CN107585811A - 一种节能型海水淡化设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节能型海水淡化设备，其特征是：设备包括：蒸汽增压机、有防腐涂层的板式蒸发‑凝结换热器、海水预热器、液/汽分离器、海水增压泵等，洁净海水被海水增压泵输送，通过海水预热器预热，送入蒸发‑凝结换热器的海水蒸发通路，被来自蒸汽增压机的压缩热蒸汽加热，海水蒸发的蒸汽进入液/汽分离器，分离的蒸汽被蒸汽增压机吸入并压缩，成为新的热蒸汽，又被送去蒸发‑凝结换热器的蒸汽凝结通路，加热海水，使海水再蒸发；热蒸汽在蒸汽凝结通路连续不断产生的凝结水，即淡水；淡水和盐水，通过海水预热器与海水给水换热，回收能量；如此循环不断；设备采用双螺杆压缩机，配2级或3级蒸发‑凝结换热器，仅仅消耗压缩蒸汽的能量，节能效果极佳，吨淡水生产的能源成本在10‑15元。

Description

一种节能型海水淡化设备

技术领域

本发明涉及海水淡化和热泵领域，属于高温多效蒸馏海水淡化技术和热泵节能技术。

背景技术

海岛、轮船、军舰、沿海缺水城市需要淡水可以依靠海水淡化来解决。以色列等靠海边缺水的国家，有50%需要的淡水来自海水淡化。目前，海水淡化主要有两类方法，一类是反渗透膜法，另一类是蒸馏法；蒸馏法又分高温多效蒸馏法、低温多效蒸馏法等；反渗透膜法的主要消耗动力是高压泵，要让海水中的淡水渗透的隔离膜的淡水侧，大规模生产，消耗动力成本较低，关键技术是渗透膜的材料和高压系统；蒸馏法，消耗蒸汽能源，一般利用火力发电厂的蒸馏法乏汽为热源。乏汽温度较低，在80℃左右，所以发展了低温多效蒸馏海水淡化法，此方法依赖电厂，生产量很大。此类海水淡化设备，体积庞大，动力消耗过大，不适合海岛、渔船、战舰上使用。另外，太阳能海水淡化设备效率低，受天气影响不稳定，不能 保障海岛等处军民对淡水的稳定需求。高温多效蒸馏法的海水蒸发换热器,不仅产生高温蒸汽成本贵，而且需要解决海水腐蚀问题。因此，研发高效节能、性能可靠的中小型的海水淡化设备，对国防、民生都有重要意义和有广阔的应用市场。

发明内容

为了弥补现有海水淡化方法的不足，生产节能、高效中小型的海水淡化设备，满足边防海岛、渔船等国防、民生的需求，本申请人在提出一种蒸汽热泵供热蒸馏海水淡化方法及其系统的基础上，再补充提出一种使用蒸汽热泵供热和板式换热器为蒸发-凝结器的节能型海水淡化设备，简称一种节能型海水淡化设备，仍然利用蒸汽增压机，把在蒸发-凝结器中海水蒸发的蒸汽，压缩增压提升温度后用做加热蒸汽，送回到蒸发-冷凝器的热蒸汽侧，加热海水而凝结为淡水；被加热的海水蒸发的蒸汽，再去压缩，再凝结为淡水，如此循环，进行海水淡化方法的原理；本申请的发明专利重要创新，在于设计了以板式换热器为蒸发-凝结器的海水淡化系统，使海水淡化设备更紧凑、容易制作、结构更简单，并保留已经申请专利高效节能特点，是一种非常有前途的的淡化海水的方法。

