CN101973596A - 闪蒸冷凝一体化海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，包括上椭圆封头(12)、筒体(8)和下椭圆封头(1)等；上椭圆封头(12)与上管板(10)围合形成上深层海水室(14)，下椭圆封头(1)与下管板(3)围合形成下深层海水室(21)；在筒体(8)内设有冷凝室(7)和闪蒸室(18)，冷凝室(7)和闪蒸室(18)通过蒸汽通道(15)相连通；在冷凝室(7)内设置翅片式换热管组件(9)，翅片式换热管组件(9)分别与上深层海水室(14)和下深层海水室(21)相连通；上深层海水室(14)、下深层海水室(21)、冷凝室(7)和闪蒸室(18)分别设有对外接口。利用本发明的装置来淡化海水，能降低闪蒸蒸汽压降。

Description

闪蒸冷凝一体化海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种海水淡化装置，尤其是一种适用于利用海洋温差能进行海水淡化的闪蒸法海水淡化装置。

背景技术

海水淡化是一个资源密集型产业，平均能耗高达2～4kwh/m³。随着海水淡化规模不断扩大，其对能源的消耗也开始剧增。因此寻求低廉清洁的新能源代替传统能源进行海水淡化，将带来巨大的经济价值。

海洋温差能是可再生能源的一个重要组成部分，也是海洋能中储量最大、能量最稳定的能源。在热带海域，表层海水的温度常年维持在24～33℃左右，500～1000m的深层海水常年维持在3～9℃左右。相比于太阳能、风能等其他新能源，海洋温差能具有能量稳定、利用简单、占用面积小等优点，因此利用表层海水与深层海水间的温差能进行海水淡化已逐渐成为新能源海水淡化方法中的重要部分。

为了利用海洋温差能进行海水淡化，人们已经提出相应的海水淡化装置和方法：

中国发明专利CN1583581公开了一种利用海洋温差能的海水淡化的方法及装置，包括安装于海洋上方一定高度的蒸发器、冷凝器，深层冷海水通过深水泵利用虹吸原理进入冷凝器充当冷却介质，表层海水通过浅水泵利用虹吸原理进入蒸发器，依靠一定高度的蒸发器中产生的真空实现表层温海水常温汽化，所得的水蒸气在冷凝器中被冷却，最终形成淡水。该海水淡化方法及装置的主要缺点：该装置和方法主要重在海水淡化工艺流程的设计，并未针对温差能海水淡化工艺中温差小、气压低、流量大等特点设计相应的闪蒸和冷凝装置，从而导致整个工艺流程中容易出现冷凝不完全、真空度不够和闪蒸冷凝过程难以持续等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于温差能海水淡化系统的、结构紧凑、压降小、成本低、闪蒸冷凝过程衔接紧密的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，包括从上至下依次排列的上椭圆封头、筒体和下椭圆封头；上管板的上下两端面分别与上椭圆封头以及筒体上端密封地固定相连，下管板的上下两端面分别与筒体下端以及下椭圆封头与密封地固定相连；

上椭圆封头与上管板所围合形成的空间为上深层海水室，下椭圆封头与下管板所围合形成的空间为下深层海水室；在筒体内设有隔板，从而将筒体的内腔分隔成位于左侧的冷凝室和位于右侧的闪蒸室，冷凝室和闪蒸室通过蒸汽通道相连通；在冷凝室内设置翅片式换热管组件，翅片式换热管组件分别与上深层海水室和下深层海水室相连通；上深层海水室、下深层海水室、冷凝室和闪蒸室分别设有对外接口。

作为本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的改进：在上椭圆封头上设有与上深层海水室相连通的深层海水出口，在下椭圆封头上设有与下深层海水室相连通的深层海水入口；在筒体上分别设有淡水出口、真空泵接口、表层海水入口和浓海水出口，淡水出口和真空泵接口分别与冷凝室相连通，表层海水入口和浓海水出口分别与闪蒸室相连通。

作为本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的进一步改进：在表层海水入口和蒸汽通道之间设置丝网除沫器。

作为本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的进一步改进：浓海水出口位于表层海水入口的下方，且浓海水出口靠近筒体下端；淡水出口位于真空泵接口的下方，且淡水出口靠近筒体下端。

作为本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的进一步改进：在筒体的外表面设置耳式支座。

作为本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的进一步改进：隔板的底端与下管板密封地固定相连，隔板的顶端与上管板之间留有间距，该间距自然形成了蒸汽通道。

