1.本发明属于净水设备领域，具体涉及一种多级板式太阳能膜蒸馏系统。
背景技术：2.当今世界，仍有几亿人由于没有最基本的水处理设施，而在直饮未经任何处理的地表水或地下水。除此之外，被自然灾害袭击的地区经常断水断电，灾民用水得不到保障。因此，十分需要不依靠电力驱动且简单经济的分散式净水设备。由于许多缺水区域都有充足的阳光，利用太阳辐射将原水蒸发再冷凝收集蒸馏水的技术便很有前景。
3.例如：期刊acs est engg.2021，1，4，770-779以及美国专利申请us20210017048a1就公开了一种单级板式太阳能膜蒸馏系统，该系统包括一个原水室、一个蒸馏室和一个冷凝室，都由聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃(亚克力)制成。在原水室和蒸馏室之间设置了一张憎水的孔径为0.45微米的聚偏二氟乙烯(pvdf)膜。膜的滤出面用黑色染料涂上了一层碳黑纳米颗粒。原水通过重力从较高处注满原水室，进而可进入膜孔的进水端，但由于pvdf膜的憎水性，原水不会穿透pvdf膜。阳光被黑色的滤出面吸收后，产生热量，并通过热传导将热量从滤出面传递到进水面的原水表面，进行界面加热和蒸发。水蒸汽穿过膜孔进入蒸馏室，并在冷凝室凝结成蒸馏水。
4.在自然光下，上述系统在平均日间辐照度652w/m2的条件下，每平方米膜产水通量最高可达8.56kg/(m2·
day)，产水能量效率η
sys
为67.5％。并且，在系统运行的初始阶段，该效率并不随原水种类的变化(如去离子水，海水，水渠水以及生活污水)而发生显著改变。
5.上述系统在1800w/m2的人造光源下运转的最初8个小时里，可以去除市政污水里的所有异养细菌，99.9％的浊度和99.6％的化学需氧量；处理海水时可以使其电导率降低99.9％。在以海水、水渠水和市政污水为原水时，上述系统的平均运转时间分别为32天、18天和10天，随后会因pvdf膜被原水穿透而停止运转。继续运转需要对pvdf膜进行清洗或更换。产出的蒸馏水经第三方水质检测公司测定，符合美国饮用水标准。
6.上述系统存在的问题是：水蒸汽进入冷凝室后，冷凝成蒸馏水过程中释放的热量没有得到充分的利用，导致热能浪费。
技术实现要素：7.本发明提供了一种多级板式太阳能膜蒸馏系统，旨在解决现有的单级板式太阳能膜蒸馏系统没有利用水蒸汽冷凝释放的热量的问题。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多级板式太阳能膜蒸馏系统，包括单级板式太阳能膜蒸馏装置，单级板式太阳能膜蒸馏装置包括原水室、蒸馏室和冷凝室；单级板式太阳能膜蒸馏装置的数量至少为两个，并依次分级设置；任意两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置中，前一级装置的冷凝室通过导热件与后一级装置的原水室连接。
9.进一步的是，蒸馏室设置在原水室的上部，且原水室的内腔与蒸馏室的内腔被蒸馏膜分隔开；冷凝室设置在蒸馏室的下端，并与蒸馏室连通。
10.进一步的是，原水室的上端设有原水进水口，原水室的下端设有污水进出水口，冷凝室的下端设有蒸馏水出水口。
11.进一步的是，单级板式太阳能膜蒸馏装置还包括原水箱和蒸馏水收集箱，原水箱的出水口与原水进水口连接，蒸馏水出水口与蒸馏水收集箱的进水口连接。
12.进一步的是，单级板式太阳能膜蒸馏装置还包括污水箱，污水箱的出水口高于污水进出水口并与之连接。
13.进一步的是，原水室的底部靠近污水进出水口的位置处设置有沉淀收集器，沉淀收集器的沉淀出口上设置有沉淀排放阀。
14.进一步的是，沉淀收集器为漏斗形结构。
15.进一步的是，导热件为将原水室的内腔与冷凝室的内腔分隔开的板状零件，其上表面为原水室的内腔底面，其下表面为冷凝室的内腔顶面。
16.进一步的是，导热件由铜片、铝片、不锈钢片等导热性能好的板材制成。
17.进一步的是，单级板式太阳能膜蒸馏装置的数量为三个，且三个单级板式太阳能膜蒸馏装置依次叠设在一起。
