CN103108834B - 一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，该装置包括梯形盆(1)、冷凝器(2)、进料罐(3)、顶盖(4)、热交换器(5)、冲洗阀(6)、喷淋系统(7)、排气管(8)和集水通道(9)；其中，所述排气管的一端与热源连接，另一端与所述顶盖连接；所述顶盖与所述热交换器结合，以提供热流；所述热交换器安装在所述梯形盆的内部，以加热地下盐水；所述梯形盆覆盖有所述冷凝器，以捕集由地下盐水制得的蒸汽；所述梯形盆还连接到所述进料罐上，以维持地下盐水的液面，且在底部安装有所述冲洗阀，用于排出浓缩的地下盐水；所述冷凝器在顶部连接到所述喷淋系统，用于喷射地下盐水，以在冷凝期间使冷凝器冷却；冷凝水滴通过安装在冷凝器内的所述集水通道而被收集，用于生产饮用水。

Description

一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置

技术领域

本发明涉及一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，特别涉及一种利用柴油机的排气余热而由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，更特别涉及一种在偏远地区通过盐工的操作而以廉价的方式来获得饮用水/烹饪水的可持续而又独立的方法。

背景技术

印度的许多盐场位于被称为小卡奇兰恩LRK(Little Rann of Kutch)的偏远沙漠地区。这些盐场通常配备有边缘劳工，且多数缺乏基础设施，如电力、交通、干净水等。在这些地区，可用的地下水是咸的（盐水），这是大自然给制盐厂家的馈赠。然而，由于缺乏饮用水，使人们面临着其他生存挑战。制盐者有时不得不长途跋涉去寻找饮用水。有时，饮用水是通过罐车而从远离盐场的地方运来的。遗憾的是，这种供应并不总是定期的，且有时地面泥泞，以致于车辆不能行驶。因此，有必要寻找替代的更可靠的解决方案。

当水的盐度低于海水时，诸如反渗透和电渗析的脱盐技术是很好的解决方案；而当水的盐度像大多数地下盐水那样高时，上述解决方案就变得不切实际了。此外，由于位置偏远，盐场往往未通电，而上述装置均需要电力来驱动。另一方面，以太阳能等为动力来进行操作虽然在技术上是可行的，但成本高。

通常的热脱盐技术除了需要高的资金投入和庞大的设备外，还需要大量的燃料。因此，这些也不适用于这样偏远的地区和简单的使用者。在盐场已偶尔使用太阳能蒸馏器将盐水转化为饮用水。这类蒸馏器的平均生产率为每平方米每太阳小时约0.8升。这些方式由于其生产率低而不可能在盐场中推广。

热的基本品质不是数量而是其“热值”。如何回收该热量的策略部分取决于余热气体的温度和所涉及的成本。

大量的热烟气是由锅炉、窑炉、烘箱和烤炉产生的。如果能回收一些排气余热，则可节省相当多的主要燃料。在废气中损失的能量不能完全回收。不过，可通过采用适当的技术而回收许多热量，从而使损失减到最小。

工业装置通常设计有热量回收装置，以提高系统的整体热效率。这一原理通常用于有废气流或废物流从系统排放到环境中的系统。通常从废液流或废气流中回收热能，用于使建筑物内的新鲜空气和水的补给，例如用于供暖、通风和空调(heating,ventilation and airconditioning,HVAC)系统或任何工艺系统。

在表1中给出典型的余热源及其在大气中释放的温度范围。废气在450℃时用于余热回收锅炉(Waste Heat Recovery Boiler,WHRB)，以生产工艺蒸汽。使用来自发动机冷却系统（夹套冷却水、油冷却器和进气冷却器）的大量低温余热，将WHRB的给水预热到约110℃，以提高其效率和生产出更多的蒸汽。现有的冷却塔将被热量交换器取代，且将增设除气器，用于除去非凝结气体以及将WHRB的给水温度进一步预热到130℃，由此进一步提高系统效率。来自热电厂和分散式发电机组的以烟气形式存在的余热有时用作工艺所需的热能。这直接显著降低了燃料成本和燃烧排放量，且通过减少废弃物的排放量和降低废气温度而进一步有益于环境，虽然程度较小[Subramanyam，Waste heat recovery,Bureau of Energy Efficiency，Feb.2005,pp.1-18](余热回收，能效局)。

