CN102942232B - 一种旋转自供热式海水淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转自供热式海水淡化方法，包括：1）提供海水淡化装置，和2）使用该装置进行海水淡化，其中，海水淡化装置包括：真空泵、海水泵、海水预热室和真空蒸发室。海水通过海水泵进入海水预热室进行预热，然后进入真空蒸发室部分蒸发，得到的蒸汽再通入海水预热室进行冷凝获得淡水，同时对海水进行预热。真空蒸发室和海水预热室均在转轴的带动下旋转，从而获得海水低温蒸发所需的真空环境，并使热敏性流体在转动摩擦时产生热量来加热蒸汽。本发明利用自身产生的蒸汽和摩擦介质的发热量提供海水淡化能量，不需添加化学试剂，环境友好，其可由电能驱动，也可由可再生能源、尤其是风能、水能、潮汐能等可再生机械能源直接或间接驱动。

Description

一种旋转自供热式海水淡化方法

技术领域

本发明涉及海水、苦咸水淡化和污水净化领域，具体地说，本发明涉及一种旋转自供热式海水淡化方法。

背景技术

我国幅员辽阔，海水和地下苦咸水资源丰富，在淡水紧缺的严峻形势下，开发利用海水和苦咸水资源，进行海水（苦咸水）淡化成为开源节流、解决我国淡水紧缺问题的一条有效的战略途径。海水淡化技术是将海水中的盐分和水分分离，最终得到淡水和浓缩盐水的技术和过程。根据脱盐过程分类，海水淡化方法主要有热法、膜法和化学方法三大类。热法海水淡化技术主要为蒸馏法，包括多级闪蒸和低温蒸馏技术。低温蒸馏技术是使蒸发室内保持一定的真空度，即呈负压状态，使海水在较低温度下蒸发变成蒸汽，蒸汽遇冷凝结成淡水。由于低温蒸馏法淡化海水可以利用太阳能等低品位能源，对装置的腐蚀性较低等原因，近年来发展迅速，但其主要缺点是维持蒸发器内真空度需要大量电能，供水和蒸发后浓海水排放也需要消耗大量泵功，因而工程造价较高。如中国专利CN 2344390Y、CN 1473765A、CN200978230Y等都是利用真空泵来获得海水低温淡化所需的真空环境。中国专利CN 101177308A利用海水重力和大气压力自然方法产生真空，所需能量比传统方式少，但是这种方法利用自然重力获得真空，设备高度高、体积庞大，对空间要求很高。

此外，为了提高能量利用效率，需回收利用蒸汽冷凝为淡水过程中释放的潜热，常利用压缩机对蒸汽进行机械压缩（即机械蒸汽压缩MVC），提高蒸汽的压力和温度，使得蒸汽与加热介质之间产生热量传递所需温差，但该过程需要额外轴功的输入，一定程度上增大了能耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转自供热式海水淡化方法，该方法使用新型的海水淡化装置来进行海水淡化，其利用真空泵结合旋转产生的超重力工况实现低温热法海水淡化所需的真空环境，减小真空泵负荷、降低真空泵抽气时间；利用旋转时摩擦产生的热量提高蒸汽温度，从而有效回收蒸汽凝结潜热，降低能耗，提高海水淡化效率。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种旋转自供热式海水淡化方法，包括：1）提供海水淡化装置，以及2）使用所述海水淡化装置进行海水淡化，其中，

所述海水淡化装置包括：

真空泵；

海水泵；

海水预热室，所述海水预热室包括：

穿过所述海水预热室设置的转轴，所述转轴和所述海水预热室的壳体之间设置机械密封；

海水预热腔，所述海水预热腔位于所述海水预热室内部，并且围绕所述转轴而设置于其上，

与所述海水预热室的壳体顶部固定连接的静盘，所述静盘上设置不凝气出口，所述静盘外缘设置溢流堰，所述溢流堰和所述海水预热腔配合形成淡水溢水口；

设置在所述海水预热腔底部的摩擦加热器，所述摩擦加热器包括：固定在所述海水预热腔底板上的旋转壳、围绕水蒸气进口并且穿过所述水蒸气进口开口至外部的蒸汽盘管、以及夹置于所述旋转壳之间的密封盖，所述密封盖与所述水蒸气进口之间设置机械密封；

