CN105439232A - 一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法，它包括蒸发式冷凝器、翅片式蒸发器、滚动转子压缩机、轴流风机、初级预热器和次级预热器等部件。本发明主要创新点在于初级预热器和次级预热器对海水的梯级预热，通过回收淡水和浓海水的热量，提高海水蒸发时的初始温度和系统的热量利用率；以及喷淋器和蒸发式冷凝器的耦合配置，实现海水在冷凝器表面的膜状高效蒸发。该装置具有结构简单，安全可靠，运行成本低，热量利用率高，节能效果好等特点。

Description

一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法

【技术领域】

本发明属于海水淡化技术领域，特别涉及一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法。

【背景技术】

随着人们物质生活水平的提高和社会经济的发展，生产、生活对淡水的需求量都迅速增加，能直接给人类生存供给的淡水资源显得极为短缺，因此挖掘潜在的淡水资源并加以转化利用具有重要意义。地球上海水覆盖面积极大，而且海水中蕴藏着大量淡水资源，因此发展海水淡化技术将在一定程度上减小地球淡水资源紧缺对人类生存的威胁。

热泵作为一种热量提升装置，它能通过消耗较小的电能而从环境介质中吸收大量的能量。因此把热泵循环用于海水淡化，在保证淡水品质的同时，将大幅降低能耗。

海水淡化后分离的淡水、浓海水温度都高于进口海水的温度，故可以利用它们的热量预热进口海水，这样能进一步提升能量的利用效率和系统能效比。

中国专利CN202924776U公开了一种连续生产双极热泵海水淡化系统，具有低能耗、可连续生产的特点；但需要利用真空泵把海水淡化系统抽至一定的真空度，这会额外增加能耗，而且对系统的密封性要求较高。中国专利CN202924775U公开了一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统，对节能具有一定意义，但装置不足之处在于：部件较多，具体实施复杂，需要较高的真空度，且不能连续生产。

【发明内容】

本发明提出了一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法，目的是改进现有技术方案的不足，提高海水淡化系统的效率和淡水品质。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，包括制冷系统回路、闭合水回路、收集系统和压力平衡系统；

所述的制冷系统回路包括发生器；发生器被绝热隔板隔开为冷凝器侧和蒸发器侧，冷凝器侧和蒸发器侧上部连通，冷凝器侧和蒸发器侧内部分别设置蒸发式冷凝器和蒸发器；蒸发式冷凝器和蒸发器上部管路通过热力膨胀阀连通，下部管路通过滚动转子压缩机连通组成闭合制冷系统回路；

所述的收集系统包括淡水储罐和浓海水储罐；淡水储罐与发生器的蒸发器侧通过排水管连接，用于储存发生器排出的淡水产品；浓海水储罐与发生器的冷凝器侧通过排水管连接，用于储存发生器排出的浓海水；淡水储罐和浓海水储罐内部分别盘绕有初级预热器和次级预热器；

所述的闭合水回路包括海水储罐和安装在蒸发式冷凝器上部的喷淋器，海水储罐通过用于驱动海水进行循环流动的海水泵依次连通初级预热器、次级预热器和喷淋器所述的压力平衡系统包括淡水储罐与发生器的蒸发器侧连通的回水管，及浓海水储罐与发生器的冷凝器侧连通的回水管。

所述的压力平衡系统还包括初级压力平衡阀和次级压力平衡阀；初级压力平衡阀设置在淡水储罐与发生器之间的回水管上，次级压力平衡阀设置在浓海水储罐与发生器之间的回水管上。

所述的淡水储罐的排水管上设有淡水流量计和淡水流量调节阀，并通过设置在淡水储罐内的淡水测温仪来控制淡水流量调节阀的开度；设置在浓海水储罐内的浓海水测温仪控制浓海水储罐的排水管上的浓海水流量阀。