18.本发明的有益效果是：该多级板式太阳能膜蒸馏系统包括至少两个单级板式太阳能膜蒸馏装置，且任意两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置中，前一级装置的冷凝室通过导热件与后一级装置的原水室连接；如此，前一级装置的冷凝室中的水蒸气冷凝释放的热量可以通过导热件传递给后一级装置的原水室中的原水，利于原水的蒸发，并利于水蒸气的冷凝，不仅能够回收水蒸汽冷凝释放的热量，而且能够使得多级系统比单级系统有更高的能量效率和单位面积产水量。
附图说明
19.图1是本发明的三维结构示意图；
20.图2是本发明的半剖三维结构示意图；
21.图3是本发明的侧视结构示意图；
22.图4是本发明的俯视结构示意图；
23.图5是三级系统与单级系统在自然光下对比实验的现场照片；
24.图6是三级系统与单级系统在不同平均日间辐照度下的单位膜面积产水量的对比图；
25.图7是三级系统与单级系统在不同平均日间辐照度下的单位占地面积产水量的对比图；
26.图中标记为：原水室100、原水进水口110、污水进出水口120、沉淀收集器130、沉淀排放阀131、蒸馏室200、冷凝室300、蒸馏水出水口310、蒸馏膜400、导热件500、支架600。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的
限制。
29.结合图1和图2所示，多级板式太阳能膜蒸馏系统，包括单级板式太阳能膜蒸馏装置，单级板式太阳能膜蒸馏装置包括原水室100、蒸馏室200和冷凝室300；单级板式太阳能膜蒸馏装置的数量至少为两个，并依次分级设置；任意两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置中，前一级装置的冷凝室300通过导热件500与后一级装置的原水室100连接。
30.该多级板式太阳能膜蒸馏系统通过导热件500将任意两个相邻级别的前一级装置的冷凝室300与其后一级装置的原水室100连接，如此，前一级装置的冷凝室300中的水蒸气冷凝释放的热量可以通过导热件500传递给其后一级装置的原水室100中的原水，利于原水的蒸发，并利于水蒸气的冷凝，不仅能够回收水蒸汽冷凝释放的热量，而且能够使得多级系统比单级系统有更高的能量效率和单位面积产水量。
31.其中，原水室100为单级板式太阳能膜蒸馏装置临时存储原水的腔室；原水可以为多种，例如：自来水，井水、海水、雨水、水渠水以及生活污水等；原水室100可以为多种形状，只要能够便于原水进入以及原水蒸发后浓缩成的污水外排即可；原水室100优选为内腔呈倾斜的矩形腔结构，再如图2所示，通常在原水室100的上端设有原水进水口110，在原水室100的下端设有污水进出水口120。
32.单级板式太阳能膜蒸馏装置通常还包括原水箱，原水箱的出水口与原水进水口110连接。原水箱用于供应原水，为了不依靠能源驱动，通常将原水箱设置在原水箱的出水口高于原水进水口110的位置。
33.蒸馏室200为单级板式太阳能膜蒸馏装置蒸馏原水的腔室，蒸馏室200上设有可供太阳辐射透射的结构，该结构通常设置在蒸馏室200的顶部并由透光材料制成；优选由透明材料制成整个蒸馏室200；透明材料可以为多种，优选为有机玻璃；蒸馏室200通常设置在原水室100的上部，且原水室100的内腔与蒸馏室200的内腔被蒸馏膜400分隔开；蒸馏膜400上下两侧的连接部位处通常设有密封圈，以防止蒸馏室200漏汽或原水室100漏水；密封圈可以为多种，优选为橡胶垫圈。
34.蒸馏膜400为具有多个膜孔的薄膜，膜孔的大小一般为1nm～1μm；蒸馏膜400能够阻止原水透过，并能够保证原水受热蒸发形成的水蒸汽可透过膜孔进入蒸馏室200。蒸馏膜400与原水室100相对应的面为膜的进水面，膜的进水面可以没有任何涂层或者加上防污染的亲水涂层；蒸馏膜400与蒸馏室200相对应的面为膜的滤出面，膜的滤出面通常设有黑色涂层，例如：炭黑涂层等，以吸收太阳光产生热并将热能传递给与膜的进水面接触的原水，进而利于原水的蒸发，实现蒸馏功能。蒸馏膜400可以由多种材料制作，例如：聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(ectfe)等等，优选为聚偏二氟乙烯膜。