设置在所述海水预热腔内部并固定于所述静盘下方的空心圆柱状蒸汽挡板；

设置在所述旋转壳和所述蒸汽挡板之间的海水盘管，所述海水盘管各层之间设有水平环形折流板，所述折流板交错固定于所述旋转壳和所述蒸汽挡板上，所述海水盘管的两端分别与冷海水进口与热海水出口相连；

设置在所述海水预热腔的侧面外缘上端的导流片；

位于所述海水预热室的壳体上方的所述水蒸气进口和抽气口，所述水蒸气进口与所述海水预热室的壳体之间设置静密封；

位于所述海水预热室的壳体侧面的淡水出口和位于所述淡水出口处的导流片；以及

分别设置在所述海水预热室和所述海水预热腔底部的排污口；

真空蒸发室，所述真空蒸发室包括：

穿过所述真空蒸发室设置的转轴，所述转轴和所述真空蒸发室的壳体之间设置机械密封；

淡水槽，所述淡水槽位于所述真空蒸发室内部，并且围绕所述转轴而设置于其上；

与所述真空蒸发室的壳体顶部固定连接的静盘，所述静盘外缘设置溢流堰，所述溢流堰和所述淡水槽配合形成淡水溢水口；

设置在所述淡水槽底部的布液器，所述布液器包括：固定在所述淡水槽底板中心处的中心柱、固定于所述淡水槽内缘附近的空心圆柱形挡液板、以及水平交错安装于所述中心柱和所述挡液板上的布液盘；

位于所述真空蒸发室内部、并且围绕所述转轴而设置于其上的排水槽，所述排水槽的底部设置排污口，所述排水槽侧壁设有数个排水孔，并安装有排水阀，所述排水孔外缘设有导流片；所述排水槽通过数个漏水孔与所述淡水槽相通，所述漏水孔设置在所述淡水槽底部并且介于所述中心柱外缘和所述挡液板内缘之间；

位于所述真空蒸发室的壳体上方的热海水进口，所述热海水进口与雾化器相连，所述热海水进口与所述真空蒸发室的壳体之间设置静密封；

位于所述真空蒸发室的壳体侧面的浓海水出口，位于所述浓海水出口处的导流片；

穿过所述静盘和所述真空蒸发室的壳体而设置的水蒸气出口；以及

设置在所述真空蒸发室底部的排污口。

如本文中所述旋转产生“超重力”工况是指：利用流体旋转产生相当于重力加速度10~10⁵倍的离心加速度，从而获得“超重力”场。根据流体静力学原理和相平衡原理，此时在旋转流体中心可获得与当地温度所对应饱和蒸汽压大小相当的真空区域。

如本文中使用的，术语“真空”是指室温所对应的海水饱和蒸汽压，绝压在1.2~4.3kPa的范围。

如本文中使用的，涉及数值而描述的“介于…之间”是指包括两端数值的数值范围。

优选地，海水预热室穿过的转轴和真空蒸发室穿过的转轴可以以相同或不同角速度旋转，所述淡水槽和所述排水槽固定连接并且等角速度旋转。

优选地，所述静盘为圆形板状结构，其外缘设的溢流堰的宽度介于5~100mm之间，高度介于0.1~2m之间。

优选地，安装于所述中心柱上的所述布液盘的外径介于所述挡液板内径的0.6~0.9倍之间，安装于所述挡液板上的所述布液盘的内径介于所述中心柱外径的1.5~10倍之间；所述布液盘的数量介于2~50之间。

优选地，所述海水盘管管道内径介于5~100mm之间，所述海水盘管由1~20组圆形盘管组成，每组圆形盘管在垂直方向上分布1~20层，相邻各组盘管连通形成海水流动的唯一通道。

优选地，所述蒸汽盘管管道内径介于5~100mm之间，所述蒸汽盘管由1~10组圆形盘管组成，每组圆形盘管在垂直方向上分布1~10层，相邻各组盘管连通形成水蒸气流动的唯一通道。