所述的次级预热器和喷淋器之间的管路上设置有海水流量计；所述的淡水测温仪、浓海水测温仪共同控制海水流量调节阀的开度。

所述的发生器顶部倾斜设置有用于盖板上的冷凝水方便流入蒸发器侧的疏水盖板；疏水盖板内表面铺设疏水材料。

所述的疏水盖板与水平线的夹角θ范围为15°～30°。

所述的喷淋器上设有喷嘴，喷嘴按照中间疏两端密、中间细两端粗的方式布置在喷淋器上。

所述的绝热隔板上方还设置有用于抽吸冷凝器侧的水蒸气到蒸发器侧进行冷凝的轴流风机。

所述的蒸发器和初级预热器带有翅片，蒸发式冷凝器和次级预热器无翅片。

所述的制冷系统的外部管路上设置有保温棉套。

所述的蒸发式冷凝器的制冷剂选用R134a。

一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置的控制方法，包括以下步骤：

在制冷系统回路工作前，保持收集系统管路关闭，调节压力平衡系统、闭合水回路管路打开；然后开启海水泵，闭合水回路开始工作，喷淋器开始给发生器内的蒸发式冷凝器供水；

当蒸发式冷凝器表面覆盖满水膜时，启动滚动转子压缩机电源，制冷系统回路开始工作；在冷凝器热量的加热下，发生器内冷凝器侧开始产生水蒸气，在压差驱使下，水蒸气迁移至发生器的蒸发器侧，在温度较低的蒸发器表面冷凝；发生器冷凝器侧分离的浓海水进入浓海水储罐与次级预热器热交换，发生器蒸发器侧从海水中分离出的淡水进入淡水储罐与初级预热器进行热交换；

当初级预热器、次级预热器被液体完全浸润后，海水泵驱动海水原料依次流经初级预热器和次级预热器进行梯级预热，而初级预热器、次级预热器与来自海水储罐的海水换热后分别排出淡水产品和浓海水；

预热后的海水经喷淋器均匀喷洒在蒸发式冷凝器表面，海水吸热蒸发产生的水蒸气上升到顶部后，压差驱动下迁移至低温低压的翅片式蒸发器侧，在低温的蒸发器表面放热凝结成水滴；

分离的淡水进入淡水储罐，而浓海水进入浓海水储罐，分别对海水进行预热；

海水淡化装置开始持续循环运行。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明在海水储罐后设有两级预热器，进口的低温海水依次吸收初级预热器中淡水和次级预热器中浓海水的热量，来提高海水出喷淋器的初始温度，这样可大幅提高海水淡化率。热力膨胀阀、滚动转子压缩机、蒸发式冷凝器和翅片式蒸发器组成闭合制冷系统回路，三大储罐、喷淋器和管路阀门等形成闭合水回路，闭合水回路利用梯级预热、热量回收和膜状蒸发技术能提高系统热量利用率和淡化率。具体为海水经喷淋器均匀喷洒在蒸发式冷凝器表面，海水吸热蒸发产生的水蒸气上升到顶部后，迁移至低温低压的翅片式蒸发器侧，在低温的蒸发器表面放热凝结成水滴；分离的淡水进入淡水储罐，而浓海水进入浓海水储罐，分别对海水进行预热。

进一步，为了提高淡水产量，应收集这部分冷凝水，故疏水盖板内表面应铺设疏水材料，与水平面成一定夹角θ，以便于冷凝水流到发生器右侧；但为了使水蒸气更多的到右侧翅片式蒸发器进行冷凝，装置高度要求等，夹角θ在15°～30°内为宜。

进一步，为了减缓换热器的换热效果衰减，分别跟海水、浓海水换热的蒸发式冷凝器、次级预热器均使用无翅片换热管，而且管外均被水膜覆盖，高换热系数弥补了小换热面积。而相反，由于和洁净水换热，蒸发器使用翅片管换热，来增大与水蒸气接触的表面积，提高淡化率。

进一步，为了增大水蒸气流通量，在绝热隔板上方引入轴流风机增大风压。水蒸气从左至右流通加快，系统的淡化率提高。

进一步，喷淋器的喷嘴在蒸发式冷凝器上部“中间疏两端密、中间细两端粗”布置，以保证海水均匀喷洒在蒸发式冷凝器表面，这样可避免冷凝器表面局部出现“干涸”，减少对已蒸发水蒸气的过度加热，从而进一步提升能量的利用效率和系统能效比。

本发明控制方法，先控制收集系统管路关闭，调节压力平衡系统、闭合水回路管路打开，然后开始加热，然后开启海水泵，闭合水回路开始工作，喷淋器开始给发生器内的蒸发式冷凝器供水；打开收集系统管路，待浓海水储罐和淡水储罐充满液体时，初级预热器和次级预热器开始对海水进行梯级预热完成一个循环。该方法控制准确，适合连续生产。利用本发明中两级预热系统时的淡化率较一般的海水淡化方法的淡化率提高了约37％。

