CN103241787B

CN103241787B - 热法超重力海水淡化方法

Info

Publication number: CN103241787B
Application number: CN201310195474.1A
Authority: CN
Inventors: 王东光; 竺柏康; 陶亨聪
Original assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Current assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: CN103241787A

Abstract

本发明提供一种热法超重力海水淡化方法。该方法包括对热法超重力海水淡化装置内部进行抽真空处理步骤；使旋转床体围绕旋转轴线转动并保持所述旋转床体的换热室、蒸汽收集室、气液交换室、淡水室处于超重力稳态的步骤；在供热装置的作用下，喷入换热室的冷海水被换热室内各圈换热管外壁逐级加热的步骤；水蒸气收集步骤；水蒸气冷凝步骤；淡水回收步骤；废气排出步骤；所述冷凝步骤中经换热的海水所产生的蒸气重复循环所述水蒸气收集步骤、水蒸气冷凝步骤、淡水回收步骤和废气排出步骤，最终得到所需的淡水。本发明方法可以快速生产出大量高纯淡水，解决现有热法蒸馏技术中存在的高投入、高能耗、低产能等诸多实际问题。

Description

热法超重力海水淡化方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种在超重力场中实现海水与蒸汽之间快速传热与传质进而获得高纯淡水的热法超重力海水淡化方法。

背景技术

作为水资源开源增量技术，海水淡化已成为解决水资源危机的重要途径。到2006年，世界上已有120多个国家和地区在应用海水淡化技术，全球海水淡化日产量约3775万吨，其中80%用于饮用水，解决了1亿多人的供水问题。目前常用的海水淡化工艺包括：反渗透法、太阳能法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产等。

反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40，从上世纪70年代起，美日等发达国家就把海水淡化技术的发展重心转向反渗透法，反渗透法的脱盐率在99.5%至99.7%之间。

蒸馏法海水淡化也叫热法海水淡化，蒸馏法是最早投入工业化应用的淡化技术，特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高。与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、方法的生产能力大，是当前海水淡化的主流技术之一。

低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一，近年来发展迅速，方法的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高方法单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。

与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。

由上可知，热法海水淡化技术虽然具有适应范围广泛、技术成熟等特点，但是存在着高投入、高能耗、低产能等诸多实际问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热法超重力海水淡化方法，以解决现有热法蒸馏技术中存在的高投入、高能耗、低产能等诸多实际问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种热法超重力海水淡化方法，该方法通过热法超重力海水淡化装置来完成，包括如下步骤：

对热法超重力海水淡化装置内部进行抽真空处理步骤；

使旋转床体围绕旋转轴线转动并保持所述旋转床体的换热室、蒸汽收集室、气液交换室、淡水室、废气分离室处于超重力稳态的步骤；

在供热装置的作用下，喷入换热室的冷海水被换热室内各圈换热管外壁逐级加热的步骤；

经换热室加热的海水在蒸汽收集室中逐级蒸发并将蒸发后的水蒸气收集至各圈蒸汽收集管中的水蒸气收集步骤；

所述各圈蒸汽收集管中的水蒸气依次经淡水室和气液交换室进入换热室内各相应换热管中并与喷入换热室的冷海水换热而被冷凝形成露水的水蒸气冷凝步骤；

所述露水经气液交换室返回至所述淡水室，并经由淡水排出口排出的淡水回收步骤；

所述冷凝步骤中未冷凝的水蒸气和不凝性气体经由所述换热管进入所述废气分离室，而且不凝性气体在所述废气分离室中被浓缩并排出所述热法超重力海水淡化装置的废气排出步骤；

所述冷凝步骤中经换热的海水所产生的蒸气重复循环所述水蒸气收集步骤、水蒸气冷凝步骤、淡水回收步骤和废气排出步骤，最终得到所需的淡水。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述换热室中的超重力水平在50g（g表示正常重力场强度9.8m/s²）至1000g范围之间，更优选为200g至600g之间；所述蒸汽收集室、所述气液交换室、所述废气分离室和所述淡水室中的超重力水平在250g至5000g之间，更优选为400g至2000g之间。

在上述方法中，所述供热装置可以以纯水高温蒸汽或者电能方式供热。当供热方式为纯水高温蒸汽时，所述纯水高温蒸汽的绝对压力优选为0.5atm至1.5atm，更优选为0.5atm至1.0atm，所述纯水高温蒸汽的温度优选在70℃至120℃之间，更优选为75℃至100℃之间。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述冷海水在进入所述热法超重力海水淡化装置之前先进行过滤，以去除掉海水中所含有的生物质、固体、胶体成分。