本发明的具体技术方案是：

一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的一种节能型海水淡化设备，简称设备，包括：蒸汽增压机、蒸发-凝结换热器、海水预热器、液/汽分离器、海水增压泵、盐水泵、淡水泵、连接管路、阀门、信号测试和控制系统；所述的蒸发-凝结换热器，是板式换热器组成的蒸发-凝结换热器；设备的工作方式是：经过滤去杂质的洁净海水，被海水增压泵增压后，通过海水预热器加热到设定温度，送入蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路，被热蒸汽加热而蒸发；海水蒸发的蒸汽连同含盐浓度高的盐水，一同进入液/汽分离器；液/汽分离器分离出来的蒸汽，被吸入蒸汽增压机压缩，成为压力和温度较高的热蒸汽；热蒸汽又被送去蒸发-凝结换热器的蒸汽凝结通路，加热海水，使海水再蒸发；在蒸汽凝结通路产生的凝结水，即淡水，送入海水预热器，与海水给水换热；换热冷却后的淡水，由淡水泵抽送到淡水池；液/汽分离器分离出来的盐水，送入海水预热器，与海水给水换热；换热冷却后的盐水，由盐水泵抽送排出；或液/汽分离器分离出来的盐水，有一部分流回到蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路进口，与来自海水预热器的海水给水一同进入蒸发-凝结换热器。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的蒸汽增压机是双螺杆蒸汽增压机、或单螺杆蒸汽增压机、或离心式蒸汽增压机、或罗茨蒸汽增压机；根据蒸汽流量选择蒸汽增压机的类型，离心式蒸汽增压机流量大，压缩比小，单级离心式蒸汽增压机只能与单级的蒸发-凝结换热器配套；螺杆蒸汽增压机流量小，但是压缩比高，可以与2级、或3级的多级多效蒸发-凝结换热器配套；所述的蒸汽增压机可配置变频器，通过调节蒸汽增压机转子的转速调节流量。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的由板式换热器组成的蒸发-凝结换热器，也称为板式蒸发-凝结换热器；板式蒸发-凝结换热器内，设置有海水蒸发通路和热蒸汽凝结通路，两通路由波浪状的不锈钢薄板片相间叠加而成；为防止腐蚀，至少在海水蒸发通路的换热板面上，进行防腐处理，例如涂不粘锅的特氟龙涂层；板式蒸发-凝结换热器在设备中竖立放置，海水蒸发通路的下进口为海水进口，上出口为蒸汽与含盐浓度高的盐水的汽水混合出口；海水在海水蒸发通路内沸腾蒸发，汽泡裹着盐水一同上升，进入液/汽分离器；蒸汽凝结通路的蒸汽进口在上，淡水出口在下；热蒸汽在蒸汽凝结通路凝结，凝结水从淡水出口流出；板式蒸发-凝结换热器的平均传热温差在6-15℃范围选择。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的设备所配置的蒸发-凝结换热器、海水预热器和液/汽分离器，或是单级，或是多级，其级数用n表示；所配的级数n，是根据蒸汽增压机排汽与进汽的压力所对应的饱和蒸汽的温度差值，简称排-进汽温差与板式蒸发-凝结换热器的平均传热温差的比值的整倍数而定；排-进汽温差在20℃左右时，选择两级n=2，排-进汽温差在30℃左右时,选择三级n=3；n级的板式蒸发-凝结换热器的第一级的热蒸汽来自蒸汽增压机的排汽，第二级的热蒸汽来自第一级蒸发-凝结换热器的海水蒸发蒸汽，第三级的热蒸汽来自第二级蒸发-凝结换热器的海水蒸发蒸汽，如此类推；末级，即第n级的海水蒸发蒸汽，作为蒸汽增压机的进汽；n级设备产生的总淡水量，是蒸汽增压机压缩蒸汽量的n倍，也就是有n倍的效果，例如三级的节能型海水淡化设备产生的总淡水量,是蒸汽增压机压缩的蒸汽量的3倍，因此，多级设备也称多效设备。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的海水预热器是蒸发-凝结换热器产生的盐水、淡水与海水给水进行换热的逆流式换热器，盐水、淡水释放的热量等于海水吸收的热量；海水预热器可以是板式换热器的海水预热器，或是筒管式换热器的海水预热器；所述的海水预热器，可以细分为第一、二、三、…n级的淡水-海水预热器和第一、二、三…n级的盐水-海水预热器；其级数n与蒸发-凝结换热器的级数n相等，每级也彼此对应；第一、二、三、…n级的淡水-海水预热器的淡水进水温度，都等于对应级的蒸发-凝结换热器的凝结水温度，各级的淡水出水温度都相等，高于海水进水温度5-15℃，建议选温差为10℃；第一、二、三…n级的盐水-海水预热器的盐水进水温度，都等于对应级的液/汽分离器的盐水温度，即对应级的海水蒸发温度；各级的盐水出水温度都相等，高于海水进水温度5-15℃，建议选温差为10℃；各个海水预热器的海水进水温度是实际取水口的海水温度，其海水出水端的海水温度与流入的淡水和盐水的传热温差范围在5-15℃范围，建议选传热温差10℃；注意，同级的淡水-海水预热器的海水出水温度高于同级的盐水-海水预热器的海水出水温度，相差值等于同级的蒸发-凝结换热器的传热温差；同级的淡水-海水预热器与盐水-海水预热器的海水出水，并联汇合，再一同进入蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路；海水给水的流量等于淡水和盐水的出水量之总和，盐水的质量浓度在12%-18%范围选择。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述淡水-海水预热器和盐水-海水预热器或是独立的，或同级淡水-海水预热器和同级的盐水-海水预热器，可以做成靠背式的板式换热器，即相当于两个换热器背靠背，正面为淡水-海水预热器，分别有淡水进、出口和海水出、进口，反面为盐水-海水预热器，分别有盐水进、出口和海水出、进口。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：当采用多级多效的蒸发-凝结换热器和多级液/汽分离器、多级海水预热器时设备构成的连接方式，以三级三效海水淡化设备为例具体说明：蒸汽增压机的进、出口分别与末级的液/汽分离器的出汽口、第一级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口连接；