优选地，所述海水盘管和所述蒸汽盘管均由导热材料制成。

优选地，所述排水阀的开启和关闭根据所述排水槽内的液位进行控制，当所述排水槽内液位比所述漏水孔高5~10mm时，所述排水阀开启；当所述排水槽内液位比所述排水阀高1~10mm时，所述排水阀关闭。

优选地，所述淡水出口和所述浓海水出口分别与所述海水预热室和所述真空蒸发室腔体相切连接，且出口方向与相应转轴旋转方向相同。

优选地，所述摩擦加热器中充满硅油或其它热敏性流体介质。

在使用本发明所述的海水淡化装置前，首先要用淡水充满海水槽和排水槽；当淡水槽和排水槽在转轴的带动下旋转并在淡水槽中心处形成无水区域后，通入海水，开始进行海水淡化操作。第一次通入的海水需通过外加热源进行预热（之后由系统本身产生的蒸汽冷凝预热），然后经过雾化器进入真空蒸发室；海水蒸发产生的蒸汽通过蒸汽盘管通入海水预热室，在摩擦加热器的作用下升温后，在自然流动过程中对海水盘管中的海水进行预热，自身冷凝得到淡水；海水蒸发所需真空环境及产生的不凝气体由所述真空泵抽气辅助旋转产生的超重力工况实现；超重力工况和预热海水所需热量均通过转轴的旋转获得。

本发明装置利用自身产生的蒸汽和摩擦介质的发热量提供海水淡化能量，不需添加化学试剂，环境友好，其可由电能驱动，也可由可再生能源、尤其是风能、水能、潮汐能等可再生机械能源直接或间接驱动。

附图说明

图1是本发明的海水淡化方法中使用的海水淡化装置的结构示意图；

图2是本发明的真空蒸发室的结构示意图；

图3是本发明的海水预热室的结构示意图。

图中：1、真空泵；2、海水泵；3、海水预热室；4、真空蒸发室；5、5’、转轴；6、机械密封；7、排水槽；8、8’、导流片；9、浓海水出口；10、排水阀；11、淡水槽；12、淡水溢流口；13、溢流堰；14、静盘；15、雾化器；16、挡液板；17、布液盘；18、漏液孔；19、中心柱；20、布液器；21、热海水进口；22、静密封；23、水蒸气出口；24、24’、排污口；25、海水预热腔；26、抽气口；27、不凝气出口；28、蒸汽挡板；29、折流板；30、海水盘管；31、密封盖；32、机械密封；33、蒸汽盘管；34、旋转壳；35、摩擦加热器；36、水蒸气进口；37、热海水出口；38、冷海水进口；39、淡水出口。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示意性示出本发明海水淡化装置的示意图，其包括：真空泵1海水泵2、海水预热室3和真空蒸发室4。在本文中，所述真空泵1和海水泵2并不特别限定，只要其可以起到泵送的功能即可。

所述海水预热室3包括：穿过所述海水预热室3设置的转轴5’，所述转轴5’和所述海水预热室3的壳体之间设置机械密封6；海水预热腔25，所述海水预热腔25位于所述海水预热室3内部，并且围绕所述转轴5’而设置于其上；与所述海水预热室3的壳体顶部固定连接的静盘14，所述静盘14上设置不凝气出口27，所述静盘14外缘设置溢流堰13，所述溢流堰13和所述海水预热腔25配合形成淡水溢水口12；设置在所述海水预热腔25底部的摩擦加热器35，所述摩擦加热器35包括：固定在所述海水预热腔25底板上的旋转壳34、围绕水蒸气进口36并且穿过所述水蒸气进口36开口至外部的蒸汽盘管33、以及夹置于所述旋转壳34之间的密封盖31，所述密封盖31与所述水蒸气进口36之间设置机械密封32；设置在所述海水预热腔25内部并固定于所述静盘14下方的空心圆柱状蒸汽挡板28；设置在所述旋转壳34和所述蒸汽挡板28之间的海水盘管30，所述海水盘管30各层之间设有水平环形折流板29，所述折流板29交错固定于所述旋转壳34和所述蒸汽挡板28上，所述海水盘管30的两端分别与冷海水进口38与热海水出口37相连；设置在所述海水预热腔25的侧面外缘上端的导流片8’；位于所述海水预热室3的壳体上方的所述水蒸气进口36和抽气口26，所述水蒸气进口36与所述海水预热室3的壳体之间设置静密封22；位于所述海水预热室3的壳体侧面的淡水出口39和位于所述淡水出口39处的导流片8；以及分别设置在所述海水预热室3和所述海水预热腔25底部的排污口24和24’。