本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，由于翅片式换热管组件分别与上深层海水室和下深层海水室相连通，同时上、下深层海水室与大气压相通，因此上深层海水室和下深层海水室内的压强大致相同，约等于整个一体化海水淡化装置外的大气压。由于蒸汽通道分别与冷凝室和闪蒸室相连通，因此冷凝室和闪蒸室内的压强大致相同；由于闪蒸是在真空下进行，所以冷凝室和闪蒸室均处于真空，其压强由闪蒸温度决定。深层海水在翅片式换热管组件中的流动方向与蒸汽在冷凝室中的流动方向形成逆流。

在本发明中，由于蒸汽通道由隔板的顶端与上管板之间的间距所自然形成，因此可根据蒸汽流动所需的截面积来决定上述间距的大小。丝网除沫器的作用是阻隔蒸汽夹带的海水液滴。

本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，具有如下有益效果：

本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，由于将海水淡化的闪蒸和冷凝两个工艺过程结合到一个装置中，大大减少了装置的占地面积和建造装置的材料使用量，从而大大降低了整个海水淡化系统的成本。同时，由于温差能海水淡化在真空下进行，闪蒸后的水蒸气在真空下体积较大，因此水蒸气从闪蒸工艺到冷凝工艺的流动通道需要较大的流通面积，以防止在流动过程中产生较大的压降影响蒸汽的流动和冷凝。相比于普通的闪蒸与冷凝分离装置，该装置的一体化设计使闪蒸蒸汽在装置内部流动，并提供了较大的流动空间从而避免了闪蒸和冷凝工艺间大直径蒸汽管道的使用，从而避免了流动过程中压强和温度的较大损失。该装置的冷凝部分采用翅片式换热管组件，强化了冷凝效果，保证闪蒸蒸汽被完全冷凝，从而确保装置内部真空的自动维持。

综上所述，本发明是一种基于海洋温差能的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其具有结构简单、制作成本较低、节省占地面积的优点；利用本发明的装置来淡化海水，能降低闪蒸蒸汽压降，并使闪蒸冷凝装置适用于温差能海水淡化系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置的主视剖视示意图；

图1中：1、下椭圆封头；2、下封头法兰；3、下管板；4、淡水出口；5、真空泵接口；6、耳式支座；7、冷凝室；8、筒体；9、翅片式换热管组件；10、上管板；11、上封头法兰；12、上椭圆封头；13、深层海水出口；14、上深层海水室；15、蒸汽通道；16、丝网除沫器；17、表层海水入口；18、闪蒸室；19、隔板；20、浓海水出口；21、下深层海水室；22、深层海水入口。

具体实施方式

图1给出了一种闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，该装置包括筒体8、位于筒体8上方的上椭圆封头12、位于筒体8下方的下椭圆封头1。上管板10的下端面与筒体8的上端密封地固定相连，下管板3的上端面与筒体8的下端密封地固定相连，即，上管板10和下管板3将筒体8封成一个密闭的容器。

上椭圆封头12与上封头法兰11通过焊接相连，上封头法兰11与上管板10通过螺栓连接；在上椭圆封头12与上封头法兰11之间设有密封件，在上封头法兰11与上管板10之间也设有密封件；从而实现上椭圆封头12与上管板10上端面之间的密封固定相连。上椭圆封头12与上管板10所围合形成的空间为上深层海水室14。

下椭圆封头1与下封头法兰2通过焊接相连，下封头法兰2与下管板3通过螺栓连接；在下椭圆封头1与下封头法兰2之间设有密封件，在下封头法兰2与下管板3之间也设有密封件；从而实现下椭圆封头1与下管板3下端面之间的密封固定相连。下椭圆封头1与下管板3所围合形成的空间为下深层海水室21。

上深层海水室14与下深层海水室21的容积基本相等。

在筒体8内腔的中央设有隔板19，该隔板19的底端与下管板3密封地固定相连，隔板19的顶端与上管板10之间留有间距，该间距自然的形成了蒸汽通道15。隔板19将筒体8的内腔分隔成位于左侧的冷凝室7和位于右侧的闪蒸室18，冷凝室7和闪蒸室18通过蒸汽通道15相连通。冷凝室7和闪蒸室18的容积基本相等。

在冷凝室7内设置翅片式换热管组件9，翅片式换热管组件9分别与上深层海水室14和下深层海水室21相连通。具体结构如下：翅片式换热管组件9的出口端密封地穿越上管板10后与上深层海水室14相连通；翅片式换热管9的进口端密封地穿越下管板3后与下深层海水室21相连通。