第一级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第一级淡水-海水预热器和第一级盐水-海水预热器的海水出水并联管连接；其淡水出口与第一级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第一级液/汽分离器的流体进口连接；第一级液/汽分离器的蒸汽出口和盐水出口，分别与第二级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口和第一级盐水-海水预热器的盐水进口连接；

第二级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第二级淡水-海水预热器和第二级盐水-海水预热器海的海水出水并联管连接；其淡水出口与第二级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第二级液/汽分离器的流体进口连接；第二级液/汽分离器的蒸汽出口和盐水出口，分别与第三级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口和第二级盐水-海水预热器的盐水进口连接；

第三级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第三级淡水-海水预热器和第三级盐水-海水预热器海的海水出水并联管接；其淡水出口与第三级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第三级液/汽分离器的流体进口连接；第三级液/汽分离器，为末级液/汽分离器的蒸汽出口、盐水出口，分别与蒸汽增压机的进口、第三级盐水-海水预热器，即末级海水预热器的盐水进口连接；

第一、二、三各级淡水-海水预热器和盐水-海水预热器的海水进口与海水增压泵出口连接；第一、二、三各级淡水-海水预热器的淡水出口与淡水泵进口连接的管路连接；第一、二、三各级盐水-海水预热器的盐水出口和盐水泵进口连接管路连接；海水增压泵的进口从海水过滤净化器的洁净海水池内取水；

在蒸汽增压机的进汽管路上，接入初始外来蒸汽进汽的管路，在外来蒸汽管路上安装有外接进汽单向阀和外接进汽闸阀；

在蒸汽增压机的进、出口附近管路上安装有蒸汽压力和温度探头，在海水增压泵、淡水泵都安装有流量计和温度探头；在各级的蒸发-凝结换热器的海水进口附近的管路上和热蒸汽进气口附近管路上，布置温度探头；压力、温度、流量的数据信号，通过连线传输给控制柜处理和显示。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的液/汽分离器的盐水出口，或还增添一条盐水循环管路与板式蒸发-凝结换热器的海水进口连接；在盐水循环管路安装有单向阀；液/汽分离器的底部的位置高于式蒸发-凝结换热器的中部位置，保证盐水循环液能依靠位差的重力势能，与来自海水预热器的海水，一同流进式蒸发-凝结换热器，增加海水蒸发通路海水流速，增大传热系数，提高海水蒸发的效率。

所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：设备运行成立的必须满足的条件是：

设备运行成立的必须满足的条件是：

（1）符合热力学第一定律，即设备总输入的能量：

蒸汽增压机输入的电功能，等于输出的淡水、盐水与海水给水的能量差值和散热损失；海水增压泵、淡水泵和盐水泵消耗的功能，等于克服流体流动阻力消耗的能量和提升流体的压力能以及流动能；

各级蒸发-凝结换热器热蒸汽凝结时放出的热量等于海水蒸发吸收的热量，第一级的蒸发-凝结换热器换热量为，

kW（1）

式中，为蒸汽增压机的压缩蒸汽流率，单位kg/s；蒸汽增压机出口蒸汽比焓值、近似其饱和蒸汽的比焓值；为蒸发-凝结换热器热蒸汽凝结水，饱和水的比焓值，单位kJ/kg；其他级的换热量基本与第一级的相同；

各级海水预热器的淡水和盐水放出的热量等于海水给水吸收的热量；

蒸汽增压机的压缩蒸汽量，即为单级淡化水的产量，一小时的淡水产量；

一小时设备淡水总产量等于设备的蒸发-凝结换热器的级数n与蒸汽增压机的压缩蒸汽量的乘积，即

吨/时 （2）

设备的电能消耗包括：蒸汽增压机、海水增压泵、淡水泵、盐水泵消耗的电功率；蒸汽增压机消耗的电功率计算式，

kW （3）

设备的热泵性能系数COP为

（4）

设备总体热能利用系数：

（5）

理论生产一吨淡水的能量消耗

千瓦时/吨 （6）

吨海水的能源成本

元 （7）

（2）输入的有效能，即电功能，等于设备各换热器传热过程消耗的有效能、输出的淡水和盐水携带的有效能，热损失的有效能的总和；单位时间内换热器传热过程消耗的有效能，即有效能消耗率的通用计算式是：