【附图说明】

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的喷淋器局部放大图。

图3为补充海水、输出淡水产品和排走高浓度海水质量之间的关系图。

其中：1.发生器，2.绝热隔板，3.疏水盖板，4.轴流风机，5.蒸发器，6.初级压力平衡阀，7.滚动转子压缩机，8.压力调节阀，9.淡水储罐，10.初级预热器，11.海水储罐，12.海水泵，13.淡水流量调节阀，14.淡水流量计，15.浓海水流量阀，16.次级预热器，17.浓海水储罐，18.海水流量计，19.次级压力平衡阀，20.蒸发式冷凝器，21.喷嘴，22.喷淋器，23.海水流量调节阀，24.热力膨胀阀，25.保温棉套，26.淡水测温仪，27.浓海水测温仪。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，结合搭建的实验装置说明具体的细节。

如图1所示，本发明一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，涉及一种海水淡化装置的梯级预热、热量回收和膜状蒸发技术。通过回收余热、膜状蒸发等技术实现海水的高效淡化，包括：

疏水盖板3，用于盖板上的冷凝水顺利流入蒸发器侧；

轴流风机4，用于抽吸冷凝器侧的水蒸气到蒸发器侧进行冷凝；

初级预热器10，用于回收分离后淡水的热量，并给海水预热；

次级预热器16，用于回收分离后浓海水的热量，并给海水再次预热；

喷淋器22，用于把海水均匀喷晒在蒸发式冷凝器20表面上进行膜状蒸发。

其中，疏水盖板3位于发生器1顶部，并与水平线成一特定角度，轴流风机4竖直固定于绝热隔板2上方，初级预热器10内部盘绕有带翅片的蛇形海水输送管，次级预热器16内部盘绕有蛇形海水输送管，喷淋器22安装在蒸发式冷凝器20的上部。如图2所示，喷淋器22上规律性地设有喷嘴21以保证蒸发式冷凝器20表面均匀覆盖水膜。

热力膨胀阀24、滚动转子压缩机7、蒸发式冷凝器20和翅片式蒸发器5组成闭合制冷系统回路，三大储罐、喷淋器22和管路阀门等形成闭合水回路，蒸发式冷凝器20和翅片式蒸发器5被绝热隔板2隔开，初级压力平衡阀6控制发生器1冷凝侧与淡水储罐9的连通，海水储罐11后连接有用于驱动海水进行循环流动的海水泵12。

其中，所述淡水储罐9前管路设有淡水流量计14和淡水流量调节阀13，并通过淡水测温仪26来控制淡水流量调节阀13的开度，同样地，所述浓海水测温仪27控制浓海水储罐17前管路的浓海水流量阀15，所述的淡水测温仪26、浓海水测温仪27共同控制海水流量调节阀23。淡水测温仪26设置在淡水储罐9内，浓海水测温仪27设置在浓海水储罐17内。

淡水储罐9与发生器1通过排水管连接，用于储存发生器1排出的淡水产品；浓海水储罐17与发生器1通过排水管连接，用于储存发生器1排出的浓海水。

其中，疏水盖板3与水平线的夹角范围为15°～30°。当系统稳定运行时，发生器1左侧内充满水蒸气，水蒸气遇到温度较低的顶部疏水盖板3会冷凝，为了提高淡水产量，应收集这部分冷凝水，故疏水盖板3内表面应铺设疏水材料，与水平面成一定夹角θ，且蒸发器侧的疏水盖板3一端低于冷凝器侧的疏水盖板3一端，以便于冷凝水流到发生器1右侧；但为了使水蒸气更多的到右侧翅片式蒸发器5进行冷凝，装置高度要求等，夹角θ存在一个上限值，通过实验发现，夹角θ在15°～30°内为宜。

其中，翅片式蒸发器5和初级预热器10带有翅片，蒸发式冷凝器20和次级预热器16无翅片。海水和浓海水中含有较多的盐分矿物质，在换热器表面易结垢，增大换热器热阻，降低换热效果。为了减缓换热器的换热效果衰减，分别跟海水、浓海水换热的蒸发式冷凝器20、次级预热器16均使用无翅片换热管，而且管外均被水膜覆盖，高换热系数弥补了小换热面积。而相反，由于和洁净水换热，蒸发器5使用翅片管换热，来增大与水蒸气接触的表面积，提高淡化率。

发生器1左侧由于温度高，水蒸气不断被加热蒸发，压力高；发生器1右侧温度低，水蒸气冷凝，压力低；但左右侧的压差较小，水蒸气从左至右流通较慢，系统的淡化率较低。为了增大水蒸气流通量，在绝热隔板2上方引入轴流风机4增大风压。

