CN106915792A - 一种风光互补的海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风光互补的海水淡化装置，利用空气的载湿能力进行蒸发，带走海水中的纯水，且湿空气经降温冷凝后回收其析出的冷凝水，达到海水淡化的目的。当利用太阳能驱动系统运行时，用于加热海水以及驱动溴化锂制冷机产生冷却水所需的热量均由太阳能平板集热器产生的热水提供；当利用风能驱动系统运行时，通过风能直接驱动热泵系统，用于加热海水以及冷却湿空气。设置相变蓄热器储存热水热量，以适用于各种不同天气条件，保证系统稳定不断地运行。
Description
技术领域
本发明属于海水淡化领域，具体涉及一种风光互补的海水淡化装置。
背景技术
随着经济的日益发展和人民生活水平的不断提高，水资源短缺问题成为全国乃至世界发展面临的一个重大障碍，全球各国和地区纷纷寻找解决水资源短缺的方法。由于海水总量巨大，相对于淡水来说可谓取之不尽用之不竭，因此，海水淡化是目前解决水资源短缺问题的重要方式。
蒸馏法(热法)是目前海水淡化的主要方式之一，其中又以多效蒸馏(MED)和多级闪蒸(MSF)技术应用较为广泛。多效蒸馏是将多个蒸馏器进行串联，上一组蒸馏器内产生的水蒸气冷凝释放的热量作为热源加热下一组蒸馏器，且每组蒸馏器的温度和压力均低于前一组，以此，海水浓度不断变高，回收的冷凝水即为淡水。由于其结垢和腐蚀问题，使得其发展停滞不前，直至低温多效蒸馏技术的出现才有所改观。多级闪蒸是将海水预热后引入到一个压力低于其饱和蒸汽压的容器之中，海水因过热进行闪蒸，闪蒸后的蒸汽冷凝后进行淡水回收，但其能耗大，投资及制水成本高。
发明内容
本发明针对当前采用热法进行海水淡化存在的不足之处，提出了一种风光互补的海水淡化装置。利用空气温度升高，其载湿能力呈现一种超线性增长的特点，通过循环空气带走海水中的纯水，并通过对湿空气进行降温，降低至其露点温度，则冷凝水析出，达到海水淡化的目的。其中，空气与海水直接接触换热，吸收海水的热量；海水由太阳能或风能热泵系统产生的热水进行加热；太阳能平板集热器吸收太阳能用于加热热水，热泵系统则利用风能进行驱动，工质在冷凝器中释放热量，用于加热热水。利用海边自然环境特点，晴天时阳光辐照较强，以太阳能作为驱动热源，阴雨天时风力较强，以风能作为驱动热源。设置相变蓄热器，储存太阳能平板集热器或风能热泵系统产生的多余热量，确保系统能够在晴朗无风夜晚运行，实现连续地海水淡化操作。
为实现本发明目的，采用如下技术方案：
一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于，包括：海水储罐、进料泵、回热冷凝器、预热器、蒸发室、风机、循环液罐、循环泵、除湿冷凝器、淡水收集罐、太阳能平板集热器、相变蓄热器、溴化锂制冷机、热水箱、风力机、变速器、压缩机、节流阀、蒸发器、冷凝器、冷却水循环泵和热水循环泵。系统工作流程为：由海水储罐流出的原始海水经进料泵输送与循环液罐流出的浓缩海水经循环泵输送按比例混合后分别经回热冷凝器与预热器加热升高至指定温度，送入至蒸发室；在风机作用下，空气被通入到蒸发室，与混合海水进行直接接触传热传质，空气带走海水中的部分水分，离开蒸发室，之后被引入到回热冷凝器中冷凝，与混合海水进行换热后，初步降温除湿，并在除湿冷凝器中与冷却水进行换热后，二次降温除湿，空气回到进入蒸发室之前的状态，再次引入到蒸发室，完成空气循环；浓缩海水落入蒸发室底部，进入循环液罐，完成海水循环；太阳能平板集热器能够产生热水，用于实现3个目的：1)加热混合海水，使其达到指定温度；2)作为热源，驱动溴化锂制冷机产生冷却水；3)与相变蓄热器进行换热，储存热量。风能热泵系统通过风能带动风力机转动，通过变速器调整至指定转速，驱动热泵系统工作，为预热器提供加热海水所需的热量，以及为除湿冷凝器提供冷凝湿空气所需的冷量，同时其产生的热量同样能够储存到相变蓄热器中。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述混合海水由来自海水储罐的原始海水和来自循环液罐的浓缩海水按照一定比例混合配制而成，利用原料泵和循环泵分别输送原始海水和浓缩海水，通过原料阀和循环阀控制海水流量，使混合海水达到指定浓度。混合海水通过回热冷凝器与从蒸发室离开的湿空气进行换热，吸收湿空气余热后，通过预热器与热水进行换热，加热至指定温度后进入蒸发室进行蒸发浓缩，与空气进行直接接触传热传质，浓缩后的海水进入循环液罐进行再次配比循环蒸发。