kW （8）

式中，分别是单位时间的传热率、环境温度、吸热流体平均温度、放热流体平均温度、传热平均温差和单位时间传热过程消耗的有效能率；

输出、输入流体单位时间内携带的有效能率，即有效能流率的通用计算式是：

kW （9）

式中，分别是输出或输入流体的质量流率、流体的比热、流体对环境的温差、环境温度和流体携带的有效能流率。

本发明的创新贡献：

1.本发明提出一种节能型海水淡化设备，它消耗的蒸汽压缩功仅仅用于克服海水的蒸发-凝结换热器和海水预热器中传热阻力所消耗的有效能，而不产生任何能量的浪费；传统蒸馏海水淡化方法，是利用燃烧天然气或柴油蒸馏海水，其整个过程除要克服蒸发-凝结换热器中传热阻力所消耗的有效能，还要消耗燃料燃烧过程的不可逆损失，此部分占燃料有效能量的30-40%，更主要的消耗是要把水烧成蒸汽，要消耗很多水蒸发的潜热能，即使使用多效的蒸发-凝结蒸馏淡化技术，也不及本发明提出一种蒸汽热泵供热蒸馏海水淡化方法效率；本方法从热力学理论分析，是最科学节能的海水淡化方法；本发明的制淡水方法，表观上消耗的能量就相当于海水进水与输出的淡水和盐水的能量差值，更直观地说，相当于把水加热升温30-40℃消耗的能量。

2.本发明根据一种节能型海水淡化设备，采用板式蒸发-凝结换热器，由于是浸液沸腾气泡换热式和采用波浪状的换热面，可以保证换热面积都有海水接触，并由于有气泡带动，会大大提高换热系数。

3. 采用液/汽分离器的盐水回流到板式蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路，增加了海水流速，又提升了排放盐水的浓度和提高了海水淡水出率。

4.对板式蒸发-凝结换热器的海水流道，采用特氟龙防腐涂料，提高了设备的使用年限。

5.从简化制作工艺和充分回收盐水、淡水的热量，提出了分级设计海水预热器的方案，和详细介绍了热交换量的计算方法；

6.给出了本发明的一种节能型海水淡化设备的成立的热力学条件，给出了设备热力参数和设备热泵性能系数、设备总体热能利用系数的计算式；

7.特别给出了依据热力学第二定律的有效能供给和传热过程的消耗计算方法；给出淡水生产的能耗成本和经济成本计算式。

基于上述要点，本发明是原创性的创新，具有先进性和实用性，应当授予发明专利。

附图说明

图1 是本发明一种节能型海水淡化设备实施例1的构成示意图，三级三效。

图2是本发明一种节能型海水淡化设备实施例2的构成示意图，是实施例1的改进型。

图3是本发明一种节能型海水淡化设备实施例3的构成示意图，二级二效。

图4是本发明一种节能型海水淡化设备实施例1所采用的背靠背板式海水预热器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图，对本发明作进一步说明，但是，本发明不仅仅限于此。

实施例1：图1是一种节能型海水淡化设备实施例1的构成示意图，实施例1为三级三效海水淡化设备,包括：蒸汽增压机A、第一、二、三级蒸发-凝结换热器B1、B2、B3，第一、二、三级淡水-海水预热器D1、D2、D3，第一、二、三级盐水-海水预热器Y1、Y2、Y3，第一、二、三级液/汽分离器L1、L2、L3,海水增压泵P1、淡水泵P2、盐水泵P3,连接管路,阀门,信号测试探头和控制系统；海水过滤净化器及其洁净海水池等外围设施没有画在图1和图2中。

设备的连接方式是：蒸汽增压机A的进口（节点1）、出口（节点2）分别与末级，即第三级的液/汽分离器L3的出汽口（节点1）、第一级蒸发-凝结换热器B1的蒸汽进口（节点3）连接；

第一级蒸发-凝结换热器B1的海水进口（节点5），与第一级淡水-海水预热器D1和第一级盐水-海水预热器Y1的海水出水并联管（节点5）连接；其淡水出口（节点4）与第一级淡水-海水预热器D1的淡水进口连接，淡水管路上安装有第一淡水流量调节阀F1；其汽水混合出口（节点6），与第一级液/汽分离器L1的流体进口（节点6）连接；第一级液/汽分离器D1的蒸汽出口，与第二级蒸发-凝结换热器B2的热蒸汽进口（节点7）连接；其盐水出口与第一级盐水-海水预热器Y1的盐水进口连接，在盐水连接管路上安装有第一盐水流量调节阀F3；

第二级蒸发-凝结换热器B2的海水进口（节点12），与第二级淡水-海水预热器D2和第二级盐水-海水预热器Y2的海水出水并联管（节点12）连接；其淡水出口（节点8）与第二级淡水-海水预热器D2的淡水进口连接，淡水管路上安装有第一淡水流量调节阀F4；其汽水混合出口（节点13），与第二级液/汽分离器L2的流体进口连接；第二级液/汽分离器的蒸汽出口（节点14）和盐水出口（节点27），分别与第三级蒸发-凝结换热器B3的热蒸汽进口（节点14）和第二级盐水-海水预热器Y2的盐水进口连接, 在盐水连接管路上安装有第一盐水流量调节阀F6；

