CN105621509B - 流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置，增湿去湿式水净化装置包括：冷凝室；冷凝器；蒸发室，蒸发室内限定有蒸发腔，蒸发室上设有第二气体进口、第二气体出口和污水出口，第二气体出口和第一气体进口连通；上隔板和下隔板，上隔板和下隔板间隔开设在蒸发腔内，以将蒸发腔分成上腔、中间腔和下腔，中间腔内设有悬浮的固体颗粒，第二气体进口和下腔连通，第二气体出口和上腔连通；喷淋装置，喷淋装置具有设在上腔内的喷淋嘴；加热装置，加热装置连接在喷淋装置和出水管之间；驱动装置，驱动装置连接在第一气体出口和第二气体进口之间。根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置可以提高水净化效率，并且结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及水净化领域，具体涉及应用流化床强化蒸发过程以及利用增湿去湿方法进行海水脱盐及废水、污水处理，更具体地，涉及一种流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置。
背景技术
随着全球用水量增加以及水土流失等自然因素与工厂违规排放等人为因素对现存水资源破坏的加重，淡水资源的短缺及污染问题已经成为严重制约人类社会发展的重大问题。设计水净化装置利用海水得到淡水或对污水进行处理是目前解决水资源问题的有效手段。
目前，水净化方法主要分为热法和膜法两大类，其中低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是被大规模工业应用的方法。但是这三种方法设备投资大、造价高、能耗高，对海水或污水的预处理要求高，不适合解决小量的水净化需求。一些其他的方法包含离子交换、液液萃取和露点蒸发等技术，这些技术由于成本高，除了在一些对水质要求较高的特殊场合用到外，并没有被大范围推广。近年来，正渗透膜技术受到人们的广泛关注，并有望商业化，该技术同样成本很高，且尚未发展成熟。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
相关技术中有采用增湿去湿(humidification-dehumidification，HDH)方法来对水进行净化的。在该方法中，加热后的未净化水在蒸发室内对载气进行增湿，湿润的载气循环至冷凝室，在冷凝器上可以凝结为净化水，放出的热量被用来预热未净化水。增湿去湿水净化方法由太阳能蒸馏法发展而来。传统的太阳能蒸馏法不能有效地利用冷凝潜热，装置效率较低。增湿去湿水净化方法则提高了整体的能量利用率，并且还能够因地制宜地利用低位能源来进行水净化。
在增湿去湿水净化装置中，蒸发室内的未净化水与空气进行传热传质的形式有降膜、鼓泡和喷淋。降膜方式将蒸发室和冷凝室直接布置在薄膜两侧，能够有效利用冷凝释放出的潜热，能量利用率高，但是整个蒸发室内只在薄膜处发生水与空气的接触，接触面积小，蒸发效率很低。鼓泡方式不使用水泵进行液体循环，而是通过空气泵将空气泵入水中，以鼓泡的形式将载湿蒸汽送入蒸发室，在降低能耗方面具有一定优势，但是装置结构复杂，建造和维护成本很高。
传统的喷淋方式结构简单，安装调试方便，但是存在着以下缺陷：如果喷淋的水滴尺寸过大，会导致在喷淋总流量一定的情况下液体与气体接触面积较小，蒸发效率较低；如果减小喷淋的水滴尺寸，尽管能够提高蒸发效率，但小尺寸水滴极容易被上升气流直接裹挟进入冷凝室，导致最终得到的淡水中含有未处理杂质。当蒸发室采用传统的喷淋方式时，上述二者是一对不可调和的矛盾。
针对于增湿去湿方法，水净化效率主要取决于蒸发效率、凝结效率以及能耗。提高蒸发室的蒸发效率将很大的提高海水淡化效率。传统的提高蒸发效率的方式包括提高蒸发室温度和提高流速。虽然可以显著提高效率，但是提高蒸发室温度会造成更多的热损失，提高能量成本；加大流速也会使得空气泵的功耗增加，同样降低能量利用效率。考虑到目前对空气流速的控制以及蒸发室温度的控制参数已经较为成熟。