如图2所示，喷淋器22的底端开有一定数量的喷嘴21，但是从中间至两侧延伸时，由于水压逐渐降低，水流量随之衰减，最终冷凝器中部水量大、两侧少。为了解决这一问题，喷淋器喷嘴21分布成“中间疏两端密、中间细两端粗”，以保证蒸发式冷凝器20表面均匀覆盖水膜，避免对已蒸发水蒸气的过度加热，提高热量利用率。

下面详细描述该装置的工作原理：

如图1所示，该装置包括：疏水盖板3、轴流风机4、初级预热器10、次级预热器16、喷淋器22。本海水淡化装置利用梯级预热、热量回收和膜状蒸发技术能提高系统热量利用率和淡化率。

在制冷系统回路工作前，保持淡水流量调节阀13、海水流量调节阀15关闭，调节初级压力平衡阀6、次级压力平衡阀19、海水流量调节阀23至某一中间开度，然后开启海水泵12，闭合水回路开始工作，喷淋器22开始给发生器1内的蒸发式冷凝器20供水。

当蒸发式冷凝器20表面覆盖满水膜时，启动滚动转子压缩机7电源，制冷系统回路开始工作。待制冷系统进入稳定阶段后，启动轴流风机4电源。冷凝器热量的加热下，发生器1内冷凝器侧开始产生水蒸气，在轴流风机4的风压驱使下，水蒸气迁移至发生器1的蒸发器侧，在温度较低的翅片式蒸发器5表面冷凝。淡水流量调节阀13、海水流量调节阀15打开，发生器1左侧分离的浓海水进入浓海水储罐17与次级预热器16热交换，发生器1右侧从海水中分离出的淡水进入淡水储罐9与初级预热器10进行热交换。

当初级预热器10、次级预热器16被液体完全浸润后，海水泵12驱动海水原料依次流经初级预热器10和次级预热器16进行梯级预热，而初级预热器10、次级预热器16与来自海水储罐11的海水换热后排走。之后经喷淋器22均匀喷洒在蒸发式冷凝器20表面，海水吸热蒸发产生的水蒸气上升到顶部后，在轴流风机4的压差驱动下迁移至低温低压的翅片式蒸发器5侧，在低温的蒸发器表面放热凝结成水滴。之后，分离的淡水进入淡水储罐9，而浓海水进入浓海水储罐17，分别对海水进行预热。至此，系统开始持续循环运行。

为了验证本发明实际的效果，提出以下的海水淡化效率的评价方法，以及连续生产时需补充海水、输出淡水产品和排走高浓度海水质量之间的关系。

为了保证海水淡化装置连续高效稳定运行，应使海水储罐内盐浓度保持相对恒定，故需实时补充海水并输出淡水和浓海水。

由海水中盐分的质量分数表达式：

$\frac{G\·s_1+m_s\·s-m_1\·s_1}{G+m_s-m_1-m}=s_1---\left(1\right)$

化简得：m_s·s＝m_s·s₁-m·s₁(2)

又由质量守恒可知：

m+m₁＝m_s(3)

联立(2)、(3)可得：

$m=m_s\·\frac{s_1-s}{s_1}---\left(4\right)$

$m_1=m_s\·\frac{s}{s_1}---\left(5\right)$

由能量守恒可知：

发生器1内海水蒸发的吸热量：

Q₁＝m_s·C_p1·(t₁-t_s)+m·r₁(6)

发生器1内淡水冷凝的放热量：

Q₂＝m·C_p2·(t₁-t₂)+m·r₂(7)

其中：m_s为补充海水的质量；t_s为补充海水的温度；s为补充海水的浓度；G为海水槽的总质量；t₁为海水槽内的温度；s₁为海水槽内的浓度；m为淡水产品输出量；m₁为高浓度海水输出量；t₂为冷凝后的淡水温度；C_p1为海水的定压比热；C_p2为水的定压比热；r₁为海水的汽化潜热；r₂为水的汽化潜热；

定义淡化率：

$\mathrm{\ω}=\frac{m}{Q_1}---\left(8\right)$

把相关数值带入以上各式计算可得：

简单热泵系统(无预热处理)的淡化率为：ω_o＝1.44kg/(kW·h)；利用本发明中两级预热系统时的淡化率：ω₁＝1.97kg/(kW·h)，可见淡化率提高约37％。

以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：包括制冷系统回路、闭合水回路、收集系统和压力平衡系统；

所述的制冷系统回路包括发生器(1)；发生器(1)被绝热隔板(2)隔开为冷凝器侧和蒸发器侧，冷凝器侧和蒸发器侧上部连通，冷凝器侧和蒸发器侧内部分别设置蒸发式冷凝器(20)和蒸发器(5)；蒸发式冷凝器(20)和蒸发器(5)上部管路通过热力膨胀阀(24)连通，下部管路通过滚动转子压缩机(7)连通组成闭合制冷系统回路；

