CN106745426A - 基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统与工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统，包括：集热单元、低温多效蒸馏单元、制冷单元和蓄冷单元；所述集热单元用于为低温多效蒸馏单元提供热源，所述蓄冷单元用于将从低温多效蒸馏单元流过的高温物料进行降温，所述蓄冷单元的冷量由所述制冷单元提供，还公开了采用该系统进行的海水淡化工艺。本发明系统通过制冷单元与相变蓄冷装置将夜间低廉的低谷电力资源转变为高品质冷能储存起来；通过纳米流体将太阳能集热器中热量转移到原料海水使其蒸发，相变蓄冷装置提供蒸汽凝结所需冷负荷，解决了太阳能海水淡化装置冷负荷动态匹配性问题，降低了海水淡化成本，还可以起到电网负荷移峰填谷的作用，提高用电效率，减少环境污染。

Description

基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统与工艺
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统与工艺。
背景技术
世界淡水资源正在枯竭，这成为人类发展与生存的巨大威胁之一，海水淡化作为一种开源技术，已成为人类缓解淡水危机的有效方法。目前实际应用的海水淡化技术主要为蒸馏法和反渗透膜法两大类，蒸馏法海水淡化主要使用热能，反渗透膜法海水淡化主要使用电能，由于低温多效蒸馏技术克服了造水能耗高和高温蒸馏易于结垢的问题，已在热法海水淡化中占绝对主导技术。
众所周知，太阳能是清洁环保的能源，资源丰富，取之不尽，用之不竭。数十年来世界各国的科学家都在致力于太阳能这一清洁能源的利用。公布号CN105776391A的发明专利公开了一种太阳能海水淡化装置，包括集热单元、制水单元、末端冷凝单元；其中，集热单元包括集热管和汽包；制水单元包括四级自流式蒸发冷凝装置，所述自流式蒸发冷凝装置，第一级至第四级结构相同，通过各级间节流减压阀控制各级工作温度，实现蒸汽在非负压条件下逐级降温冷凝；集热单元、制水单元、末端冷凝单元和收集装置依次连接，集热单元生成水蒸汽，各级蒸汽在压力差驱动下自发流动通过制水单元的四级蒸汽冷凝装置后，进入末端冷凝装置形成淡水，该装置利用了流体在压差驱动下能自发流动的流体动力，无需动力泵和真空泵，结构简单，环保、低能耗、高效的将海水淡化。
太阳能驱动的海水淡化装置在21世纪初开始引起广大学者注意，然而太阳能具有能量密度低和日照间歇性的缺点，制约着其在海水淡化方面的应用。太阳能海水淡化装置中，海水蒸发时产生的蒸汽冷凝时需要的大量的冷量，通常情况下我们会选用海水作为冷却水，由于蒸汽凝结时释放的是潜热，而冷却蒸汽是利用海水的显热变化来满足冷负荷需要，我们需要大量的冷却水来满足蒸汽液化时冷量的需求，而为了保证产水率，冷却水泵功率是按最大蒸汽产量所需冷却水进行配备。太阳能存在能量密度低、日照间歇性和不稳定性等缺点，致使太阳能海水淡化装置中蒸汽产量并不稳定，造成了不必要的冷量和功耗浪费。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化的系统与工艺。纳米流体作为工质由Choi于1995年首次提出，即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类具有高导热系数、均匀及稳定的传热特性，且保证低发射率的工质。纳米流体作为一种新型的高效、高传热性能的能量输运工质，在强化传热和可再生能源利用领域具有十分广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统，包括：集热单元、低温多效蒸馏单元、制冷单元和蓄冷单元；所述集热单元用于为低温多效蒸馏单元提供热源，所述蓄冷单元用于将从低温多效蒸馏单元流过的高温物料进行降温，所述蓄冷单元的冷量由所述制冷单元提供；
所述低温多效蒸馏单元包括低温多效蒸馏器和真空泵；所述真空泵与低温多效蒸馏器连接；
所述集热单元包括太阳能集热器、循环水泵和集热循环管路；所述集热循环管路分别布设于太阳能集热器和低温多效蒸馏器中，所述集热循环管路上设置循环水泵，集热循环管路内部填充纳米流体；