有鉴于此，本发明在增湿去湿方法的基础上，在蒸发室采用喷淋法的前提上，在保证喷淋尺寸不会过小导致净化水含杂质的前提下，采用一种了基于流化床强化蒸发的方式来提高蒸发效率，设计了流化床强化蒸发的增湿去湿式海水淡化装置。该装置创新性地采用了流化床强化未净化水的蒸发过程，使得载湿气体的载湿量大大提高，在提升产水效率的同时提高了水的净化程度。
流化床是指将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，使颗粒具有流体的某些表观特征，表现出一种流固接触状态。将预热后的未净化水喷淋至流化床的悬浮固体颗粒上，在颗粒表面形成一层极薄的液膜。并且在垂直方向上，位置较高的颗粒外壁上蒸发的余液落在位置较低的颗粒上继续蒸发，随着蒸发的持续进行，液膜厚度不断减小。由于颗粒比表面积相对较大，并且各颗粒之间的相互碰撞使得其外壁上液膜在不同颗粒之间传递。在这种流化状态下，传热传质系数显著提高。因此，流化床强化蒸发相比于其它形式的蒸发可以很大程度上提高传热传质能力。
在实际的工程应用中，蒸发室的喷淋管的水流量是受到限制的，因为喷淋需要将未净化水泵至高处，如果流量太大，将会导致泵功消耗过多，降低整个系统的水净化效率。而在流量较小的情况下，实际上水滴之间存在着较大空隙。通过流化床中固体颗粒的作用，可以有效地填补这些空隙，并将液滴铺展于固体颗粒表面，增大与空气的接触面积以达到强化蒸发的目的。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置，所述增湿去湿式水净化装置可以提高水净化效率并且结构较简单，成本较低。
根据本发明实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置，包括：冷凝室，所述冷凝室内限定有冷凝腔，所述冷凝室上设有分别与所述冷凝腔连通的安装口、净化水出口、第一气体进口和第一气体出口；冷凝器，所述冷凝器设在所述冷凝腔内且位于所述第一气体进口和第一气体出口之间，所述冷凝器具有进水管和出水管，所述进水管穿设在所述安装口内；蒸发室，所述蒸发室内限定有蒸发腔，所述蒸发室上设有第二气体进口、第二气体出口和污水出口，所述第二气体出口和所述第一气体进口连通；上隔板和下隔板，所述上隔板和所述下隔板沿上下方向间隔开设在所述蒸发腔内，以将所述蒸发腔分成上腔、中间腔和下腔，所述中间腔内设有固体颗粒，所述固体颗粒适于在气体的吹动下悬浮在所述中间腔内，所述第二气体进口和所述下腔连通，所述第二气体出口和所述上腔连通；喷淋装置，所述喷淋装置具有喷淋嘴，所述喷淋嘴设在所述上腔内，以向所述中间腔内喷入未净化水；加热装置，所述加热装置连接在所述喷淋装置和所述出水管之间；驱动装置，所述驱动装置连接在所述第一气体出口和所述第二气体进口之间，以驱动气体流动。
根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置，可以提高液体的传热传质系数，使蒸发效率增加，可以提高水净化效率，并且结构简单，成本较低。
另外，根据本发明上述实施例的增湿去湿式水净化装置还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，还包括：中间隔板，所述中间隔板设在所述中间腔内，以将所述中间腔分割成多个子腔，每个所述子腔内悬浮有固体颗粒。
根据本发明的一些实施例，所述中间隔板包括横向隔板和竖向隔板中的至少一个，所述横向隔板与所述上隔板和所述下隔板在上下方向上间隔开设置，所述竖向隔板的上端和下端分别与所述上隔板和所述下隔板相连。
根据本发明的一些实施例，所述横向隔板和所述竖向隔板分别包括多个，多个所述横向隔板在上下方向上等间距设置，多个所述竖向隔板在水平方向上等间距设置。
根据本发明的一些实施例，还包括：第一导流板，所述第一导流板设在所述下腔内，以将从所述第二气体进口进入的气体向竖直方向导流。