在上述方法中，还包括将蒸汽收集室中得到的浓海水排出的浓海水排出步骤。作为一种优选方式，所述浓海水采用真空泵抽出。同时所述淡水也可以采用真空泵抽出。淡水和浓海水自身的液封功能保证了水蒸气不会被抽出。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述水蒸气收集步骤具体如下：经换热室加热的海水汇流进入蒸汽收集室后从最内圈的蒸汽收集管的管间缝隙中被甩出并溅落到最内圈的蒸汽收集管外层的填料网上并被打碎成无数微小液滴，所述小液滴快速蒸发产生大量水蒸气并降温，水蒸气被抽进最内圈的蒸汽收集管内，而温度降低的小液滴经下一外圈蒸汽收集管的管间缝隙流出并溅落到相应圈蒸汽收集管外层的填料网上而实现进一步的蒸发和降温，经该进一步蒸发而得到的水蒸气被抽进相应圈蒸汽收集管中，最后直至最外圈蒸汽收集管中收集到水蒸气。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述水蒸气冷凝步骤具体如下：所述各圈蒸汽收集管中的水蒸气经淡水室中相对应的淡水分布管进入气液交换室中相对应的独立通道，然后进入换热室内各相应换热管中，并与喷入换热室的冷海水换热，从而水蒸气被冷凝形成露水。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述淡水回收步骤具体如下：所述露水经气液交换室中相对应的独立通道返回至所述淡水室中的相对应的淡水分布管，然后淡水从淡水分布管的轴向缝隙中流出并均匀地洒落到相应淡水分布管外层的填料网中而被打碎成无数小液滴，散发出一些水蒸气后得到降温，所述小液滴汇流后再经下一个外圈淡水分布管和该下一个外圈淡水分布管外层的填料网继续降温，最后经由最外圈的淡水分布管的管间缝隙流出并由淡水排出口排出。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述冷海水进入所述热法超重力海水淡化装置时的稳定流速为1-3m/s。所述稳定流速是指所述热法超重力海水淡化装置进入正常工作状态后冷海水进入装置的流速。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述抽真空步骤中，所述热法超重力海水淡化装置内部的真空度为0.8-0.95atm。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，所述废气排出步骤具体如下：所述冷凝步骤中未冷凝的水蒸气和不凝性气体经由所述换热管进入所述废气分离室，在废气分离室中未冷凝的蒸气与来自海水室的冷海水直接接触以使未冷凝的蒸气被冷海水吸收而液化，从而不凝性气体在所述废气分离室中被浓缩，经浓缩的不凝性气体通过真空设备被抽至所述热法超重力海水淡化装置外。

在上述方法中，所使用的热法超重力海水淡化装置，包括：密封壳体，设有用于容纳旋转运动输出方法的输出轴的连接孔、用于输出浓缩海水的第一出料口、用于输出淡水的第二出料口；旋转床体，位于所述密封外壳内部，呈圆柱状，所述旋转床体的旋转轴线与所述连接孔对应以便于和动力方法输出轴连接；所述旋转床体中包括：海水室，位于所述旋转床体的中心，并延伸出所述密封壳体，用于输入冷海水，以及向圆周外部输出冷海水；换热室，环绕所述海水室分布，用于利用蒸汽加热冷海水，并使蒸汽液化形成露水，所述换热室内设有多个与所述气液交换室连通的换热管，所述换热管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述换热管为多层分布，同层相邻的所述换热管之间设有管间缝隙；所述换热管上设有沿轴向设置的用于避免露水甩出的轴向缝隙，所述换热管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；蒸汽收集室，位于所述换热室外侧，用于收集所述换热室加热冷海水形成的蒸汽，所述蒸汽收集室设有多个与所述气液交换室连通的蒸汽收集管，所述蒸汽收集管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述蒸汽收集管为多层分布，同层相邻的所述蒸汽收集管之间设有管间缝隙；所述蒸汽收集管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙，所述蒸汽收集管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；淡水室，位于所述换热室外侧并和所述蒸汽收集室并排设置，用于收集所述换热室形成的露水并经由所述第二出料口排出，所述淡水室设有多个与所述气液交换室连通的淡水分布管，所述淡水分布管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述淡水分布管为多层分布，同层相邻的所述淡水分布管之间设有管间缝隙；所述淡水分布管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出及甩出露水的轴向缝隙，所述淡水分布管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；气液交换室，靠近所述换热室和淡水室，和所述蒸汽收集室、换热室连通，用于将所述换热室产生的露水输送至所述淡水室，以及将所述蒸汽收集室收集的蒸汽输送至所述换热室；废气分离室，靠近所述换热室远离所述气液交换室并与所述换热室并排设置，且与所述换热室连通，用于浓缩并排出不凝性气体；所述废气分离室设有多个与所述换热室连通的废气排放管，所述废气排放管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述废气排放管为多层分布，同层相邻的所述废气排放管之间设有管间缝隙；所述废气排放管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙，所述废气排放管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；而且所述废气排放管的管径小于所述换热管的管径；供热装置，和所述换热室对应，用于向所述换热室供热；相邻的两层蒸汽收集管之间和相邻的两层淡水分布管之间均设有用于分解液滴的填料。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述海水室为圆柱形空腔体，所述海水室的外端延伸至所述密封壳体外部以输入冷海水；在所述旋转床体中，所述海水室的周围设有通孔以输出冷海水。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述海水室中设有真空吸管，用于吸出废气分离室中的不凝性气体组分和冷海水散发出的低温水蒸气以及保持所述装置的壳体内部处于真空负压状态，所述真空吸管的一端位于所述海水室的里端端面，所述真空吸管的另一端延伸出所述海水室的外端端面。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述换热管的轴向缝隙两侧的管壁向内延伸形成两个延伸缘，两个所述延伸缘之一向另一所述延伸缘上延伸，以避免露水甩出。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述淡水分布管的轴向缝隙两侧的管壁向内延伸形成两个延伸缘，以方便蒸汽逸出及甩出露水。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述蒸汽收集管和淡水分布管一一对应连通；和/或，外侧相应层的所述蒸汽收集管通过所述气液交换室中的独立通道和内侧相应层的换热管连通。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，相邻的两层换热管之间、相邻的两层废气排放管之间也设有用于分解液滴的填料。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述供热装置包括设于所述密封壳体上的高温蒸汽进口和设于所述旋转床体上的加热通道，所述高温蒸汽进口和所述加热通道连通。