真空蒸发室4包括：穿过所述真空蒸发室4设置的转轴5，所述转轴5和所述真空蒸发室4的壳体之间设置机械密封6；淡水槽11，所述淡水槽11位于所述真空蒸发室4内部，并且围绕所述转轴5而设置于其上；与所述真空蒸发室4的壳体顶部固定连接的静盘14，所述静盘14外缘设置溢流堰13，所述溢流堰13和所述淡水槽11配合形成淡水溢水口12；设置在所述淡水槽11底部的布液器20，所述布液器20包括：固定在所述淡水槽11底板中心处的中心柱19、固定于所述淡水槽11内缘附近的空心圆柱形挡液板16、以及水平交错安装于所述中心柱19和所述挡液板16上的布液盘17；位于所述真空蒸发室4内部、并且围绕所述转轴5而设置于其上的排水槽7，所述排水槽7的底部设置排污口24’，所述排水槽7侧壁设有数个排水孔，并安装有排水阀10，所述排水孔外缘设有导流片8’；所述排水槽7通过数个漏水孔18与所述淡水槽11相通，所述漏水孔18设置在所述淡水槽11底部并且介于所述中心柱19外缘和所述挡液板16内缘之间；位于所述真空蒸发室4的壳体上方的热海水进口21，所述热海水进口21与雾化器15相连，所述热海水进口21与所述真空蒸发室4的壳体之间设置静密封22；位于所述真空蒸发室4的壳体侧面的浓海水出口9，位于所述浓海水出口9处的导流片8；穿过所述静盘14和所述真空蒸发室4的壳体而设置的水蒸气出口23；以及设置在所述真空蒸发室4底部的排污口24。

如本文中使用的，固定的方式并不特别限制，本领域技术人员可以使用任何方式来进行固定，只要能够达到不再移动的效果即可。

转轴5和5’可以以相同或不同角速度旋转。例如，转轴5和5’以不同角速度旋转。转轴5的转速为25rad/s(弧度每秒)，转轴5’的转速为20rad/s(弧度每秒)。所述淡水槽11和所述排水槽7固定连接，围绕转轴5等角速度旋转。

所述静盘14为圆形板状结构，其外缘设溢流堰13，所述溢流堰13的宽度为30mm，高度为0.45m之间。

安装于所述中心柱19上的所述布液盘17的外径为所述挡液板16内径的0.7倍，安装于所述挡液板16上的所述布液盘17的内径为所述中心柱9外径的4倍；所述布液盘17的数量为8。

所述海水盘管30管道内径为15mm，所述海水盘管30从里到外由4组圆形盘管组成，每组圆形盘管在垂直方向上分布4层，相邻各组盘管连通形成海水流动的唯一通道。

所述蒸汽盘管33管道内径为30mm，所述蒸汽盘管33由1组圆形盘管组成，在垂直方向上分布3层。

所述海水盘管30和所述蒸汽盘管33均由导热材料制成。

所述淡水出口39和所述浓海水出口9分别与所述海水预热室3和所述真空蒸发室4腔体相切连接，且出口方向与相应转轴旋转方向相同。

所述摩擦加热器35中充满硅油。

在使用本发明的方法来进行海水淡化时，首先将淡水槽11和排水槽7中充满淡水，利用真空泵1抽气使真空蒸发室4内气体压强达到室温所对应的海水蒸汽压（1.0~4.3kPa）；然后启动转轴5和5’，带动淡水槽11、排水槽7及摩擦换热器35进行旋转，运行稳定后淡水槽11中心出现如图1所示低压无水区域，即为海水真空蒸发区域，布液器20位于所述海水真空蒸发区域内。