表1：典型余热源和温度

源	温度(℃)
		钢加热炉	925-1050
蒸汽锅炉废气	230-480
		燃气轮机废气	370-540
往复式发动机废气	325-600

热处理炉	425-650
		内燃机	66-120
热处理液体	32-232
		焊接机	32-88
空气压缩机	27-50
		泵	27-88

可参考期刊文章“Usability of low temperature waste heat for sea waterdesalination,1981，39，147-158，Risto Saari”（低温余热在脱盐中的可用性），其中使用比大气高50℃的余热且通过多效蒸馏装置而使海水脱盐。具有两个差异较大的温度水平的工艺通过冷却得到能量。这篇文章指出，即使对于高出环境温度少于20℃的温度，也可在技术和经济上使余热得到利用。

许多其他研究人员已使用余热由海水生产出补给水而用于不同的用途，例如补给、加热、冷却和饮用。Raha et al.,International Journal ofNuclear Desalination,2007,2,342（国际核能脱盐期刊-2007,2,342）采用低温蒸发(low-temperature evaporation,LTE)脱盐技术利用排气余热来生产淡化水。已使用低压蒸汽(0.13bar)甚至热水(ΔT~50°C)由海水直接生产出高纯水。LTE技术已主要用于核反应堆，生产出满足补给水需求的优质脱盐水。可参考S.T.Germain提出的美国专利申请No.2007084778A1，其中公开了由燃气轮机构成的用于发电的发电系统。用于由海水生产饮用水的脱盐系统连接到燃气轮机的排放口处。该脱盐系统包括热回收蒸汽发生器和用于冷凝蒸汽的冷凝器。因此，该系统具有双重功能，如发电和由海水产生淡水源。

可参考由黄提出的中国专利No.CN201660459，其中公开了采用发动机余热交换器通过使用于冷却发动机的海水过热来进行脱盐。采用泵使水循环。据称该装置可用于船中。

可参考网址http:∥www.brighthub.com/engineering/marine/articles/29189.aspx，其中公开了一种系统，来自水冷柴油机的热水流经处于低压的蒸发器，从而产生蒸汽。该蒸汽流经蒸汽分离器且进而传输给冷凝器，并在泵的作用下提取出淡水。

虽然上文中的现有技术指导人们利用废热进行脱盐，但这些装置通常相当大，操作复杂，且需要额外的设备/电力来运行不同类型的泵。没有一种现有技术来指导人们利用小容量风冷柴油机的排气余热对高盐度-高达海水盐度的3-5倍-的地下盐水进行脱盐，从而以低成本的方式来满足在偏远地区中边缘盐工的饮水需求，否则他们不得不以别的方式来努力获取饮用水。柴油机主要用于运行盐厂中的泵，以将深处的地下盐水抽上来。在诸如小卡奇兰恩LRK等地的所有盐工总是使用这类柴油机来从事他们的制盐工作。典型柴油机的排气温度超过150℃，且目前这种能量在这类盐厂中并没有得到利用。本发明公开了一种能够有利利用该能量而以低成本的有效方式由高盐度盐水生产出饮用水的装置，且制水速率超过大小相近的太阳能蒸馏器的速率。