35.冷凝室300为单级板式太阳能膜蒸馏装置冷凝水蒸气的腔室，通常在冷凝室300裸露在外的部分上设置反光隔热层，以使得冷凝室300内的温度低于蒸馏室200内的温度，保证了水蒸气的冷凝效果；反光隔热层可以为多种，例如：白色涂层或白色材料包裹层、锡箔纸包裹层等等；冷凝室300可以为多种形状，只要能够便于水蒸气冷凝以及凝结成的蒸馏水排出即可；冷凝室300优选为内腔呈倾斜的矩形腔结构，再如图2所示，冷凝室300的下端设有蒸馏水出水口310。冷凝室300通常设置在蒸馏室200的下端，并与蒸馏室200连通。
36.单级板式太阳能膜蒸馏装置通常还包括蒸馏水收集箱，蒸馏水出水口310与蒸馏
水收集箱的进水口连接。蒸馏水收集箱用于收集存储净化得到的蒸馏水，通常将蒸馏水收集箱设置在蒸馏水收集箱的进水口低于蒸馏水出水口310的位置。
37.导热件500为该多级板式太阳能膜蒸馏系统中，将两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置连接在一起的零件；导热件500一般由热导率较高的材料制成，优选由铜制成，铜也可以由其他热导率较高的金属代替。
38.为了确保具有足够大的热交换面积，优选再如图2和图3所示，导热件500为将原水室100的内腔与冷凝室300的内腔分隔开的板状零件，其上表面为原水室100的内腔底面，其下表面为冷凝室300的内腔顶面。板状的导热件500优选由铜片制成。
39.作为本发明的一种优选方案，该多级板式太阳能膜蒸馏系统中，单级板式太阳能膜蒸馏装置还包括污水箱，污水箱的出水口高于污水进出水口120并与之连接。如此，可使得该多级板式太阳能膜蒸馏系统具有类似上向流斜板沉淀池的功能，因此还可用于沉淀并浓缩污水；上向流斜板沉淀池指的是池内设置斜板，使水流自下而上经斜板进行沉淀，沉泥沿斜板向下滑动的沉淀池。该优选方案沉淀并浓缩污水的具体过程为：将污水箱中的污水通过污水进出水口120利用重力送入原水室100中，污水自下而上流经原水室100的内腔进行沉淀，产生的沉淀物沿原水室100的内腔底面向下滑动进行沉淀，同时充满原水室100内腔的污水一部分蒸发，使得最后从原水进水口110流出的污水得到了浓缩。
40.在上述基础上，为了便于收集并排出沉淀物，如图1至图3所示，原水室100的底部靠近污水进出水口120的位置处设置有沉淀收集器130，沉淀收集器130的沉淀出口上设置有沉淀排放阀131。沉淀并浓缩污水的过程中，产生的沉淀物会顺着原水室100的内腔底面最终滑入沉淀收集器130中进行集中收集，用户可定期打开沉淀排放阀131外排沉淀物。
41.沉淀收集器130可以为多种结构，为了便于排出沉淀物，通常将沉淀收集器130设为漏斗形结构。
42.优选的，结合图1至图4所示，该多级板式太阳能膜蒸馏系统包括三个单级板式太阳能膜蒸馏装置，三个单级板式太阳能膜蒸馏装置依次叠设在一起。
43.优选的，再如图1和图3所示，该多级板式太阳能膜蒸馏系统还包括支架600，各单级板式太阳能膜蒸馏装置均设置在支架600上。支架600一般由多根竖杆、多根横梁和多根纵梁构成。
44.实施例和对比例
45.选取现有的单级板式太阳能膜蒸馏系统，以下简称单级系统；并选取本发明提供的多级板式太阳能膜蒸馏系统，该多级板式太阳能膜蒸馏系统包括三个单级板式太阳能膜蒸馏装置，以下简称三级系统。除去导热件500外，三级系统的每个单级板式太阳能膜蒸馏装置的尺寸、制作材料、制作精度等影响因子均与单级系统相同。
46.如图5所示，将三级系统与单级系统在自然光下进行净水对比实验，三级系统和单级系统实验时都朝南且与地面的倾斜角都为30度。
47.对三级系统和单级系统的单位膜面积的日产水量进行了对比；实验结果如图6所示，在平均日间辐照度422w/m2和551w/m2的条件下，三级系统单位膜面积的日产水量分别是5.01kg/(m2·
day)和6.17kg/(m2·
day)，分别比单级系统高出34％和37％。
48.对三级系统和单级系统的单位占地面积的日产水量也进行了对比；实验结果如图7所示，在平均日间辐照度422w/m2和551w/m2的条件下，三级系统单位占地面积的日产水量
