CN101941742A - 使用相变介质的海水蒸发脱盐装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供使用相变介质的海水蒸发脱盐装置及通过蒸发的脱盐方法，使用各种高热源如太阳能、发动机热等从海水产生淡水。代替将温水供应至蒸发器的方法，本发明提供将更大量的热供应至蒸发器的相变介质，提高脱盐装置的效率以产生大量淡水或制造紧凑的脱盐装置。本发明提供热量的方法是循环相变介质。在高热气体喷射及相变至液态时产生的潜热用来蒸发海水。鉴于常规方法仅通过作为介质将热量供应至蒸发器的水的温差使用可感知热，本发明使用作为相变能量的潜热。如果将相同量的热提供至蒸发器，本发明与常规方法相比显著减少介质的流量。本发明的脱盐装置降低了操作泵的动力，脱盐装置的尺寸紧凑，与相同尺寸的常规装置相比产生更大量的淡水。

Description

使用相变介质的海水蒸发脱盐装置

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2009年7月6日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请No.10-2009-0061196的权益，该申请的全部内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及海水的蒸发脱盐装置，以使用由太阳能热或轮船发动机热产生的高温水来蒸发海水从而产生淡水，其中替代作为常规介质的将热水供应至脱盐装置内部的蒸发器，供应相变介质以蒸发海水，从而通过使用由相变介质在从气体至液体的相变期间提供的潜热产生更大量的淡水。

背景技术

通常，用于从海水分离淡水的工艺的系统根据能源主要分类为热能系统、机/电能量系统以及再循环能量系统。用于该工艺的方法尤其包括蒸发/蒸馏、反渗透、冻结、电渗析。在这些方法中，使用太阳能热的脱盐方法使用热能。在此情况下，系统分为使用一个蒸发器的单效系统以及使用多个蒸发器以增加淡水产量的多效系统。多效系统主要分类为多级快速蒸馏(MSF)和多效蒸发(MED)。这种方法应用于使用高温蒸汽或产生大量淡水的大型系统。

另一方面，在太阳能热作为热源的常规脱盐系统中，如图1中所示，60℃～80℃的热水(从太阳能热吸收的温度)供应至蒸发器以从海水产生淡水。该系统包括：蒸发海水的蒸发器101、液化蒸发的蒸汽的冷凝器102、在冷凝器102和蒸发器101之间的空间中产生真空的排出器103、太阳能收集器104、以及存储太阳能热的储热罐105。

该系统的原理如下：大约45℃的低温水在其循环通过存储热源(比如太阳能热等)的储热罐105的内部时被加热，以产生大约60℃的温水。温水流入蒸发器101中的蒸发管106并且加热蒸发管106外面的将要蒸发的海水。蒸发的蒸汽在冷凝器102的外表面上液化。海水流入冷凝器102的冷凝管107。海水将冷凝管107外面的蒸汽冷凝并且在其温度升高时流入蒸发器101。流入蒸发器101的海水由蒸发管106内部的温水加热，散发蒸汽。剩余的海水由排出器103排放。蒸发管106内部的温水在其温度再次降落时循环至储热罐。

使用太阳能热的这个系统对于确保替代水源而言是重要的技术，因为其使用较低的能量，是环境友好的，是较小规模的并且在开始仅需要少量的投资。而且，使用太阳能热的分配系统在岛屿或各种较小区域中是可用的。

然而，使用太阳能热的常规脱盐技术存在缺点：由于太阳辐射强度不均匀，产生的淡水量是不规律的，并且在太阳辐射强度较低时，由于缺乏热量，产量就会大大地降低。因此，使用太阳能热的脱盐系统需要其中太阳能收集器能每单元小时吸收大量能量并且蒸发器能根据某些标准散发大量能量的结构。

发明内容

为了解决常规技术的上述问题，因此本发明的目标是提供一种使用相变介质的海水蒸发脱盐装置，其中，代替现有技术中使用的水，相变介质供应为热源介质，用于将热供应至蒸发器，从而增加淡水量。

现有技术中使用的水仅使用对应于温差(即可感知热)的热量。然而，由于相变介质从气态和液态提供潜热，其根据相同蒸发器的传热面积给海水提供大量的能量。

本发明的上面和其他目标和优点将通过详细描述其示例性实施例变得更加明显。此外，本发明的目标和优点可通过权利要求所述的要素及其组合来实现。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种使用相变介质的海水蒸发脱盐装置，其包括：相变介质流动通过其中的流动管线；包括连接至流动管线的传热管的储热罐；以及淡水单元，其包括连接至流动管线的蒸发管，以通过将高温气态的相变介质相变至液态以及通过使用由相变介质在相变时提供的潜热蒸发内部的海水来产生淡水。

