所述對向上泵送的水進行預熱。
[0083]重要的還有，在空間510的供應開口附近的管道541中獲得壓力取決於裝置100在其氣柱的高度方面的尺寸設計(如上所述)，以及裝置100與空間510之間的高度差、吸引器泵570的設計、管道544、540、541中以及換熱器533等中的壓力損耗。根據優選實施例，當根據當前實施例來應用本發明時，這些和其他參數經選擇使得管道541中的供應開口處可獲得的壓力超過在操作過程中空間510中沸騰時的操作壓力。換句話說，通過管道541運送的水將保持這樣的高壓，使得它可以被壓入空間510中，從而以與其中存在的水被蒸發的速度相同的速度來填充該空間。如上文關於圖2至圖4所述，空間510中的壓力使用壓力控制閥22來控制。
[0084]必要時，待淨化的水流到空間510中可以使用隨著管道544以及/或者在吸引器泵570中和/或沿著管道540的合適的閥來控制。
[0085]根據優選實施例，底閥513使用日光閥來控制，該日光閥本身是常規的並且有利地被布置成底閥513的一部分並且用於當入射到日光閥上的太陽光的強度下降到預定值以下時打開底閥，從而使得空間510排空殘餘水。
[0086]因此，這樣，可以實現自動調節系統以在白天產生淨化的脫鹽水並且將其運送到水槽20，該系統也會在黃昏時刻自動排空殘餘水，從而在第二天，當通過光纖13、14再次開始運送太陽能，該系統重新用待淨化的水來填充。這在沒有任何外部供應能量的情況下發生，其中只有用鏡子11和日光閥捕獲到的太陽能。此外，裝置500可以用最少的可移動零件來構建，這樣降低了系統的維護需求。最後，它可以用標準零件輕易組裝，從而使安裝成本較為高效。
[0087]上文中已經描述了優選實施例。然而，所屬領域的技術人員將明白，可以在不脫離本發明的概念的情況下對所描述的實施例作出許多修改。
[0088]例如，結合圖1a和 圖1b描述的那種類型的裝置可以只用作一個太陽能驅動泵，例如用於從井中向上泵送已經可飲用的水。
[0089]此外，圖2中所示類型的裝置也可以使用根據圖1a和圖1b的任一裝置，或者使用結合圖3至圖5所述類型的吸引器泵，來供應尚未淨化的水。
[0090]圖2至圖5中所示的裝置可以如根據圖1a和圖1b的裝置一樣，用於從井中向上泵送並且淨化水。
[0091]此外，供應的太陽能可以用於將產生的水蒸氣的溫度增加到超過100°C，例如到至少120°C或甚至更高，從而實現甚至更好的水消毒。
[0092]因此，本發明不應限於所描述的實施例，而是可以在所附權利要求的範圍內變化。
【權利要求】
1.一種用於淨化水的裝置(200 ；300 ；400 ;500)，包括中空結構，所述中空結構又包括: 第一空間(210 ；310 ；410 ；420 ;510)，所述第一空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置(311 ；411 ；421 ;511)，所述蒸煮裝置被布置成使用聚焦的太陽光的能量來將所述水加熱到沸點，所述聚焦的太陽光經由用於太陽光的供應裝置(10)被供應到所述第一空間中的某一加熱位置； 用於對來自所述蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器；以及 用於水蒸氣的管道裝置(243 ；343 ;442，446 ;542)，所述管道裝置被布置成將水蒸氣從所述第一空間帶到所述冷凝器中，其中換熱器(233 ；333 ；433a ；433b ;533)被布置成將來自所述蒸煮裝置中已蒸發的熱水蒸氣的熱能或來自仍然溫熱且源自該蒸氣的冷凝水的熱能，傳遞到將通過所述供應開口被引入到所述第一空間中的待淨化的水，其特徵在於，用於太陽光的所述供應裝置(10)包括太陽光聚焦裝置(11 )，所述太陽光聚焦裝置被布置成在光纖(13、14)中聚焦並且傳送太陽光，所述光纖被布置成將所述光向上傳送到所述蒸煮裝置(311 ;411，421 ;511)。
2.根據權利要求1所述的裝置(200；300 ；400 ;500)，其特徵在於，換熱器(233 ；333 ；4331 ；433b ；533)為逆流型。
3.根據權利要求1或2所述的裝置(200；300 ；400 ;500)，其特徵在於，所述冷凝器包括所述換熱器(233 ；333 ；4331 ；433b ;533)，使得來自所述蒸煮裝置(311 ；411 ；421 ;511)中已蒸發的熱水蒸氣的熱能被傳遞到待淨化的水，將促進或致使所述蒸氣被冷凝。