发明目的

本发明的主要目的是提供一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置。

本发明的另一目的是在偏远的盐场通过只使用现场可得资源而提供饮用水源。

本发明的又一目的是将用于制盐的盐水用作水源。

本发明的再一目的是向小家庭每天提供20-40升的饮用水和烹饪水。

本发明的另一目的是利用柴油机的排气余热进行热脱盐。

本发明的又一目的是使这类柴油机在制盐期间连续运行，且可通过使装置每小时生产1-2升饮用水来获得需水量。

本发明的再一目的是提供一种在附加使用后不会降低发动机功率和盐水抽送效率的装置。

本发明的另一目的是提供一种作为简单附件的装置，且无需改变制盐者现有柴油泵的设置。

本发明的又一目的是设计由具有最小存储容量的盐水存储梯形盆组成的单一装置，同时确保上文所述的所需饮用水输出量。

本发明的再一目的是以与饮用水生产相同的速率将盐水输送到梯形盆内，以维持稳定的输出量。

本发明的另一目的是配备一冲洗装置，以确保盐的浓度在系统中不过度累积。

本发明的又一目的是确保废气与盐水之间不发生接触，以避免盐水污染，进而避免制得的水发生污染。

本发明的再一目的是设计一种适当的热交换器，以确保最大限度地利用余热，使蒸发效率最大化。

本发明的另一目的是将具有高表面面积的气密的金属冷凝装置固定在梯形盆上，以获得最高的冷凝效率。

本发明的又一目的是使地下盐水的温度大体上低于白天时的温度，且使这样的盐水在冷凝器上流动，以获得最高程度的蒸汽冷凝。

本发明的再一目的是认识到这些生产地点许多在夜晚时相当寒冷，在夜晚时可更有效地冷凝，同时通过蒸发器的有效绝热而保持相同效率的蒸发。

本发明的另一目的是制造一种装置，该装置可由非技术人员轻易打开，以便尤其为了除垢而每天清理一次装置的内部。

发明内容

本发明提供一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，该装置组合有梯形盆(1)、冷凝器(2)、进料罐(3)、顶盖(4)、热交换器(5)、冲洗阀(6)、喷淋系统(7)、排气管(8)和集水通道(9)；其中：所述排气管的一端连接到热源，另一端连接到所述顶盖；所述顶盖与所述热交换器结合，以提供热流；所述热交换器安装在所述梯形盆的内部，以加热地下盐水；所述梯形盆覆盖有所述冷凝器，以捕集由地下盐水制得的蒸汽；所述梯形盆还连接到所述进料罐上，以维持地下盐水的液面，且在底部具有所述冲洗阀，用于排出浓缩的地下盐水；所述冷凝器在顶部连接到所述喷淋系统，用于喷射地下盐水，以在冷凝期间使冷凝器冷却；冷凝水滴通过安装在冷凝器内的所述集水通道而被收集，用于生产饮用水。

因此，本发明提供了一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，所述装置包括：

梯形盆(1)，用于容纳地下盐水；

热交换器(5)，包括多个位于所述盆(1)内且平行于盆(1)的长度方向的水平金属管；热交换器(5)的所述金属管经由排气管(8)而与热源的排气口结合，以接收热的废气并将热量传输给盛放在盆(1)内的盐水，由此使地下盐水蒸发；

进料罐(3)，与所述梯形盆(1)结合，用于保持地下盐水在梯形盆内的液面；

冲洗阀(6)，安装在梯形盆的底部，用于排出浓缩的地下盐水；

冷凝器(2)，包括顶壁和侧壁，且安装在所述梯形盆(1)的顶部，以在所述盆的上方形成一封闭室，用于捕集由地下盐水制得的蒸汽；所述冷凝器的侧壁构造使得冷凝器的横截面积从底部到顶部逐渐增大；

喷淋系统(7)，位于冷凝器顶壁的外表面上，用于喷射相对冷的地下盐水，以使冷凝器冷却；以及

集水通道(9)，水平位于冷凝器侧壁的内表面上，用于收集水。在本发明的一实施方式中，金属管与顶盖(4)结合，顶盖(4)与排气管(8)连接，且排气管(8)的一端与热源的排气口连接，另一端与顶盖连接。

在本发明的另一实施方式中，进料罐通过液面的不同而保持地下盐水在所述盆中的液面。

在本发明的又一实施方式中，冷凝器喷淋系统(7)包括具有多个孔的管道，所述管道位于冷凝器顶壁的外表面上，用于在冷凝期间为冷却冷凝器的壁而向冷凝器的顶壁喷淋相对冷的盐水。