所述蓄冷单元包括相变蓄冷器，所述相变蓄冷器内部填充有纳米流体；
所述制冷单元包括压缩机、冷凝器、节流阀和制冷循环管路；所述压缩机、冷凝器、节流阀依次连接于制冷循环管路上，所述制冷循环管路内有制冷剂。
进一步的，所述集热循环管路中的纳米流体为SiO2纳米流体。
进一步的，所述相变蓄冷器内部填充的纳米流体为氧化石墨烯纳米流体。
进一步的，所述制冷剂为R-410A(二氟甲烷/五氟乙烷混合物)等。
一种采用上述海水淡化系统进行海水淡化的工艺，包括：原料海水从原料海水入口进入低温多效蒸馏器中；集热循环管路以纳米流体作为工质，工质在循环水泵的作用下吸收太阳能集热器的热能，然后在低温多效蒸馏器中与原料海水进行热交换，对原料海水进行加热，所述低温多效蒸馏器由真空泵维持一定真空度；经低温多效蒸馏器升温的原料海水，一部分蒸发成为淡化水排出后被收集起来，另一部分到达低温多效蒸馏器的末效，末效蒸汽排出，经过相变蓄冷器冷凝为淡化水，并排出收集起来；浓缩的海水经浓海水出口排出；
低压制冷剂气体进入压缩机，增压增温后排出进入冷凝器，在冷凝器中降温后进入节流阀降压，之后进入内部填充有纳米流体的相变蓄冷器中吸热蒸发，再回到压缩机完成循环。
进一步的，所述真空泵维持低温多效蒸馏器的真空度在-80至-100KPa。
进一步的，所述相变蓄冷器中的温度为-10～0℃。
进一步的，所述冷凝器与冷却水管道进行热交换。
本发明的有益效果为：
本发明系统通过制冷单元与相变蓄冷装置将夜间低廉的低谷电力资源转变为高品质冷能储存起来；通过纳米流体将太阳能集热器中热量转移到原料海水使其蒸发，相变蓄冷装置提供蒸汽凝结所需冷负荷，解决了太阳能海水淡化装置淡化海水过程中冷负荷动态匹配性问题，降低了海水淡化成本，还可以起到电网负荷移峰填谷的作用，提高用电效率，减少环境污染。
附图说明
图1为本发明海水淡化系统的结构示意图。
附图标记：1、太阳能集热器；2、循环水泵；3、低温多效蒸馏器；301、淡化水出口；302、浓海水出口；303、真空泵接口；304、蒸汽出口；305、热源出口；306、热源入口；307、原料海水入口；4、压缩机；5、真空泵；6、冷凝器；7、相变蓄冷器；701、制冷剂出口；702、蒸汽入口；703、制冷剂入口；704、冷凝水出口；8、节流阀；9、集热循环管路；10、制冷循环管路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例的海水淡化系统，包括：集热单元、低温多效蒸馏单元、制冷单元和蓄冷单元；
所述集热单元用于为低温多效蒸馏单元提供热源。
所述集热单元包括太阳能集热器1、循环水泵2和集热循环管路9；所述集热循环管路9一部分布设于太阳能集热器1内部，一部分布设于低温多效蒸馏器3内部，所述集热循环管路9上设置循环水泵2，集热循环管路9内部填充SiO2纳米流体。
SiO2纳米流体在循环泵2的作用下，进入太阳能集热器1中，与太阳能集热器1进行热交换，将太阳能集热器1转化得到的热能带出，SiO2纳米流体从热源入口306进入低温多效蒸馏器3中，将热能传递给低温多效蒸馏器3后，自身温度下降，再从热源出口305排出进入循环水泵2完成一次循环。
纳米流体(SiO2等)作为太阳能集热器1的循环工质，为低温多效蒸馏器3提供热源，不仅可以提高太阳能集热器1的集热效率，大大提高了海水蒸发器的传热性能，还强化了低温多效蒸馏器3首效的换热性能，提高了热量的利用效率。
所述低温多效蒸馏单元包括低温多效蒸馏器3和真空泵5；所述真空泵5通过真空泵接口303与低温多效蒸馏器3连接；低温多效蒸馏器3内真空度由真空泵5维持在-80至-100KPa左右。
经预处理过的原料海水从原料海水入口307进入低温多效蒸馏器3，吸收SiO2纳米流体的热量进行低温蒸发，一部分蒸发成为淡化水，经淡化水出口301排出后被收集起来。低温多效蒸馏器3的末效蒸汽从蒸汽出口304排出经蒸汽入口702进入相变蓄冷器7，相变蓄冷器7对经过其中的末效蒸汽进行冷凝后，末效蒸汽冷凝为淡化水从冷凝水出口704排出后被收集起来；而其余的未蒸发的浓海水经浓海水出口302排出。
所述相变蓄冷器7内部填充有氧化石墨烯纳米流体，氧化石墨烯纳米流体过冷度比水更低，对应的制冷单元中制冷剂的蒸发温度提高，这大大提高制冷单元的运行性能与制冷性能系数，进而提高用电效率，减少环境污染。相变蓄冷器7内部还可以填充其他类型的纳米流体。
