CN107973469B - 具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，涉及海水淡化与节能减排领域。该系统的海水淡化供给组件包括海水预处理装置、冷凝热回收装置和反渗透装置；热法海水淡化供给组件包括活塞式压缩机、毛细淡化蒸发器、以及复用的海水预处理装置和冷凝热回收装置；制冷循环组件包括制冷器、以及复用的活塞式压缩机、节流阀和毛细淡化蒸发器。本发明能够将反渗透造水功能、热法造水功能和制冷功能进行复用和耦合，能够利用反渗透造水时的盐水压力能驱动制冷循环，还能够将反渗透的进料海水与热法造水时的蒸汽进行热交换，预热了进料海水，热法实现对反渗透排盐水的二次浓缩，整个过程都不需要额外的电功输入，非常适于推广。

Description

具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统

技术领域

本发明涉及海水淡化与节能减排领域，具体涉及一种具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统。

背景技术

与能源一样，水是人类生产、生活的基本需求之一，每人每天最少要保证25升的生活用水(5升的饮用淡水+20升的洗涤用水)，而在炎热地区，需求量更大，最低生活用水为10升/天。船舶作为独立的个体，远离陆地航行，船员、设备需要消耗大量淡水，对于100人编制的海上船舶，每天需生活用水至少3吨，而设备用水(船舶设备工作所需的水，例如锅炉补充水等)更多；对于大型蒸汽动力船舶而言，锅炉补充水量约为动力系统蒸汽耗量的1％。

由此可知，船舶在航行时的淡水需求非常大，因此单靠船舶自身携带的淡水是远远不够的。为了保证船舶的淡水需求和续航能力，大中型船舶都配备有海水淡化装备，用于提供生活用水和设备用水。由于生活用水和设备用水对水质的要求程度不同，为节约不同用水需求下的淡水成本，因此上述船舶海水淡化设备通常包括用于将海水淡化为生活用水的反渗透法造水装置(例如反渗透船用造水机)、以及用于将海水淡化为设备用水的热法海水淡化装置。

但是，反渗透法造水装置和热法海水淡化装置存在以下缺陷：

(1)反渗透法造水装置和热法海水淡化装置两者的体积，会占用船舶较大的空间，压缩了原本就紧张的船舶空间，进而为船舶操作人员造成了诸多不便；与此同时，反渗透法造水装置和热法海水淡化装置存在相同的设备(例如两者都有排水泵和海水预处理装置)，重复的设备增加了能耗和成本，不利于建设绿色船舶概念。

(2)反渗透法造水装置工作时，反渗透装置将通过海水预处理装置后的海水分离为浓盐水和生活用水。但反渗透装置的产水量受进水温度影响较大，通常在膜的允许使用温度范围内，水温每增加1℃，水的透过速度约增加2％～3％，在冬季，通常需要耗费大量的能量对海水进行预热以保证反渗透膜的造水量；与此同时，反渗透装置工作过程中70％的高压海水能量通过浓盐水直接损失。

(3)热法海水淡化装置工作时，通过热源对淡化系统中海水进行加热蒸发淡化。然而，为了节约安装空间，船舶上的热法海水淡化装置难以像陆地上一样设置有多级多效淡化系统，一般只设置有1级淡化系统，但1级淡化系统加热海水时的热效率较低，因此船舶上热法海水淡化装置的热源成本成为了造水的主要成本，甚至高达近百元 /吨。

(4)海面船舶自身具备的远距离、长周期作业的特点，使得无论是船员生活还是物资储存都有强烈的冷量需求。目前普遍采用商用空调满足制冷量，尽管在功能上确实起到了解决问题的需求，但是空调本质是将房间的热量吸热后以高温排放至外界环境，除去空调自身需消耗较大的电力成本外，其巨大的排热损失也往往白白浪费。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何将反渗透造水功能、热法造水功能和制冷功能进行复用和耦合，本发明的体积较小，能耗较低，能够利用反渗透造水时的多余盐水能量驱动制冷循环，还能够将反渗透的进料海水与热法造水时的蒸汽进行热交换，不仅预热了反渗透的进料海水，而且制冷循环提供的热量还能够用作热法淡化装置的热源实现对反渗透排盐水的二次浓缩，整个制冷过程和热法造水过程都不需要额外的电功输入，非常适于推广。