在本发明的再一实施方式中，集水通道(9)与水平管道连接，以从冷凝器中取出饮用水。

在本发明的另一实施方式中，所使用的热源是5HP风冷柴油机。

在本发明的又一实施方式中，金属管是以平行或同心的形式布置的导热管。

在本发明的再一实施方式中，导热管由铜、不锈钢或铝材料制成。

在本发明的另一实施方式中，导热管的长度与直径比在300至400的范围内。

在本发明的又一实施方式中，用于装置的材料选自不锈钢、铝或PVC。

在本发明的再一实施方式中，该装置促进传热，且在热源的排气管处无任何背压。

在本发明的另一实施方式中，所使用的装置能够在每小时1.5至2.0升的范围内生产出饮用水。

在本发明的又一实施方式中，在梯形盆底部的冲洗阀用于避免盐沉积在热交换器上以及梯形盆的内部。

在本发明的再一实施方式中，所述装置成本合算、坚固耐用、适合操作、维修方便。

附图说明

图1-7显示了本发明的说明书的附图。

图1是本发明一实施方式所述的利用发动机排气热量的脱盐装置的正面立视图。

图2是图1中所示脱盐装置的顶部正视图。

图3是图1中所示脱盐装置的侧面正视图。

图4是图1中所示脱盐装置的立体图。

图5显示不同地点的地下盐水在盆中的温度随时间的变化。

图6显示地下盐水的温度随冷凝装置的变化。

图7显示蒸馏（饮料）水的生产随时间的变化。

具体实施方式

因此，本发明提供一种利用发动机的排气余热而由地下盐水生产饮用水的脱盐装置。该装置包括用于加热地下盐水的蒸发器、以及用于冷凝在蒸发器中产生的蒸汽的冷凝器。在本发明的一实施方式中，蒸发器是梯形盆。在蒸发器或梯形盆中布置有多个金属管。在本发明的一实施方式中，金属管是以平行或同心的形式布置的导热管。金属管可由铜、铝或不锈钢材料制成，优选为铜。梯形盆的一端连接到柴油机的排气口，以便通过铜管道来输送由柴油机产生的废气。地下盐水用作给水而盛放在梯形盆中，而沿槽的长度方向布置的铜管道用于输送废气以及将废气的热量传输给给水。

根据一实施方式，本发明的脱盐装置包括冷凝器。冷凝器可由铝板制成，且具有内部通道。冷凝器是一顶部封闭的小室，可固定在梯形盆（蒸发器）上，用于捕集地下盐水的蒸汽。外围上有许多小孔的PVC管道固定在冷凝器的顶部，用于向冷凝器的表面喷射相对冷的地下盐水。相对冷的地下盐水能够从冷凝器的表面吸收热量，由此使蒸汽在冷凝器的内表面上冷凝。冷凝水滴随时间而增大，且当水滴增大超过某一尺寸时，会由于地心引力的作用而在冷凝器的内表面上滚下，并最终累积在安装于冷凝器的内表面上而用于收集蒸馏水的通道中。

地下盐水在梯形盆内的液面随时间而不断降低；为保持装置的性能，有必要保持地下盐水的液面。小进料罐连接到梯形盆上。在罐内的盐水进料的一部分用于喷淋到冷凝器的表面上，一部分被输送到梯形盆中，以保持其液面。地下盐水的蒸发以及新鲜地下盐水的添加使梯形盆内的盐浓度逐渐增加，由此造成盐沉积的问题，这会削弱装置的性能。为解决该问题，在梯形盆上连接有冲洗阀，以在4-5小时的操作后冲出浓缩的地下盐水。

本发明提供一装置，用于使用柴油机的排气余热来对地下盐水进行脱盐。因此，有必要进行传热计算以及选择适当的材料将所需热量从废气传输给地下盐水，并在以下等式(1)-(13)的帮助下完成。

废气的质量流量为0.007147kg/s，废气温度在进口处约为150℃，在出口处为50℃（ΔT=100℃）。铜管道的内径和外径分别为12.5mm和15.5mm。由计算可知，所需铜管道的长度(L)被确定为4m，且通过引入每根长0.5m的9根平行的铜管道，使该装置在这一长度上结构紧凑。

图1-4显示本发明一实施方式所述的本发明的脱盐装置。如图1所示，脱盐装置包括由不锈钢制成的蒸发器盆(1)、由铝板制成的冷凝器(2)、由铝板制成的进料槽(3)、由不锈钢制成的顶盖(4)、由铜管道制成的热交换器(5)、由PVC或不锈钢制成的流溢阀(6)、由PVC管道制成的喷淋系统(7)、排气管(8)、以及集水通道(9)。

由图1-4可看出，蒸发器是梯形盆(1)，它可由不锈钢(S.S.316)制成，以盛放地下盐水。梯形盆具有多个铜管道，这些铜管道水平布置，且与盆的长度方向平行（如图2所示）。铜管道的进口部分固定在顶盖(4)上，顶盖(4)与柴油机的排气口结合。铜管道的另一端与大气连通。来自柴油机的废气流经铜管道，由此加热铜管道。被加热的铜管道进而加热盛放在盆内的地下盐水，由此引发地下盐水的蒸发。如图3所示，梯形盆具有梯形横截面，底部尺寸较小，顶部尺寸较大。换言之，盆(1)从顶部到底部逐渐变得狭窄。因此，盛放在盆内的盐水具有大的表面积，由此加速蒸发。同样，由于盆在底部比较狭窄，可促进铜管道与盐水之间的传热。