在上椭圆封头12的顶部设有与上深层海水室14相连通的深层海水出口13，在下椭圆封头1的底部设有与下深层海水室21相连通的深层海水入口22。在筒体8左侧的下半部分别设有淡水出口4和真空泵接口5，该淡水出口4和真空泵接口5分别与冷凝室7相连通；淡水出口4位于真空泵接口5的下方，且淡水出口4靠近筒体8下端。在筒体8右侧的中部设有表层海水入口17，在筒体8右侧且靠近筒体8下端处设有浓海水出口20，因此浓海水出口20位于表层海水入口17的下方，表层海水入口17和浓海水出口20分别与闪蒸室18相连通。在闪蒸室18设有丝网除沫器16，该丝网除沫器16位于表层海水入口17和蒸汽通道15之间；丝网除沫器16用于阻隔闪蒸蒸汽中夹带的海水液滴通过蒸汽通道15进入冷凝室7。因此，从表层海水入口17进入的海水在闪蒸室18内被闪蒸后必须通过丝网除沫器16才能流入蒸汽通道15。

整个海水淡化装置被分为了大气压区和真空区。上深层海水室14与下深层海水室21处于大气压区，闪蒸室18与冷凝室7处于真空区。由于闪蒸室18温度略高于冷凝室7，所以闪蒸室18压强也略高于冷凝室7，闪蒸室18与冷凝室7之间的压差推动水蒸气从闪蒸室18流向冷凝室7。

表层海水由表层海水入口17进入后，在闪蒸室18进行闪蒸，闪蒸所得蒸汽经过丝网除沫器16后通过蒸汽通道15流向冷凝室7，闪蒸后的浓海水则流向闪蒸室18的下部，由位于下方的浓海水出口20流出。闪蒸蒸汽在冷凝室7中由上部流向下部，为形成逆流增加传热温差，深层海水在翅片式换热管组件9中从下部流向上部，因此深层海水入口22位于整个装置的底部，深层海水出口13位于整个装置的顶部。蒸汽在冷凝室7经过换热后冷凝为淡水流向冷凝室7底部，从位于冷凝室7底部的淡水出口4流出。

该海水淡化装置的真空通过闪蒸蒸汽于冷凝室7中冷凝自动维持，少部分蒸汽中的不凝成分和从装置外部泄漏进的气体则通过与真空泵接口5相连的真空泵被抽走。整个装置的气压最低处位于冷凝室7的底部，因此将真空泵接口4设计在接近冷凝室7的底部，即真空泵接口4靠近下管板3。

在筒体8外表面均匀的分布设置4个耳式支座6，实际使用时，本发明的海水淡化装置可通过耳式支座6固定于支架上。为了保证本发明的海水淡化装置实际安装时的重心平衡，将耳式支座6设置于整个海水淡化装置的重心附近，即设置于筒体8的中部。

本发明的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置实际工作时，真空泵与真空泵接口5相连，深层海水入口22通过深层海水泵与深层海水相通，表层海水入口17通过表层海水泵与表层海水相通。深层海水一般指的是海平面500米以下的海水，表层海水指的是海平面100米以上的海水。从深层海水出口13和浓海水出口20排出的海水直接流回海洋，淡水出口4与淡水收集容器相连。

工作过程具体如下：

1、首先关闭深层海水出口13、深层海水入口22、淡水出口4、表层海水入口17和浓海水出口20，打开真空泵接口5，启动真空泵，将装置内的冷凝室7和闪蒸室18的压强调整到所需真空(由闪蒸温度下饱和蒸汽压决定)。然后打开深层海水入口22和深层海水出口13，启动深层海水泵，控制深层海水流量到工艺所需流量(由淡水产量等决定)。直到冷凝室7的温度和气压降到所需值后(由冷凝温度和冷凝温度下的饱和蒸汽压决定)，打开表层海水入口17和浓海水出口20，启动表层海水泵，控制表层海水流量到工艺所需流量(由淡水产量等决定)。最后打开淡水出口4，整个启动过程完成。

整个启动过程中，各个接口和泵的开启需严格按照上述顺序，并且在开启过程中需密切注意装置中冷凝室7和闪蒸室18的中的气压和温度变化，如气压上升明显，需检查各密封处密封是否良好，真空泵是否正常运行及真空泵接口5是否堵塞或其阀门是否开度过小；如温度上升明显，需检查深层海水泵是否流量过小及深层海水泵入口和出口是否堵塞或其阀门开度过小；如气压或温度下降明显，同理做类似的检查。