所述的收集系统包括淡水储罐(9)和浓海水储罐(17)；淡水储罐(9)与发生器(1)的蒸发器侧通过排水管连接，用于储存发生器(1)排出的淡水产品；浓海水储罐(17)与发生器(1)的冷凝器侧通过排水管连接，用于储存发生器(1)排出的浓海水；淡水储罐(9)和浓海水储罐(17)内部分别盘绕有初级预热器(10)和次级预热器(16)；

所述的闭合水回路包括海水储罐(11)和安装在蒸发式冷凝器(20)上部的喷淋器(22)，海水储罐(11)通过用于驱动海水进行循环流动的海水泵(12)依次连通初级预热器(10)、次级预热器(16)和喷淋器(22)；

所述的压力平衡系统包括淡水储罐(9)与发生器(1)的蒸发器侧连通的回水管，及浓海水储罐(17)与发生器(1)的冷凝器侧连通的回水管。

2.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的压力平衡系统还包括初级压力平衡阀(6)和次级压力平衡阀(19)；初级压力平衡阀(6)设置在淡水储罐(9)与发生器(1)之间的回水管上，次级压力平衡阀(19)设置在浓海水储罐(17)与发生器(1)之间的回水管上。

3.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的淡水储罐(9)的排水管上设有淡水流量计(14)和淡水流量调节阀(13)，并通过设置在淡水储罐(9)内的淡水测温仪(26)来控制淡水流量调节阀(13)的开度；设置在浓海水储罐(17)内的浓海水测温仪(27)控制浓海水储罐(17)的排水管上的浓海水流量阀(15)；

所述的次级预热器(16)和喷淋器(22)之间的管路上设置有海水流量计(18)；所述的淡水测温仪(26)、浓海水测温仪(27)共同控制海水流量调节阀(23)的开度。

4.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的发生器(1)顶部倾斜设置有用于盖板上的冷凝水方便流入蒸发器侧的疏水盖板(3)；疏水盖板(3)内表面铺设疏水材料。

5.根据权利要求4所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的疏水盖板(3)与水平线的夹角θ范围为15°～30°。

6.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的喷淋器(22)上设有喷嘴(21)，喷嘴(21)按照中间疏两端密、中间细两端粗的方式布置在喷淋器(22)上。

7.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的绝热隔板(2)上方还设置有用于抽吸冷凝器侧的水蒸气到蒸发器侧进行冷凝的轴流风机(4)。

8.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的蒸发器(5)和初级预热器(10)带有翅片，蒸发式冷凝器(20)和次级预热器(16)无翅片。

9.根据权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置，其特征在于：所述的制冷系统的外部管路上设置有保温棉套(25)；所述的蒸发式冷凝器(20)的制冷剂选用R134a。

10.一种基于权利要求1所述的一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

在制冷系统回路工作前，保持收集系统管路关闭，调节压力平衡系统、闭合水回路管路打开，然后开启海水泵(12)，闭合水回路开始工作，喷淋器(22)开始给发生器(1)内的蒸发式冷凝器(20)供水；

当蒸发式冷凝器(20)表面覆盖满水膜时，启动滚动转子压缩机(7)电源，制冷系统回路开始工作；在冷凝器热量的加热下，发生器(1)内冷凝器侧开始产生水蒸气，在压差驱使下，水蒸气迁移至发生器(1)的蒸发器侧，在温度较低的蒸发器(5)表面冷凝；收集系统管路打开；发生器(1)冷凝器侧分离的浓海水进入浓海水储罐(17)与次级预热器(16)热交换，发生器(1)蒸发器侧从海水中分离出的淡水进入淡水储罐(9)与初级预热器(10)进行热交换；

当初级预热器(10)、次级预热器(16)被液体完全浸润后，海水泵(12)驱动海水原料依次流经初级预热器(10)和次级预热器(16)进行梯级预热，而初级预热器(10)、次级预热器(16)与来自海水储罐(11)的海水换热后分别排出淡水产品和浓海水；

预热后的海水经喷淋器(22)均匀喷洒在蒸发式冷凝器(20)表面，海水吸热蒸发产生的水蒸气上升到顶部后，压差驱动下迁移至低温低压的翅片式蒸发器(5)侧，在低温的蒸发器表面放热凝结成水滴；

分离的淡水进入淡水储罐(9)，而浓海水进入浓海水储罐(17)，分别对海水进行预热；

海水淡化装置开始持续循环运行。