如图1-4所示，梯形盆覆盖有一个从顶部封闭的小室，以捕集由地下盐水产生的蒸汽。所述封闭室被用作冷凝器(2)（参见图3）。在本发明的一实施方式中，冷凝器是由2mm厚的铝板制成。在冷凝器(2)的内表面上安装有两个沿冷凝器的长度方向布置的水平通道，用于收集蒸馏水。

如图3所示，冷凝器是一个由封闭顶壁和侧壁组成的小室。所述小室的底部开放且连接到梯形基底的顶面上，以接收由盐水蒸发而产生的蒸汽。如图3所示，冷凝器的顶壁倾斜安装，以增大可用于蒸汽冷凝的表面。为此，冷凝器的侧壁具有不同的尺寸。换言之，两个侧壁的高度是不同的（即一侧高于其对侧），以使顶面可倾斜地安装在侧壁上。侧壁也倾斜安装，以使小室/冷凝器的横截面从底部到顶部随横截面积的增加而变化。由于小室从底部到顶部横截面积逐渐增大，使得顶壁具有大的表面积。此外，冷凝器的倾斜侧壁具有大的表面积用于蒸汽冷凝。蒸汽在冷凝器的内部倾斜表面上（即顶壁和侧壁的内表面上）冷凝，且滚下来，并最终从通道中被收集。

由于地下盐水的持续蒸发及其冷凝，地下盐水在盆中的液面降低；因此，为保持地下盐水的液面，小进料罐(3)连接到盆上（如图2和3所示）。通过盆与进料罐内液面的差异而保持盆内的液面。随着盆内液面的降低，进料罐内的盐水开始滴落到盆内。由图3可知，可从外部保持盐水在进料罐内的液面，从而保持盐水在盆内的液面。在本发明的一实施方式中，顶盖(4)（如图2所示）可由不锈钢制成。顶盖(4)主要用于将发动机排气口产生的废气分配给铜管道(5)。铜管道起到热交换器的作用。在本发明的一实施方式中，热交换器由九根铜管道构成，这些铜管道安装在梯形盆(1)中，用于运送废气以及将热量从废气传输给地下盐水。顶盖通过排气管(8)而与排气口连接（如图4所示）。

由于地下盐水的连续蒸发，地下盐水的浓度增加，且可导致盐沉积在盆内和铜管道(5)上。这降低了传热速率，由此削弱装置的性能。因此，为解决这一问题，连接有冲洗阀(6)，以在特定时间间隔之后排出浓缩的地下盐水。冲洗阀的大小可以是一英寸，且冲洗阀可安装在梯形盆(1)的底部，以排出浓缩的盐水。

参见图3，为促进蒸汽的冷凝，喷淋系统(7)安装在冷凝器(2)的顶部（即在顶壁的外表面上）。喷淋系统包括具有许多小孔的小管道(7)，这些小孔用于喷射地下盐水且冷却冷凝器的表面（即顶壁和邻接的侧壁），以冷凝蒸汽。

如上文所述，蒸汽冷凝发生在冷凝器的内表面上（即顶壁和侧壁的内表面上）。随着水滴的增大，水滴由于地心引力的作用而滚下来。为收集水滴，水平通道(9)安装在如图(4)所示的冷凝器的侧壁的内表面上。所述水平通道以水平管道的形式延伸出冷凝器，用于收集来自冷凝器的水。换言之，管道可与所述通道(9)连接，用于收集来自冷凝器的水。

通常，在位于像Little Rann of Kutch这样的偏远地区的盐厂，取决于用于制盐的地下盐水，使用5HP垂直型风冷或水冷柴油机来抽取地下盐水，该地下盐水的盐度超过35,000ppm，且盐度更典型地在100,000ppm至200,000ppm的范围内。柴油机的废气温度高于150℃，该废气流经由铜制成的并联换热器，从而使热量从气体高效传输给盐水。为此，在小梯形盆内使具有最大蒸发表面积的盐水具有最小的体积。盐水的温度达到约90℃，并开始蒸发。该梯形盆使用铝板盖封闭，以收集形成的蒸汽。具有大的表面积的顶盖被用作冷凝器，且通过在该冷凝器上不断地喷淋温度约为22℃-25℃的地下盐水而使其冷凝作用进一步增强。由于这一温度差，使得蒸汽冷凝在封闭槽的内表面上。冷凝的液滴在冷凝器的内表面上滚下来，且通过安装在冷凝器内的通道而被收集。水最终进入到土杯中，在此使其保持低温且口感清爽。新鲜的盐水以与水通过蒸发-累积-冷凝系统而从系统中取出相同的速率渗漏到蒸发室内。该设计避免蒸汽逸出和空气进入。需使用新鲜盐水来间歇冲洗装置，以避免盐度过度增加而导致结垢。