此外，储热罐存储由热源加热的高温水，以通过与高温水的热交换来气化液态的相变介质。

此外，储热罐使用太阳能热作为热源，使用太阳能收集器。

此外，淡水单元包括：蒸发器，其包括安装于存储海水的存储罐中的蒸发管，以通过相变介质的热量加热海水；冷凝器，其冷凝由蒸发器产生的蒸汽，以产生淡水；以及存储淡水的淡水存储单元。

此外，相变介质使用在其处于高温气态时散发的热以及在其通过与海水的热交换而从气态相变至液态时散发的潜热来加热海水。

此外，淡水单元包括：排出器，其排出冷凝器中用作冷却水的海水以及从海水产生(但是没有冷凝)并且在蒸发器的存储罐外面冷却的一部分蒸汽，并且在淡水单元中产生真空。

此外，淡水单元包括：分离器，其位于蒸发器和冷凝器之间，以防止在排出器被操作为在淡水单元中产生真空时，蒸发器内的水滴被吸入排出器。

此外，冷凝器将用作冷却水以冷凝蒸汽的一部分海水供应至蒸发器的存储罐。

此外，流动管线包括：液体罐，其用来存储在蒸发淡水单元内的海水之后液化的相变介质；以及用于循环相变介质的循环泵。

此外，相变介质使用R123(二氯三氟乙烷)、丙酮、乙醇和甲醇中的任何一种。

此外，蒸发管可形成为圆管、板以及圆管和板的组合之中的任何一种。

附图说明

本发明的上面和其他特点和优点将通过参照附图详细描述其示例性实施例变得更加明显，其中：

图1是示出使用通过太阳能热收集的温水的常规单级蒸发脱盐装置的系统图，并且

图2是示出根据本发明示例性实施例的使用太阳能热和相变介质的脱盐装置的系统图。

(主要元件附图标记的简要描述)

10：流动管线        11：传热管

12：蒸发管          20：液体罐

21：循环泵          30：储热罐

31：太阳能收集器    40：淡水单元

41：蒸发器          42：存储罐

43：冷凝器          44：冷凝管

45：泵              46：淡水存储单元

47：排放单元        50：分离器

60：排出器

具体实施方式

在详细描述本发明的示例性实施例之前，将理解到，详细描述中所述或者附图中所示的详细构造和布置不应当解释为限制本发明的应用。本发明可以具体化为很多替代形式以及以各种方法执行。描述装置或元件的方向的术语或词语(例如，尤其“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”和“侧向”)用来简化本发明的描述。因此，将理解到，这些术语不意味着相关装置或元件应当仅处于特定方向上。

实现上述目标的本发明具有以下特点：

现在将参照其中示出本发明优选实施例的附图在下文中更彻底地描述本发明。将理解到，说明书和权利要求中使用的词语或术语不应当解释为通常使用的字典中定义的含义。还将理解到，根据发明人可适当地定义词语或术语的含义以最好地解释本发明的原则，词语或术语应当解释为其含义与其在相关技术的背景和本发明的技术思想中的含义相一致。

因此，本发明的示例实施例能具有各种变型和替代形式，并且本发明的实施例借助附图中的示例示出并且将在这里更详细地描述。然而，应当理解到，这并不是要将本发明的示例实施例限制于所公开的具体形式，而是相反，本发明的示例实施例要覆盖落入本发明范围内的所有变型、等同以及替代。

在根据本发明的海水脱盐装置中，其通过使用由热源比如太阳能热或轮船发动机热所加热的高温水来蒸发海水以获得淡水，相变介质代替温水供应至蒸发器41。根据本发明的技术，通过使用在相从气态变成液态时的潜热每单元小时生产大量的淡水，并且通过使用液体由此气化的潜热，大量的热量由储热罐30吸收和提供。

下面，将参照附图描述根据本发明优选的示例性实施例使用太阳能热的脱盐装置的方法和结构。

图2是根据本发明使用在相变期间由相变介质提供的潜热的海水脱盐装置的系统图。

脱盐装置中的蒸发系统包括：流动管线10、储热罐30和淡水单元40。

流动管线10的一端连接至传热管11并且流动管线10的另一端连接至蒸发管12。相变介质流过流动管线10内部以便运动和循环通过传热管11和蒸发管12。在流动管线10中，液体罐20提供来存储相变介质并且将相变介质供应至流动管线10，并且循环泵21也提供来循环相变介质。

储热罐30通过使用太阳能收集器31存储热源。由存储的热源加热的高温水存储于储热罐30中。而且，连接至流动管线10的一端的传热管11安装于储热罐30内部的高温水中。流过传热管11的相变介质与储热罐30内的高温水热交换并且通过热交换吸收高温水的热量，从而通过从液态至气态的相变而气化。