在上述方法中，作为所述热法超重力海水淡化装置的一种优选实施方式，所述换热室的一端延伸出所述蒸汽收集室，所述供热装置包括套设于所述换热室的延伸段上的电磁加热套筒和设于所述密封壳体上的相应部位的电磁加热线圈。

由上分析可知，本发明利用超重力技术，在超重力场中实现海水与蒸气之间快速的传热与传质过程进而获得高纯淡水。其中，超重力工程技术的基本原理是利用超重力场条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质、传热过程。对于海水而言，超重力场越大，海水内部的△(ρg)越大，海水液流相对滑移速度也越快。巨大的剪切应力克服了海水自身的表面张力作用，可使海水伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地强化传质与传热过程。由此可见，本发明用于在超重力场中进行低温多效蒸馏以获得淡水时，由于海水与低压蒸气之间可以快速地进行传质与传热过程，可以快速生产出大量高纯淡水，解决现有热法蒸馏技术中存在的高投入、高能耗、低产能等诸多实际问题。相比于现有的低温多效蒸馏方法而言，采用本发明的海水淡化方法在相同设备生产体积下的淡水产量可提高约1至2个数量级以上。

附图说明

图1为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的结构示意图；

图2为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的旋转床体的拓扑结构示意图；

图3为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的旋转床体在蒸汽收集室部分的截面结构示意图；

图4为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的换热管的截面结构示意图；

图5为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的蒸汽收集管的截面结构示意图；

图6为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一的淡水分布管的截面结构示意图；

图7为本发明优选实施例一的废气排放管的截面结构示意图；

图8为本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方法和方法中使用的海水淡化装置做进一步详细说明。

首先介绍本发明方法中使用的海水淡化装置做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明方法中使用的海水淡化装置的优选实施例一包括旋转床体1、密封壳体2和供热装置，在本优选实施例一中，供热装置采用高温蒸汽作为供热方式，和换热室11对应。其中，密封壳体2上设有用于容纳旋转运动输出方法的输出轴3的连接孔（未标记）、用于输入高温蒸汽的进气口21、用于输出浓缩海水的第一出料口23、用于输出淡水的第二出料口22。优选地，密封壳体2的材料选用透磁性、机械性能和耐腐蚀性良好的、无毒、无污染的陶瓷、工程塑料以及各种合金、不锈钢材料或其组合，在连接处所使用的密封圈或密封垫需要具备良好的不透气性能。

旋转床体1呈圆柱状，旋转床体1的旋转轴线10与连接孔对应以便于和动力方法输出轴3连接。动力输出方法的输出轴3的里端固定于旋转床体1的旋转轴线10上，并且靠近旋转床体1的部分，输出轴3为中空结构，用于通过进气口21输入的高温蒸汽，以将高温蒸汽输入旋转床体1中的蒸汽通道210。优选地，旋转床体1所使用的框体材料可选择具备良好的耐腐蚀性能和高机械强度的不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金等材料。

再如图1和图2所示，旋转床体1中设有换热室11、蒸汽收集室12、淡水室13、气液交换室14、海水室15、废气分离室17。其中，海水室15位于旋转床体1的中心，基本沿旋转轴线10延伸，并延伸出密封外壳2，用于从外部输入冷海水，并在旋转床体1旋转时，由于离心力的作用，海水室15中的冷海水甩出，进入至周围的换热室11。换热室11环绕海水室15分布，用于利用来自供热装置的进气口21和蒸汽收集室12的蒸汽加热冷海水，并使蒸汽受冷液化形成露水，冷海水则受热升温蒸发。蒸汽收集室12位于换热室11外侧，用于收集换热室11加热冷海水形成的蒸汽，并将该蒸汽输送至换热室。淡水室13位于换热室11外侧并和蒸汽收集室12并排设置，用于收集经由气液交换室14输送过来的换热室11中形成的露水。此外，淡水室13的角部设有出水口131，淡水首先从出水口131排出，然后经由密封壳体2上的第二出料口22排出至外部。气液交换室14靠近换热室11和淡水室13，和蒸汽收集室12、换热室11连通，用于将换热室11产生的露水输送至淡水室13，以及将蒸汽收集室12收集的蒸汽输送至换热室11。废气分离室17，靠近换热室11但远离气液交换室14并与换热室11并排设置（即废气分离室17紧邻于图2中所示的换热室11的右侧），且与换热室11连通，用于浓缩并排出不凝性气体，所述不凝性气体在废气分离室17中得到浓缩的原理为：换热室11中未冷凝（即未液化）的蒸气和不凝性气体作为废气进入废气分离室，在废气分离室中未冷凝的蒸气与来自海水室15的少量温度较低的海水直接接触，蒸气被海水吸收而液化，从而将未冷凝的蒸气与不凝性气体分离以提高不凝性气体在废气分离室中的浓度。废气分离室中的高浓度不凝性气体可以通过真空设备等将其从本发明的装置中排出。

同排设置的淡水室13与蒸气收集室12之间的体积比在1/10至5/10之间，优选为1/10至3/10之间。同排设置的换热室11和废气分离室17之间的体积比为1/20至1/10之间。

