CN104261498B - 一种波浪能驱动的海水温差能海水淡化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能驱动的海水温差能海水淡化装置和方法，包括浮箱，浮箱内置有后弯管，其后端位于海水面以下，前端伸出海平面并连接空气透平，空气透平分别驱动真空泵、冷源抽水泵；浮箱上设有闪蒸器、冷凝器、淡水箱和若干管路，闪蒸器连接有温源入水管道和排水管道，闪蒸器通过蒸汽管连通冷凝器再通过管路连通淡水箱，冷凝器内设有冷凝管并连通冷源入水管道和排水管道，淡水箱是连通真空泵的密封箱并设有淡水排水管，冷源抽水泵设在冷源入水管道上，且冷源入水管道的入口海水温度低于温源入水管道的入口海水温度。本发明装置具有移动性，可广泛应用于海水温差大于10℃的海域，充分将海水中蕴藏的波浪能和温差能应用到海水淡化中，提高了装置性价比。

Description

一种波浪能驱动的海水温差能海水淡化装置及方法
技术领域
本发明主要涉及海洋能海水淡化技术领域。
背景技术
海水淡化是解决水资源危机的有效方法。按分离过程分类,海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。蒸馏法是海水加热后将产生的蒸汽凝缩而得到淡水的一种方法，设备简单可靠，水质较高，是最早采用的、最成熟的海水淡化技术。膜法海水淡化技术是指用天然或人工合成的高分子薄膜,以外界能量或化学位差为推动力将海水溶液中盐分和水分离的方法。由于过程中不存在相变,能量消耗较少,是目前海水淡化方法中最具潜力的方法之一。无论是蒸馏法、反渗透海水淡化技术或是其它方法,都是以消耗能源作为代价来换取淡水的技术。近年来,为了减少或替代常规能源，以风能、太阳能为代表的可再生能源海水淡化技术已经在全球各个国家得到广泛应用,此外以潮汐能、波浪能、温差能等海洋可再生能源的海水淡化技术也广泛受到重视,各国都在加快研究步伐。采用成熟的海水淡化技术与海洋能结合,在远离大陆的海岛或海面等特定场合,靠自身丰富的海洋能即可解决淡水供应问题,而不必远途运输淡水或输送能源,减少或取消对外来能源的依靠,同时不产生能源的二次污染,对于在恶劣海洋环境下保障供给、保护海洋环境等具有重要意义。
我国作为一个有300万平方公里的海洋大国,海域上散布着众多的海岛和岛群,据初步统计,面积500 m2以上的岛屿就有6900多个,面积500 m2以下的海岛和岩礁近万个。水资源短缺是海岛开发建设的瓶颈,海水淡化是解决海岛水资源短缺的根本途径。研究发展不同技术类型的小型海水淡化装置,是加强国防、维护国家权益和加快海岛开发建设及经济发展的重要需求。另外,小型淡化装置还可用于舰船、石油钻井平台等场合,为远海资源开发、深海油气探测、海洋科学考察、海洋维权等提供充足淡水资源。
海水温度随水深增加而降低，作为温差能利用装置的温、冷源海水来自于海洋表面海水和海洋表面下的海水。在表面海水温度不变的条件下，海水温差越大，冷源海水的取水口就越深，海洋施工困难就越多、费用就越高，但输出的能量也相应增加，目前温差发电实际应用中要求温差在20℃以上；海水温差要求低，冷源海水的取水口就浅，海洋施工就容易、海洋工程费用就低，但输出的能量小，小到有可能不能维持装置自身运转。因此提出低温差要求而又能维持装置正常工作的设想和方法对于提高装置的性价比、拓宽温差能时空利用范围具有重要的意义。
发明内容
本发明提供一种海洋波浪能驱动的海洋温差能海水淡化装置，该装置结构简单，便于制作，可移动，充分利用了波浪能和温差能，提高了装置的能量来流密度、降低了装置对海水温差的要求，扩展了装置的时空使用范围，主要生产淡水，兼顾输出照明等自耗电力。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
