CN106050522A - 一种海水淡化中曝气发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海水淡化中曝气发电装置，属于能源领域。包括上水箱，所述上水箱侧壁上有进水口，所述进水口处安装有滤网，所述上水箱的底部连接有进水管，所述进水管中间插入有进气管，所述进气管穿过上水箱，与大气相通；所述进水管下端与下水箱相连，所述下水箱的顶部以伞形顶封闭，同时通过出水管与原水槽连接；所述伞形顶与送气管连接，所述送气管上依次安装有除湿器、风力发电器和稳流器，所述稳流器与蓄电池连接。本装置有效地将海水的势能转化为了高压气体，利用高压气体再推动气压马达带动发电机发电，将这一部分电能提供给海水淡化厂使用，降低了海水淡化的能耗和成本，使能源得到了充分利用。

Description

一种海水淡化中曝气发电装置
技术领域
本发明涉及一种能量收集转化发电装置，特别涉及一种海水淡化中曝气发电装置，属于能源领域。
背景技术
公知当前世界上淡水资源短缺，而我国又是世界上贫水国家之一，缺水情况严重。在这样的社会现状下，国内外海水淡化技术蓬勃发展起来。其中反渗透膜法淡化已经占到海水淡化行业的60％～70％。但是海水淡化技术成本高，能耗大，而且海水淡化中海水势能没有得到充分利用。我们通过调查研究发现，世界各地反渗透膜法海水淡化工程每淡化出1m3淡水需要直接利用150～300m3的海水。海水淡化厂取水口一般在海平面下10～15米，这样在海水淡化厂所取的海水中就存储了大量的势能，而现有的海水淡化厂对于这一部分海水的势能并没有加以利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海水淡化中曝气发电装置。在海水淡化厂取水口处放上本发明的曝气发电装置。
具体地，包括上水箱，所述上水箱侧壁上有进水口，所述进水口处安装有滤网，所述上水箱的底部连接有进水管，所述进水管中间插入有进气管，所述进气管穿过上水箱，与大气相通；
所述进水管下端与下水箱相连，所述下水箱的顶部以伞形顶封闭，同时通过出水管与原水槽连接；所述伞形顶与送气管连接，所述送气管上依次安装有除湿器、风力发电器和稳流器，所述稳流器与蓄电池连接。
本发明装置分为四个部分，分别是气液混合部分、气液分离部分、排水部分、送气部分。
其中气液混合部分是利用射流曝气的原理也即流体连续性方程和伯努利原理在海水进水管处产生局部负压，将空气吸入进水管中，气泡随海水的运动向下运动，气液在接触表面之间进行能量交换，海水的一部分能量在这个过程中转移到气泡上，在气泡被运动的海水紊流切割并压缩形成大量的微小气泡这一过程中，海水的一部分动能和位能转移到了气体中，这两部分最终完成了海水与气泡之间的能量转换。
气液分离部分气液分离部分利用了水平缓流液体中的气泡上升运动规律，完成了高压气体的收集。
排水部分将海水引入海水淡化厂原水槽中。
送气部分将高压气体收集起来输送到除湿器去除气体中的水分并最终带动风力发电机产生不连续的电流，再利用整流器输出稳定的电流，最终储存到蓄电池中。
本发明的有益效果是：本装置有效地将海水淡化厂所抽取的海水中为大家所忽略的势能转化为了高压气体的能量，利用高压气体再推动发电机发电。将所产生的电能提供给海水淡化厂使用，降低了海水淡化的能耗和成本，使能源得到了充分利用。
这种设计有效利用了海水淡化厂无法直接使用的海水的势能，并且利用气体作为能量转化介质，有效避免了发电部分被海水腐蚀的问题。
本发明装置的连接部分少，且结构简单，进水管、进气管和出水管采用抗压PVC塑料管制作即可，避免了采用金属材料所带来的金属被海水腐蚀而使装置失效的问题，而且采用PVC塑料管降低了装置的制作成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为进水管与进气管交界面处的结构示意图。
图中，1-上水箱，2-进水口，3-滤网，4-进气管，5-进水管，6-下水箱，7-伞形顶，8-送气管，9-出水管，10-原水槽，11-海岸，12-除湿器，13-风力发电机，14-稳流器，15-蓄电池，16-原水槽液面，17-海平面，18-原水槽出水口。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例1：
本发明是安装在反渗透膜法海水淡化厂的海水取水口处的海水势能收集转化发电装置。进气管4和进水管5以PVC塑料管制作即可，进水管5的上端进水口在海平面下1m，其中进气管4插入到进水管5中0.7m到1m，一根进水管5中有15根进气管4插入，以保证进水管5与进气管4的面积比为6:1。原水槽液面16与海平面17之间的距离为8m，出水管9与海平面17之间的距离为10～15m左右，送气管集气口7与原水槽液面16之间的距离为10m。这时得到的高压气体的气压约为2×105Pa，也即增加了一个大气压。装置的下水箱6封闭。经过实验我们发现，利用这套装置，海水势能转化为高压气体的能量的转化效率为0.7～0.84。这里我们做了实验前的理论计算：
