太阳能驱动的界面式蒸发淡化装置设计

王伟，李宇晗，桓茜，田子谕

太阳能驱动的界面式蒸发淡化装置设计

王伟1,2，李宇晗1，桓茜2，田子谕3

（1.陕西工业职业技术学院 航空工程学院，陕西 咸阳 712000；2.西安工业大学 光电工程学院 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021；3.陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021）

针对多种突发状况下人员淡水的获取问题，设计了一种小型的界面蒸发式海水淡化与收集装置，该装置使用太阳能作为蒸发热源，具备独立的界面蒸发、冷却、储存与收集蒸馏水的能力。在结构上设计了过滤网状栅格和漏斗式沉淀仓，可实现水质的双重过滤；设计了漏斗状双层冷凝通道，利用海水的内/外循环实现了蒸发水汽的快速冷凝；设计了负压式集水装置，可自动高效地收集的蒸馏水，并提供密封环境实现淡化水的长期储存。相比传统淡化技术，整体结构紧凑、体积小、操作简单、成本投入少、无需耗费外部能源，在沿海小岛、作业渔船、海上求生或抢险等场景具有广泛的应用价值。

界面式蒸发；海水淡化；负压式集水；太阳能

虽然地球上水资源十分充足，然而淡水资源仅占水资源总量的2.5%。近年来，随着人类社会经济发展，能源危机和环境污染问题日益凸显，淡水资源短缺逐渐给人类生存和发展带来不可估量的挑战[1]。从海水中开发清洁水是解决当前淡水资源短缺的一个重要途径[2]，目前海水淡化技术遍及上百个国家和地区，有3亿多人因此获益。

传统海水淡化技术，诸如反渗透、热蒸馏、多级闪蒸等[3-5]，都要消耗大量的化石燃料和电力，这些技术大多工艺复杂、能耗巨大、设备运行成本昂贵，更多是工业级的淡化技术，受到动力、场地、体积及各种环境条件的限制。与之相反，太阳能是一种丰富可再生清洁能源，太阳能驱动的界面式蒸发淡化技术作为一项新兴技术[6-7]，具有蒸发效率高、操作方法简单、成本低、绿色环保的优点。太阳能驱动的界面式水蒸发主要由太阳辐射、海水及光热蒸发材料三部分组成[8]，通过蒸发材料捕获太阳光并转化为热能，局域加热蒸发界面处的海水，使其受热由液相转化为水蒸汽[9]，依靠一个界面蒸发收集装置可以实现海水到淡水的转化收集。目前关于界面蒸发式淡化装置，多数存在水蒸汽冷凝效果不明显、难以快速汇集在储水区域、淡水收集效率低的问题[10-11]。

为此，设计了一种小型高效的海水蒸发冷凝与收集装置，具备自动高效冷却、高效储水及收集的能力，在太阳辐射下自主高效地蒸发海水，实现海水到蒸馏水的转换，具有非常广的实用性。

1 界面蒸发式淡化装置设计方案

该新型的海水蒸发淡化装置的设计方案，如图1所示，其具备独立的界面蒸发、冷却、储存与收集蒸馏水的能力，通过救生圈可以漂浮在海面上，在太阳辐射下即可高效自主地工作，无需消耗外部能源。设计方案包含两个独立的子系统，即蒸发储水装置和负压集水装置，两者之间通过软管连接互通，是一种可以在无源条件下自动进行高效过滤－沉淀－蒸发－冷凝－集水的动态循环的联合系统，配合标准尺寸救生圈便可直接投放在水域中使用。

图1 太阳能驱动界面蒸发式海水淡化装置

蒸发储水装置的结构特征如图2所示，通过外部的过滤网状栅格可以过滤掉大多数的海水污染物，利用连通器原理使蒸发界面与海水水平面保持平齐，利用自身独特的结构可实现海水的过滤，并高效率地冷凝所蒸发的水蒸汽，使其能够快速汇集到储水区域。

图2 蒸发储水装置结构示意图

负压集水装置的结构如图3所示，在底部铅块重力作用下，内部容器呈负压状态，当储水仓达到一定水量后，可以自动吸取储存的蒸发冷凝水，且在活塞作用下实现长期密封储存。

图3 负压集水装置结构示意图

2 界面式蒸发淡化装置的功能设计

2.1 双重过滤及连通器功能设计

界面式海水淡化装置利用浮圈漂浮在海水中。海水水质较复杂，含有较多杂质，所以对蒸发界面处的水质必须进行一定程度的过滤。

如图4所示，蒸发淡化装置外部设计了过滤网状栅格，对水质进行第一重过滤，并用多个小孔与连通器连接，利用连通器原理，将过滤水汇入漏斗式沉淀仓中，漏斗状结构使过滤水不断沉淀，进行第二重过滤，只将过滤水的表层清水送入蒸发仓中的蒸发皿，实现了海水的双重过滤。

2.2 高效冷凝功能设计

界面式蒸发淡化装置，存在水蒸汽冷凝效果不明显、难以快速汇集在储水区域、蒸馏水收集效率低的问题，对蒸馏水的冷凝收集成为了关键问题。

图4 双重过滤系统功能示意图

如图5所示，利用过滤器和沉淀仓之间的空间作为冷凝通道，呈漏斗状结构。蒸发的水蒸汽在蒸发罩的引导下进入冷凝通道，通道内、外壁分布与外部水源接触，形成双层冷凝结构，利用过滤器外部水循环和沉淀仓水循环提供流动冷凝条件，快速、高效地冷凝蒸发水汽，极大地提升了界面式蒸发淡化装置对蒸馏水的冷凝与收集效率。