本发明主要由负压闪蒸设备和波浪能俘获设备组成，是一种波浪能启动和驱动的海水温差海水淡化装置，包括浮箱，还包括后弯管、空气透平、真空泵、闪蒸器、温源排水泵、冷凝器、冷源抽水泵、淡水箱、淡水排水泵和若干管路，所述浮箱内置有后弯管，后弯管的后端位于海水面以下，后弯管的前端伸出海平面并且该端口连接空气透平，空气透平分别驱动真空泵、温源排水泵、冷源抽水泵、淡水排水泵；所述浮箱是一个浮力平台，平台上设有闪蒸器、冷凝器、淡水箱和若干管道，所述闪蒸器连接有温源入水管道、温源排水管道，闪蒸器通过蒸汽管连通冷凝器，所述冷凝器内的冷凝管连接有冷源入水管道和冷源排水管道，所述淡水箱是一个连通冷凝器的密封箱并连接有淡水排水管，所述真空泵与淡水箱连通，所述温源排水泵设在闪蒸器温源排水管道上，淡水排水泵设在淡水箱的淡水排水管上，冷源抽水泵设在冷凝器的冷源入水管道上，且冷源入水管道的入口海水温度低于温源入水管道的入口海水温度。
由于后弯管的入水口位于海水面以下，海水表面蕴藏的波浪能推动弯管内的水柱往复运动，因而振荡水柱推动后弯管气室内空气运动，空气推动空气透平转动，空气透平进而驱动真空泵抽真空，此处需要注意的是，由于真空泵是连通淡水箱，而淡水箱连通冷凝器，冷凝器又连通闪蒸器，因此抽真空会使闪蒸器内气压降低。因而温源海水从闪蒸器入水管进入闪蒸器内，且同时空气透平可驱动温源排水泵，以使闪蒸器内的温源海水实现循环，海水在真空泵提供的负压环境下即可完成闪蒸以形成蒸汽，且受冷凝器管程的低温影响，冷凝器壳程的真空度比闪蒸器的真空度低，因而闪蒸器内的蒸汽会进入到冷凝器进行冷凝，进而形成淡水进入淡水箱中。淡水箱中的淡水是通过空气透平驱动的淡水排水箱排出的。因为该海水淡化装置中的流体输送是利用波浪能直接驱动的，不需要蒸汽管内蒸汽流动输出的动力，因此该海水淡化技术可使温源海水和冷源海水温差要求很低，技术上低至10℃可生产淡水。该方法使得装置结构简单，充分利用了波浪能和温差能，提高了装置的能量来流密度和性价比，降低了能耗。本发明中冷源管道入水口处的冷源海水温度低于闪蒸器入水管道的入水口处的温源海水温度，优选是低至10℃。本发明相较于以往技术中温差能的应用，例如温差能发电的最低温差要求为20℃，而本发明生产淡水的温差可降到10℃，这比温差能发电的最低温差要求小10℃，极大拓宽了温差能利用范围，使海洋温差能的技术可开发量得到大幅度提高，意义重大。
所述闪蒸器设有自动控制水位的浮球阀。
所述后弯管或浮箱是一个可提供动力的移动结构物，可通过锚泊系统系留于海面上。锚泊系统可使本海水淡化装置便于固定和移动。
所速浮箱上还可设有发电装置，发电装置由空气透平驱动。
本发明的主要目的是利用上述装置提供一种海水淡化方法，该方法可广泛应用于波浪能及温差能丰富的海域。
本发明海水淡化方法，包括以下步骤：
A.通过后弯管利用波浪能驱动空气透平，空气透平驱动真空泵进行抽真空，使表面温源海水受大气压作用从闪蒸器温源入水管道进入到闪蒸器内，使温海水于闪蒸器内在负压下转化成蒸汽；
B.空气透平驱动冷源抽水泵动作，不断通过冷源入水管道抽取冷源海水流过冷凝器内的冷凝管；
C.闪蒸器内的蒸汽在冷源海水造成的压力差作用下被抽吸到冷凝器中，凝结为淡水存入密闭的淡水箱内，淡水可由淡水排水泵作用通过淡水排水管取出。
本发明海水淡化方法还可包括如下步骤：通过一个浮球阀自动控制闪蒸器内海水的最低液位和最高液位，使闪蒸器内温源海水的液位位于最低液位和最高液位之间。闪蒸器内浓温源海水可通过空气透平驱动的温源排水泵排出，实现温源海水循环。
所述闪蒸器内温源海水交换可通过空气透平驱动的温源排水泵和真空泵的共同作用进行。
与以往技术相比，本发明所带来的有益效果为：
