CN107814423B - 一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置及方法。该装置包括鼓泡加湿装置、蒸汽收集装置和减湿冷凝器。其方法是将海水引入鼓泡装置形成海水膜，再使空气将加湿蒸汽在细孔上鼓出。加湿蒸汽进入冷凝减湿器中，与冷却水进行热交换，冷凝出来的水脱离空气后进入淡水收集器。本发明具有传热传质效率高、结构简单、高效节能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置及方法。
背景技术
淡水资源对人们的生产生活有着极其重要的影响，是人类生存和发展的最重要物资基础之一，但目前能达到生产生活条件的淡水资源却非常有限，国内外的淡水资源紧缺的形势日益严重。海洋中含有大量的水资源，但其含有大量的卤素元素等物质，故无法被人们所直接利用。目前开发和利用海水淡化技术已越来越成为解决淡水资源紧缺问题的重要手段。
常用的海水淡化方法有热法和膜法，热法主要采用蒸馏，膜法主要指反渗透。蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸馏法海水淡化技术是最早投入工业化应用的淡化技术，特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高。热法通常需要消耗大量高品位能源，而且生产设备复杂、昂贵。膜法的反渗透技术利用半透膜的选择透过性，在外加高压力的条件下使水逆浓度梯度透过半透膜，而使盐分和杂质留在膜另一侧的技术。膜法一般由电能和机械能驱动，系统需要维持较高的运行压力，对设备的耐压能力要求很高。现有的热法和膜法淡化海水技术共同面对的问题是设备复杂且要求高，需要消耗大量高品位能源，并且淡水产量较低。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、节能且淡水产量高的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，并对应提供其方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置，包括鼓泡加湿装置、蒸汽收集装置和减湿冷凝器：
所述鼓泡加湿装置包括鼓气室和鼓泡装置；所述鼓气室是由底壁、侧壁和顶壁围成的封闭腔体，所述鼓气室的顶壁上开设有细孔，所述侧壁高于所述顶壁并在顶壁的四周形成成膜围堰，以供引入的海水形成海水液膜；所述成膜围堰与海水引入管连通，用于引入海水；所述鼓泡装置设置在所述鼓气室，通过进气管与供气管连接，用于引入空气以使海水液膜鼓泡形成加湿蒸汽；在所述鼓气室的底部开有排水孔，用于排出进入鼓气室的海水。
所述蒸汽收集装置包括加湿蒸汽收集罩和引风机；所述蒸汽收集罩位于所述成膜围堰的上方，用于收集加湿蒸汽；所述蒸汽收集罩的顶端通过管道与蒸汽汇集管连通；所述蒸汽汇集管为一盲管，其开口的一端与所述减湿冷凝器的壳程连接；所述引风机设置在所述蒸汽汇集管的开口的一端，用以提供动力。
所述减湿冷凝器的管程内有流动的冷却水，用作冷凝加湿蒸汽的冷源；所述减湿冷凝器的壳程入口与所述蒸汽汇集管连通，在所述减湿冷凝器的底部设置有与其壳程连通的排水管，用以排出由加湿蒸汽冷凝得到的冷凝水，所述排水管与淡水储罐连通；在所述减湿冷凝器的上部开设有与其壳程连通的排气管，用以排出减湿空气。
进一步，所述鼓泡加湿装置有N个，N为不小于2的整数；N个所述鼓泡加湿装置分为N级，第1级鼓泡加湿装置与所述海水引入管连通；第N级鼓泡加湿装置与第N-1级鼓泡加湿装置紧临设置；第N-1级的成膜围堰高于第N级的成膜围堰，且第N-1级与N级相邻的成膜围堰部分矮于同级成膜围堰的其余部分，构成溢流堰，以便第N-1级溢出的海水进入第N级形成第N级海水液膜；所述蒸汽收集罩的数量与所述鼓泡加湿装置的数量相等且一一对应。