图5 漏斗状双循环冷凝系统

2.3 定量储水与自动排水功能设计

灵活便携地收集并提取蒸馏水，能有效提高界面式蒸发装置的产水率。在冷凝储水仓，设计了自动定量排水装置，到达一定水量后，排水装置自动排水。

定量储水结构由定量浮筒排水装置和储水仓组成，如图6所示。其中定量排水装置位于独立储水仓底侧，其底部橡胶塞圆心需与储水仓底部小孔同心装配。当上方冷凝的蒸馏水通过进水通道不断汇集入下方储水仓，水位达到一定程度后，排水装置会通过下方的储水仓排水口一次性排空仓内累积储存的蒸馏水，输送至末端的负压抽吸装置。

图6 自动定量储水及排水功能示意图

2.4 负压集水功能设计

该结构是蒸发收集装置的末端收集终端，通过软管与蒸发装置主体连接，使用时利用浮圈将其漂浮在水面上，活塞末端连接半球形铅块，本体浮于水面，底部重物在重力作用下不断向下，容器内部在末端重物的拉伸下不断减小，呈现负压状态，待储水装置排水口开关打开后，储水装置内的水会在负压的作用下被抽入容器中，抽满后以密封状态进行保存。如图7所示，铅块与活塞连接装置间为可拆卸设计，在保存时取下底部铅块。得益于活塞良好的密封性，本装置可用于长期密封保存。

图7 负压集水装置

3 负压蒸发集水设备的结构原理

如图8所示，采用3D打印技术制作了负压蒸发集水的实体模型，采用标准尺寸的救生圈使蒸发储水和集水装置漂浮在海面上。作为一款小型的海水淡化装置，其整体结构体积小、使用便携、无需消耗外部能源，可方便应用于沿海岛屿、小型渔船、远洋船舰、海水救生及抢险等场景。

图8 太阳能驱动的界面式海水淡化装置

所设计界面蒸发式海水淡化装置的工作原理如图9所示，详细工作过程如下所述：

（1）将蒸发装置与负压收集装置通过软管连通，漂浮于海水中，水质初步过滤后进入蒸发仓中；

（2）光热蒸发材料漂浮在蒸发皿中，且蒸发水面低于材料高度，通过材料内部的孔道将海水输送到材料表面；

（3）太阳光透过蒸发罩照射到蒸发材料上，材料吸收热能并传输到内部孔道中，海水获得能量后利用一个高效的光热转换过程，将海水由液相蒸发转变为水蒸汽；

（4）水蒸汽受上方蒸发罩引导，逐渐流入冷凝通道中高效冷却为蒸馏水，蒸馏水沿冷凝通道汇集流入储水仓中；

（5）达到一定水量后，储水仓内的蒸馏水被负压收集装置通过软管吸入密闭容器中进行长期储存，更换负压收集装置进行下一次集水。

图9 海水淡化装置工作原理图

4 结论

依托界面式蒸发技术，设计了“双过滤－双冷凝”负压式蒸发冷凝与集水装置，实现了较高的蒸发冷凝效率，提升了蒸发装置的产水率。该装置具有四个功能结构，可以实现水质的双重过滤、蒸发水汽的高效自冷却、蒸馏水的自动排水与负压集水。整体系统无控制电路，相较传统淡化技术，具备节能环保、成本低廉、可靠性高等优点。

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Design of Solar-Driven Interfacial Seawater Desalination Device

WANG Wei1,2，Li Yuhan1，HUAN Xi2，TIAN Ziyu3

( 1.Department of Aeronautical Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China; 2.Shannxi Province Key Laboratory of Thin Films Technology and Optical Test, School of Optoelectronic Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China; 3.College of Mechanical & Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China )

A small interfacial evaporative desalination and collection device is designed to solve the problem of obtaining fresh water for personnel under a variety of unexpected conditions. The device uses solar energy as the evaporative heat source and has the function of independent interface evaporation, colling, storage and the collection of distilled water. The structure is designed with a filter mesh grid and a funnel-type sedimentation chamber to realize the double filtration of water quality. And a funnel-shaped double-layer condensation channel is designed to realize the efficient and rapid condensation of evaporated water vapor through the internal and external circulation of seawater. Besides, a negative pressure water collection device is designed to realize the automatic and efficient collection of stored distilled water and provide a sealed environment to realize the long-term storage of desalinated water. Compared with traditional desalination technology, the as-designed structure has the advantages of compact and small structure, simple operation, low cost and no extra energy consumption, and has wide application in scenarios such as coastal islands, operating fishing boats, offshore survival or rescue.

interfacial evaporation；seawater desalination；negative pressure water collection；solar energy

P747；TK511；TH112

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.003

1006-0316 (2022) 03-0014-05

2021-09-14

中国博士后科学基金（2021M692506）；陕西工业职业技术学院科研基金（2021YKZX-002）

王伟（1990－），男，陕西咸阳人，博士，讲师，主要研究方向为光热转换技术，E-mail：wangwei05@sxpi.edu.cn。