储热罐30吸收相变介质在相变时产生的潜热，并且将用于相变介质的气化。

流动管线10的蒸发管12安装为定位于淡水单元40中。淡水单元40包括蒸发器41、冷凝器43和淡水存储单元46。蒸发器41安装为使得蒸发管12沉没于存储海水的存储罐42中。

也就是，在通过储热罐30从液态相变至高温气态的相变介质流过蒸发管12时，其与蒸发管12定位其中的存储罐42内的海水进行热交换，以使得海水被加热以产生蒸汽。然后，失去热量的相变介质连续且反复地收集于液体罐20中。

换言之，气态的相变介质流入蒸发器41。然而，相变介质在加热海水期间失去热量并且相变至液态。在相变时从相变介质产生的潜热用来加热海水。

蒸发器41中加热的海水变成蒸汽，蒸汽形成于蒸发器41上方并且移动至包括冷凝管44的冷凝器43以便被冷凝。(在冷凝器43中，使用泵45以使得冷却水在内部流动。海水用作冷却水。在冷凝蒸汽之后，一部分海水再次供应至蒸发器41的存储罐42。)接着，冷凝的蒸汽，即淡水，存储于安装在冷凝器43和蒸发器41之间的淡水存储单元46中并且通过排放单元47移走。

排出器60吸入冷凝器43中使用的海水以及从蒸发器41中的海水产生但是没有移动至冷凝器43并且在蒸发器41的存储单元42外面冷却的一部分蒸汽，以便排出至外面。(由于一般的排出器排出压力，淡水单元40内部的空气通过排出器内部产生的负压被吸引并且排出至外面)。

而且，排出器60在包括蒸发器41和冷凝器43的淡水单元40中产生真空，以加速蒸发器41内海水的蒸发。当通过吸引淡水单元40内的空气在淡水单元40中产生真空时，存储于蒸发器41中的海水的水滴也被吸入排出器60。那么，水滴可引起腐蚀，从而缩短整个设备的使用寿命。为了防止这个问题，分离器50安装于冷凝器43和蒸发器41之间。

参照图2，存储淡水的淡水存储单元46定位于冷凝器43和蒸发器41之间。蒸发器41中产生的蒸汽通过形成于淡水存储单元46的一侧处的空间移动至冷凝管43。也就是，明显地，分离器50安装于蒸汽从蒸发器41流入冷凝器43的位置处。分离器40让蒸汽穿过，但是不允许水滴穿过。

循环通过该系统的典型相变介质的示例尤其包括R123(二氯三氟乙烷)、丙酮、乙醇和甲醇。其中，R123(新开发的代替R11的防火材料)的沸点是27.85℃并且其潜热是171kJ/kg(40千卡/kg)。

下面将描述通过使用R123每天产生一吨淡水的系统：

1)使用R123的系统：使用相变时的潜热。

-每天产生一吨淡水时蒸发器所需的能量：

(1000kg/D×539kcal/kg)÷(24h×60min)＝374kcal/min

-致冷剂大循环以提供蒸发能量：

374kcal/分÷40.9kcal/kg＝9.15kg/min

·液体循环：9.15kg/min×(1/1.458L/kg)＝6.28L/min

-储热罐30的吸热量(在R123从液态变成气态时)：374kcal/min

·气体循环：9.15kg/min×(1/0.00647L/kg)＝1.414L/min

·蒸发管12内部的气体循环速度：

1.414L/min/60/管的横截面积(0.45cm×0.45cm×3.14×12)＝3.1m/s

考虑到普通致冷器中冷凝管的入口处的致冷剂蒸汽的设计速度是10～18m/s，可分析出这个系统中的蒸汽流速非常有利于冷凝热交换。

2)使用温水的常规系统：仅使用温水的温差。

-每天产生一吨淡水时蒸发器理论上所需要的能量：374kcal/min

-蒸发管12内的循环温水的温差的使用：15℃(60℃→45℃)

-所需的水循环：

Q＝m Cp dT

374kcal/min＝m(1kcal/kg℃)(15℃)

m＝25kg/min＝25L/min

也就是，尽管使用循环水的常规系统中的液体循环是每分钟25升，但是使用相变介质的系统中的液体循环是6.28升。

普通泵中所需的轴功率与转数成正比，并且液体循环与转数成比例。因此，根据本发明的系统具有节省能量的效果，因为流体流量仅是25％并且用于循环流体的循环泵21的动力与使用水的常规系统相比降低至1/4。