4.根據前述權利要求中任一項所述的裝置(200)，其特徵在於所述第一空間(210)被布置在所述水體(50)的水表面(51)上方，特徵在於泵裝置(260)被布置成將水從所述水體向上泵送到所述第一空間(210)並且特徵在於用於太陽光的所述供應裝置(10)包括太陽光聚焦裝置(11)，所述太陽光`聚焦裝置被布置成將入射的太陽光直接向所述蒸煮裝置聚焦。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置(300;400)，特徵在於所述第一空間(310 ；410)的所述供應開口被布置在所述水體(50)的所述表面(51)上方，特徵在於所述中空結構經設計使得待淨化的水的所述蒸煮導致在操作過程中在所述中空結構中以一個超壓為主，特徵在於一個管道網絡(345 ;443，447)被布置成將加壓的水蒸氣和/或加壓的冷凝水從所述中空結構引導到吸引器泵(370 ;470，471)，所述吸引器泵用於在除了一方面所述水蒸氣和/或所述冷凝水與另一方面所述待淨化的水之間的壓力差以外不使用任何其他外部供應能量的情況下，將待淨化的水從所述水體泵送達到所述第一空間的水位。
6.根據前述權利要求中任一項所述的裝置(400)，特徵在於除了所述第一空間(410)以外，所述裝置還包括: 第二空間(420)，所述第二空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置(421)，所述蒸煮裝置被布置成使用聚焦的太陽光的能量來將所述水加熱到沸點，所述聚焦的太陽光經由光纖(14)被供應到所述第二空間中的某一加熱位置； 所述裝置被布置成以交替的方式進行操作，使得在第一步驟中所述第一空間用於對待淨化的水進行蒸煮而第二空間用待淨化的水重新填充，並且使得在第二步驟中所述第二空間用於對待淨化的水進行蒸煮而所述第一空間用待淨化的水重新填充，並且特徵在於，所述第一步驟和所述第二步驟隨後重複進行。
7.根據權利要求6所述的裝置(400)，特徵在於，所述裝置被布置成使得在不使用一方面加壓的水蒸氣和/或加壓的冷凝水與另一方面所述待淨化的水之間的壓力差以外的任何其他外部供應的能量的情況下，使用吸引器泵(470，471)泵送待淨化的水來實現所述排空和重新填充操作。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的裝置(500)，其特徵在於所述裝置進一步包括泵裝置(100)，所述泵裝置包括中空結構，所述結構與一個豎直操作位置相關聯並且又包括: 第三空間，所述第三空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置，所述蒸煮裝置被布置成使用通過光纖被供應到所述第一空間中的某一加熱位置的光，來將所述水加熱到沸點； 用於對來自所述蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器； 連接到所述冷凝器的用於盛裝冷凝水的容器，所述容器包括在所述裝置的操作過程中布置在所述容器中液位下方的出口 ；以及 用於水蒸氣的管道裝置，所述管道裝置將所述第三空間的上部分連接到所述冷凝器，使得所述第三空間與用於盛裝冷凝水的所述容器自由地連通； 所述第三空間被布置成當所述結構處於其操作位置中並且至少部分地浸入所述水體中時與所述水體(50)自由地連通，除了所述供應開口和冷凝水的所述出口以外，所述結構被布置成在操作過程中關閉，所述容器的所述出口在操作過程中在所述操作位置中被布置在所述加熱位置上方，將待淨化的水泵送到所述第一空間(510)是通過使用吸引器泵裝置(570)來實現的，所述容器中加壓的冷凝水被布置成流動通過所述吸引器泵裝置並且所述吸引器泵裝置將所述加壓的冷凝水與所述待淨化的水之間的壓力差用作能量源將待淨化的水向上泵送到所述第一 空間中。
9.根據權利要求8所述的裝置(500)，其特徵在於所述裝置進一步包括一個日光閥，所述日光閥被布置成當所述太陽光的強度下降到預定值以下時，打開所述第一空間(510)中的底閥(513)，使得所述第一空間排空殘餘水。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所供應的太陽能用於將所產生的水蒸氣的溫度提升到至少120°c。
11.一種用於淨化水的方法，所述方法包括以下步驟: a)布置一個中空結構，所述中空結構包括第一空間(210；310 ；410 ；420 ;510)以及在所述第一空間與所述容器之間延伸的管道裝置(243 ；343 ;442，446 ；542)； b)向所述第一空間供應待淨化的水並且在其中使用來自聚焦的太陽光的能量來蒸煮該水，所述太陽光經由用於太陽光的供應裝置(10)被供應到所述第一空間中的某一加熱位置；以及 c)經由所述管道裝置，將所蒸發的水蒸氣帶到冷凝器中，在所述冷凝器中，水蒸氣被冷凝; 其中使換熱器(233 ；333 ；433a ；433b ;533)用於將來自所述蒸煮裝置中已經蒸發的熱水蒸氣的熱能或來自仍然溫熱且源自該蒸氣的冷凝水的熱能，傳遞到將通過所述供應開口被引入到所述第一空間中的待淨化的水，其特徵在於使太陽光聚焦裝置(10)用於在光纖(13,14)中聚焦並且傳送太陽光，所述光纖用於將所述光傳送到所述蒸煮裝置(311 ;411，421;511)。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述換熱器(233；333 ；433a ；433b ；533)為逆流型。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，使所述冷凝器包括所述換熱器(233 ；333 ；433a ；433b ;533)，使得來自所述蒸煮裝置(311 ；411 ；421 ;511)中已蒸發的熱水蒸氣的熱能被傳遞到待淨化的水，將促進或致使所述蒸氣被冷凝。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的方法，其特徵在於使所述第一空間(210)布置在所述水體(50 )的水表面(51)上方，特徵在於使泵(260 )用於將水從所述水體向上泵送到所述第一空間(210)並且特徵在於使太陽光聚焦裝置(10)用於將入射的太陽光直接向所述蒸煮裝置聚焦。