第三级蒸发-凝结换热器B3的海水进口（节点19）、与第三级淡水-海水预热器D3和第三级盐水-海水预热器Y3的海水出水并联管（节点19）连接；其淡水出口（节点15）与第三级淡水-海水预热器D3的淡水进口连接，淡水管路上安装有第一淡水流量调节阀F7；其汽水混合出口（节点20），与第三级液/汽分离器L3的流体进口连接；第三级液/汽分离器的蒸汽出口与蒸汽增压机A的进口（节点1）连接，连接管路或还安装有闸阀；其盐水出口（节点28），与第三级盐水-海水预热器Y3的盐水进口连接, 在盐水连接管路上安装有第一盐水流量调节阀F9；

海水增压泵P1的进口从海水过滤净化器的洁净海水池内取水；海水增压泵P1出口（节点24）连接的海水给水总管路，分别与第一、二、三各级海水预热器的海水进口（节点10、节点17、节点22）并联，对应并联管路上分别安装第一、二、三海水给水流量调节阀F2、F5、F8；第一、二、三各级淡水-海水预热器的淡水出口（节点9、节点16、节点21）分别与淡水泵进口连接的管路连接，淡水泵出口连接管通到淡水池；第一、二、三各级盐水-海水预热器的盐水出口（节点9、节点16、节点21）分别与盐水泵进口连接的管路连接，盐水泵出口的连接管通到盐水池或排放；

在蒸汽增压机的进汽管路上，接入初始外来蒸汽进汽的管路，在外来蒸汽管路上安装有外接进汽单向阀d0和外接进汽闸阀F0；

在末级,即第三级蒸发-凝结换热器B3的淡水出口（节点15）管路上，接一根蒸汽增压机调节进汽干度的补水管到蒸汽增压机的进口（节点1）处，在补水管上安装有补水调节阀F11；实施例1在蒸汽增压机的进、出口附近管路上安装有蒸汽压力和温度探头，在海水增压泵、淡水泵都安装有流量计和温度探头；在各级的蒸发-凝结换热器的海水进口附近的管路上和热蒸汽进气口附近管路上，布置温度探头；压力、温度、流量的数据信号，通过连线传输给控制柜处理和显示；

实施例1选用的蒸汽增压机是变频调控双螺杆蒸汽增压机，蒸发-凝结换热器和海水预热器都采用有防腐涂层的板式换热器；同级的淡水-海水预热器和盐水-海水预热器做成靠背式板式换热器，即两个换热器背靠背，正面为淡水-海水预热器，分别有淡水进、出口和海水出、进口，反面为盐水-海水预热器，分别有盐水进、出口和海水出、进口，参看图3；

实施例1所示的本发明的一种节能型海水淡化设备的蒸汽、海水和盐水的工作流程分别是：

蒸汽（节点1）进蒸汽增压机A，压缩→（节点2）→（节点3）第一级蒸发-凝结换热器L1的热蒸汽通路，放热凝结，产生第一效的淡水（节点4）→第一级淡水-海水预热器D1（节点9）→经淡水总管（节点25），淡水泵P2→淡水池；

第一级蒸发-凝结换热器B1的海水蒸发通路，海水受热产生的蒸汽和含盐浓度高的盐水一同由（节点6）→第一级液/汽分离器L1，其蒸汽（节点7）→第二级蒸发-凝结换热器B2的热蒸汽通路，放热凝结，产生第二效的淡水（节点8）→第二级淡水-海水预热器D2（节点16）→经淡水总管（节点25），淡水泵P2→淡水池；

第二级蒸发-凝结换热器B2的海水蒸发通路，海水受热产生的蒸汽和含盐浓度高的盐水一同由（节点13）→第二级液/汽分离器L2，其蒸汽（节点14）→第三级蒸发-凝结换热器B3的热蒸汽通路，放热凝结，产生第三效的淡水（节点15）→第三级淡水-海水预热器D3（节点21）→经淡水总管（节点25），淡水泵P2→淡水池；

洁净海水→海水增压泵P1，增压（节点2）→分别进入第一、二、三级的淡水-海水预热器D1、D2、D3和盐水-海水预热器Y1、Y2、Y3（节点10、17、22），经过换热后（节点5、12、19）→分别进入第一、二、三级蒸发-凝结换热器B1、B2、B3的海水蒸发通路；

盐水，第一、二、三级液/汽分离器，分离出的盐水（节点26、27、28）→分别进入第一、二、三级的盐水-海水预热器Y1、Y2、Y3，经过换热后（节点11、18、23）→汇入盐水总管，盐水泵P3→盐水池；

第一、二、三级蒸发-凝结换热器产生的淡水流量分别通过第一、二、三级淡水流量调节阀F1、F4、F7调节；第一、二、三级蒸发-凝结换热器产生的盐水流量分别通过第一、二、三级盐水流量调节阀F3、F6、F9调节；