进一步，在所述海水引入管上设置有海水泵，用以增加引入海水的动力。
更进一步，所述鼓泡加湿装置的下方设置有海水回收池，所述海水回收池通过回流管与海水泵和成膜围堰之间的海水引入管连通，在所述回流管上设置有回流泵。
进一步，所述排气管与所述供气管连通。
更进一步，所述减湿冷凝器的管程的入口与冷却进水管的一端连通，所述减湿冷凝器的管程的出口与冷却回水管的一端连通，所述冷却回水管的另一端与所述冷却进水管的另一端连通，以形成闭合的冷却循环管路；在所述冷却进水管上还连通有补水阀，所述补水阀通过管道与液泵连通，用于补充冷却水。
再进一步，还包括热泵装置，它包括制冷剂储罐、节流阀、蒸发器、压缩机和冷凝器；所述蒸发器和冷凝器为换热器；所述制冷剂储罐、节流阀、蒸发器的一条管路、压缩机和冷凝器的一条管路通过管道依次连通成闭环管路；所述蒸发器的另一条管路串联在所述冷却回水管上，用于吸收冷却水的热量；所述冷凝器的另一条管路串联在所述海水引入管上，用于给海水加热。
进一步，所述鼓泡装置为鼓泡器或气泵，在所述进气管上设置有进气阀。
进一步，所述鼓气室的顶壁上开设的细孔的孔径为0.5mm～2mm，所述细孔的密度为0.1～0.6。所述细孔的密度是指单位面积上细孔所占的面积与单位面积的比值。
一种鼓泡加湿减湿海水淡化方法，该方法基于上述鼓泡加湿减湿海水淡化装置，包括以下步骤：
S1：将海水用冷凝器预热，得到预热海水，所述预热海水进入鼓泡加湿装置。
S2：所述预热海水在第1级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第1级海水液膜，第1级多余的预热海水溢入第2级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第2级海水液膜，第2级多余的预热海水溢入第3级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第3级海水液膜，依此类推，直至第N级鼓泡加湿装置；得到N个海水液膜。
S3：相应的N个鼓泡装置鼓出空气经细孔作用于N个海水液膜，产生加湿蒸汽。
S4：所述加湿蒸汽在引风机的作用下，依次经加湿蒸汽收集罩和蒸汽汇集管进入减湿冷凝器的壳程；所述加湿蒸汽在减湿冷凝器的管程中的冷却水的冷凝作用下，得到冷凝水和减湿空气。
S5：收集S4得到冷凝水作为淡水使用；利用蒸发器回收冷却水的热量供冷凝器给海水预热；。
S6：重复步骤S1-S5，直至收集到预定量的冷凝水。
在本发明中，海水在多级鼓泡加湿器中与空气通过鼓泡的方式发生传热传质，加湿蒸汽在冷凝减湿器中冷凝产生淡水。加热海水所需的热量和冷却冷却水所需的冷量由热泵提供。整个装置充分利用了各部件热量，传热传质效率高，装置结构简单，高效节能。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、传热传质效率高。本发明在多个多细孔上壁面上通过鼓泡的方式发生高温海水与空气的传热传质，多细孔上壁面大幅增大空气与海水的接触面积，高温使海水的蒸汽压加大，不断的鼓泡使加湿蒸汽的产生更剧烈。
2、能量利用率高。本发明利用热泵冷凝器作为热源直接加热海水，而热泵蒸发器作为冷源直接冷却水。同时，该装置利用了回流高温海水的热量，对新泵入的海水进行预热，利用流出蒸发器的冷却水对新泵入的冷却水预冷，因此该装置高效利用海水能量利用率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图中：1—海水泵；2—海水引入管；3—冷凝器；4—回流管；5—鼓泡加湿装置；5-1—第1级鼓泡加湿装置；5-2—第2级鼓泡加湿装置；5-N—第N级鼓泡加湿装置；6—加湿蒸汽收集罩；7—成膜围堰；8—鼓泡装置；9—溢流堰；10—回流泵；11—海水收集池；12—进气阀；13—引风机；14—冷却进水管；15—冷却回水管；16—蒸汽汇集管；17—排气管；18—淡水储罐；19—排水孔；20—减湿冷凝器；21—液泵；22—供气管；23—蒸发器；24—压缩机；25—制冷剂储罐；26—节流阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置，包括鼓泡加湿装置5、蒸汽收集装置和减湿冷凝器20；
所述鼓泡加湿装置5包括鼓气室和鼓泡装置8；所述鼓气室是由底壁、侧壁和顶壁围成的封闭腔体，所述鼓气室的顶壁上开设有细孔，所述侧壁高于所述顶壁并在顶壁的四周形成成膜围堰7，以供引入的海水形成海水液膜；所述成膜围堰7与海水引入管2连通，用于引入海水；所述鼓泡装置8设置在所述鼓气室，通过进气管与供气管22连接，用于引入空气以使海水液膜鼓泡形成加湿蒸汽；在所述鼓气室的底部开有排水孔19，用于排出进入鼓气室的海水；
所述蒸汽收集装置包括加湿蒸汽收集罩6和引风机13；所述蒸汽收集罩位于所述成膜围堰7的上方，用于收集加湿蒸汽；所述蒸汽收集罩的顶端通过管道与蒸汽汇集管16连通；所述蒸汽汇集管16为一盲管，其开口的一端与所述减湿冷凝器20的壳程连接；所述引风机13设置在所述蒸汽汇集管16的开口的一端，用以提供动力；
所述减湿冷凝器20的管程内有流动的冷却水，用作冷凝加湿蒸汽的冷源；所述减湿冷凝器20的壳程入口与所述蒸汽汇集管16连通，在所述减湿冷凝器20的底部设置有与其壳程连通的排水管，用以排出由加湿蒸汽冷凝得到的冷凝水，所述排水管与淡水储罐18连通；在所述减湿冷凝器20的上部开设有与其壳程连通的排气管17，用以排出减湿空气。
鼓泡装置8在鼓气室内产生大量空气充满整个腔室，空气通过细孔鼓出大量小气泡。气泡与海水膜发生传热传质，产生加湿蒸汽。加湿蒸汽进入冷凝减湿器进行冷凝分离。
作为优化，所述鼓泡加湿装置5有N个，N为不小于2的整数；N个所述鼓泡加湿装置5分为N级，第1级鼓泡加湿装置5-1与所述海水引入管2连通；第N级鼓泡加湿装置与第N-1级鼓泡加湿装置紧临设置；第N-1级的成膜围堰7高于第N级的成膜围堰7，且第N-1级与N级相邻的成膜围堰7部分矮于同级成膜围堰7的其余部分，构成溢流堰9，以便第N-1级溢出的海水进入第N级形成第N级海水液膜；所述蒸汽收集罩的数量与所述鼓泡加湿装置5的数量相等且一一对应。设计成多级的优点是可以大大增加加湿蒸汽的产量，提高海水的利用率。
作为优化，在所述海水引入管2上设置有海水泵1，用以增加引入海水的动力。
作为进一步优化，所述鼓泡加湿装置5的下方设置有海水回收池，所述海水回收池通过回流管4与海水泵1和成膜围堰7之间的海水引入管2连通，在所述回流管4上设置有回流泵10。从细孔下漏的海水进入海水收集池11，通过回流泵10再次与新泵进的海水一共进入鼓泡加湿装置5，从而实现海水的加湿和循环。
作为优化，所述排气管17与所述供气管22连通。这样可以实现减湿空气的循环利用。
作为进一步优化，所述减湿冷凝器20的管程的入口与冷却进水管14的一端连通，所述减湿冷凝器20的管程的出口与冷却回水管15的一端连通，所述冷却回水管15的另一端与所述冷却进水管14的另一端连通，以形成闭合的冷却循环管路；在所述冷却进水管14上还连通有补水阀，所述补水阀通过管道与液泵21连通，用于补充冷却水。
作为更进一步优化，还包括热泵装置，它包括制冷剂储罐25、节流阀26、蒸发器23、压缩机24和冷凝器3；所述蒸发器23和冷凝器3为换热器；所述制冷剂储罐25、节流阀26、蒸发器23的一条管路、压缩机24和冷凝器3的一条管路通过管道依次连通成闭环管路；所述蒸发器23的另一条管路串联在所述冷却回水管15上，用于吸收冷却水的热量；所述冷凝器3的另一条管路串联在所述海水引入管2上，用于给海水加热。冷凝器3产生的热量用于加热海水，增大海水的蒸汽压，有利于海水与空气的传热传质。蒸发器23产生的冷量用于冷却冷却水，降温后的冷却水回到冷凝减湿器循环利用。
作为优化，所述鼓泡装置8为鼓泡器或气泵，在所述进气管上设置有进气阀12。
作为优化，所述鼓气室的顶壁上开设的细孔的孔径为0.5mm～2mm，所述细孔的密度为0.1～0.6。
作为优化，所述加湿蒸汽收集罩6呈圆锥形或多棱锥形，在锥顶处开设有进气孔，用于通过管道与所述蒸汽汇集管16连通。
作为优化，在所述供气管22上还设置有加热装置，以提高鼓泡的效果。
一种鼓泡加湿减湿海水淡化方法，该方法基于上述鼓泡加湿减湿海水淡化装置，包括以下步骤：
S1：将海水用冷凝器3预热，得到预热海水，所述预热海水进入鼓泡加湿装置5。
S2：所述预热海水在第1级鼓泡加湿装置5-1的成膜围堰7内流平成第1级海水液膜，第1级多余的预热海水溢入第1级鼓泡加湿装置5-2的成膜围堰7内流平成第2级海水液膜，第2级多余的预热海水溢入第3级鼓泡加湿装置的成膜围堰7内流平成第3级海水液膜，依此类推，直至第1级鼓泡加湿装置5-N；得到N个海水液膜。
S3：相应的N个鼓泡装置8鼓出空气经细孔作用于N个海水液膜，产生加湿蒸汽。
S4：所述加湿蒸汽在引风机13的作用下，依次经加湿蒸汽收集罩6和蒸汽汇集管16进入减湿冷凝器20的壳程；所述加湿蒸汽在减湿冷凝器20的管程中的冷却水的冷凝作用下，得到冷凝水和减湿空气。
S5：收集S4得到冷凝水作为淡水使用；利用蒸发器23回收冷却水的热量供冷凝器3给海水预热。
S6：重复步骤S1-S5，直至收集到预定量的冷凝水。
此外，还可以在S2和S3之间，还可以包括S2-1：部分海水经各级鼓气室进入海水收集池11，再回流至冷凝器3，与新引入的海水混合利用。这样可以利用回收的海水的热能。
在S4和S5之间，还可以包括S4-1：将减湿空气导入供气管22，以回收减湿空气。这样可以回收减湿空气中的淡水和热能。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，包括鼓泡加湿装置、蒸汽收集装置和减湿冷凝器；
所述鼓泡加湿装置包括鼓气室和鼓泡装置；所述鼓气室是由底壁、侧壁和顶壁围成的封闭腔体，所述鼓气室的顶壁上开设有细孔，所述侧壁高于所述顶壁并在顶壁的四周形成成膜围堰，以供引入的海水形成海水液膜；所述成膜围堰与海水引入管连通，用于引入海水；所述鼓泡装置设置在所述鼓气室，通过进气管与供气管连接，用于引入空气以使海水液膜鼓泡形成加湿蒸汽；在所述鼓气室的底部开有排水孔，用于排出进入鼓气室的海水；
所述蒸汽收集装置包括加湿蒸汽收集罩和引风机；所述蒸汽收集罩位于所述成膜围堰的上方，用于收集加湿蒸汽；所述蒸汽收集罩的顶端通过管道与蒸汽汇集管连通；所述蒸汽汇集管为一盲管，其开口的一端与所述减湿冷凝器的壳程连接；所述引风机设置在所述蒸汽汇集管的开口的一端，用以提供动力；
所述减湿冷凝器的管程内有流动的冷却水，用作冷凝加湿蒸汽的冷源；所述减湿冷凝器的壳程入口与所述蒸汽汇集管连通，在所述减湿冷凝器的底部设置有与其壳程连通的排水管，用以排出由加湿蒸汽冷凝得到的冷凝水，所述排水管与淡水储罐连通；在所述减湿冷凝器的上部开设有与其壳程连通的排气管，用以排出减湿空气；
所述鼓泡加湿装置有N个，N为不小于2的整数；N个所述鼓泡加湿装置分为N级，第1级鼓泡加湿装置与所述海水引入管连通；第N级鼓泡加湿装置与第N-1级鼓泡加湿装置紧临设置；第N-1级的成膜围堰高于第N级的成膜围堰，且第N-1级与N级相邻的成膜围堰部分矮于同级成膜围堰的其余部分，构成溢流堰，以便第N-1级溢出的海水进入第N级形成第N级海水液膜；所述蒸汽收集罩的数量与所述鼓泡加湿装置的数量相等且一一对应；
所述鼓泡装置为鼓泡器或气泵，在所述进气管上设置有进气阀；所述鼓气室的顶壁上开设的细孔的孔径为0.5mm～2mm，所述细孔的密度为0.1～0.6。
2.根据权利要求1所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，在所述海水引入管上设置有海水泵，用以增加引入海水的动力。
3.根据权利要求2所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，所述鼓泡加湿装置的下方设置有海水回收池，所述海水回收池通过回流管与海水泵和成膜围堰之间的海水引入管连通，在所述回流管上设置有回流泵。
4.根据权利要求1所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，所述排气管与所述供气管连通。
5.根据权利要求1所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，所述减湿冷凝器的管程的入口与冷却进水管的一端连通，所述减湿冷凝器的管程的出口与冷却回水管的一端连通，所述冷却回水管的另一端与所述冷却进水管的另一端连通，以形成闭合的冷却循环管路；在所述冷却进水管上还连通有补水阀，所述补水阀通过管道与液泵连通，用于补充冷却水。
6.根据权利要求5所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，其特征在于，还包括热泵装置，它包括制冷剂储罐、节流阀、蒸发器、压缩机和冷凝器；所述蒸发器和冷凝器为换热器；所述制冷剂储罐、节流阀、蒸发器的一条管路、压缩机和冷凝器的一条管路通过管道依次连通成闭环管路；所述蒸发器的另一条管路串联在所述冷却回水管上，用于吸收冷却水的热量；所述冷凝器的另一条管路串联在所述海水引入管上，用于给海水加热。
7.一种鼓泡加湿减湿海水淡化方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-6任一所述的鼓泡加湿减湿海水淡化装置，包括以下步骤：
S1：将海水用冷凝器预热，得到预热海水，所述预热海水进入鼓泡加湿装置；
S2：所述预热海水在第1级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第1级海水液膜，第1级多余的预热海水溢入第2级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第2级海水液膜，第2级多余的预热海水溢入第3级鼓泡加湿装置的成膜围堰内流平成第3级海水液膜，依此类推，直至第N级鼓泡加湿装置；得到N个海水液膜；
S3：相应的N个鼓泡装置鼓出空气经细孔作用于N个海水液膜，产生加湿蒸汽；
S4：所述加湿蒸汽在引风机的作用下，依次经加湿蒸汽收集罩和蒸汽汇集管进入减湿冷凝器的壳程；所述加湿蒸汽在减湿冷凝器的管程中的冷却水的冷凝作用下，得到冷凝水和减湿空气；
S5：收集S4得到冷凝水作为淡水使用；利用蒸发器回收冷却水的热量供冷凝器给海水预热；
S6：重复步骤S1-S5，直至收集到预定量的冷凝水。
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