一種利用太陽能熱水器製取純水的方法

2023-04-26 13:18:06 1

專利名稱：一種利用太陽能熱水器製取純水的方法
技術領域：
本發明屬於水處理、熱能利用與環保技術領域，特別涉及一種利用太陽能 熱水器製取純水的方法。
二、 背景、技術
飲用純淨水(以下簡稱純淨水)係指以符合飲用水衛生標準的水為原料，通 過離子交換法、反滲透法、蒸餾法及其他適當的加工方法，去除水中的礦物質、 有機和無機成分、微生物等製得的供消費者直接飲用的產品。
水源汙染使我國眾多城市供水水質受到不同程度的影響。隨著居民生活水 平的提高，人們對飲用水的水質日益關注，飲用純淨水已成為一種最為安全和 普遍的選擇。目前多數用戶家庭使用的小型純淨水飲水機均系採用過濾、吸附 和低壓反滲透技術來製取純淨水的。其主要存在的問題是自來水資源的浪費 極大。因為一般家用純水機上的反滲透膜水收率均小於20%,也就是說使用
家用純水機製取200公斤純水至少需要排掉800公斤自來水。在我國淡水資源
越來越匱乏，國家大力提倡節能減排的今天，這種家用純水機無疑將被取代。 開發一種適合飲用、低成本、運行安全、節水低耗的家用純水機，已成為家用 純水機市場當務之急。
縱觀純水生產技術我們發現適合家用的技術不多，而最常用的是反滲透 和低溫膜蒸餾技術。反滲透技術已應用多年，相當成熟。但其水收率較低，理
論上能達到75%，實際上家用純水機只能達到15%左右。低溫膜蒸餾技術也很
成熟，由於其能耗較高，長期以來沒有得到很好的應用。但其水收率較高，論上可以達到100%，實際也能達到95%以上。因此我們認為只要解決好低 溫膜蒸餾的能耗問題，該技術將會在家用純水機上有著很好的應用前景D經過 反覆論證我們認為在太陽能熱水技術日臻完善的今天，開發出將太陽能熱水 器與膜蒸餾器集成的可同時得到熱水與純水的，既解決低溫膜蒸餾的能耗問題
又解決反滲透制純水水收率低的裝置是完全可行的。
太陽能資源取之不盡，太陽能耦合其它技術制純水已展現低成本優勢。結 合太陽能制純水的研發目前主要體現在太陽能海水淡化系統的研究與應用上。 太陽能制純水方法可分為直接法和間接法兩大類。直接法是將集能部分和脫鹽 部分集於一體的方法。而間接法是將集能部分和脫鹽部分分開的方法。 一般來 說，直接法佔地面積較大，且效率低，在早期的海水淡化中應用較多，如盤型 蒸餾器、傾斜蒸餾器等。目前開發的太陽能純水製備技術主要以間接法為主。 如將太陽能轉發為電能，再與脫鹽技術(如反滲透)結合。利用太陽能發電進 行純水製備，雖在技術上沒有太大障礙，但在經濟上仍不能跟傳統太陽能蒸餾 技術相比擬，且太陽能蓄電池和反滲透膜的使用壽命直接影響投資成本和運行 成本。關於太陽能純水製備技術的應用和研究進展，可以參考相關文獻(l.太
陽能海水淡化技術，《海洋技術》第21巻第4期pp27 32; 2.我國太陽能海水 淡化技術開發的現狀與未來，《遼寧科技參考》2004年第3期卯24 28)。
本發明提出一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其中採用了膜蒸餾的 除鹽技術。
膜蒸餾，又稱為低溫膜蒸餾，是一種採用疏水微孔膜、以膜兩側的蒸汽壓 力差為驅動力的膜分離過程。當不同溫度的水溶液被疏水膜分隔的時候，由於 膜的疏水性，兩側的水溶液均不能通過膜進入另一側。但由於高溫側水溶液與 膜界面的水蒸汽壓高於低溫側，水蒸汽會從高溫側透過膜孔進入低溫側並冷凝成為滲出水，這種通過蒸餾的原理獲得的滲出水是一種品質很好的純水；濃水 則留在高溫側成為滲餘水。膜蒸餾過程無須將溶液加熱到沸點，只要膜兩側維 持適當的溫差，該過程就能夠進行，因此又被稱為低溫膜蒸餾。膜蒸餾最初是 為大規模海水脫鹽而提出，早在上世紀60年代就開始了較系統的研究。與同為 膜法的反滲透工藝相比，膜蒸餾的優點非常顯著(1)膜蒸餾的過程幾乎在常 壓下進行，設備簡單，操作方便；(2)在非揮發性水溶液的膜蒸餾過程中，由 於僅有水蒸氣能透過膜孔，因此蒸餾液十分純淨；(3)可以處理極高濃度的含 鹽水，甚至可以將溶液濃縮到過飽和狀態而成為所謂的膜蒸餾結晶技術，因此 膜蒸餾的產水率可以遠高於反滲透。但膜蒸餾的缺點也同樣顯著由於膜蒸餾 是一個相變的過程，汽化潛熱降低了熱能利用效率，使膜蒸餾成為一種高耗能 的過程。這是限制膜蒸餾工藝應用的主要因素。關於膜蒸餾技術的應用和研究 進展，可以參考相關文獻(l.膜蒸餾技術的回顧與展望，《天津城市建設學院學 報》第9巻第2期pplOO 110; 2.膜蒸餾技術及其應用研究進展，《膜科學與
技術》第23巻第4期pp67 92)。