冷海水经冷海水进口38进入海水预热室3，在海水盘管30中被管外的蒸汽预热，预热之后的海水由热海水出口37通过雾化器15进入所述真空蒸发室4，在所述布液器20中部分蒸发，生成的水蒸气由水蒸气出口23排出所述真空蒸发室4，通过水蒸气进口36进入所述海水预热室3的蒸汽盘管33中，在摩擦换热器35中水蒸气被加热然后排入海水预热腔25，在所述摩擦换热器35的外壁、蒸汽挡板28及所述海水盘管22的外壁组成的通道中流动，对所述海水盘管22中海水进行预热，同时自身冷凝得到淡水，最终经淡水溢流口12、导流片8和淡水出口39切向排出。所述真空蒸发室4内蒸发后剩余海水经漏水孔18进入排水槽7，当排水阀10开启时，经过排水口最终从浓海水出口9切向排出。所述排水阀10的开启和关闭根据所述排水槽7内的液位进行控制，当所述排水槽7内液位比所述漏水孔18高10mm时，所述排水阀10开启；当所述排水槽7内液位比所述排水阀10高5mm时，所述排水阀10关闭；

外加热源只在装置启动时需要对海水进行预热，系统启动后即可利用蒸汽凝结释放的潜热及摩擦加热器35产生的热量对海水进行预热，不再需要任何外界热源和做功；海水蒸发所需真空环境及产生的不凝气体由所述真空泵1抽气辅助旋转超重力工况实现；系统正常运行后，超重力工况和预热海水所需热量均通过转轴的旋转获得。转轴可由电能驱动，也可由可再生能源、尤其是风能、水能、潮汐能等可再生机械能源直接或间接驱动。

通过采用相同的原理，可以采用本发明的装置来进行污水净化操作。

Claims (10)

1.一种旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，包括：1）提供海水淡化装置，以及2）使用所述海水淡化装置进行海水淡化，其中，

所述海水淡化装置包括：

真空泵（1）；

海水泵（2）；

海水预热室（3），所述海水预热室（3）包括：

穿过所述海水预热室（3）设置的第二转轴（5’），所述第二转轴（5’）和所述海水预热室（3）的壳体之间设置机械密封（6）；

海水预热腔（25），所述海水预热腔（25）位于所述海水预热室（3）内部，并且围绕所述第二转轴（5’）而设置于其上，

与所述海水预热室（3）的壳体顶部固定连接的静盘，所述静盘上设置不凝气出口（27），所述静盘外缘设置溢流堰，所述溢流堰和所述海水预热腔（25）配合形成淡水溢水口；

设置在所述海水预热腔（25）底部的摩擦加热器（35），所述摩擦加热器（35）包括：固定在所述海水预热腔（25）底板上的旋转壳（34）、围绕水蒸气进口（36）并且穿过所述水蒸气进口（36）开口至外部的蒸汽盘管（33）、以及夹置于所述旋转壳（34）之间的密封盖（31），所述密封盖（31）与所述水蒸气进口（36）之间设置机械密封（32）；

设置在所述海水预热腔（25）内部并固定于所述静盘下方的空心圆柱状蒸汽挡板（28）；

设置在所述旋转壳（34）和所述蒸汽挡板（28）之间的海水盘管（30），所述海水盘管（30）各层之间设有水平环形折流板（29），所述折流板（29）交错固定于所述旋转壳（34）和所述蒸汽挡板（28）上，所述海水盘管（30）的两端分别与冷海水进口（38）与热海水出口（37）相连；