设备主要设计参数：

蒸汽增压机的进口（节点1）蒸汽压力为0.0905 MPa，进汽饱和蒸汽温度370 K；

蒸汽增压机基准转速3000转/分,进汽容积为16立方米/分；

基准蒸汽流量：；

喷水调整干度，增水后基准蒸汽流量：；

蒸汽增压机的出口（节点2）的蒸汽压力为 MPa，压缩比；

第一、二、三级蒸发-凝结换热器的热蒸汽饱和温度分别为400K、390K、380K；

海水蒸发温度分别为390K、380K、370K，传热温差10℃；海水预热器的热端和冷端传热温差也取10℃；

根据式（1）计算的三个蒸发-凝结换热器传热量都是：；

计算的第一级淡水-海水预热器热负荷，第一级盐水-海水预热器热负荷分别为：

kW

第二级的淡水-海水预热器和盐水-海水预热器的热负荷分别为：52 kW，7.5 kW；

第三级的淡水-海水预热器和盐水-海水预热器的热负荷分别为：46 kW，6.15 kW；

设计海水的淡水生产率为0.8，盐水与淡水质量比为

每小时淡水生产量： kg；

理论压缩功率据式（3）： kW；

理论生产一吨淡水的能量消耗据式（6）： 千瓦时/吨；

设备的热泵性能系数COP，据式（4），；

设备总体热能利用系数，据式（5）：；

以每千瓦时电价0.6元计算， 吨淡水理论能源成本：元；

据式（8），第一、二、三级蒸发-凝结换热器的有效能消耗率为：

kW （8）

第二、三级分别为6.16、6.50 kW；第一、二、三级淡水-海水预热器传热消耗的有效能分别为1.42、1.35、1.27 kW；第一、二、三级盐水-海水预热器传热消耗的有效能分别为0.22、0.21、0.18 kW；淡水和盐水出水比输入的海水多带出的有效能，在海水预热器冷端温差为7.75℃时，由式（9）以海水量计算得

kW；

累计以上各项消耗的有效能为26 kW，与蒸汽增压机消耗的功率相等，满足热力学第二定律的关系；用此方法，可以设计淡水生产率、与能源消耗功率、设备成本的关系。

实施例2 图2是本发明一种节能型海水淡化设备实施例2的构成示意图，实际是实施例1的改进型。实施例2与实施例1的一种节能型海水淡化设备的差别仅仅在于：实施例2还在第一、二、三的液/汽分离器D1、D2、D3的盐水出口与对应级的第一、二、三的板式蒸发-凝结换热器B1、B2、B3的海水进口之间，分别增添一条盐水循环管路；在盐水循环管路分别安装有盐水循环单向阀d1、d2、d3，液/汽分离器的底部的位置高于式蒸发-凝结换热器的中部位置，保证盐水循环液能依靠位差的重力势能，与海水一同流进式蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路，增强海水蒸发的效率。

实施例3 图3是本发明一种节能型海水淡化设备实施例3的构成示意图，二级二效，与实施例2相比，减少了第三级蒸发-凝结换热器和第三级淡水-海水预热器和第三级盐水-海水预热器；蒸汽增压机相同，蒸发-凝结换热器的传热温差为15℃，第三级淡水-海水预热器和第三级盐水-海水预热器的热端传热温差为15℃，两端温差约10℃；淡水出水量减少1/3。

图4是实施例1、2、3的一种节能型海水淡化设备的第一级淡水-海水预热器和盐水-海水预热器做成靠背式板式换热器外观示意图，即两个换热器背靠背，正面为淡水-海水预热器，分别有淡水进、出口和海水出、进口，反面为盐水-海水预热器，分别有盐水进、出口和海水出、进口。

Claims (10)

1.一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的一种节能型海水淡化设备，简称设备，包括：蒸汽增压机、蒸发-凝结换热器、海水预热器、液/汽分离器、海水增压泵、盐水泵、淡水泵、连接管路、阀门、信号测试和控制系统；所述的蒸发-凝结换热器，是板式换热器组成的蒸发-凝结换热器；设备的工作方式是：经过滤去杂质的洁净海水，被海水增压泵增压后，通过海水预热器加热到设定温度，送入蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路，被热蒸汽加热而蒸发；海水蒸发的蒸汽连同含盐浓度高的盐水，一同进入液/汽分离器；液/汽分离器分离出来的蒸汽，被吸入蒸汽增压机压缩，成为压力和温度较高的热蒸汽；热蒸汽又被送去蒸发-凝结换热器的蒸汽凝结通路，加热海水，使海水再蒸发；在蒸汽凝结通路产生的凝结水，即淡水，送入海水预热器，与海水给水换热；换热冷却后的淡水，由淡水泵抽送到淡水池；液/汽分离器分离出来的盐水，送入海水预热器，与海水给水换热；换热冷却后的盐水，由盐水泵抽送排出；或液/汽分离器分离出来的盐水，有一部分流回到蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路进口，与来自海水预热器的海水给水一同进入蒸发-凝结换热器。