本发明的主要发明性步骤如下：

1.利用柴油机的排气余热而由地下盐水生产出饮用水。

2.通过柴油机在制盐季节中全天候运行以及每小时制水1.5-2升，能够由单一装置在一天内生产出足够的水，用于满足小家庭-通常是盐厂员工家庭-对饮用水和烹饪水的需求。

3.系统的设计使得其不以任何方式影响柴油机的功能或效率，且只取决于经由热交换器而从热气向盐水的传热。

4.尽可能减小盐水在梯形盆内的体积，同时以与取水相同的速率不断地向系统内滴加盐水，从而保持稳定而又足够的水输出。

5.通过适当计算和设计具有平行布置的铜管道的热交换器，使表面积和传热最大化。

6.通过使用弯曲的管道而保持蒸发器与冷凝器之间完全的气密性，由此可取出水，同时不会使蒸汽从内部逸出到外部以及空气从外部进入到内部。

7.使蒸发器内的蒸发面积以及冷凝器内的蒸汽冷凝面积最大化。

8.当将相对冷的地下盐水抽送到冷凝器上时，将其喷淋有助于冷凝过程。

9.将冷凝水收集到土杯中，以使其保持低温和口感清爽。

10.该装置只花10分钟左右的时间去加热盐水，且在装置内安装有另外两个阀，以使用新鲜盐水来间歇冲洗装置，从而避免溶解的固体在超过某一点后在盐水内沉积。

11.可通过人工操作或定时器控制的操作来完成这类冲洗操作。

12.确保装置成本合算，以使它对于通常人而言负担得起。通过选择铜管道的直径（内径和外径）和使用传热方程式(1-13)来完成脱盐装置的设计。最后，确定铜管道（管道）的长度，由此设计和构造用于地下盐水脱盐的装置。

铜管道取研究所中的现有直径，且根据装置的大小来确定。铜管道的内径和外径分别为：d_i=0.0125m;d_o=0.0155m

根据5hp柴油机的规格来计算废气的质量流量：m_e=0.007147kg/s

纯金属铜的导热率为：K_copper=386W/m°C

柴油机废气的测量温度为：T_e(in)=150°C

假设柴油机的废气在流经热交换器管道后的温度为废气的最终温度：T_e(out)=50°C

海水和废气的污垢热阻分别为：Rf_o=0.000088m²°C/W;Rf_i=0.001761m²°C/W

废气在平均温度时的性能：

取CO₂在100℃时的性能（参见William Janna，第405页）ρ_e=1.4393kg/m³;Cp_e=916.7J/kg°C;μ_e=1.827×10^-5kg/ms;k_e=2.224×10^-2W/m℃;Pr_e=0.75

水在饱和温度100℃时的性能：

ρ_l=957kg/m³;ρ_v=0.6kg/m³;h_fg=2257×10³J/kg;Cp_l=4217J/kg℃;μ₁=2.82×10^-4kg/ms;k_l=0.68W/m℃;Pr₁=1.75

·Q_boiling=μ_e×Cp_e×ΔT

          =μ_e×CP_e×[T_e(in)-T_e(out)]

...........................................(1)

=0.007147×916.7×[150-50]=655.165W

取损耗系数为0.7，则Q_boiling=458.615W

水的蒸发率：

·

$m_{\mathrm{evap}}=\frac{Q_{\mathrm{boiling}}}{h_{\mathrm{fg}\left(l\right)}}=\frac{458.615}{2254\×{10}^3}=0.00020\mathrm{kg}/s=0.732\mathrm{kg}/\mathrm{hr}$

...................................(2)

管道的表面积：

·A_s=πd0=π×0.0155=0.04869m²

....................................(3)

 ·

$Q_{\mathrm{nucliate}}=\frac{Q_{\mathrm{boiling}}}{A_s}=\frac{655.165}{0.04869}=13455.8W$

....................................(4)

管道外传热系数：

·

....................................(5)

管道的横截面积：

· $A_p=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_i^2=\frac{\mathrm{\π}}{4}{0.0125}^2$

.........................................(6)