根据本发明的一些实施例，还包括：第二导流板，所述第二导流板设在所述冷凝腔内且位于所述冷凝器下方，以将所述冷凝腔内的气体向所述第一气体出口导流。
根据本发明的一些实施例，还包括：预处理装置，所述预处理装置与所述进水管相连且适于对水进行预过滤。
根据本发明的一些实施例，所述冷凝器形成为由下到上螺旋设置的换热管。
根据本发明的一些实施例，所述上隔板、所述下隔板和所述中间隔板分别形成为网状隔板。
根据本发明的一些实施例，所述固体颗粒包括聚丙烯空心球、聚苯乙烯空心球和聚氯乙烯空心球中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述蒸发腔和所述冷凝腔分别形成为圆柱形，所述蒸发腔的底壁面和所述冷凝腔的底壁面分别形成为向下凸出的弧形面，所述净化水出口和所述污水出口设在对应的所述底壁面上。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置的结构示意图；
图2是根据本发明另一个实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置的结构示意图；
图3是根据本发明再一个实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置的结构示意图。
附图标记：
增湿去湿式水净化装置100；
冷凝室10；冷凝腔101；第一气体进口102；第一气体出口103；净化水出口104；安装口105；
冷凝器20，进水管21；出水管22；
蒸发室30；蒸发腔301；上腔3011；中间腔3012；下腔3013；第二气体进口302；第二气体出口303；污水出口304；固体颗粒310；
上隔板41；下隔板42；中间隔板43；横向隔板431；竖向隔板432；
喷淋装置50；喷淋嘴51；喷淋管52；
加热装置60；
驱动装置70；
第一导流板81；第二导流板82；
气管91；连接管92。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图详细描述根据本发明实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置100。
参照图1至图3所示，根据本发明实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置100可以包括冷凝室10、冷凝器20、蒸发室30、上隔板41、下隔板42、喷淋装置50、加热装置60和驱动装置70。
具体而言，冷凝室10内可以限定有冷凝腔101，冷凝室10上可以设有安装口105、第一气体进口102和第一气体出口103，安装口105、第一气体进口102和第一气体出口103分别与冷凝腔101连通。冷凝器20可以设在冷凝腔101内并且位于第一气体进口102和第一气体出口103之间。冷凝器20具有进水管21和出水管22，进水管21穿设在安装口105内。这里，“进水管21穿设在安装口105内”可以理解为进水管21伸入安装口105并且两端分别从安装口105内伸出，也可以理解为进水管21伸入安装口105内并且其中一端从安装口105内伸出，另一端则位于安装口105内。
蒸发室30内可以限定有蒸发腔301，蒸发室30上可以设有第二气体进口302和第二气体出口303，第二气体出口303和第一气体进口102连通。这里，第二气体出口303可以与第一气体进口102进行直接连通，也可以间接连通，例如，如图1所示，第二气体出口303和第一气体进口102可以通过气管91相连。
上隔板41和下隔板42均设在蒸发腔301内，并且上隔板41和下隔板42可以沿上下方向间隔开设置，从而可以将蒸发腔301分成上腔3011、中间腔3012和下腔3013。第二气体进口302可以和下腔3013连通，第二气体出口303可以和上腔3011连通。中间腔3012内可以悬浮有固体颗粒310。也就是说，从第二气体进口302进入的空气可以将位于中间腔3012的固体颗粒310吹起，使固体颗粒310呈悬浮状态，形成流化床。其中，上隔板41和下隔板42可以将固体颗粒310限制住，防止气体吹力不当而导致固体颗粒310到处乱跑。