太陽能制純水的研究者們普遍認為太陽能純水製備的根本出路應是與先
進的蒸餾技術緊密結合起來，輔以先進的製造工藝和強化傳熱傳質新技術，使 之與太陽能的具體特點結合起來，實現優勢互補。
因此，本發明提出的太陽能-膜蒸餾耦合系統實現熱水與純水的同時或分時
供給，以克服現有工藝方法所存在的種種不足。其優點體現在 一、熱充分利 用。通過發明中的膜蒸餾技術，將太陽能熱水供給與飲用純水供給結合，充分 利用了太陽能能源；二、處理成本降低。膜蒸餾以太陽能為熱源，從熱水儲箱 中的熱水中提取不足l/5的純水，節約能源、節約取水和減少排汙，特別是大幅 降低除鹽水生產成本。；三、明顯提高生活質量。太陽能-膜蒸餾耦合熱水、純水同時供給技術，免除了純淨水的運輸環節，實現了純水供水時間可控、水量 可調功能，且純水質量穩定。顯著改善了生活質量，具有明顯的社會和經濟效應。
總之，含太陽能-膜蒸餾熱水、純水同步供給方法及其裝置的發明是對現有 飲用純水行業和太陽能熱水器行業的巨大推進。

發明內容
本發明的目的是設計一種太陽能熱水器與膜蒸餾器集成的熱水及純水供給 裝置，該裝置以自來水為處理對象，結合太陽能熱水器技術和疏水膜膜蒸餾技 術，充分利用太陽能實現熱水與飲用純水的同時或分時供給，充分利用太陽熱 能，大幅降低飲用水處理成本，節約水資源，可顯著改善生活質量。
說明如下
本發明設計的一種太陽能熱水器與膜蒸餾器集成的熱水及純水供給裝置， 其特徵在於包括太陽能集熱器、熱水儲箱、純水儲箱、膜蒸餾器、純水驅動 泵、空氣冷卻器、運行控制系統、輔助電加熱系統、家用超濾膜組件以及各部 件連接的管路。分別構成集成裝置的太陽能冷熱水迴路及飲用純水供給管路。
所說的膜組件採用平板或中空纖維疏水膜組件形式。其中的中空纖維膜膜 蒸餾器的製作方式可可採用U型、簾式中空纖維膜組件形式。
所說的疏水膜由聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、 聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等疏水材料及其改性材料製成。
所說的膜組件內置於熱水儲箱，可採用熱水儲箱內漂浮式和熱水儲箱內承 插式。內置式膜蒸餾器可以多個膜蒸餾串聯或並聯方式，根據需求以增加純水所說的純水水箱採用室外集成式和置於室內分散式。並可根據純水日需求
量，對位於純水水箱一側的純水進室管安裝位置調節。
在所說的純水循環管路上裝有循環泵，釆用耐腐蝕輸送泵。 在所說的純水循環譽路上裝有空氣冷卻器，用於冷卻回流至純水箱的純水。 所說的純水循環泵採用定溫啟動和定時啟動兩種控制運行方式。 在所說的自來水迸熱水儲箱的管路上安裝有家用超濾膜組件以去除自來水
中大分子有機物。
所說的太陽能集熱器是平板型、盤管式或真空管式等形式的集熱器。 在所說的純水管路上裝有電導率監測表，顯示控制盤安裝在室內以顯示水 質優劣。
所說的太陽能集熱器根據熱水與純水需求量增加集熱面積。 本發明的純水產水率主要取決於用戶純水需求量、膜面積、太陽能集熱器的性
能。純水電導率一般小於5 ^S/cm。
結合附圖對本發明提出的方法進行進一 步說明。


圖1是本發明實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖，詳細說明本發明的結構及工作過程。
本實施例由熱水儲箱l、太陽能集熱器2、純水儲箱4、熱水循環泵3、純 水循環泵5、疏水膜組件6、輔助電加熱器7、空氣冷卻器8，純水排空檢修閥 9，家用超濾膜組件10以及各部件相互連接的管路組成。
其中，熱水儲箱1、太陽能集熱器2及其相互連接的管路構成了現有的太 陽能加熱迴路(圖中以虛線表示)。純水循環泵5、純水儲箱4、膜組件6、空氣冷卻器8、純水排空檢修閥9、家用超濾膜組件及相互連接的管路構成純水循 環迴路(圖中以實線表示)。用戶冷、熱水進熱水儲箱、純水進戶管線以點劃線
表不o
本實施例的工作過程為
在白天，用戶自來水(冷水)經過家用超濾膜組件10迸入熱水儲箱1，在 虛線水循環迴路上，冷水在集熱器2表面受熱膨脹，密度變小，由於冷水比熱