分别是2.67kg/(m2·
day)和3.30kg/(m2·
day)，分别比单级系统高出94％和99％。
技术特征：1.多级板式太阳能膜蒸馏系统，包括单级板式太阳能膜蒸馏装置，单级板式太阳能膜蒸馏装置包括原水室(100)、蒸馏室(200)和冷凝室(300)；其特征在于：单级板式太阳能膜蒸馏装置的数量至少为两个，并依次分级设置；任意两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置中，前一级装置的冷凝室(300)通过导热件(500)与后一级装置的原水室(100)连接。2.如权利要求1所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：蒸馏室(200)设置在原水室(100)的上部，且原水室(100)的内腔与蒸馏室(200)的内腔被蒸馏膜(400)分隔开；冷凝室(300)设置在蒸馏室(200)的下端，并与蒸馏室(200)连通。3.如权利要求2所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：原水室(100)的上端设有原水进水口(110)，原水室(100)的下端设有污水进出水口(120)，冷凝室(300)的下端设有蒸馏水出水口(310)。4.如权利要求3所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：单级板式太阳能膜蒸馏装置还包括原水箱和蒸馏水收集箱，原水箱的出水口与原水进水口(110)连接，蒸馏水出水口(310)与蒸馏水收集箱的进水口连接。5.如权利要求3所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：单级板式太阳能膜蒸馏装置还包括污水箱，污水箱的出水口高于污水进出水口(120)并与之连接。6.如权利要求5所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：原水室(100)的底部靠近污水进出水口(120)的位置处设置有沉淀收集器(130)，沉淀收集器(130)的沉淀出口上设置有沉淀排放阀(131)。7.如权利要求6所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：沉淀收集器(130)为漏斗形结构。8.如权利要求1至7中任意一项所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：导热件(500)为将原水室(100)的内腔与冷凝室(300)的内腔分隔开的板状零件，其上表面为原水室(100)的内腔底面，其下表面为冷凝室(300)的内腔顶面。9.如权利要求8所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：导热件(500)由铜片、铝片、不锈钢片等导热性能好的板材制成。10.如权利要求8所述的多级板式太阳能膜蒸馏系统，其特征在于：单级板式太阳能膜蒸馏装置的数量为三个，且三个单级板式太阳能膜蒸馏装置依次叠设在一起。
技术总结本发明属于净水设备领域，具体公开了一种多级板式太阳能膜蒸馏系统，旨在解决现有的单级板式太阳能膜蒸馏系统没有利用水蒸汽冷凝释放的热量的问题。该多级板式太阳能膜蒸馏系统包括至少两个单级板式太阳能膜蒸馏装置，且任意两个相邻级别的单级板式太阳能膜蒸馏装置中，前一级装置的冷凝室通过导热件与后一级装置的原水室连接。如此，前一级装置的冷凝室中的水蒸气冷凝释放的热量可以通过导热件传递给后一级装置的原水室中的原水，利于原水的蒸发，并利于水蒸气的冷凝，不仅能够回收水蒸汽冷凝释放的热量，而且能够使得多级系统比单级系统有更高的能量效率和单位面积产水量。级系统有更高的能量效率和单位面积产水量。级系统有更高的能量效率和单位面积产水量。
技术研发人员：易鹏
受保护的技术使用者：易鹏
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/7/5