喷淋装置50可以具有喷淋嘴51，喷淋嘴51可以设在上腔3011内，以向中间腔3012内喷入未净化水，喷淋嘴51能将加热后的未净化水分散成小液滴喷出，使得液体更加均匀地与悬浮固体颗粒310接触，形成薄液膜，大大增加了液体蒸发的效率。
加热装置60可以连接在喷淋装置50和出水管22之间，以对流向喷淋装置50的未净化水进行加热，使未净化水进入蒸发腔301内时可以具有较高的温度，增加未净化水在上升气流中的蒸发速率。驱动装置70可以连接在第一气体出口103和第二气体进口302之间，以驱动气体流动。由此，增湿去湿式水净化装置100内流动的气体可以在驱动装置70的驱动下形成一个闭路气体循环。可选地，气体可以为空气。
首先，气体在驱动装置70的驱动下从第二气体进口302进入到蒸发腔301内，气体向上流动依次经过下腔3013、中间腔3012和上腔3011，其中依次经过下隔板42和上隔板41，向上流动的气体可以将流化床的固体颗粒310吹起；与此同时，水可以从进水管21进入冷凝器20中，通过出水管22流入到加热装置60中被加热，加热后的未净化水可以从喷淋嘴51喷出，并且可以与蒸发室30内散乱运动的悬浮的固体颗粒310充分接触，在颗粒表面形成液膜，液膜在上升气流中迅速蒸发，使得气体的湿度显著增加，实现气体的载湿；载湿空气可以通过第二气体出口303流出，并且通过第一气体进口102进入到冷凝腔101内，载湿空气中的水分可以在冷凝器20表面凝结，实现去湿，形成净化水，净化水在重力以及气体的吹动作用下可以沉积到冷凝腔101的下部，最后可以从净化水出口104流出。
可选地，可以通过净化水收集器收集流出的净化水，还可以通过污水收集器收集从污水出口304流出污水。载湿空气冷凝释放的潜热可以对冷凝器20内的未净化水起到预加热作用，节能性好。
另外，蒸发腔301和冷凝腔101分别由蒸发室30和冷凝室10限定出，蒸发室30和冷凝室10可以间隔开设置，蒸发腔301与冷凝腔101之间可以保持绝热，热量交换基本上可以通过液体或者气体质量交换来实现。
根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置100，通过设置冷凝室10和蒸发室30，并在蒸发室30内设置可以在气流的作用下悬浮的固体颗粒310，使喷淋的未净化水可以在固体颗粒310的表面形成极薄液膜，可以避免喷淋出的小水滴被载湿空气带入冷凝腔101，保证水净化的程度，同时可以提高液体的蒸发，该流化床强化蒸发的方法极大地提高了液体的传热传质系数，使得蒸发效率增加，流化床强化蒸发装置结构简单，成本低，便于推广，并且可以解决大量的水净化需求；同时该装置总体所需的能量较少，品位较低，可以实现离网运行，并且能够在能源较少的边远地区使用。
该增湿去湿式水净化装置100可以处理的未净化水可以为海水、苦咸水或者预处理后的工业或生活污水等。对未净化水进行加热的能量来源可以有太阳能、地热能、工业余热或者化石能源等。装置中需要供电的设备，如驱动装置70、加热装置60等可以通过太阳能、风能、水能来提供电力。
可选地，根据本发明的一些实施例，悬浮的固体颗粒310可以从聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)或者聚氯乙烯(PVC)等材质的空心球中选择。中间腔3012中可以悬浮有其中任意一种空心球，也可以悬浮有其中的两种或三种等。这些材质的空心球质量非常轻，大小类似乒乓球，可以在下方来流气体的推动下容易地实现悬浮和碰撞，并且液体容易在该空心塑料球上形成液膜，液膜面积较大，可以加快蒸发。