水密度大，熱水上升進入熱水儲箱l，同時冷水下沉進入集熱器2，，形成自然 對流循環，使熱水儲箱1中的水逐漸變熱，達到設定的水溫為止。純水儲箱4 中的純水由純水循環泵5泵入安裝在熱水儲箱1中的膜組件6，低溫純水與熱 水儲箱中的高溫水在膜的內外側存在溫度差，熱水以該溫度差產生的蒸汽壓差 為驅動力完成水蒸氣的傳輸過程，跨膜的水蒸氣冷凝後與純水混合。由於膜材 料自身的熱傳導效應及蒸汽跨膜存在蒸發潛熱的傳輸，純水溫度將逐漸升高。 升溫後的純水在空氣冷卻器8中完成降溫過程後回流至純水儲箱4。產生的純 水將由儲箱4中部的純水輸出管路進入室內供飲用。正常工況下，可由運行控 制器在水溫達到設定溫度時開啟純水循環泵5，並由液位控制開關在液位達到 預設預設值後關閉純水循環泵5。在晚上或陰雨天，集熱器2作用將降低或消 失，可由輔助加熱器7對冷水進行加熱，或者開啟熱水循環管線上的循環泵3 進行強制對流。在需快速供熱水與純水的前提下，亦可開啟輔助加熱器7或循 環泵3進行強制對流。
在本實施例中，該裝置的純水產量為12L，純水電導率為3l^S/cm，使用了 如下材料
膜聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜，膜絲內徑lmm，外徑1. 3mm，壁厚0. lSmm， 微孔孔徑O. 18to，空隙率80%，膜絲有效長度為500腿膜組件U型膜組件，l個，膜面積O. 314m2，並聯連接，熱水儲箱內承插
式
疏水膜膜產水率10.2 L/ m2h
超濾膜組件切割分子量1-10萬，PVC材質
閥門UPVC球閥，DN15
純水循環泵MR15 PE塑料磁力驅動泵
熱水循環泵SZ100,耐熱紫銅家用增壓泵
熱水儲箱溫度69° C 純水溫度32 。C
純水循環泵運行時間約1. 2小時 太陽能集熱器真空管式集熱器，2 m2 純水電導顯示儀0-20 PS/cm， CM230
純水箱出口管上方容積15L
管路材質鋁塑複合管DN15 浮球液位開關MFP IIA。
權利要求
1、一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於包括太陽能集熱器、熱水儲箱、純水儲箱、膜蒸餾器、純水循環泵、熱水循環泵、空氣冷卻器、運行控制系統、輔助電加熱系統、家用超濾膜組件以及各部件連接的管路。分別構成集成裝置的太陽能冷熱水迴路及飲用純水供給管路，可同時或分時實現熱水的供給和純水的供給。
2、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於膜組件釆用以PE、 PTFE、 PVDF、 PP、 PVC及其複合材料 為膜材質的平板或中空纖維疏水膜組件形式，其中中空纖維疏水膜組 件採用U型、簾式中空纖維膜組件形式。。
3、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於膜組件內置於熱水儲箱膜組件，採用熱水儲箱內漂浮式和熱水儲箱內承插式。
4、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於膜蒸餾器可以採用多個膜蒸餾，根據需求以增加純水產
5、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於純水水箱採用室外集成式或置於室內分散式，且位於純 水水箱一側的純水進室管安裝位置可調，純水箱內液位控制器高度可 調。
6、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，其特徵在於冷水循環泵採用耐腐蝕輸送泵，且採用定溫啟動和定時啟動兩種控制運行方式。
7、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法， 其特徵在於自來水入熱水儲箱管路上安裝有家用超濾膜組件以去除 自來水中大分子有機物。
8、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法， 其特徵在於太陽能集熱器是平板型、盤管式或真空管式等形式的集 熱器。
9、 如權利要求l所說的一種利用太陽能熱水器製取純水的方法， 其特徵在於純水管路上裝有空氣冷卻器及電導率監測表，室內顯示 水質優劣。
全文摘要
本發明提出了一種利用太陽能熱水器製取純水的方法，屬於水處理、熱能利用與環保技術領域。包括太陽能集熱器、熱水儲箱、純水儲箱、膜蒸餾器、純水驅動泵、空氣冷卻器、運行控制系統、輔助電加熱系統、家用超濾膜組件以及各部件連接的管路。分別構成集成裝置的太陽能冷熱水迴路及飲用純水供給管路。本發明可以提高太陽能資源及水資源的利用率，大幅降低飲用純水的生產成本，可同時或分時實現熱水的供給和純水的供給。
文檔編號C02F1/04GK101492184SQ200810000548
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月21日 優先權日2008年1月21日
發明者軍 王, 王小軍 申請人:王小軍;王 軍