$={0.0001227m}^2$

管道内的废气速度：

 ·

$V_p=\frac{m_2}{A_p\×{\mathrm{\ρ}}_2}=\frac{0.007147}{0.0001227\×1.4393}$

$=40.46m/s$

废气的雷诺数：

 ·

${\mathrm{Re}}_e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_e\×V_p\×d_i}{{\mathrm{\μ}}_e}=\frac{1.4393\×40.4634\×0.0125}{1.827{\×10}^{-5}}$

$=39846$

废气的Nusselt数[Sadik Kakac，热交换器设计，第97页]：·

${\mathrm{Nu}}_e=5+[0.012\×{\mathrm{Re}}_e^{0.83}\×(\mathrm{Pr}+0.29)]$

$=5+[0.012\×{39846}^{0.83}\×(0.75+0.29)]=87.14$

管道内的传热系数：·

$\frac{{\mathrm{N\μ}}_e\×k_e}{d_i}=\frac{87.14\×{1.827\×10}^{-5}}{0.0125}$

整体传热系数：·

$\frac{1}{U_f}=\frac{d_o}{d_i{h}_i}+\frac{d_o{\mathrm{Rf}}_i}{d_i}+\frac{d_o\ln (d_o/d_i)}{{2K}_{\mathrm{copper}}}+{\mathrm{Rf}}_o+\frac{1}{h_o}$

$=\frac{0.0155}{0.0125\×155.03}+\frac{0.0155\×0.001761}{0.0125}+\frac{0.0155\ln (0.0155/0.0125)}{2\×386}+0.000088+$

$\frac{1}{269.11}$

我们得到的总表面积：·

$A_o=\frac{Q_{\mathrm{boiling}}}{U_f\mathrm{\ΔT}}=\frac{655.165}{71.478\×50}$

${=0.1833m}^2$

管道长度：·

$L=\frac{A_o}{{\mathrm{\πd}}_o}=\frac{0.1833}{\mathrm{\π}\×0.0155}$

$=3.8m\≈4m$

实施例

下文举例说明本发明在实际中的使用情况，但不应将其理解为以某种方式来限制本发明的范围。

实施例1：

在开放系统中进行地下盐水在梯形盆内的温度测量实验。在这些实验期间，5HP柴油机无需泵（负荷）就能运行。废气流经安装在盆内的九根铜管道，将热量传输给地下盐水。使用四点数字热电偶，即T1、T2、T3和T4，测量地下盐水在盆的整个长度上的温度，且无需冷凝装置。所有热电偶均安装在盆内，用于测量地下盐水的温度。前两个热电偶T1和T2分别安装在距盆的废气进口50mm和100mm的距离处，而后两个热电偶安装在相等的150mm距离处。热电偶的温度读数每隔5分钟记录一次。

在启动柴油机之前，地下盐水的温度记录为28℃。在启动柴油机之后，每隔5分钟后读取所有四个热电偶的温度，并将结果记录在表2中。在15分钟之后，由T1、T2、T3和T4热电偶测得的地下盐水的温度分别达到53℃、52℃、49℃和48℃（表2）。所有热电偶的温度随时间的读数图示在图A中。供应的盐水的温度在最初的15分钟内快速升高，并在40分钟后达到74℃的稳定温度。

表2：无冷凝装置时地下盐水的温度（开放系统）

该实施例公开了可有利地利用柴油机的排气余热来提高地下盐水的温度，且当在无冷凝器的开放系统中进行实验时，盐水到达在69℃-74℃范围内的最高温度。

实施例2：

冷凝装置固定在梯形盆上，使其成为封闭系统，且单一的热电偶插在盆的中心，用于测量地下盐水的温度。在启动柴油机之前，地下盐水的温度在实施例1中记录为28℃。由表3中的数据可看出，在55分钟之后记录的最高温度为87℃，且该温度随时间几乎保持稳定（参见图B）。

表3：有冷凝装置时地下盐水的温度（封闭系统）

时间，min	0	15	20	25	30	35	40	45	50	55
											温度，°C	28	61	77	79	80	82	84	84	85	87

该实施例公开了地下盐水在梯形盆内的温度可通过封闭系统的形成而增至87℃，还有益于使蒸发的水冷凝，以回收饮用水，如下文中其他例子所述。

实施例3：

实验从早上8:00时开始，且使用实施例2中的组件。在操作15分钟之后，冷凝水开始从与冷凝装置连接的管道中流出。一旦蒸馏水的速率稳定，就每隔15分钟之后测量收集到的水量，直至达到9小时。将每小时之后收集到的水量列于表4中，且图示在图C中。在连续工作九小时期间，观察到饮用水的平均产量为每小时1.2升。