考虑到蒸发室30内的固体颗粒310受到自身重力、气流速度以及喷淋速度等影响能够被吹起的高度有限，为了能够充分利用蒸发室30内的空间，使得未净化水能够充分与悬浮固体颗粒310接触，可选地，根据本发明的一些实施例，增湿去湿式水净化装置100还可以包括中间隔板43，中间隔板43可以设在中间腔3012内，以将中间腔3012分割成多个子腔，每个子腔内悬浮有固体颗粒310。由此，固体颗粒310可以较为均匀的分布在中间腔3012中，避免集中在中间腔3012的某一位置处，提高液体与固体颗粒的接触几率，进一步提高蒸发效果。
可以理解的是，中间隔板43的结构可形成为多种，可选地，在本发明的一些实施例中，中间隔板43可以包括横向隔板431和竖向隔板432中的至少一个。也就是说，中间隔板43可以为大致沿水平方向延伸的横向隔板431，也可以为大致沿竖直方向延伸的竖向隔板432，还可以同时包括大致沿水平方向延伸的横向隔板431和大致沿竖直方向延伸的竖向隔板432。横向隔板431与上隔板41以及下隔板42在上下方向上间隔开设置，竖向隔板432的上端与上隔板41相连，竖向隔板432的下端与下隔板42相连。横向隔板431可以将中间腔3012在竖直方向上进行分隔，竖向隔板432可以将中间腔3012在水平方向上进行分隔。由此，不仅便于制造，而且可以实现更好的分隔效果，进一步提高蒸发效率。
例如，如图2所示，中间腔3012内设置有多个横向隔板431，横向隔板431可以在中间腔3012内沿气流运动方向将固体颗粒310隔离成若干层，形成多级流化床强化蒸发系统。悬浮固体颗粒310在网状隔离板之间可以充分运动并与加热后的未净化水相接触。这种多级流化床强化蒸发系统可以进一步强化蒸发，提高气体的载湿量。
进一步地，考虑到进入蒸发腔301的循环气流可能存在着水平方向的速度分量，可能会将悬浮固体颗粒310吹向某一侧，从而影响蒸发效率。可选地，如图3所示，中间腔3012内不仅设置有横向隔板431，还可以设置有竖向隔板432，竖向隔板432和横向隔板431交叉设置，横向隔板431可以沿气体流动方向对悬浮的固体颗粒310进行分隔，竖向隔板432则可以将悬浮的固体颗粒310在水平方向的运动限制在一定范围内，从而形成沿气流方向以及水平方向的多级分隔式流化床强化蒸发系统，固体颗粒310在每个子腔内可以充分运动并与加热后的未净化水接触，可以进一步强化蒸发，提高气体的载湿量。
有利地，横向隔板431和竖向隔板432分别可以包括多个，多个横向隔板431可以在上下方向上可以等间距设置，多个竖向隔板432可以在水平方向上等间距设置。由此，中间隔板43可以将中间腔3012更为均匀的进行分隔，使悬浮的固体颗粒310在中间腔3012中分布更均匀，进一步提高固体颗粒310与液体的接触，进一步提高蒸发效率，加大气体的载湿量。
如图3所示，横向隔板431可以为两个，竖向隔板432也可以为两个。由此，可以将中间腔3012分成九个子腔，固体颗粒310分布均匀性好，使增湿去湿式水净化装置100具有较高的蒸发效率，净水效率较高。
根据本发明的一些实施例，上隔板41、下隔板42和中间隔板43分别可以形成为网状隔板。由此，不仅便于制造，质量较轻，而且网状的隔板上可以形成许多通孔，有利于气体的通过。
参照图1至图3所示，冷凝器20可以形成为由下到上螺旋设置的换热管。由此，冷凝器20可以沿上下方向较为均匀地设置在冷凝腔101内，载湿气体可以在换热管的外壁面上冷凝，释放的潜热可以传导进入换热管内，对未净化水进行预热，以提高其蒸发能力。该种结构的冷凝器20不仅便于制造，成本较低，使未净化水更易于向上流动，而且可以提高换热效果，有利于净化水的生成。
在本发明的一些较优选的实施例中，增湿去湿式水净化装置100可以包括第一导流板81，第一导流板81可以设在下腔3013内，以将从第二气体进口302进入的气体向竖直方向导流，使下腔3013内的气体可以大致沿竖直方向流入中间腔3012内，以便能够将下隔板42和中间隔板43上的固体颗粒310吹起，形成较为稳定的流态。