所述制冷单元为蓄冷单元提供冷量。所述制冷单元包括压缩机4、冷凝器6、节流阀8和制冷循环管路10；所述制冷循环管路10内的制冷剂如R-410A进入压缩机4，经压缩机4增压增温后排出进入冷凝器6，在冷凝器6中降温后进入节流阀8降压，之后经制冷剂入口703进入相变蓄冷器7中吸热蒸发，制冷剂气体从制冷剂出口701排出后重新进入压缩机4完成循环。制冷循环管路10内的制冷剂在相变蓄冷器7中与氧化石墨烯纳米流体进行热交换，氧化石墨烯纳米流体吸收制冷剂的冷量，在结晶过程将制冷剂中的冷量储存起来。
所述冷凝器6与冷却水管道进行热交换，冷却水吸收制冷剂的热量后，变为热水输出。
纳米流体(SiO2等)作为太阳能集热器的循环工质，为低温多效蒸馏器提供热源，不仅可以提高太阳能集热器的集热效率，大大提高了海水蒸发器的传热性能，还强化了低温多效蒸馏器首效的换热性能，提高了热量的利用效率。
蓄冷装置的相变蓄冷材料为氧化石墨烯或其他纳米流体，与水相比，氧化石墨烯纳米流体过冷度更低，对应的制冷系统中制冷剂的蒸发温度提高，这大大提高制冷系统的运行性能与制冷性能系数，进而提高用电效率，减少环境污染。夜间低廉的低谷电力资源通过制冷单元与蓄冷单元以冷量的形式储存在相变材料中，在白天电网高峰负荷时，提供太阳能海水淡化装置水蒸汽凝结所需冷负荷，实现电力的移峰填谷，降低了海水淡化成本，解决了太阳能驱动海水淡化装置过程中蒸汽冷凝所需冷负荷的动态匹配性问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于纳米流体相变蓄冷与太阳能驱动海水淡化系统，其特征在于，包括：集热单元、低温多效蒸馏单元、制冷单元和蓄冷单元；所述集热单元用于为低温多效蒸馏单元提供热源，所述蓄冷单元用于将从低温多效蒸馏单元流过的高温物料进行降温，所述蓄冷单元的冷量由所述制冷单元提供；
所述低温多效蒸馏单元包括低温多效蒸馏器和真空泵；所述真空泵与低温多效蒸馏器连接；
所述集热单元包括太阳能集热器、循环水泵和集热循环管路；所述集热循环管路分别布设于太阳能集热器和低温多效蒸馏器中，所述集热循环管路上设置循环水泵，集热循环管路内部填充纳米流体；
所述蓄冷单元包括相变蓄冷器，所述相变蓄冷器内部填充有纳米流体；
所述制冷单元包括压缩机、冷凝器、节流阀和制冷循环管路；所述压缩机、冷凝器、节流阀依次连接于制冷循环管路上，所述制冷循环管路内有制冷剂。
2.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于，所述集热循环管路中的纳米流体为SiO2纳米流体。
3.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于，所述相变蓄冷器内部填充的纳米流体为氧化石墨烯纳米流体。
4.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于，所述制冷剂为R-410A。
5.一种采用权利要求1-4任意一项所述海水淡化系统进行海水淡化的工艺，其特征在于，包括：原料海水从原料海水入口进入低温多效蒸馏器中；集热循环管路以纳米流体作为工质，工质在循环水泵的作用下吸收太阳能集热器的热能，然后在低温多效蒸馏器中与原料海水进行热交换，对原料海水进行加热，所述低温多效蒸馏器由真空泵维持一定真空度；经低温多效蒸馏器升温的原料海水，一部分蒸发成为淡化水排出后被收集起来，另一部分到达低温多效蒸馏器的末效，末效蒸汽排出，经过相变蓄冷器冷凝为淡化水，并排出收集起来；浓缩的海水经浓海水出口排出；
低压制冷剂气体进入压缩机，增压增温后排出进入冷凝器，在冷凝器中降温后进入节流阀降压，之后进入内部填充有纳米流体的相变蓄冷器中吸热蒸发，再回到压缩机完成循环。
6.根据权利要求5所述的海水淡化的工艺，其特征在于，所述真空泵维持低温多效蒸馏器的真空度在-80至-100KPa。
7.根据权利要求5所述的海水淡化的工艺，其特征在于，所述相变蓄冷器中的温度为-10～0℃。
8.根据权利要求5所述的海水淡化的工艺，其特征在于，所述冷凝器与冷却水管道进行热交换。
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