表4：蒸馏（饮用）水的生产率

由该实施例可知，所述装置可采用地下盐水为进料，通过利用柴油机的排气余热而每小时生产出1.2升的蒸馏水，且相同的进料也足以用于冷凝。

实施例4：

收集制得的蒸馏水的样品来进行分析测试。测得在收集到的水样品中溶解的固体总量在180-250ppm的范围内。只对一个样品检测了pH，为8.1。该实施例公开了使用高盐度的地下盐水来生产饮用水。

实施例5：

在实施例3的实验之后，由观察可知，许多盐已沉积在铜管道上和梯形盆中，甚至在冷凝器的外表面上。后者是因为在冷凝器装置上喷洒了盐水。在后来的实验中，在每隔4小时的操作后将地下盐水从梯形盆内冲出。通过这种简单的预防性维护，可避免盐沉积，由此使性能更稳定和持久。

本发明的优点：

1.该脱盐装置能够通过利用5HP风冷柴油机的排气余热而由地下盐水生产出饮用水。

2.该装置仅依靠余热能工作，无需额外的能源。

3.该脱盐装置在偏远地区是饮用水的可靠来源。

4.该装置可由普通技术人安装、操作和维护。

5.该装置可昼夜不停地工作，不会改变柴油机的任何性能。

6.该装置无操作成本，虽然有时需要对装置进行冲洗和清理。

7.本发明的脱盐装置促进传热，且在热源的排气管处无任何背压。

8.本发明的脱盐装置能够在每小时1.5至2.0升的范围内生产出饮用水。

9.本发明的脱盐装置成本合算、坚固耐用、适合操作、维修方便。

Claims (9)

1.一种用于由地下盐水生产饮用水的脱盐装置，所述装置包括：

梯形盆(1)，用于容纳所述地下盐水；

热交换器(5)，包括多个位于所述梯形盆(1)内且平行于所述梯形盆(1)的长度方向的水平金属管；所述热交换器(5)的所述金属管经由排气管(8)而与热源的排气口结合，以接收热的废气并将热量传输给盛放在所述梯形盆(1)内的盐水，由此使所述地下盐水蒸发；

进料罐(3)，与所述梯形盆(1)结合，用于保持地下盐水在所述梯形盆(1)内的液面；

冲洗阀(6)，安装在所述梯形盆(1)的底部，用于排出浓缩的所述地下盐水；

冷凝器(2)，包括顶壁和侧壁，且安装在所述梯形盆(1)的顶部，以在所述梯形盆(1)的上方形成一封闭室，用于捕集由所述地下盐水制得的蒸汽；所述冷凝器(2)的侧壁构造使得所述冷凝器(2)具有横截面积从底部到顶部逐渐增大的可变横截面；

喷淋系统(7)，位于所述冷凝器(2)顶壁的外表面上，用于喷射相对冷的地下盐水，以使所述冷凝器(2)冷却；以及

集水通道(9)，水平位于所述冷凝器(2)侧壁的内表面上，用于收集水。

2.根据权利要求1所述的脱盐装置，其中，所述金属管与顶盖(4)结合，该顶盖(4)与所述排气管(8)连接，且该排气管(8)的一端与热源的排气口连接，另一端与所述顶盖连接。

3.根据权利要求1所述的脱盐装置，其中，所述进料罐通过改变液面而保持地下盐水在所述梯形盆(1)内的液面。

4.根据权利要求1所述的脱盐装置，其中，所述喷淋系统(7)包括具有多个孔的管道，所述管道位于所述冷凝器(2)顶壁的外部表面上，用于在冷凝期间为冷却所述冷凝器(2)的壁而向所述冷凝器(2)的顶壁喷淋相对冷的盐水。

5.根据权利要求1所述的脱盐装置，其中，所述集水通道(9)与水平管道连接，以从所述冷凝器(2)中取出饮用水。

6.根据权利要求1-5之一所述的脱盐装置，其中，所述热源是风冷柴油机。

7.根据权利要求1所述的脱盐装置，其中，所述金属管是导热管。

8.根据权利要求7所述的脱盐装置，其中，所述导热管由铜、不锈钢或铝材料制成。

9.根据权利要求7所述的脱盐装置，其中，所述导热管的长度与直径比在300至400的范围内。