所述风机为空气循环提供动力，当风机运行时，空气首先被吹入蒸发室，与混合海水进行直接接触传热传质，升温载湿后离开蒸发室，并进入回热冷凝器中，将余热释放到混合海水后，循环空气的温度、湿度降低，之后进入到除湿冷凝器中，与冷却水换热，循环空气的温度、湿度继续降低，回到进入蒸发室之前的状态，并由风机继续通入到蒸发室，完成空气循环。由淡水收集罐收集湿空气两次冷凝后的冷凝水作为淡水产品。
所述太阳能平板集热器在阳光辐照充足，风力较弱时起到制热主要效果，此时在热水循环泵的作用下，由太阳能平板集热器热水出口流出的热水分为三股，其中一股进入预热器，加热混合海水；另一股进入溴化锂制冷机，驱动其产生冷却水，在冷却水循环泵的作用下进入除湿冷凝器用于吸收湿空气热量；最后一股进入相变蓄热器储存热量。从预热器、溴化锂制冷机以及蓄热器中流出的热水汇合后重新进入太阳能平板集热器中，完成热水循环。
所述风能热泵系统在阴雨天时，阳关辐照较弱，但风力较强时起到制热主要效果，在风力机的作用下，经过变速器调节到指定转速，驱动热泵系统的压缩机运行，循环工质在经压缩机加压升温后进入冷凝器，将热水加热至工作温度，在热水循环泵的作用下利用热水将混合海水加热至指定温度，多余的热水能够进入相变蓄热器储存热量。工质冷凝后经节流阀减压降温后进入蒸发器，吸收冷却水热量，在冷却水循环泵的作用下冷却水进入除湿冷凝器用于吸收湿空气热量，工质在蒸发后再次进入压缩机中进行循环。
所述相变蓄热器是应用于晴朗无风夜晚时，此时太阳能平板集热器与风能热泵系统均无法正常工作，为保证蒸发过程能够连续进行，此时关闭太阳能平板集热器与风能热泵系统进出口阀门，热水直接由相变蓄热器提供，在热水循环泵的作用下(此时切换管路，相变蓄热器与热水循环泵串联)，热水从相变蓄热器流出，分为两股，其中一股进入预热器，加热混合海水；另外一股进入溴化锂制冷机，驱动其产生冷却水，在冷却水循环泵的作用下冷却水进入除湿冷凝器用于吸收湿空气热量。从预热器和溴化锂制冷机流出的热水汇合后，再次流入相变蓄热器，完成热水循环。
本发明的有益效果是：海水淡化装置常设置在海边，根据海边自然环境特点，本发明可采用不同的制热方式。当阳光辐照充足时，风力一般较弱，此时，主要通过太阳能平板集热器吸收阳光辐射产生热水，进而驱动蒸发系统运行；当阴雨天气时，阳光辐照较弱，但风力较强，此时主要通过风能热泵系统系统利用风能驱动热泵运行，进而驱动蒸发系统运行；当处于晴朗无风夜晚时，通过相变蓄热器中储存的热量产生热水，进而驱动蒸发系统运行。因此，本发明综合各种不同天气条件，可选用不同的制热方式，可保证蒸发系统持续不断运行。
附图说明：
图1是本发明的工作示意图。
图2是本发明利用太阳能作为驱动能源时的工作简图。
图3是本发明利用风能作为驱动能源时的工作简图。
图4是本发明利用相变蓄热器作为驱动能源时的工作简图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的一种风光互补的海水淡化装置，包括海水储罐1、进料泵2、回热冷凝器3、预热器4、蒸发室5、风机6、循环液罐7、循环泵8、除湿冷凝器9、淡水收集罐10、太阳能平板集热器11、相变蓄热器12、溴化锂制冷机13、热水箱14、风力机15、变速器16、压缩机17、节流阀18、蒸发器19、冷凝器20、冷却水循环泵21和热水循环泵22。
下面以靠近海边的海水淡化操作过程为例进行介绍，以便于理解整个蒸发过程：