设置在所述海水预热腔（25）的侧面外缘上端的第二导流片（8’）；

位于所述海水预热室（3）的壳体上方的所述水蒸气进口（36）和抽气口（26），所述水蒸气进口（36）与所述海水预热室（3）的壳体之间设置静密封（22）；

位于所述海水预热室（3）的壳体侧面的淡水出口（39）和位于所述淡水出口（39）处的第一导流片（8）；以及

分别设置在所述海水预热室（3）和所述海水预热腔（25）底部的第一排污口（24）和第二排污口（24’）；

真空蒸发室（4），所述真空蒸发室（4）包括：

穿过所述真空蒸发室（4）设置的第一转轴（5），所述第一转轴（5）和所述真空蒸发室（4）的壳体之间设置机械密封（6）；

淡水槽（11），所述淡水槽（11）位于所述真空蒸发室（4）内部，并且围绕所述第一转轴（5）而设置于其上；

与所述真空蒸发室（4）的壳体顶部固定连接的静盘，所述静盘外缘设置溢流堰，所述溢流堰和所述淡水槽（11）配合形成淡水溢水口；

设置在所述淡水槽（11）底部的布液器（20），所述布液器（20）包括：固定在所述淡水槽（11）底板中心处的中心柱（19）、固定于所述淡水槽（11）内缘附近的空心圆柱形挡液板（16）、以及水平交错安装于所述中心柱（19）和所述挡液板（16）上的布液盘（17）；

位于所述真空蒸发室（4）内部、并且围绕所述第一转轴（5）而设置于其上的排水槽（7），所述排水槽（7）的底部设置第二排污口（24’），所述排水槽（7）侧壁设有数个排水孔，并安装有排水阀（10），所述排水孔外缘设有第二导流片（8’）；所述排水槽（7）通过数个漏水孔（18）与所述淡水槽（11）相通，所述漏水孔（18）设置在所述淡水槽（11）底部并且介于所述中心柱（19）外缘和所述挡液板（16）内缘之间；

位于所述真空蒸发室（4）的壳体上方的热海水进口（21），所述热海水进口（21）与雾化器（15）相连，所述热海水进口（21）与所述真空蒸发室（4）的壳体之间设置静密封（22）；

位于所述真空蒸发室（4）的壳体侧面的浓海水出口（9），位于所述浓海水出口（9）处的第一导流片（8）；

穿过所述静盘和所述真空蒸发室（4）的壳体而设置的水蒸气出口（23）；以及

设置在所述真空蒸发室（4）底部的第一排污口（24）。

2.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述第一转轴（5）和第二转轴（5’）以相同或不同角速度旋转，所述淡水槽（11）和所述排水槽（7）固定连接并且等角速度旋转。

3.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述静盘为圆形板状结构，其外缘设的溢流堰的宽度介于5～100mm之间，高度介于0.1～2m之间。

4.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，安装于所述中心柱（19）上的所述布液盘（17）的外径介于所述挡液板（16）内径的0.6～0.9倍之间，安装于所述挡液板（16）上的所述布液盘（17）的内径介于所述中心柱（19）外径的1.5～10倍之间；所述布液盘（17）的数量介于2～50之间。

5.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述海水盘管（30）管道内径介于5～100mm之间，所述海水盘管（30）由1～20组圆形盘管组成，每组圆形盘管在垂直方向上分布1～20层，相邻各组盘管连通形成海水流动的唯一通道。

6.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述蒸汽盘管（33）管道内径介于5～100mm之间，所述蒸汽盘管（33）由1～10组圆形盘管组成，每组圆形盘管在垂直方向上分布1～10层，相邻各组盘管连通形成水蒸气流动的唯一通道。

7.根据权利要求1、5或6所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述海水盘管（30）和所述蒸汽盘管（33）均由导热材料制成。

8.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述排水阀（10）的开启和关闭根据所述排水槽（7）内的液位进行控制，当所述排水槽（7）内液位比所述漏水孔（18）高5～20mm时，所述排水阀（10）开启；当所述排水槽（7）内液位比所述排水阀（10）高1～10mm时，所述排水阀（10）关闭。

9.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述淡水出口（39）和所述浓海水出口（9）分别与所述海水预热室（3）和所述真空蒸发室（4）腔体相切连接，且出口方向与相应转轴旋转方向相同。

10.根据权利要求1所述的旋转自供热式海水淡化方法，其特征在于，所述摩擦加热器（35）中充满硅油或其它热敏性流体介质。

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