15.根據權利要求11至14中任一項所述的方法，其特徵在於使所述第一空間(310；410)的所述供應開口布置在所述水體(50)的所述表面(51)上方，使所述中空結構經設計使得待淨化的水的所述蒸煮導致在操作過程中在所述中空結構中以一個超壓為主，使一個管道網絡(345 ;443，447)用於將加壓的水蒸氣和/或加壓的冷凝水從所述中空結構引導到吸引器泵裝置(370 ;470，471)，所述吸引器泵裝置用於在不使用一方面所述水蒸氣和/或所述冷凝水與另一方面所述待淨化的水之間的壓力差以外的任何其他外部供應的能量的情況下，將待淨化的水從所述水體泵送達到所述第一空間的水位。
16.根據權利要求11至15中任一項所述的方法，其特徵在於除了所述第一空間(410)以外，還使所述裝置(400)包括: 第二空間(420)，所述 第二空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置(421)，所述蒸煮裝置被布置成使用聚焦的太陽光的能量來將所述水加熱到沸點，所述聚焦的太陽光經由光纖(14)被供應到所述第二空間中的某一加熱位置； 所述裝置被布置成以交替的方式進行操作，使得在第一步驟中所述第一空間用於對待淨化的水進行蒸煮而第二空間用待淨化的水重新填充，並且使得在第二步驟中所述第二空間用於對待淨化的水進行蒸煮而所述第一空間用待淨化的水重新填充，並且，所述第一步驟和所述第二步驟隨後重複進行。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，使所述裝置(400)在不使用一方面加壓的水蒸氣和/或加壓的冷凝水與另一方面所述待淨化的水之間的壓力差以外的任何其他外部供應的能量的情況下，使用吸引器泵(470，471)泵送待淨化的水來實現所述排空和重新填充操作。
18.根據權利要求11至15中任一項所述的方法，其特徵在於使所述裝置(500)進一步包括泵裝置(100)，所述泵裝置包括中空結構，所述結構與一個豎直操作位置相關聯並且又使其包括: 第三空間，所述第三空間包括用於待淨化的水的供應開口和用於該水的蒸煮裝置，所述蒸煮裝置被布置成使用通過光纖被供應到所述第一空間中的某一加熱位置的光，來將所述水加熱到沸點； 用於對來自所述蒸煮裝置的水蒸氣進行冷凝的冷凝器； 連接到所述冷凝器的用於盛裝冷凝水的容器，所述容器包括在所述裝置的操作過程中布置在所述容器中液位下方的出口；以及 用於水蒸氣的管道裝置，使所述管道裝置將所述第三空間的上部分連接到所述冷凝器，使得所述第三空間與用於盛裝冷凝水的所述容器自由地連通； 所述第三空間被布置成當所述結構處於其操作位置中並且至少部分地浸入所述水體(50)中時與所述水體自由地連通，除了所述供應開口和冷凝水的所述出口以外，所述結構被布置成在操作過程中關閉，所述容器的所述出口在操作過程中在所述操作位置中被布置在所述加熱位置上方，將待淨化的水泵送到所述第一空間(510)是通過使用吸引器泵裝置(570)來實現的，所述容器中加壓的冷凝水被布置成流動通過所述吸引器泵裝置並且所述吸引器泵裝置將所述加壓的冷凝水與所述待淨化的水之間的壓力差用作能量源將待淨化的水向上泵送到所述第一空間中。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於進一步使一個日光閥在所述太陽光的強度下降到預定值以下時，打開所述第一空間(510)中的底閥(513)，使得所述第一空間排空殘餘水。
20.根據權利要求11至19中任一項所述的方法，其特徵在於所述水體(50)被布置在井中，特徵在於所述水的淨化產生了可飲用的自來水，並且特徵在於所需運送位置(20)被布置在地面上方。
21.根據權利要求11至19中任一項所述的方法，其特徵在於所述水體(50)由海水構成並且特徵在於所述水的淨化包括脫鹽。
22.根據權利要求11至 21中任一項所述的方法，其特徵在於，所供應的太陽能用於將所產生的水蒸氣的溫度增加到至少120°C。
【文檔編號】C02F1/14GK103459323SQ201180067694
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年12月28日 優先權日:2010年12月29日
【發明者】羅利夫·永恩格林 申請人:H2Do公司