将取自海边的海水通入到海水储罐1中，开启原料阀，循环阀保持关闭状态，原始海水在进料泵2的作用下流入回热冷凝器3中，作为冷流体与热流体载湿循环空气进行换热，原始海水温度升高，之后流入到预热器4中，作为冷流体与热流体热水进行换热，原始海水温度再次升高，达到指定温度后自蒸发室5顶部进入，与循环空气进行直接接触传热传质，循环空气温度升高后载湿能力增强，吸收原始海水部分水分，原始海水经浓缩后落入蒸发室5底部，进入循环液罐7中，此时由于单次蒸发不足以将海水浓缩到指定浓度，因此，关闭原料阀，停止进料，开启循环阀及循环泵8，将浓缩海水进行强制内部循环，再次经回热冷凝器3与预热器4加热后进入蒸发室5，如此往复多次后，海水浓缩至指定浓度，此时开启原料阀，调节原料阀与循环阀开度，控制原始海水与浓缩海水的流量配比，使得混合海水的浓度达到一次蒸发后浓度与浓缩海水相同，如此便可持续不断地稳定运行蒸发操作。循环空气在风机6的作用下自蒸发室5底部进入，并从顶部离开，升温载湿后的循环空气首先进入回热冷凝器3中作为热流体与冷流体混合海水换热，初步降温冷凝后流入除湿冷凝器9中，作为热流体与冷流体冷却水进行换热，再次降温冷凝后载湿能力回复到初始状态，再次进入蒸发室5进行循环载湿，利用淡水收集罐10从回热冷凝器3和除湿冷凝器9中收集冷凝水作为海水淡化的产品。
利用太阳能驱动蒸发系统运行时，如图2所示，本发明利用太阳能作为驱动能源时的工作简图。由太阳能平板集热器11产生的热水分为三股，一股进入预热器作为热流体与混合海水进行换热，一股进入溴化锂制冷机13用于驱动其产生冷却水，在冷却水循环泵21的作用下进入除湿冷凝器9用于吸收湿空气热量，另外一股进入相变蓄热器12，储存热量，三股热水换热后最终重新汇合，再次进入太阳能平板集热器11重新加热热水，完成热水循环。利用风能驱动蒸发系统运行时，如图3所示，本发明利用风能作为驱动能源时的工作简图。在风力机15的作用下，通过变速器调节转速，驱动热泵系统的压缩机运行，循环工质在经压缩机17加压升温后进入冷凝器20，将热水加热至工作温度，在热水循环泵22的作用下利用热水将混合海水加热至指定温度，多余的热水能够进入相变蓄热器12储存热量。工质冷凝后经节流阀18减压降温后进入蒸发器19，吸收冷却水热量，在冷却水循环泵21的作用下冷却水进入除湿冷凝器9用于吸收湿空气热量，工质在蒸发后再次进入压缩机17中进行循环。
本发明利用空气的载湿能力进行蒸发，由此吸收海水中的淡水，并对载湿空气进行冷凝，回收冷凝水，以此实现海水淡化的目的。利用太阳能平板集热器11产生热水，进入热水箱14，或利用风能热泵用以驱动蒸发过程运行；根据海边不同天气条件差异，采用光能和风能互为补充的方式，且利用相变蓄热器储12存多余热量以便利用，由此保证蒸发过程连续不断进行。如图4所示，本发明利用相变蓄热器作为驱动能源时的工作简图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于，包括：海水储罐(1)、进料泵(2)、回热冷凝器(3)、预热器(4)、蒸发室(5)、风机(6)、循环液罐(7)、循环泵(8)、除湿冷凝器(9)；由海水储罐(1)流出的原始海水经进料泵(2)输送与循环液罐(7)流出的浓缩海水经循环泵(8)输送按比例混合后分别经回热冷凝器(3)与预热器(4)加热升高至指定温度，送入至蒸发室(5)；在风机(6)作用下，空气被通入到蒸发室(5)，与混合海水进行直接接触传热传质，空气带走海水中的部分水分，离开蒸发室(5)，之后被引入到回热冷凝器(3)中冷凝，与混合海水进行换热后，初步降温除湿，并在除湿冷凝器(9)中与冷却水进行换热后，二次降温除湿，空气回到进入蒸发室(5)之前的状态，再次引入到蒸发室(5)，完成空气循环；浓缩海水落入蒸发室(5)底部，进入循环液罐(7)，完成海水循环；整套装置的运行由太阳能或风能进行驱动，且由太阳能和风能产生的热水可通入到相变蓄热器(12)中储存热量；根据当前天气状况，选用其中一种适合的驱动能源，使太阳能、风能和相变蓄热器形成一种互为补充的作用。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：太阳能由太阳能平板集热器(11)产生，当阳光辐照充足时，风力较弱，太阳能平板集热器(11)正常工作，吸收太阳能用于加热热水，热水是维持蒸发系统正常运行的驱动热源，产生的热水分别用于加热混合海水、驱动溴化锂制冷机(13)以及相变蓄热器(12)储存热量。