而且，由于两个相(液体/气体)的流动形成于根据本发明的系统的蒸发管12中，所以该系统是非常优良的传热系统，其中传热系数与单相、水相比增大了5～10倍。由于其大大地减少了传热面积，所以能制造出能使用紧凑蒸发器41的有效脱盐系统。同样，本发明应用至使用多个蒸发器41的多效蒸发系统以增强效果并且增大淡水产量。

双相流动(从液体变成气体)形成于储热罐30的传热中，因此，由于每小时传热的量大大增加，所以储热罐30中的传热管11的长度减小。

蒸发管12的结构能以圆管、板以及圆管和板的组合之中的任何一种形成。要理解到，这包括各种变型形状的结构，只要在所附权利要求限定的技术思想的范围内的脱盐系统中的蒸发器41中能使用相变介质的原理。

本发明不仅可应用至使用太阳能热量、发动机热量等的蒸发脱盐系统，而且可应用至使用最新循环能量比如地热等的蒸发脱盐系统以及大型或小型蒸发脱盐系统。具体地，本发明对于岛屿或较小区域使用的小型脱盐系统而言是更有效的先进技术。

如上所述，在通过使用太阳能热或轮船发动机热的高温水蒸发海水从而产生淡水的海水蒸发脱盐装置中，相变介质代替温水供应至脱盐装置内的蒸发器。因此，通过使用在从气态至液态的相变期间提供的潜热每单位小时产生大量淡水。而且，储热罐通过使用液体气化时的潜热吸收并且提供大量的热。

此外，根据本发明，循环热源介质所需的动力与使用温水的常规系统相比减少至1/4，从而节省能量。

此外，由于两相流体的传热现象形成于蒸发器和储热罐内，传热系数大大地增大，从而显著地减少传热面积。具体地，在使用太阳能热的脱盐装置中，基于相同面积，每单位小时产生的淡水量大大增加。

虽然本发明已经参照其示例性实施例具体地示出和描述，但是本领域技术人员将理解到，在不脱离本发明如所附权利要求所限定的精神和范围之下，能做出形式和细节上的各种变化。

Claims (11)

1.一种使用相变介质的海水蒸发脱盐装置，其包括：

相变介质流过其中的流动管线(10)；

储热罐(30)，连接至流动管线(10)的传热管(11)安装于该储热罐中；以及

淡水单元(40)，连接至流动管线(10)的蒸发管(12)安装于该淡水单元中，以通过将高温气态的相变介质相变至液态以及通过使用由相变介质在相变期间提供的潜热蒸发内部的海水来产生淡水。

2.根据权利要求1的蒸发脱盐装置，其中储热罐(30)存储由热源加热的高温水，以通过与高温水的热交换来气化液态的相变介质。

3.根据权利要求1或2的蒸发脱盐装置，其中储热罐(30)利用太阳能收集器(31)来将太阳能热用作热源。

4.根据权利要求1的蒸发脱盐装置，其中淡水单元(40)包括：

蒸发器(41)，其包括安装于存储海水的存储罐(42)中的蒸发管(12)，以通过相变介质的热量加热海水；

冷凝器(43)，其冷凝由蒸发器(41)产生的蒸汽，以产生淡水；以及

存储淡水的淡水存储单元(46)。

5.根据权利要求4的蒸发脱盐装置，其中相变介质使用在其处于高温气态时散发的热以及在其通过与海水的热交换而从气态相变至液态时散发的潜热来加热海水。

6.根据权利要求4的蒸发脱盐装置，其中淡水单元(40)还包括：

排出器(60)，其排出冷凝器(43)中用作冷却水的海水以及从蒸发器(41)中的海水产生但是没有移动至冷凝器(43)并且在蒸发器(41)的存储罐(42)外面冷却的一部分蒸汽，并且在淡水单元(40)中产生真空。

7.根据权利要求6的蒸发脱盐装置，其中淡水单元(40)包括：

分离器(50)，其位于蒸发器(41)和冷凝器(43)之间，以防止在排出器(60)被操作为在淡水单元(40)中产生真空时，蒸发器(41)内的水滴被吸入排出器(60)。

8.根据权利要求4的蒸发脱盐装置，其中冷凝器(43)将用作冷却水以冷凝蒸汽的一部分海水供应至蒸发器(41)的存储罐(42)。

9.根据权利要求1的蒸发脱盐装置，其中流动管线(10)还包括：

液体罐(20)，其用来蒸发淡水单元(40)内的海水并且存储液化的相变介质；以及

用于循环相变介质的循环泵(21)。

10.根据权利要求1的蒸发脱盐装置，其中相变介质使用R123(二氯三氟乙烷)、丙酮、乙醇和甲醇中的任何一种。

11.根据权利要求1的蒸发脱盐装置，其中蒸发管(12)形成为圆管、板或者圆管和板的组合之中的任何一种。

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