本优选实施例的供热装置采用高温蒸汽方式供热，其包括位于密封壳体2上的进气口21、位于旋转床体1内部的蒸汽通道210和位于换热室11中的加热通道16，优选地，加热通道16为位于换热室11最外层的换热器件，例如图3所示的换热管，用于向换热室11供热。

优选地，如图2所示，海水室15为圆柱形空腔体，其外端延伸至密封壳体2外部，并设有一冷海水进口153，以输入冷海水。在旋转床体1中，海水室15的周围设有通孔150以输出冷海水。实施时，海水室15和密封壳体2之间相对固定，旋转壳体1旋转时，海水室15并不随之旋转，这样可以简化密封结构。当然，在其他实施例中，海水室15和密封壳体2之间采用动密封结构，使海水室15随着旋转床体1转动。

为了避免不凝气体和冷海水散发出的低温水蒸气对本优选实施例一的不利影响并将其排出本发明的装置，如图2所示，本优选实施例一的海水室15中设有真空吸管151，真空吸管151用于吸出不凝性气体组分和冷海水散发出的低温水蒸气同时保持该方法内部的真空状态，真空吸管151的一端位于海水室15的里端端面，另一端延伸出海水室15的外端端面并形成一个抽真空口152。在应用时，可以在抽真空口152处连接真空抽气方法。若从生产淡水的规模进行分类，可以将本优选实施例一分为：小型（≤1m³/d淡水）、中型（1m³/d-100m³/d淡水）、大型（100m³/d-10000m³/d淡水）三种。优选地，与中型和大型机配套使用的真空抽气方法可选用蒸气喷射真空泵，与小型机配套使用的真空抽气方法可选用水循环真空泵。

如图1和图3所示，换热室11设有多个与气液交换室14连通的换热管110，换热管110与旋转床体1的旋转轴线10平行，并且换热管110为多层分布，同层相邻的换热管110之间设有管间缝隙。如图4所示，换热管110上设有沿轴向设置的用于避免露水甩出的轴向缝隙1100，换热管110上的轴向缝隙1100朝向旋转床体1的外侧方向设置，也即，轴向缝隙1100的开口背离旋转轴线10。

换热室11中换热管110的圈数（即层数）为5至50圈，优选为5至30圈。优选地，下述的淡水室13中的淡水分布管130和蒸汽收集室12中的蒸汽收集管120的圈数与换热管110圈数相等。

再如图4所示，换热管110的轴向缝隙1100两侧的管壁向内延伸形成两个延伸缘1101、1102，延伸缘1102的里边向另一延伸缘1101上延伸，形成延伸折缘1103，借此，在旋转床体1转动时，换热管110中的露水可以避免甩出，同时不影响蒸汽从气液交换室14、蒸汽通道210进入换热管110、16的端部。每圈换热管110中，相邻换热管110之间的间距为0mm至1mm之间，优选为0.1mm至0.5mm之间。下述的每圈相邻的蒸气收集管120和每圈相邻的淡水管130之间的间距也如上所述。

优选地，换热管110的材质为导热性好的铝合金、铜合金或钛合金。其直径在5mm至50mm之间，更优选为10mm至20mm之间。为了增大换热面积或提高换热系数，换热管110的外壁和内壁可以刻出横向或纵向各种类型条纹，这些条纹可以是波浪纹、螺纹等，条纹可以是横向或纵向条纹。

如图1和图2所示，蒸汽收集室12设有多个与气液交换室14连通的蒸汽收集管120，蒸汽收集管120与旋转床体1的旋转轴线10平行，并且蒸汽收集管120也为多层分布，同层相邻的蒸汽收集管120之间设有管间缝隙。如图5，蒸汽收集管120上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙1200，蒸汽收集管120上的轴向缝隙1200朝向旋转床体1的外侧方向设置，也即，轴向缝隙1200的开口背向旋转轴线10。

如图1所示，淡水室13设有多个与气液交换室14连通的淡水分布管130，在本优选实施例一中，蒸汽收集管120通过淡水分布管130和气液交换室14连通。淡水分布管130与旋转床体1的旋转轴线10平行，并且淡水分布管130为多层分布，同层相邻的淡水分布管130之间设有管间缝隙。如图6，淡水分布管130上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出及甩出露水的轴向缝隙1300，轴向缝隙1300朝向旋转床体1的外侧方向设置，也即，轴向缝隙1300的开口背向旋转轴线10。

优选地，如图6，淡水分布管130的轴向缝隙1300两侧的管壁向内延伸形成两个延伸缘1301、1302，以方便蒸汽逸出及甩出露水。

如图1所示，废气分离室17设有多个与换热室连通的废气排放管170，废气排放管170与旋转床体1的旋转轴线10平行，并且废气排放管170也为多层分布，同层相邻的废气排放管170之间设有管间缝隙。如图7，废气排放管170上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙1700，废气排放管170上的轴向缝隙1700朝向旋转床体1的外侧方向设置，也即，轴向缝隙1700的开口背向旋转轴线10。而且废气排放管170的管径小于换热管110的管径，这样有利于将换热管110中的废气吸入废气排放管170。

优选地，蒸汽收集管120、废气排放管170和淡水分布管130的材质可选用机械性能和耐热性能良好的、无毒、无腐蚀、无污染的钢管、各种合金管、陶瓷管和塑料管。蒸汽收集管120和淡水分布管130的直径在5mm至50mm之间，更优选为10mm至20mm之间。废气排放管170的直径2-10mm，更优选为5-8mm。

如图1所示，蒸汽收集管120和淡水分布管130一一对应连通，外侧相应层的蒸汽收集管120通过气液交换室中的独立通道140和内侧相应层的换热管110连通，例如最外圈层的外侧第一层蒸汽收集管120通过相应的淡水分布管130、用于气液交换的独立通道140与内侧第一层换热管110连通。因为不同圈层的各类管子中气液温度、压力基本不相同。

再如图1所示，相邻的两层换热管110之间、相邻的两层蒸汽收集管120之间、相邻的两层废气排放管170之间和相邻的两层淡水分布管130之间均设有用于分解液滴的填料4。优选地，填料4为网状填料，该网状填料可以是耐海水腐蚀的不锈钢金属丝网、各种合金制成的金属丝网、高分子纤维织成的丝网，优选为无毒、无污染的高分子纤维织成的丝网，在换热室11中所使用的网状填料目数在100目至1000目之间，优选为200目至700目之间，在淡水室13、废气分离室17和蒸气收集室12中所使用的网状填料目数在5目至1000目之间。

在本发明方法中使用的海水淡化装置优选实施例一中，当外界输入的热量是蒸汽，密封壳体2上的多个部位采用动密封结构。图8示出的优选实施例二与图1所示优选实施例一的显著区别在于供热装置的不同，外界输入的热量是以电能的形式，密封壳体2采用静密封结构。为了适应供热装置的变化，废气分离室17一端不再与蒸汽收集室12平齐，而是换热室11延伸出蒸汽收集室12，供热装置则包括套设于换热室11的延伸段上的电磁加热套筒51和设于密封壳体2上的相应部位的电磁加热线圈52。此外，优选实施例二的旋转床体1的驱动机构也与图1所示的优选实施例一不同，其采用一台磁力传动机，该传动机由外磁转子62、内磁转子61及导磁的隔离套（未标记）组成，当电动机的输出轴3带动外磁转子62旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与旋转床体1相连的内磁转子61作同步旋转，实现动力的无接触同步传递，将容易泄露的动密封结构转化为零泄漏的静密封结构。

接下来对使用上述海水淡化装置进行海水淡化的方法进行详细说明。

该方法的基本原理如下：密封壳体1内部处于抽真空负压状态，不凝性惰性气体组分的含量非常低，在外部电机的带动下，内部的旋转床体1可做高速的离心转动。冷海水首先进入旋转床体1中心处的海水室15，并被喷出，以无数小液滴的形式均匀喷洒在换热室11最内圈的换热管110外壁上，冷海水被换热管110内壁的高温蒸汽加热升温，并顺着换热管110之间缝隙被甩向外圈换热管110外壁上，每甩落到一圈换热管110的外壁上，海水温度就会升高一些，当海水从最外圈换热管16（即加热通道16）外壁上被甩落到换热室11外壁上时，海水温度达到最高。高温海水从换热室11汇流进入蒸汽收集室12，从第1圈蒸汽收集管120之间的缝隙中被高速甩出，溅落到第一圈填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，小液滴快速蒸发产生大量水蒸气并降温，水蒸气被抽进第1圈蒸汽收集管120内，温度降低的小液滴顺着下一圈蒸汽收集管120的管间缝隙流出，并进一步溅落到相应圈的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，经过各圈的蒸发，水蒸气被收集于各蒸汽收集管120内，由于蒸汽收集管120间的管间缝隙很小，海水可将其完全液封阻止蒸汽从管间缝隙中向下流出。海水每流经一圈蒸汽收集管120，其温度就降低一些，当流经最外一圈蒸汽收集管120时，其温度降至蒸汽收集室12中最低的温度。各圈蒸汽收集管120内蒸汽压力均不相等，内圈的蒸汽温度和压力比外圈的蒸汽温度和压力高，各圈蒸汽首先经淡水分布管130进入气液交换室14相对应的独立通道140，沿着独立通道140进入换热室11相对应的一圈换热管110中释放出潜热冷凝形成露水，露水沿原路返回进入淡水室13对应的一圈淡水分布管130中，从淡水分布管130中流出均匀地洒落到淡水分布管130外层的填料网中被打碎成无数小液滴，散发出一些水蒸气而降温，小液滴汇流后顺着下一圈淡水分布管130的缝隙流出，并进一步洒落到相应圈外层的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，最后都经由最外圈的淡水分布管130的管间缝隙流出，并汇流至出水口131，最后由用于排出淡水的第二出料口22流出。浓缩之后的浓海水则经由蒸汽收集室12最外侧的出水口121、密封壳体2上的第一出料口23排出。淡水分布管130之间的管间缝隙也很小，淡水可将其完全液封阻止蒸汽从管间缝隙中流出。换热室11中未冷凝的蒸气和不凝性气体作为废气经换热管110末端进入到管径较小的废气排放管170中，废气从排放管170出来后迅速与温度较低的海水直接接触，蒸气被海水吸收，海水被蒸气加热升温，不凝性气体在蒸气分离室中的浓度不断升高，最终被真空吸管吸出。

在运行时，还可以用真空泵将生成的淡水和浓海水抽出，并通过淡水或浓海水自身的液封功能保证水蒸气不被抽出。

当换热室中的热源即外界输入的热量是高温蒸汽，则高温纯水蒸气可以进入最外圈的换热管16中用于加热海水，使之温度达到最高。当外界输入的热量是电力供热，则用于加热换热室11中的高温海水，使之温度进一步升高后再进入到蒸汽收集室12中。

优选地，冷海水先进行过滤，去除掉海水中所含有的生物质、固体、胶体成分后在进入所述海水淡化装置。在超重力海水淡化过程中，换热室11中的超重力水平在50g（g表示正常重力场强度9.8m/s²）至1000g范围之间，优选为200g至600g之间，蒸汽收集室12、废气分离室17、气液交换室14和淡水室11中的超重力水平在250g至5000g之间，优选为400g至2000g之间。

此外，当热源是高温蒸汽时，从进气口21进入海水淡化装置内部用于加热的纯水高温蒸汽绝对压力为0.5atm至1.5atm，优选为0.5atm至1.0atm，蒸汽温度在70℃至120℃之间，优选为75℃至100℃之间。

为了使本领域技术人员更清楚了解本发明，下面再描述两个具体实施例。

实施例1

一台大型船舶用中型热法超重力海水淡化机，其内部基本结构可参照图1所示，密封方式为动密封，加热方式为高温蒸汽加热，旋转床体内部换热室中换热管材质为铝合金，换热管圈数为20圈，换热管长度为1米，换热管内径为20毫米，换热管所围成的最小管圈的直径为30厘米，蒸汽收集管、废气排放管和淡水分布管的材质以及丝网填料均选用对人体没有毒性的高分子塑料制成，淡水室与蒸汽收集室体积比为3/10，换热室11和废气分离室17之间的体积比为1/20，旋转床体最大转速为50赫兹。

采用上述海水淡化装置的热法超重力海水淡化方法具体如下：首先开启真空泵对海水淡化装置内部进行抽真空操作，其真空度控制在0.9atm左右，紧接着向内部以100L/s的流量通入高温纯水蒸气，用于驱逐海水淡化机内部的不凝性气体组分并使旋转床体开始预热；然后启动旋转床体，在外部电机的带动下，使其转速逐渐增加至正常运行所需要的转速，保持换热室11中的超重力水平在500g左右，蒸汽收集室12、气液交换室14、废气分离室17和淡水室11中的超重力水平在1000g左右；紧接着开启与冷海水进口153连接的海水入口阀门使经过滤后纯净的冷海水以20L/s的稳定流量进入海水室内部，然后开启与第一出料口23连接的浓海水出口阀门并开大高温纯水蒸气进气口21的阀门，使蒸汽以500L/s的流量进入旋转床体中，最后开启与第二出料口22连接的淡水出口阀门。该热法超重力海水淡化装置进入正常运行状态的时间约为5分钟。进入海水淡化装置的冷海水首先进入旋转床体1中心处的海水室15，并被喷出，以无数小液滴的形式均匀喷洒在换热室11最内圈的换热管110外壁上，冷海水被换热管110内壁的高温蒸汽加热升温，并顺着换热管110之间缝隙被甩向外圈换热管110外壁上，每甩落到一圈换热管110的外壁上，海水温度就会升高一些，当海水从最外圈换热管16（即加热通道16）外壁上被甩落到换热室11外壁上时，海水温度达到最高。然后高温海水从换热室11汇流进入蒸汽收集室12，从第1圈蒸汽收集管120之间的缝隙中被高速甩出，溅落到第一圈填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，小液滴快速蒸发产生大量水蒸气并降温，水蒸气被抽进第1圈蒸汽收集管120内，温度降低的小液滴顺着下一圈蒸汽收集管120的管间缝隙流出，并进一步溅落到相应圈的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，经过各圈的蒸发，水蒸气被收集于各蒸汽收集管120内。然后各蒸汽收集管120中的水蒸汽经淡水分布管130进入气液交换室14相对应的独立通道140，沿着独立通道140进入换热室11相对应的一圈换热管110中释放出潜热冷凝形成露水，露水沿原路返回进入淡水室13对应的一圈淡水分布管130中，从淡水分布管130中流出均匀地洒落到淡水分布管130外层的填料网中被打碎成无数小液滴，散发出一些水蒸气而降温，小液滴汇流后顺着下一圈淡水分布管130的缝隙流出，并进一步洒落到相应圈外层的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，最后经由最外圈的淡水分布管130的管间缝隙流出，并汇流至出水口131，最后由用于排出淡水的第二出料口22流出。浓缩之后的浓海水则经由蒸汽收集室12最外侧的出水口121、密封壳体2上的第一出料口23排出。换热室11的换热管110中未冷凝的蒸气和不凝性气体作为废气经换热管110末端进入到管径较小的废气排放管170中，废气从排放管170出来后迅速与来自海水室15的较少的温度较低海水直接接触，蒸气被海水吸收而液化，海水被蒸气加热升温，这样不凝性气体在蒸气分离室中的浓度不断升高，最终被真空吸管吸出。当获得足够多的淡水后关闭该海水淡化装置，其关闭程序是：先关闭高温纯水蒸气进口阀门，再关闭冷海水进口阀门，然后关闭淡水出口阀门和浓海水出口阀门，最后逐渐降低旋转床体转速至完全停止。

实施例2

一台小型渔船用小型热法超重力海水淡化机，其内部基本结构可参照图8所示，密封方式为静密封，加热方式为电磁加热，旋转床体内部换热室中换热管材质为铝合金，换热管圈数为5至10圈，换热管长度为0.2米，换热管内径为8毫米，换热管所围成的最小管圈的直径为5厘米，蒸汽收集管、废气排放管和淡水分布管的材质以及丝网填料均选用对人体没有毒性的高分子塑料制成，淡水室与蒸汽收集室体积比为1/10，换热室11和废气分离室17之间的体积比为1/20，旋转床最大转速为50赫兹。

采用上述海水淡化装置的热法超重力海水淡化方法具体如下：首先开启真空泵对内部进行抽真空操作，其真空度控制在0.9atm左右；然后启动旋转床体，在外部电机的带动下，使其转速逐渐增加至正常运行所需要的转速，保持换热室11中的超重力水平在100g左右，蒸汽收集室12、气液交换室14、废气分离室17和淡水室11中的超重力水平在500g左右；再开启淡水出口阀门和浓海水出口阀门，紧接着开启海水入口阀门使经过滤后纯净的冷海水以0.5L/s的流量进入海水室内部，然后开启电磁加热装置，使冷海水受热温度升高，将冷海水进口流量逐渐调至2L/s，该热法超重力海水淡化装置进入正常运行状态的时间约为5分钟。进入海水淡化装置的冷海水首先进入旋转床体1中心处的海水室15，并被喷出，以无数小液滴的形式均匀喷洒在换热室11最内圈的换热管110外壁上，冷海水在换热室11中被加热。然后高温海水从换热室11汇流进入蒸汽收集室12，从第1圈蒸汽收集管120之间的缝隙中被高速甩出，溅落到第一圈填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，小液滴快速蒸发产生大量水蒸气并降温，水蒸气被抽进第1圈蒸汽收集管120内，温度降低的小液滴顺着下一圈蒸汽收集管120的管间缝隙流出，并进一步溅落到相应圈的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，经过各圈的蒸发，水蒸气被收集于各蒸汽收集管120内。然后各蒸汽收集管120中的水蒸汽经淡水分布管130进入气液交换室14相对应的独立通道140，沿着独立通道140进入换热室11相对应的一圈换热管110中释放出潜热冷凝形成露水，露水沿原路返回进入淡水室13对应的一圈淡水分布管130中，从淡水分布管130中流出均匀地洒落到淡水分布管130外层的填料网中被打碎成无数小液滴，散发出一些水蒸气而降温，小液滴汇流后顺着下一圈淡水分布管130的缝隙流出，并进一步洒落到相应圈外层的填料网（填料4）中被打碎成无数微小液滴，最后经由最外圈的淡水分布管130的管间缝隙流出，并汇流至出水口131，最后由用于排出淡水的第二出料口22流出。浓缩之后的浓海水则经由蒸汽收集室12最外侧的出水口121、密封壳体2上的第一出料口23排出。换热室11的换热管110中未冷凝的蒸气和不凝性气体作为废气经换热管110末端进入到管径较小的废气排放管170中，废气从排放管170出来后迅速与来自海水室15的较少的温度较低海水直接接触，蒸气被海水吸收而液化，海水被蒸气加热升温，这样不凝性气体在蒸气分离室中的浓度不断升高，最终被真空吸管吸出。当获得足够多的淡水后关闭该海水淡化装置，其关闭程序是：先关闭高温纯水蒸气进口阀门，再关闭冷海水进口阀门，然后关闭淡水出口阀门和浓海水出口阀门，最后逐渐降低旋转床体转速至完全停止。运行一段时间获得足够量的淡水后关闭。其关闭程序是：先关闭电磁加热方法，再关闭冷海水进口阀门，然后关闭淡水出口阀门和浓海水出口阀门，最后逐渐降低旋转床体转速至完全停止。

采用现有低温多效蒸馏法对海水进行淡化，能耗约为7kWh/m³，由于传热系数低、蒸气的比容较大导致设备的生产能力很低。而采用实施例2记载的方法对海水进行淡化的，可以使单位设备制造淡水的能力显著提高2个数量级左右，其根本原因在于水蒸气流通面积大增，水蒸气流通路径显著缩短，超重力场条件下换热壁面两侧的传热系数明显提高，另外制造淡水的单位能耗也会随着单机产能的提高而显著降低，并显著降低总体设备的投资费用。

综上，本发明提供的一种热法超重力海水淡化方法，用于在超重力场中进行低温多效蒸馏以获得淡水，在本发明中，由于海水与低压蒸气之间可以快速地进行传质与传热过程，因此，可以快速生产出大量高纯淡水，解决现有热法蒸馏技术中存在的高投入、高能耗、低产能等诸多实际问题。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种热法超重力海水淡化方法，其特征在于，该方法通过热法超重力海水淡化装置来完成，

所述热法超重力海水淡化装置包括：密封壳体，设有用于容纳旋转运动输出方法的输出轴的连接孔、用于输出浓缩海水的第一出料口、用于输出淡水的第二出料口；旋转床体，位于所述密封壳体内部，呈圆柱状，所述旋转床体的旋转轴线与所述连接孔对应以便于和所述输出轴连接；所述旋转床体中包括：海水室，位于所述旋转床体的中心，并延伸出所述密封壳体，用于输入冷海水，以及向圆周外部输出冷海水；换热室，环绕所述海水室分布，用于利用蒸汽加热冷海水，并使蒸汽液化形成露水，所述换热室内设有多个与气液交换室连通的换热管，所述换热管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述换热管为多层分布，同层相邻的所述换热管之间设有管间缝隙；所述换热管上设有沿轴向设置的用于避免露水甩出的轴向缝隙，所述换热管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；蒸汽收集室，位于所述换热室外侧，用于收集所述换热室加热冷海水形成的蒸汽，所述蒸汽收集室设有多个与所述气液交换室连通的蒸汽收集管，所述蒸汽收集管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述蒸汽收集管为多层分布，同层相邻的所述蒸汽收集管之间设有管间缝隙；所述蒸汽收集管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙，所述蒸汽收集管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；淡水室，位于所述换热室外侧并和所述蒸汽收集室并排设置，用于收集所述换热室形成的露水并依次经由在所述淡水室的角部设置有的淡水排出口和所述第二出料口排出，所述淡水室设有多个与所述气液交换室连通的淡水分布管，所述淡水分布管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述淡水分布管为多层分布，同层相邻的所述淡水分布管之间设有管间缝隙；所述淡水分布管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出及甩出露水的轴向缝隙，所述淡水分布管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；气液交换室，靠近所述换热室和淡水室，和所述蒸汽收集室、换热室连通，用于将所述换热室产生的露水输送至所述淡水室，以及将所述蒸汽收集室收集的蒸汽输送至所述换热室；废气分离室，靠近所述换热室远离所述气液交换室并与所述换热室并排设置，且与所述换热室连通，用于浓缩并排出不凝性气体；所述废气分离室设有多个与所述换热室连通的废气排放管，所述废气排放管与所述旋转床体的旋转轴线平行，并且所述废气排放管为多层分布，同层相邻的所述废气排放管之间设有管间缝隙；所述废气排放管上设有沿轴向设置的用于方便蒸汽逸出的轴向缝隙，所述废气排放管上的轴向缝隙朝向所述旋转床体的外侧方向设置；而且所述废气排放管的管径小于所述换热管的管径；供热装置，和所述换热室对应，用于向所述换热室供热；相邻的两层蒸汽收集管之间和相邻的两层淡水分布管之间均设有用于分解液滴的填料，

所述热法超重力海水淡化方法包括如下步骤：

对热法超重力海水淡化装置内部进行抽真空处理步骤；

使旋转床体围绕旋转轴线转动并保持所述旋转床体的换热室、蒸汽收集室、气液交换室、淡水室和废气分离室处于超重力稳态的步骤；

所述各圈蒸汽收集管中的水蒸气经淡水室中相对应的淡水分布管进入气液交换室中相对应的独立通道，然后进入换热室内各相应换热管中，并与喷入换热室的冷海水换热，从而水蒸气被冷凝形成露水的水蒸气冷凝步骤；

所述水蒸气冷凝步骤中未冷凝的水蒸气和不凝性气体经由所述换热管进入所述废气分离室，而且不凝性气体在所述废气分离室中被浓缩并排出所述热法超重力海水淡化装置的废气排出步骤；

所述水蒸气冷凝步骤中经换热的海水所产生的蒸气重复循环所述水蒸气收集步骤、水蒸气冷凝步骤、淡水回收步骤和废气排出步骤，最终得到所需的淡水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换热室中的超重力水平在50g至1000g范围之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换热室中的超重力水平在200g至600g之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽收集室、所述气液交换室、所述废气分离室和所述淡水室中的超重力水平在250g至5000g之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述蒸汽收集室、所述气液交换室、所述废气分离室和所述淡水室中的超重力水平在400g至2000g之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供热装置以纯水高温蒸汽或者电能方式供热；当供热装置以纯水高温蒸汽方式供热时，所述纯水高温蒸汽的绝对压力为0.5atm至1.5atm，所述纯水高温蒸汽的温度在70℃至120℃之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述纯水高温蒸汽的绝对压力为0.5atm至1.0atm，所述纯水高温蒸汽的温度在75℃至100℃之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水蒸气收集步骤具体如下：经换热室加热的海水汇流进入蒸汽收集室后从最内圈的蒸汽收集管的管间缝隙中被甩出并溅落到最内圈的蒸汽收集管外层的填料网上并被打碎成无数微小液滴，所述微小液滴快速蒸发产生大量水蒸气并降温，水蒸气被抽进最内圈的蒸汽收集管内，而温度降低的微小液滴经下一外圈蒸汽收集管的管间缝隙流出并溅落到相应圈蒸汽收集管外层的填料网上而实现进一步的蒸发和降温，经该进一步蒸发而得到的水蒸气被抽进相应圈蒸汽收集管中，最后直至最外圈蒸汽收集管中收集到水蒸气。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淡水回收步骤具体如下：所述露水经气液交换室中相对应的独立通道返回至所述淡水室中的相对应的淡水分布管，然后淡水从淡水分布管的轴向缝隙中流出并均匀地洒落到相应淡水分布管外层的填料网中而被打碎成无数小液滴，散发出一些水蒸气后得到降温，所述小液滴汇流后再经下一个外圈淡水分布管和该下一个外圈淡水分布管外层的填料网继续降温，最后经由最外圈的淡水分布管的管间缝隙流出并由淡水排出口排出。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷海水进入所述热法超重力海水淡化装置时的稳定流速为1-3m/s；在所述抽真空处理步骤中，所述热法超重力海水淡化装置内部的真空度为0.8-0.95atm。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气排出步骤具体如下：所述水蒸气冷凝步骤中未冷凝的水蒸气和不凝性气体经由所述换热管进入所述废气分离室，在废气分离室中未冷凝的蒸气与来自海水室的冷海水直接接触以使未冷凝的蒸气被冷海水吸收而液化，从而不凝性气体在所述废气分离室中被浓缩，经浓缩的不凝性气体通过真空设备被抽至所述热法超重力海水淡化装置外。