1.本发明采用波浪能启动代替外来动力启动，不仅节能减排，而且提高了工作效能(在环境恶劣的海面上不受外来动力缺乏的影响)，有波浪就能使装置工作，结构简单，可做到小型化；
2.本发明就地取材，直接利用波浪能驱动真空泵、冷源抽水泵、温源排水泵和淡水排水泵，其能量转换方式为： 真空泵、冷源抽水泵、温源排水泵和淡水排水泵的有用功，减少了发电和用电环节，提高了系统转换效率，降低了设备成本；
3.本发明采用闪蒸原理，但不需要耗能以加热温源海水，温源海水在波浪能真空泵提供的负压环境下闪蒸，充分利用可再生的波浪能和温差能；
4.本发明为海洋温差能利用系统提供了漂浮式作业平台，与岸式作业平台相比，大大缩短了冷海水管的长度，减少了设备费用，提高了温差能利用工程的可行性，实现低成本开发和移动性，满足移动用户的需求；
5.本发明充分利用了海水的温差能，且相较于以往技术中温差能的应用，例如温差能发电的最低温差要求为20℃，而本发明生产淡水的温差可降到10℃，这比温差能发电的最低温差要求小10℃，极大拓宽了温差能利用范围，使海洋温差能的技术可开发量得到大幅度提高，意义重大。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
附图标记：1、后弯管；2、空气透平；3、传动装置；4、闪蒸器；5、温源排水泵；6、温源排水管道；7、温源入水管道；8、蒸汽管；9、冷源抽水泵；10、冷源入水管道；11、冷凝器；12、淡水箱；13、真空泵；14、冷源排水管道；15、浮箱平台；16、锚泊系统；17、淡水排水泵；18、淡水排水管道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明：
如图1所示，本发明的海水淡化装置包括有漂浮在海水面上的浮箱15，浮箱15上设有闪蒸器4、冷凝器11、淡水箱12及后弯管1，闪蒸器4上连接有温源入水管道7和温源排水管道6，且温源排水管道6上设有温源排水泵5，冷凝器11通过蒸汽管道8与闪蒸器4连通，淡水箱12与冷凝器11连通，且淡水箱12连通真空泵13和淡水排水泵17。后弯管1的入水口位于海水面以下，后弯管1的上部伸出海水面且后弯管1的上部端口处连接有空气透平2，空气透平2分别通过传动装置3与温源排水泵5、冷源抽水泵9、真空泵13及淡水排水泵17连接。另外，冷源入水管道10通入海水面以下，冷源入水管道10的入水口处的海水温度比温源入水管道7的入水口处的海水温度至少低10℃。冷源入水管道10与冷源排水管道14连通冷凝器11内的冷凝管。
下面举例说明本装置的具体工作过程：若温源入水管道7的入水口处海水温度为25℃、冷源管道入水口10处的海水温度为15℃，真空泵13对闪蒸器4抽真空以使闪蒸器4内的压力为2.3kPa，此时闪蒸器4内的饱和蒸汽温度为20℃，由于温源入水管道7的进水温度为25℃，因而温源入水管道7的进水过热度为5℃，进入闪蒸器4的海水会在闪蒸器4内迅速蒸发，产生的湿饱和蒸汽温度约为20℃，同时产生不凝结气体，闪蒸器4内的蒸汽和不凝结气体被抽吸到冷凝器11中(冷凝器11壳程初始真空度与闪蒸器4一致，由于其管程的深层海水温度低，因而冷凝器11壳程的真空度进一步降低，导致冷凝器11与闪蒸器4之间存在压力差，使冷凝器11形成对闪蒸器4的抽吸作用)，此时冷凝器11上冷源入水管道10的入口海水温度为15℃、冷源排水管道14的出口海水温度为18℃，因而蒸汽通过冷凝器11时凝结为淡水流入淡水箱12内，不凝结气体被真空泵13抽出，相变过程温度保持为20℃，此时冷凝器11换热算术平均温差为3.5℃。综上，冷源入水管道10的入口海水温度比温源入水管道7的入口海水温度低10℃时，该温差能即可被应用于本装置中实现海水淡化。温差越大，产淡水量越多。
再者，空气透平2、真空泵13、温源排水泵5、冷源抽水泵9和淡水排水泵17位于均位于浮箱平台15上，便于维修和更换。