如图1至图3所示，第二气体进口302可以设置在下腔3013的侧壁面上，第一导流板81可以形成为弧形板，弧形板的一端大致沿竖直方向延伸，弧形板的另一端大致沿水平方向延伸，弧形板可以包括多个，多个弧形板可以间隔开设置，气体可以在多个弧形板的导向作用下，使流动方向从水平方向转变为竖直方向。可以理解的是，第一导流板81的结构不限于此，还可以是其它结构，这对本领域的技术人员来说是可以理解并且容易实现的，在此不再详述。
同样地，根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置100可以包括第二导流板82，第二导流板82可以设在冷凝腔101内并且位于冷凝器20下方，以将冷凝腔101内的气体向第一气体出口103导流，使冷凝腔101中与冷凝器20热交换后的气体可以更快且更顺畅地向第一气体出口103流动，加快气体循环。如图1至图3所示，第一气体出口103可以设置在冷凝腔101的侧壁的下部，第二导流板82也可以形成为弧形板，弧形板也可以包括多个，每个弧形板的一端可以大致沿水平方向延伸，每个弧形板的上端可以大致沿竖直方向延伸。由此，向下流动的气体经过第二导流板82可以转变为水平流动的气体，从而更顺畅地从第一出气口流出，避免在冷凝腔101内长时停留。
另外，在本发明的一些未示出的实施例中，增湿去湿式水净化装置100还可以包括预处理装置，预处理装置可以与进水管21相连并且适于对水进行预过滤。也就是说，未净化水在从进水管21进入冷凝器20之前可以先通过预处理装置进行预过滤，使未净化水中的悬浮固体和胶体等不溶性杂质或大颗粒杂质可以被过滤掉，避免杂质进入到冷凝器20以及后续部件中对增湿去湿式水净化装置100产生影响以及使生成的净化水不纯。
图1至图3示出了根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置100的一些具体示例。下面对图1所示的具体示例进行描述，并且结合图1中示出的具体示例对根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置100增强蒸发量的能力进行估算。
如图1所示，增湿去湿式水净化装置100可以包括冷凝室10、冷凝器20、蒸发室30、上隔板41、下隔板42、喷淋装置50、加热装置60和驱动装置70。蒸发腔301和冷凝腔101分别形成为圆柱形。由此，气体流动阻力更小，流动更顺畅。蒸发腔301的底壁面和冷凝腔101的底壁面分别可以形成为弧形面，弧形面向下凸出设置，净化水出口104设在冷凝腔101的底壁面上，污水出口304设在蒸发腔301的底壁面上。由此，净化水出口104和污水出口304均可以设置在弧形面上，弧形面可以方便对净化水以及污水的汇集，有利于净化水和污水的排出。净化水出口104的下方以及污水出口304的下方可以设置相应的蓄水池，以便于收集净化水和污水。
第一气体进口102可以设置在冷凝腔101的顶壁面上，第二气体出口303可以设置在蒸发腔301的顶壁面上，蒸发腔301的顶壁面和冷凝腔101的顶壁面分别可以形成为向上凸出的弧形面，由此，更利于气体的流入或流出。
蒸发室30和冷凝室10的高度可以相同。在本实施例中，蒸发室30和冷凝器20均形成为圆柱形结构。蒸发室30和冷凝室10分别可以采用不锈钢制成。由此，不仅方便制造，而且不易损坏和锈蚀，使用寿命较长。
冷凝室10上可以设置安装口105，冷凝器20的进水管21可以穿过安装口105伸出冷凝室10，进水管21的伸出部分可以与预处理装置或供水装置相连，实现未净化水的进入。其中，当供水装置形成为供水筒或供水池等装置时，可以在供水装置与进水管21之间可以设置水泵，以将水源源不断地送入到冷凝器20中，实现净化水的连续化生产。
安装口105处可以用环氧树脂密封胶、垫圈或者焊接等方法密封，以防止漏气。另外，连通第一气体出口103和第二气体进口302的连接气管92在分别与冷凝室10和蒸发室30连接时，也可以采用上述密封方式进行密封。在本实施例中，驱动装置70可以为空气泵，空气泵可以设在连接气管92上，以使气体实现循环流动，并且气体能够以较大的流速进入到蒸发腔301中，将固体颗粒310吹起。