2.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的蒸汽增压机是双螺杆蒸汽增压机、或单螺杆蒸汽增压机、或离心式蒸汽增压机、或罗茨蒸汽增压机；根据蒸汽流量选择蒸汽增压机的类型，离心式蒸汽增压机流量大，压缩比小，单级离心式蒸汽增压机只能与单级的蒸发-凝结换热器配套；螺杆蒸汽增压机流量小，但是压缩比高，可以与2级、或3级的多级多效蒸发-凝结换热器配套；所述的蒸汽增压机可配置变频器，通过调节蒸汽增压机转子的转速调节流量。

3.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的由板式换热器组成的蒸发-凝结换热器，也称为板式蒸发-凝结换热器；板式蒸发-凝结换热器内，设置有海水蒸发通路和热蒸汽凝结通路，两通路由波浪状的不锈钢薄板片相间叠加而成；为防止腐蚀，至少在海水蒸发通路的换热板面上，进行防腐处理，例如涂不粘锅的特氟龙涂层；板式蒸发-凝结换热器在设备中竖立放置，海水蒸发通路的下进口为海水进口，上出口为蒸汽与含盐浓度高的盐水的汽水混合出口；海水在海水蒸发通路内沸腾蒸发，汽泡裹着盐水一同上升，进入液/汽分离器；蒸汽凝结通路的蒸汽进口在上，淡水出口在下；热蒸汽在蒸汽凝结通路凝结，凝结水从淡水出口流出；板式蒸发-凝结换热器的平均传热温差在6-15℃范围选择。

4.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的由板式换热器组成的蒸发-凝结换热器，也称为板式蒸发-凝结换热器；板式蒸发-凝结换热器内，设置有海水蒸发通路和热蒸汽凝结通路，两通路由波浪状的不锈钢薄板片相间叠加而成；为防止腐蚀，至少在海水蒸发通路的换热板面上，进行防腐处理，例如涂不粘锅的特氟龙涂层；板式蒸发-凝结换热器在设备中竖立放置，海水蒸发通路的下进口为海水进口，上出口为蒸汽与含盐浓度高的盐水的汽水混合出口；海水在海水蒸发通路内沸腾蒸发，汽泡裹着盐水一同上升，进入液/汽分离器；蒸汽凝结通路的蒸汽进口在上，淡水出口在下；热蒸汽在蒸汽凝结通路凝结，凝结水从淡水出口流出；板式蒸发-凝结换热器的平均传热温差在6-15℃范围选择。

5.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的海水预热器是蒸发-凝结换热器产生的盐水、淡水与海水给水进行换热的逆流式换热器，盐水、淡水释放的热量等于海水吸收的热量；海水预热器可以是板式换热器的海水预热器，或是筒管式换热器的海水预热器；所述的海水预热器，可以细分为第一、二、三、…n级的淡水-海水预热器和第一、二、三…n级的盐水-海水预热器；其级数n与蒸发-凝结换热器的级数n相等，每级也彼此对应；第一、二、三、…n级的淡水-海水预热器的淡水进水温度，都等于对应级的蒸发-凝结换热器的凝结水温度，各级的淡水出水温度都相等，高于海水进水温度5-15℃，建议选温差为10℃；第一、二、三…n级的盐水-海水预热器的盐水进水温度，都等于对应级的液/汽分离器的盐水温度，即对应级的海水蒸发温度；各级的盐水出水温度都相等，高于海水进水温度5-15℃，建议选温差为10℃；各个海水预热器的海水进水温度是实际取水口的海水温度，其海水出水端的海水温度与流入的淡水和盐水的传热温差范围在5-15℃范围，建议选传热温差10℃；注意，同级的淡水-海水预热器的海水出水温度高于同级的盐水-海水预热器的海水出水温度，相差值等于同级的蒸发-凝结换热器的传热温差；同级的淡水-海水预热器与盐水-海水预热器的海水出水，并联汇合，再一同进入蒸发-凝结换热器的海水蒸发通路；海水给水的流量等于淡水和盐水的出水量之总和，盐水的质量浓度在12%-18%范围选择。

6.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述淡水-海水预热器和盐水-海水预热器或是独立的，或同级淡水-海水预热器和同级的盐水-海水预热器，可以做成靠背式的板式换热器，即相当于两个换热器背靠背，正面为淡水-海水预热器，分别有淡水进、出口和海水出、进口，反面为盐水-海水预热器，分别有盐水进、出口和海水出、进口。

7.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：当采用多级多效的蒸发-凝结换热器和多级液/汽分离器、多级海水预热器时设备构成的连接方式，以三级三效海水淡化设备为例具体说明：蒸汽增压机的进、出口分别与末级的液/汽分离器的出汽口、第一级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口连接；

第一级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第一级淡水-海水预热器和第一级盐水-海水预热器的海水出水并联管连接；其淡水出口与第一级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第一级液/汽分离器的流体进口连接；第一级液/汽分离器的蒸汽出口和盐水出口，分别与第二级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口和第一级盐水-海水预热器的盐水进口连接；