3.根据权利要求2所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：由太阳能平板集热器(11)产生的热水，其通入到预热器(4)中与混合海水换热使其达到指定蒸发温度；通入到溴化锂制冷机(13)中驱动其产生循环冷却水进入到除湿冷凝器(9)中为湿空气进行冷凝除湿；通入到相变蓄热器(12)中利用相变材料的特性储存相变潜热，供后续驱动系统运行使用。
4.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：风能由风力机(15)、变速器(16)、压缩机(17)产生，当阴雨天气时，风力较强，阳光辐照较弱，风能热泵系统正常工作，提供加热混合海水和为相变蓄热器(12)储存热量的热水以及提供冷凝湿空气的冷却水。
5.根据权利要求4所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：风能带动风力机(15)转动，通过变速器(16)调整至指定转速，驱动热泵系统的压缩机(17)运行，工质在热泵系统中循环，经过冷凝器(20)释放热量至热水中进而为预热器(4)提供加热海水所需的热量；工质经蒸发器(19)吸收热量，提供冷却水为除湿冷凝器(9)提供冷凝湿空气所需的冷量；热泵系统产生的热水由相变蓄热器(12)储存热量。
6.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：当环境条件为晴朗夜晚时，无光照且风力较弱，此时相变蓄热器(12)释放热量产生热水，用于驱动系统，维持运转；其通入到预热器(4)中与混合海水换热使其达到指定蒸发温度；通入到溴化锂制冷机(13)中驱动其产生循环冷却水进入到除湿冷凝器(9)中为湿空气进行冷凝除湿。
7.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：所述蒸发室(5)中进行蒸发的海水是由经循环泵(8)打入的浓缩海水与经进料泵(2)打入的原始海水按一定比例混合配制而成的，通过调节阀门开度控制原始海水与浓缩海水的配比流量，保证混合海水经过蒸发后落入蒸发室底部的浓缩海水的浓度保持不变，实现连续蒸发操作。
8.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：进入到所述蒸发室(5)中进行蒸发的混合海水由回热冷凝器(3)进行一次加热升温，再经预热器(4)进行二次加热升温，达到指定温度后进入蒸发室(5)。
9.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：利用空气载湿能力进行蒸发浓缩，循环空气在风机(6)的作用下进行闭式循环，在蒸发室(5)中升温载湿后，经回热冷凝器(3)进行一次降温除湿，再经除湿冷凝器(9)进行二次降温除湿，回复至初始状态；由淡水收集罐(10)收集湿空气两次冷凝后的冷凝水作为淡水产品。
10.根据权利要求1所述的一种风光互补的海水淡化装置，其特征在于：原始海水与浓缩海水混合后经回热冷凝器(3)与预热器(4)加热升温后在蒸发室(5)中与循环空气进行直接接触传热传质，海水浓缩后继续循环，循环空气升温增湿后，经回热冷凝器(3)与除湿冷凝器(9)两次降温除湿后最终回到初始状态继续循环操作。
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