冷凝器20设在冷凝腔101内，冷凝器20由螺旋盘绕的换热管组成。加热装置60连接出水管22和喷淋装置50之间。喷淋装置50包括喷淋管52和喷淋嘴51，喷淋嘴51设在上腔3011内，喷淋管52穿过蒸发腔301的侧壁，一端与喷淋嘴51相连，另一端与加热装置60相连。
蒸发腔301内设置有上隔板41和下隔板42，两个隔板将固体颗粒310限制在蒸发腔301的中间位置：即中间腔3012内。固体颗粒310可以在下方来流气体的推动下悬浮和碰撞，喷淋出的液体在悬浮的固体颗粒310外壁形成极薄液膜，并且由于碰撞和重力的作用不断地在不同的固体颗粒310之间传递，该装置极大地提升了液体蒸发的效率。
在本实施例中，蒸发室30内的喷淋总流量为Q＝3L/min，上升气体流速为v＝3m/s，蒸发室30为圆柱形不锈钢容器，高度为1.5m，半径为0.25m。
根据几何知识可知，在相同的流量下，如果液滴的直径越小，那么总的表面积将会越大。现有喷雾装置可以实现喷出来的液滴小于0.1mm。但是当水滴的直径为0.5mm时，根据Bird的经验公式，此时的空气阻力系数为：
当水滴以恒定速度下落时，水滴受力平衡关系式为：(空气浮力与水滴重力相比可以忽略)
其中，ρw为水滴的密度，V0为水滴的体积，r0为水滴的半径，v0为水滴相对于空气的速度。
由此，可得出液滴的稳定速度为：v0＝1.88m/s。液滴的稳定速度小于空气的速度v＝3m/s，此时水滴很有可能被气体吹出蒸发腔301，导致含杂质水滴进入冷凝腔101，造成水净化程度不够。当水滴的直径为1mm时，在空气中的稳定速度为v0＝4.154m/s。假设水滴加速过程很短，在很短的距离内可以达到最终速度，那么水滴从喷淋嘴51流出到水滴到达蒸发腔301底部所需要的时间为t＝2.60s。在这个过程中从喷淋嘴51流出的水体积为：
换算成液滴的总面积为：
水滴个数为：
所以，
如果加入悬浮的固体颗粒310，假设悬浮的固体颗粒310的数量为n，形状为球形，半径为r。当固体颗粒310采用亲水材料时，水滴一旦与球形且悬浮的固体颗粒310接触，很快就会铺展在整个固体颗粒310的表面。如果水滴能够全部附着在固体颗粒310上，那么水与空气的接触面积会变为S＝n·4πr2。由于装置尺寸的限制，n和r之间有制约关系。那么如果按照一层铺设悬浮的固体颗粒310的方法，由几何知识，当r比容器半径的十分之一小时，每一层至少能放个固体颗粒310，则一层的总面积为：
所以，在这种情况下，只用铺设一层悬浮的固体颗粒310就可以使空气与水的接触面积比不铺设时高。
根据Holdich和Richard Graham的书籍《Fundamentals of ParticleTechnology》。要实现稳定的流化床，液滴的速度应满足：
其中，vm表示实现稳定流化床的最小速度，ρs,ρ分别为固体颗粒310和气体的密度，ε为孔隙率，μ为气体的动力粘性系数。该装置采用的固体颗粒310为中间空心的塑料球，直径为2cm，密度为80.5kg/m3。计算得稳定时，流化床的孔隙率为0.5274。蒸发腔301的总体积为：
V＝294.5×10-3m3。
除去喷淋装置50在蒸发腔301内所占用的体积，能够用来布置固体颗粒310的有效体积为：
Veff＝πr2heff＝0.2356m3
其中，heff＝1.2m。
所以，悬浮的固体颗粒310的体积为：V′＝Veff(1-ε)＝0.1113m3；
悬浮的固体颗粒310的总数为n′＝2647个。
总表面积为：
最后可得：
这说明在流化床强化蒸发时，蒸发腔301内的液体与气体接触的表面积变为原来的约四十三倍，蒸发效率可以显著提高，表明根据本发明实施例的流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置100可以起到较好地强化蒸发的效果。