第二级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第二级淡水-海水预热器和第二级盐水-海水预热器的海水出水并联管连接；其淡水出口与第二级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第二级液/汽分离器的流体进口连接；第二级液/汽分离器的蒸汽出口和盐水出口，分别与第三级蒸发-凝结换热器的热蒸汽进口和第二级盐水-海水预热器的盐水进口连接；

第三级蒸发-凝结换热器的海水进口，与第三级淡水-海水预热器和第三级盐水-海水预热器海的海水出水并联管接；其淡水出口与第三级淡水-海水预热器的淡水进口连接；其汽水混合出口，与第三级液/汽分离器的流体进口连接；第三级液/汽分离器，为末级液/汽分离器的蒸汽出口、盐水出口，分别与蒸汽增压机的进口、第三级盐水-海水预热器，即末级海水预热器的盐水进口连接；

第一、二、三各级淡水-海水预热器和盐水-海水预热器的海水进口与海水增压泵出口连接；第一、二、三各级淡水-海水预热器的淡水出口与淡水泵进口连接的管路连接；第一、二、三各级盐水-海水预热器的盐水出口和盐水泵进口连接管路连接；海水增压泵的进口从海水过滤净化器的洁净海水池内取水；

在蒸汽增压机的进汽管路上，接入初始外来蒸汽进汽的管路，在外来蒸汽管路上安装有外接进汽单向阀和外接进汽闸阀；

在蒸汽增压机的进、出口附近管路上安装有蒸汽压力和温度探头，在海水增压泵、淡水泵都安装有流量计和温度探头；在各级的蒸发-凝结换热器的海水进口附近的管路上和热蒸汽进气口附近管路上，布置温度探头；压力、温度、流量的数据信号，通过连线传输给控制柜处理和显示。

8.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：所述的液/汽分离器的盐水出口，或还增添一条盐水循环管路与板式蒸发-凝结换热器的海水进口连接；在盐水循环管路安装有单向阀；液/汽分离器的底部的位置高于式蒸发-凝结换热器的中部位置，保证盐水循环液能依靠位差的重力势能，与来自海水预热器的海水，一同流进式蒸发-凝结换热器，增加海水蒸发通路海水流速，增大传热系数，提高海水蒸发的效率。

9.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：在末级蒸发-凝结换热器的淡水出口管路上，接一根蒸汽增压机调节进汽干度的补水管到蒸汽增压机的进口处，在补水管上安装有补水调节阀。

10.按照权利1所述的一种节能型海水淡化设备，其特征是：设备运行成立的必须满足的条件是：

设备运行成立的必须满足的条件是：

符合热力学第一定律，即设备总输入的能量：

蒸汽增压机输入的电功能，等于输出的淡水、盐水与海水给水的能量差值和散热损失；海水增压泵、淡水泵和盐水泵消耗的功能，等于克服流体流动阻力消耗的能量和提升流体的压力能以及流动能；

各级蒸发-凝结换热器热蒸汽凝结时放出的热量等于海水蒸发吸收的热量，第一级的蒸发-凝结换热器换热量为，

kW（1）

式中，为蒸汽增压机的压缩蒸汽流率，单位kg/s；蒸汽增压机出口蒸汽比焓值、近似其饱和蒸汽的比焓值；为蒸发-凝结换热器热蒸汽凝结水，饱和水的比焓值，单位kJ/kg；其他级的换热量基本与第一级的相同；

各级海水预热器的淡水和盐水放出的热量等于海水给水吸收的热量；

蒸汽增压机的压缩蒸汽量，即为单级淡化水的产量，一小时的淡水产量；

一小时设备淡水总产量等于设备的蒸发-凝结换热器的级数n与蒸汽增压机的压缩蒸汽量的乘积，即

吨/时 （2）

设备的电能消耗包括：蒸汽增压机、海水增压泵、淡水泵、盐水泵消耗的电功率；蒸汽增压机消耗的电功率计算式，

kW （3）

设备的热泵性能系数COP为

（4）

设备总体热能利用系数：

（5）

理论生产一吨淡水的能量消耗

千瓦时/吨 （6）

吨海水的能源成本

元 （7）

（2）输入的有效能，即电功能，等于设备各换热器传热过程消耗的有效能、输出的淡水和盐水携带的有效能，热损失的有效能的总和；单位时间内换热器传热过程消耗的有效能，即有效能消耗率的通用计算式是：

kW （8）

式中，分别是单位时间的传热率、环境温度、吸热流体平均温度、放热流体平均温度、传热平均温差和单位时间传热过程消耗的有效能率；

输出、输入流体单位时间内携带的有效能率，即有效能流率的通用计算式是：

kW （9）

式中，分别是输出或输入流体的质量流率、流体的比热、流体对环境的温差、环境温度和流体携带的有效能流率。