启动过程中容易遇到的问题是：冷凝室7和闪蒸室18中的温度和压强未达到预定值时就提前开启表层海水入口17，此时表层海水在较高温度和压力下闪蒸，不能达到良好的闪蒸效果，同时也无法达到良好的冷凝效果，造成部分蒸汽未冷凝，提高了冷凝室7和闪蒸室18内的压强和温度，使真空的自动维持过程中断，整个海水淡化过程也无法继续进行。虽然在运行过程中真空泵一直开启，但所选真空泵功率较小(目的是节能)，其抽气量只能抽走不凝气体的量，若出现部分蒸汽未冷凝，则装置的真空难以维持。因此开启过程中需重点注意各接口的开启时机。

2、开启完成后，海水淡化系统进入平稳运行的过程。在该过程中需密切注意以下几个指标：海水流量、淡水流量、深层海水入口22和深层海水出口13之间的温差、冷凝室7的压强和温度、闪蒸室18的压强和温度。尤其冷凝室7和闪蒸室18的压强和温差直接影响海水淡化能够顺利进行，若冷凝室7和闪蒸室18的压强出现上升或下降，则提高或降低真空泵的功率或者增大或减小真空泵接口阀门的开度，若冷凝室7和闪蒸室18的温度出现上升或下降，则增大或降低深层海水泵功率或者增大或减小深层海水入口和出口阀门的开度。

3、海水淡化完毕后，开始关闭该装置。首先关闭表层海水入口17和表层海水泵，闪蒸室18内剩余的浓海水全部从浓海水出口20流出后，关闭浓海水出口20。在冷凝室7内压强和温度降到最低点，即剩余闪蒸蒸汽被完全冷凝后，关闭深层海水入口22，然后关闭深层海水出口13和深层海水泵。在冷凝室7中的剩余淡水从淡水出口4中全部流出后，关闭淡水出口4。最后关闭真空泵和真空泵接口5。

与开启过程相同，关闭过程中各接口的关闭也需严格按照上述顺序进行。如果顺序颠倒容易造成装置内部残留过多蒸汽和海水，会对装置内部造成较大的腐蚀。尤其海水入口和出口的关闭顺序不能颠倒，否则后造成会造成翅片式换热管组件9内或壳体内压强的迅速升高，易对装置造成破坏。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：包括从上至下依次排列的上椭圆封头(12)、筒体(8)和下椭圆封头(1)；上管板(10)的上下两端面分别与上椭圆封头(12)以及筒体(8)上端密封地固定相连，下管板(3)的上下两端面分别与筒体(8)下端以及下椭圆封头(1)密封地固定相连；所述上椭圆封头(12)与上管板(10)所围合形成的空间为上深层海水室(14)，下椭圆封头(1)与下管板(3)所围合形成的空间为下深层海水室(21)；在筒体(8)内设有隔板(19)，从而将筒体(8)的内腔分隔成位于左侧的冷凝室(7)和位于右侧的闪蒸室(18)，所述冷凝室(7)和闪蒸室(18)通过蒸汽通道(15)相连通；在冷凝室(7)内设置翅片式换热管组件(9)，所述翅片式换热管组件(9)分别与上深层海水室(14)和下深层海水室(21)相连通；所述上深层海水室(14)、下深层海水室(21)、冷凝室(7)和闪蒸室(18)分别设有对外接口。

2.根据权利要求1所述的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：在上椭圆封头(12)上设有与上深层海水室(14)相连通的深层海水出口(13)，在下椭圆封头(1)上设有与下深层海水室(21)相连通的深层海水入口(22)；在筒体(8)上分别设有淡水出口(4)、真空泵接口(5)、表层海水入口(17)和浓海水出口(20)，所述淡水出口(4)和真空泵接口(5)分别与冷凝室(7)相连通，表层海水入口(17)和浓海水出口(20)分别与闪蒸室(18)相连通。

3.根据权利要求2所述的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：在表层海水入口(17)和蒸汽通道(15)之间设置丝网除沫器(16)。

4.根据权利要求3所述的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：所述浓海水出口(20)位于表层海水入口(17)的下方，且浓海水出口(20)靠近筒体(8)下端；所述淡水出口(4)位于真空泵接口(5)的下方，且淡水出口(4)靠近筒体(8)下端。

5.根据权利要求4所述的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：在筒体(8)的外表面设置耳式支座(6)。

6.根据权利要求5所述的闪蒸冷凝一体化海水淡化装置，其特征在于：所述隔板(19)的底端与下管板(3)密封地固定相连，隔板(19)的顶端与上管板(10)之间留有间距，所述间距自然形成了蒸汽通道(15)。

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