根据本发明实施例的增湿去湿式水净化装置100的其他构成以及操作对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种流化床强化蒸发的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，包括：
冷凝室，所述冷凝室内限定有冷凝腔，所述冷凝室上设有分别与所述冷凝腔连通的安装口、净化水出口、第一气体进口和第一气体出口；
冷凝器，所述冷凝器设在所述冷凝腔内且位于所述第一气体进口和所述第一气体出口之间，所述冷凝器具有进水管和出水管，所述进水管穿设在所述安装口内；
蒸发室，所述蒸发室内限定有蒸发腔，所述蒸发室上设有第二气体进口、第二气体出口和污水出口，所述第二气体出口和所述第一气体进口连通；
上隔板和下隔板，所述上隔板和所述下隔板沿上下方向间隔开设在所述蒸发腔内，以将所述蒸发腔分成上腔、中间腔和下腔，所述第二气体进口和所述下腔连通，所述第二气体出口和所述上腔连通，所述中间腔内设有固体颗粒，所述固体颗粒适于在气体的吹动下悬浮在所述中间腔内，所述固体颗粒包括聚丙烯空心球、聚苯乙烯空心球和聚氯乙烯空心球中的至少一种；
喷淋装置，所述喷淋装置具有喷淋嘴，所述喷淋嘴设在所述上腔内，以向所述中间腔内喷入未净化水；
加热装置，所述加热装置连接在所述喷淋装置和所述出水管之间；
驱动装置，所述驱动装置连接在所述第一气体出口和所述第二气体进口之间，以驱动气体流动。
2.根据权利要求1所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，还包括：中间隔板，所述中间隔板设在所述中间腔内，以将所述中间腔分割成多个子腔，每个所述子腔内悬浮有固体颗粒。
3.根据权利要求2所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，所述中间隔板包括横向隔板和竖向隔板中的至少一个，所述横向隔板、所述上隔板和所述下隔板在上下方向上间隔开设置，所述竖向隔板的上端和下端分别与所述上隔板和所述下隔板相连。
4.根据权利要求3所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，所述横向隔板和所述竖向隔板分别包括多个，多个所述横向隔板在上下方向上等间距设置，多个所述竖向隔板在水平方向上等间距设置。
5.根据权利要求1所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，还包括：第一导流板，所述第一导流板设在所述下腔内，以将从所述第二气体进口进入的气体向竖直方向导流。
6.根据权利要求5所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，还包括：第二导流板，所述第二导流板设在所述冷凝腔内且位于所述冷凝器下方，以将所述冷凝腔内的气体向所述第一气体出口导流。
7.根据权利要求1所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，所述冷凝器形成为由下到上螺旋设置的换热管。
8.根据权利要求2所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，所述上隔板、所述下隔板和所述中间隔板分别形成为网状隔板。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，还包括：预处理装置，所述预处理装置与所述进水管相连且适于对水进行预过滤。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的增湿去湿式水净化装置，其特征在于，所述蒸发腔和所述冷凝腔分别形成为圆柱形，所述蒸发腔的底壁面和所述冷凝腔的底壁面分别形成为向下凸出的弧形面，所述净化水出口和所述污水出口设在对应的所述底壁面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |