CN107954493B - 一种海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水淡化装置，涉及海水淡化技术领域。其包括：箱体内部具有空腔，侧壁上设有一个或二个开口，开口通过盖板闭合；蒸发器设于空腔内并与空腔的腔壁之间留有距离，蒸发器包括一级吸液层和埋设在一级吸液层中的管道，管道的进口和出口均穿过盖板连通外部；至少一层次级蒸发层同心设置在蒸发器的周向外侧，且间隔预定的距离，次级蒸发层包括紧密贴合的冷凝板和次级吸液层；一级吸液层和次级吸液层均为毛细孔材料，一个或者二个盖板至少与一级吸液层和次级吸液层相接触的部分为毛细孔材料，一级吸液层、次级吸液层和盖板中的毛细孔相连通。本发明对余热充分循环利用，提高造水比，在晃动状态下也能稳定、高效地产水。

Description

一种海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体是涉及一种海水淡化装置。

背景技术

海洋核动力平台是船舶海洋工程与核能工程的有机结合，用于提供电力、淡水等资源保障，是我国海洋开发迫切需要的绿色能源装备。核动力平台在运行过程中会产生大量的废热，目前多采用供暖方式利用废热，但是供暖周期受季节限制而较短，在非供暖周期，通常利用海洋作热井，将大量废热直接排放至海水中，对海域环境造成严重的热污染。随着全球对海域环境保护意识逐渐加强，废热排放问题已成为船舶发展领域亟待解决的核心问题之一。若能因地制宜地利用核动力平台数量庞大的余热资源和取之不尽的海水资源，通过更为先进的工艺和设备将能量转化过程中产生的废热加以深度利用，特别是海水淡化，实现核动力平台的电水联产技术是最令人期待的解决方案。

然而，不同于陆上海水淡化工程，海洋核动力平台上的海水淡化设备相对于陆上海水淡化设备来说，其布置空间小、工作环境多变、对海洋核动力平台整体布置紧凑性和系统配置可靠性的要求更高。具体表现为：(1)海洋核动力平台长期在海上作业，处于风、浪、流等复杂的海洋环境中作业能力，要求海水淡化设备在摇晃状态下仍能稳定产水；(2)为保证核动力平台的最大经济性，要求海水淡化所使用的热源为低品位废热，并尽可能增加造水比；(3)海洋核动力平台对海水淡化装置的空间限制。目前利用低品位废热的热法海水淡化方法还无法满足海洋核动力平台的海水淡化需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种海水淡化装置，多级蒸发/冷凝表面对引入蒸发器中的余热进行循环利用，不但能够充分利用余热，而且提高海水淡化装置的造水比，在海洋平台晃动状态下也能够稳定、高效地产水，结构紧凑，节省空间。

本发明提供一种海水淡化装置，用于海洋核动力平台，其包括：

箱体，其内部具有空腔，所述箱体侧壁上设有一个或者二个开口，所述开口通过一个盖板闭合；

蒸发器，其设于所述空腔内，并与所述空腔的腔壁之间留有距离，所述蒸发器包括一级吸液层和埋设在所述一级吸液层中的管道，所述管道的进口和出口均穿过所述盖板连通外部；

至少一层次级蒸发层，其同心设置在所述蒸发器的周向外侧，且间隔预定的距离，所述次级蒸发层将所述空腔分隔为互不连通的容纳腔，所述次级蒸发层包括冷凝板和次级吸液层，所述次级吸液层与所述冷凝板的外表面紧密贴合，且与所述空腔的腔壁之间留有距离；

其中，所述一级吸液层和次级吸液层均为毛细孔材料，一个或者二个所述盖板至少与所述一级吸液层和次级吸液层相接触的部分为毛细孔材料，所述一级吸液层、次级吸液层和盖板中的毛细孔相连通。

在上述技术方案的基础上，所述盖板全部为毛细孔材料，所述盖板与所述开口密封连接。

在上述技术方案的基础上，所述盖板中的毛细孔孔径大于所述一级吸液层和次级吸液层中的毛细孔孔径。

在上述技术方案的基础上，所述盖板的毛细孔孔径为20～50微米，所述一级吸液层和次级吸液层的毛细孔孔径均为10～20微米。

在上述技术方案的基础上，所述空腔为拱形门洞状，底壁为平面，所述冷凝板为弧形板，其两端固定于所述空腔的底壁，所述次级吸液层位于所述弧形板凸出的一侧。

在上述技术方案的基础上，所述冷凝板为金属板，所述次级吸液层为冷凝板的表面上的金属粉末烧结层。

在上述技术方案的基础上，所述冷凝板朝向层的表面设有超疏水涂层或者泄流板。

在上述技术方案的基础上，所述空腔为圆柱形，两个所述开口分别位于圆柱形的两端，所述冷凝板为管状，其一端固定于一个所述盖板上。

在上述技术方案的基础上，所述次级蒸发层的层数至少为2层；

所述管道连通热水，所述蒸发器与邻近的所述次级蒸发层之间以及相邻两层所述次级蒸发层之间的温度差设置为15～25℃。

在上述技术方案的基础上，所述次级蒸发层的层数至少为2层；

所述管道连通蒸汽，所述蒸发器与邻近的所述次级蒸发层之间以及相邻两层所述次级蒸发层之间的温度差设置为5～15℃。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)多层次级蒸发层以蒸发器为中心，同心布置在蒸发器的周向外侧，形成的多级蒸发/冷凝表面对引入蒸发器中的余热进行循环利用，不但能够充分利用余热，而且提高海水淡化装置的造水比。

(2)各级吸液层利用毛细孔的驱动力实现海水的自动补给，不但无需额外动力，节能环保，而且在海洋平台晃动状态下也能够稳定、高效地产水。

(3)蒸发器和多层次级蒸发层充分整合，结构紧凑，节省空间，而且运行在常压环境，无需抽真空。

附图说明

图1是本发明实施例海水淡化装置的立体示意图；

图2是图1中去掉盖板后的内部结构示意图；

图3是图1中A-A剖面图。

图中：

1-箱体，11-空腔，12-开口，13-盖板，14-底板，15-顶板，151-散热片，2-蒸发器，21-一级吸液层，22-管道，221-进口管，222-出口管，3-次级蒸发层，3a-第一次级蒸发层，3b-第二次级蒸发层，31-冷凝板，32-次级吸液层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种海水淡化装置，用于海洋核动力平台，海水淡化装置包括箱体1、蒸发器2、二层次级蒸发层3，其中，箱体1内部具有空腔11，蒸发器2设于空腔11内，并与空腔11的腔壁之间留有距离。蒸发器2为一级蒸发，两层次级蒸发层3分别为第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b，第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b的结构相同，第一次级蒸发层3a围绕设置在蒸发器2的周向外侧，第二次级蒸发层3b围绕设置在第一次级蒸发层3a的周向外侧，蒸发器2与第一次级蒸发层3a之间以及第一次级蒸发层3a与第二次级蒸发层3b之间均间隔预定的距离，预定的距离可以相同，也可以不同。

参见图3所示，箱体1包括两个盖板13、底板14和顶板15，其中，底板14为平板，顶板15为U形板，顶板15的U形两端固定于底板14上以形成拱形门洞状的空腔11，空腔11的两端为开口12，每个开口12通过一个盖板13闭合，并密封连接。

蒸发器2包括一级吸液层21和埋设在一级吸液层21中的管道22，一级吸液层21和管道22均设于一侧开口的容器23中，容器23的开口侧朝向顶板15，管道22的进口管221和出口管222均穿过一个盖板13连通外部。进口管221和出口管222分别连接海洋核动力平台上低温废热，低温废热可以是热水或蒸汽。

第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b具有相似的结构，第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b均包括冷凝板31和次级吸液层32，冷凝板31为弧形板，具体的，冷凝板31近似于顶板15的U形板，冷凝板31的U形两端固定于底板14上形成拱形门洞状，冷凝板31凸出的一侧的表面为外表面。次级吸液层32与冷凝板31的外表面紧密贴合，且与空腔11的腔壁之间留有间距。第一次级蒸发层3a的冷凝板31和底板14之间、第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b之间、以及第二次级蒸发层3b与顶板15之间均形成一个容纳腔，各容纳腔之间互不连通。蒸发器2位于第一次级蒸发层3a的冷凝板31和底板14之间，容器23的开口侧朝向第一次级蒸发层3a的冷凝板31，使得一级吸液层21与第一次级蒸发层3a的冷凝板31之间以及第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b之间均形成蒸发腔。

盖板13全部为毛细孔材料，一级吸液层21、次级吸液层32和盖板13均为毛细孔材料，且一级吸液层21、次级吸液层32和盖板13中的毛细孔相连通，盖板13与外部海水连通。

毛细孔材料可以是金属、陶瓷或者聚合物等，毛细孔材料中的毛细孔孔径为微米级。为保证各级吸液层能稳定地从盖板13中吸收海水，各级吸液层的毛细作用力大于盖板13中的毛细作用力。盖板13中的毛细孔孔径大于一级吸液层21和次级吸液层32中的毛细孔孔径，其中，各级吸液层包括一级吸液层21和所有的次级吸液层32。具体的，盖板13的毛细孔孔径为20～50微米，一级吸液层21次级吸液层32和次级吸液层32的毛细孔孔径均为10～20微米。

本发明实施例中的包括围绕设置在蒸发器2外部的多层次级蒸发层3，多层次级蒸发层3构成多级蒸发-冷凝装置，各级吸液层和盖板13均为毛细孔材料，并共同构成海水自动输运装置。盖板13与外部海水连通，海水自动输运装置如同植物的“树干”，而其中的毛细孔如同植物的“树枝”，借助仿生补水方式吸取海水并自动分配到“树枝”中。根据各级吸液层中海水蒸发量的多少，“树干”将自动匹配需要抽取的海水量和自动分配各个“树枝”所需的补水量。具体地，盖板13与海水直接接触，在仿生毛细力作用下，海水被吸入盖板13中，在毛细孔的驱动力作用下，实现一级吸液层21和次级吸液层32中海水的自动补给。各级吸液层中海水蒸发时，各级吸液层将自动从盖板13中抽取海水，实现根据海水蒸发量的大小自动调整抽取的海水量，可自动适应不同热源温度、不同热源流量和不同热源形式，并能根据热流密度的不同自适应运行，无需额外泵功，节能环保。

一级蒸汽由蒸发器2产生，进入蒸发腔中的蒸汽遇到冷凝板冷凝成淡水，并释放冷凝热给第一次级蒸发层3a中的海水；第一次级蒸发层3a中海水受热蒸发产生二级蒸汽，如此循环，直到顶板15。

具体的，海洋核动力平台产生的废热通过进口管221输入蒸发器2中，并通过出口管222排出蒸发器2。一级吸液层21中的海水吸收管道22散发的热量而蒸发，产生蒸汽，蒸汽流入蒸发腔，由于冷凝板31的温度低于蒸汽温度，因此蒸发腔中的蒸汽会在冷凝板31内壁上冷凝成淡水并释放潜热。冷凝产生的淡水在表面张力作用下沿着冷凝板31的圆弧内壁汇入淡水仓中，而冷凝板31吸收潜热后通过传热方式对次级吸液层32进行加热，次级吸液层32中的海水受热产生二级蒸汽。相似地，蒸发腔中的二级蒸汽在冷凝板31内壁上冷凝成淡水并释放潜热，冷凝产生的淡水在表面张力作用下沿着冷凝板31的圆弧内壁汇入箱体1底部，次级吸液层32中的海水受热产生三级蒸汽，如此循环，直到热能传递到顶板15的内表面，并通过顶板15外表面的均匀分布的散热片151以自然对流和辐射形式将残余的热量释放到空气环境中。

多层次级蒸发层3以蒸发器2为中心，同心布置在蒸发器2的周向外侧，形成的多级蒸发/冷凝表面对引入蒸发器2中的余热进行循环利用，不但能够充分利用余热，而且提高海水淡化装置的造水比。

当管道22连通热水时，蒸发器2与第一次级蒸发层3a之间以及第一次级蒸发层3a与第二次级蒸发层3b之间的温度差设置为15～25℃。当管道22连通蒸汽时，蒸发器2与第一次级蒸发层3a之间以及第一次级蒸发层3a与第二次级蒸发层3b之间的温度差设置为5～15℃，以进一步充分利用余热，而且提高海水淡化装置的造水比。

本发明实施例在使用过程中，海水通过仿生植物补给形式，各级蒸发层均无自由液面，确保在倾斜过程中蒸发的稳定性和高可靠性，使得在海洋平台晃动状态下也能够稳定、高效地产水。

为最大化冷凝板31与次级吸液层32之间以及冷凝板31与次级吸液层32之间的传热效率并减少热阻，冷凝板31与次级吸液层32应紧密贴合且传热系数高。优选的，冷凝板31应具有良好传热性能，例如金属板，次级吸液层32为金属板表面的金属粉末烧结层，金属粉末烧结层是直接采取金属粉末烧结成型，与金属板形成整体，金属粉末烧结层形成次级吸液层32的毛细孔结构。

为了进一步提高冷凝热的回收能力，可通过强化冷凝板的凝结传热效率，具体的，冷凝板31朝向侧设有超疏水涂层或者泄流板。

在上述实施例中，箱体1的一个盖板13全部为毛细孔材料，在其他的实施例中，箱体1的两个盖板13都可以是毛细孔材料，管道22具有两个进口管221和两个出口管222，一个进口管221和一个出口管222穿过一个盖板13连通外部，以增加淡水的产水量和产水效率。进口管221还起到对盖板13外侧的海水提前预热的效果，进一步提高产水效率。

在其他的实施例中，盖板13上可以设有通槽，通槽中嵌设有毛细孔材料，毛细孔材料与通槽密封连接，通槽中的毛细孔材料的毛细孔与各级吸液层的毛细孔相连通。

在其他的实施例中，空腔11还可以为圆柱形，第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b均为管状，第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b均以蒸发器2为中心同心设置，第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b中的冷凝板31均与箱体1的一个盖板13内壁固定连接，次级吸液层32为半圆弧状，并与冷凝板31外表面紧密贴合，箱体1的另一个盖板13全部或者部分为毛细孔材料。这样的设计使得第一次级蒸发层3a与蒸发器2之间以及第一次级蒸发层3a和第二次级蒸发层3b之间都形成对称的环形空间，无论箱体1如何晃动，环形空间靠近地面的部分形成淡水仓，而远离地面的部分形成蒸发腔，确保在海洋平台晃动状态下也能够稳定、高效地产水。

本发明实施例运行在常压环境，无需对腔室抽真空，构造简单，海水的输运和补给为仿生驱动，无需电力输入，与海洋核动力平台的唯一接入口为余热进出口管，无需任何电力或机械能输入，接入简单可行，通过耦合海洋核动力低温废热进行高效率海水淡化，实现海洋核动力平台电水联产。另外，本发明实施例可以实现模块化设计，将淡化装置进行串联组合，可适用于不同情况下的淡水需求量。

本发明不局限于上述实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种海水淡化装置，用于海洋核动力平台，其特征在于，其包括：

箱体（1），其内部具有空腔（11），所述箱体（1）侧壁上设有二个开口（12），所述开口（12）通过一个盖板（13）闭合；

蒸发器（2），其设于所述空腔（11）内，并与所述空腔（11）的腔壁之间留有距离，所述蒸发器（2）包括一级吸液层（21）和埋设在所述一级吸液层（21）中的管道（22），所述管道（22）的进口和出口均穿过所述盖板（13）连通外部；

至少一层次级蒸发层（3），其同心设置在所述蒸发器（2）的周向外侧，且间隔预定的距离，所述次级蒸发层（3）将所述空腔（11）分隔为互不连通的容纳腔，所述次级蒸发层（3）包括冷凝板（31）和次级吸液层（32），所述次级吸液层（32）与所述冷凝板（31）的外表面紧密贴合，且与所述空腔（11）的腔壁之间留有距离；

其中，所述一级吸液层（21）和次级吸液层（32）均为毛细孔材料，所述一级吸液层（21）、次级吸液层（32）和盖板（13）中的毛细孔相连通，所述盖板（13）与外部海水连通；

所述盖板（13）全部为毛细孔材料，所述盖板（13）与所述开口（12）密封连接；

所述盖板（13）中的毛细孔孔径大于所述一级吸液层（21）和次级吸液层（32）中的毛细孔孔径；所述盖板（13）的毛细孔孔径为20~50微米，所述一级吸液层（21）和次级吸液层（32）的毛细孔孔径均为10~20微米；

所述空腔（11）为圆柱形，两个所述开口（12）分别位于圆柱形的两端，所述冷凝板（31）为管状，其一端固定于一个所述盖板（13）上。

2.如权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝板（31）为金属板，所述次级吸液层（32）为冷凝板（31）的表面上的金属粉末烧结层。

3.如权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝板（31）内表面设有超疏水涂层或者泄流板。

4.如权利要求1至3任一项所述的海水淡化装置，其特征在于：所述次级蒸发层（3）的层数至少为2层；

所述管道（22）连通热水，所述蒸发器（2）与邻近的所述次级蒸发层（3）之间以及相邻两层所述次级蒸发层（3）之间的温度差设置为15~25℃。

5.如权利要求1至3任一项所述的海水淡化装置，其特征在于：所述次级蒸发层（3）的层数至少为2层；

所述管道（22）连通蒸汽，所述蒸发器（2）与邻近的所述次级蒸发层（3）之间以及相邻两层所述次级蒸发层（3）之间的温度差设置为5~15℃。

Images