首先是根据反渗透膜法进行海水淡化的淡化效率：每淡化出1m3的淡水，需要直接使用150～300m3的海水。我们以华能玉环电厂海水淡化工程为例：它的设计参数为：
海水含盐量：34000mg/L
水温：15～32摄氏度
水量：总制水量1440m3/h(34560m3/d)(分为6套，单套出力240m3/h)
海水取水口位置：电厂海域-15.6m等深线附近的海域。
排水口位置：-5m等深线附近的海域。
每日生产淡水34560m3/d，海水进水口与海平面直接水位差为15.6m，对于我们的射流曝气发电装置而言，可以直接利用的海水势能即为原水槽液面和海平面之间的落差所带来的势能，约为10～15m。设每淡化出1m3淡水需直接使用200立方米海水。则每天直接使用的海水水量为：
N＝34560×200m3＝6912000m3
也即流量为80m3/s，一个进水管的截面积为：
s＝πr2＝0.785m2 r＝0.5m
以海水的正常进水速度为2m/s，需安放51根半径为0.5m的进水管和765根半径为50mm的进气管，以及直径为315mm的集气管，这是可以实现的。
这样在海水从海平面到原水槽中的过程中，以其液面差为10m来计算，我们可以直接利用的海水势能为：
T＝ρVgΔh＝1×103×6912000×9.8×10J＝6.8×1011J
其中V：海水体积
根据实验室测定的海水势能转化为高压气体能量的转化效率：0.7～0.84，我们取0.7来计算，则高压气体的能量为：
Tq＝Tη1
其中η1：能量转化效率70％
由上，原水槽液面与进气管集气口的液面差为10m,根据压强计算公式，得到的高压气体的压强为:10米水下的绝对气压＝大气压+10米水柱的压强，也即为两个大气压。实验室测得所产生的气体压强约为2×105Pa，刚好为两个大气压左右，这也证实了我们理论计算的结果。同时根据公式推导有：过流水体积*落差*水密度*重力加速度＝气体压强*气体体积*自然对数ln(初始气压/得到的高压气体的绝对气压值)*液气能转换效率
也即：
V l Δ h ρ g = PV q ln P 0 P
其中：Vl：海水的体积
Δh：原水槽液面和海平面的高差
ρ：海水的密度
P：得到的气体压强
Vq：得到的气体的体积
P0：初始气压
计算可得到：一秒钟能得到的气体体积为：57.7m3，分到每根送气管，它的气体流量为1.13m3/s，根据功率公式：
P＝qΔp
其中：q：气体流量，这里为1.13m3/s
Δp：气体压强，这里为0.1MPa
计算可得：一根送气管所产生的功率为：113kw。当设计的送气管管径为315mm时，气体的速度能达到14.5m/s。据此，我们选择使用12台10kw风力发电机，型号为：FB-10K。
采用450V蓄电池，最终输出的稳定电流为22A。
具体工作方式如图1所示，海水通过上水箱1的进水口2，经过粗效滤网3的简单过滤，将海水中的鱼类、海草等杂物过滤掉，进入上水箱1中，然后通过进水管5进入下水箱6中，在进气管4与进水管5的交界面处，形成了变截面积交界面。根据射流曝气也即是流体连续性方程和伯努利原理，海水的过流截面积由小变大，则流速由大变小，相应的压强由小变大，这样就在在交界面处形成了负压，空气就由此进入。在进水管5中，较大的气泡被海水紊流切割和压缩成很多微小的气泡，在这个切割和压缩的过程中海水的能量有一部分转移给了气泡。接下来是气液分离部分，这一部分中，海水通过进水管5进入下水箱6中后由向下的运动变为横向运动，气泡在海水主要受到了两个力，一个是浮力，方向向上，一个是海水分子和气泡表面分子之间的接触力，方向向左，它们的合力方向是斜向上方向，这样气泡向上运动，进入伞形顶7处，成为连续的高压气体。第三部分是排水部分，海水通过出水管9进入原水槽10中。第四部分是送气部分，这里送气管8中的高压气体送到除湿器12去除空气中的水分最终送到风力发电机13产生不稳定的电流，再通过稳流器14来输出稳定的电流，储存在蓄电池15中。
如图2所示，进水管5中插有15根进气管4。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种海水淡化中曝气发电装置，包括上水箱，所述上水箱侧壁上有进水口，所述进水口处安装有滤网，所述上水箱的底部连接有进水管，所述进水管中间插入有进气管，所述进气管穿过上水箱，与大气相通；
所述进水管下端与下水箱相连，所述下水箱的顶部以伞形顶封闭，同时通过出水管与原水槽连接；所述伞形顶与送气管连接，所述送气管上依次安装有除湿器、风力发电器和稳流器，所述稳流器与蓄电池连接。
2.根据权利要求1所述的曝气发电装置，其特征在于，所述进气管插入到进水管中0.7m到1m。
3.根据权利要求1所述的曝气发电装置，其特征在于，一根进水管中有15根进气管插入。
4.根据权利要求1所述的曝气发电装置，其特征在于，所述进水管、进气管和出水管采用PVC塑料管制作。
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