浮箱15通过锚泊系统16系留于海面上。锚泊系统16可使本海水淡化装置便于固定和移动。
基于上述装置的海水淡化方法包括以下步骤：通过后弯管1利用波浪能驱动空气透平2，空气透平2驱动真空泵13进行抽真空，使海水受大气压作用从温源入水管道7进入到闪蒸器4内，海水在闪蒸器4内转化成蒸汽；空气透平2驱动冷源抽水泵9动作，使冷源入水管道10不断抽取低温海水进入冷凝器11内的冷凝管冷凝蒸汽。闪蒸器4内的蒸汽被不断抽吸到冷凝器11中，在冷凝器11中凝结为淡水流入淡水箱12内，淡水箱12内的淡水通过淡水排水泵17排出供用户使用。
此外，闪蒸器内温源海水量和交换是通过浮球阀自动控制和空气透平2驱动温源排水泵5和真空泵13共同作用实现的。
本装置和方法可广泛应用于波浪能和温差能丰富的海域，充分将海域中蕴藏的波浪能和温差能应用到海水淡化中，满足广大用户的需求。
上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种海水温差能海水淡化装置，包括浮箱、其特征在于：还包括后弯管、空气透平、真空泵、闪蒸器、温源排水泵、冷凝器、冷源抽水泵、淡水箱、淡水排水泵和若干管路，所述浮箱内置有后弯管，后弯管的后端位于海水面以下，后弯管的前端伸出海平面并且该后弯管的前端连接空气透平，空气透平分别驱动真空泵、温源排水泵、冷源抽水泵、淡水排水泵；所述浮箱是一个浮力平台，平台上设有闪蒸器、冷凝器、淡水箱和若干管道，所述闪蒸器连接有温源入水管道、温源排水管道，闪蒸器通过蒸汽管连通冷凝器，所述冷凝器内的冷凝管连接有冷源入水管道和冷源排水管道，所述淡水箱是一个连通冷凝器的密封箱并连接有淡水排水管，所述真空泵与淡水箱连通，所述温源排水泵设在闪蒸器温源排水管道上，淡水排水泵设在淡水箱的淡水排水管上，冷源抽水泵设在冷凝器的冷源入水管道上，且冷源入水管道的入口海水温度低于温源入水管道的入口海水温度。
2.根据权利要求1所述的海水温差能海水淡化装置，其特征在于：所述后弯管内空气在波浪作用下推动空气透平单向旋转，向真空泵、冷源抽水泵、温源排水泵、淡水排水泵输出动力。
3.根据权利要求1或2所述的海水温差能海水淡化装置，其特征在于：所述闪蒸器设有自动控制水位的浮球阀。
4.根据权利要求1或2所述的海水温差能海水淡化装置，其特征在于：所速浮箱上还设有发电装置，发电装置由空气透平驱动。
5.根据权利要求1或2所述的海水温差能海水淡化装置，其特征在于：所述浮箱通过锚泊系统固定。
6.一种基于权利要求1所述装置的海水温差能海水淡化方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.通过后弯管利用波浪能驱动空气透平，空气透平驱动真空泵进行抽真空，使表面温源海水受大气压作用从闪蒸器温源入水管道进入到闪蒸器内，使温海水于闪蒸器内在负压下转化成蒸汽；
B.空气透平驱动冷源抽水泵动作，不断通过冷源入水管道抽取冷源海水流过冷凝器内的冷凝管；
C.闪蒸器内的蒸汽在冷源海水造成的压力差作用下被抽吸到冷凝器中，凝结为淡水存入密闭的淡水箱内，淡水可由淡水排水泵作用通过淡水排水管取出。
7.如权利要求6所述的海水温差能海水淡化方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过浮球阀自动控制闪蒸器内海水的最低液位和最高液位，使闪蒸器内温源海水的液位位于最低液位和最高液位之间。
8.如权利要求6所述的海水温差能海水淡化方法，其特征在于，所述闪蒸器内温源海水交换通过空气透平驱动的温源排水泵和真空泵作用进行。
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