为达到以上目的，本发明提供的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，该系统包括反渗透海水淡化供给组件、热法海水淡化供给组件和制冷循环组件；海水淡化供给组件包括海水预处理装置、冷凝热回收装置和反渗透装置；海水预处理装置的输出端通过管道与冷凝热回收装置的输入端连通，冷凝热回收装置的输出端通过管道与反渗透装置的输入端连通，反渗透装置包括盐水输出端和生活用水输出端；

热法海水淡化供给组件包括活塞式压缩机、毛细淡化蒸发器、以及复用于反渗透海水淡化供给组件的海水预处理装置和冷凝热回收装置；活塞式压缩机内部通过一块隔板分隔为驱动腔和压缩腔，毛细淡化蒸发器内部通过1块毛细板分为海水腔和蒸汽腔，毛细板内设置有换热管；驱动腔的输入端通过管道与反渗透装置的盐水输出端连通，驱动腔的输出端通过管道与海水腔的输入端连通；蒸汽腔的输出端通过锅炉用水管道贯穿冷凝热回收装置；

制冷循环组件包括制冷器、以及复用于热法海水淡化供给组件的活塞式压缩机和毛细淡化蒸发器；活塞式压缩机的压缩腔内设置有制冷介质，压缩腔的输出端通过管道与毛细板的换热管的输入端连通，换热管的输出端通过管道与制冷器的输入端连通，换热管和制冷器之间的管道上安装有节流阀，制冷器的输出端通过管道与压缩腔的输入端连通。

在上述技术方案的基础上，该系统还包括制冷室，所述制冷器位于制冷室内部，制冷器输出端和输入端的管道均穿过制冷室。

在上述技术方案的基础上，所述毛细板包括靠近于蒸汽腔的第一侧壁、以及靠近于海水腔的第二侧壁，毛细板内部的换热管与第一侧壁接触。

在上述技术方案的基础上，所述毛细板的厚度至少为换热管直径的2倍。

在上述技术方案的基础上，所述毛细板的厚度大于4mm，毛细板的导热系数小于5W/(m·K)。

在上述技术方案的基础上，所述毛细板材质为多孔陶瓷、多孔塑料或金属粉末烧结体。

在上述技术方案的基础上，所述活塞式压缩机内部的隔板为滑动隔板。

在上述技术方案的基础上，所述制冷器采用空冷型翅片制冷器。

在上述技术方案的基础上，所述冷凝热回收装置与反渗透装置之间的管道上安装有增压泵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明能够对反渗透海水淡化供给组件和热法海水淡化供给组件和制冷循环组件进行了充分和深度耦合，具体为：

活塞式压缩机能够对反渗透装置排出的高压盐水进行压力能回收，并利用高压盐水的能量驱动制冷循环组件的制冷循环，将吸收的热量升压升温后用作热法淡化装置的热源。

反渗透高压排盐水经过活塞式压缩机后，将压力能传递给了制冷介质后，高压盐水转化成低压盐水(失去了压力能)，制冷介质受到压力后转化为高温气态介质，高温气态介质通过换热管经过毛细淡化蒸发器的毛细板时，将毛细板中的盐水加热为蒸汽，蒸汽与反渗透海水淡化供给组件的进料海水进行热交换后，会冷凝成设备用水，进料海水加热后能够提高进水温度解决反渗透膜低温进水效率低的问题，即本发明的反渗透海水淡化供给组件能够自动为进料海水加热，制冷循环组件能够为热法海水淡化供给组件提供热源，热法海水淡化供给组件不需要外加热源；同时，热法蒸发过程实现对海水的二次浓缩，提高了海水浓缩率。

由此可知，本发明能够解决膜法在进水温度低产水量小和热法冷凝热损失导致淡化成本高的瓶颈问题，并实现对海水的梯级浓缩；根据不同淡化技术特点膜法产水可用于船舶生活用水、热法产水可用于船舶动力设备用水，而且反渗透海水淡化供给组件、热法海水淡化供给组件和制冷循环组件高度集成，在使用时能够相互提供运行动力，不需要额外的电力输入，显著降低了海水淡化的能耗和运行成本。

(2)本发明的反渗透海水淡化供给组件和热法海水淡化供给组件复用一套海水预处理装置，进而显著减小了整个耦合船用供能系统的体积和工作所需的人力成本，使其能够满足船舶的空间要求，利于建设绿色船舶概念。

(3)本发明可在制冷器对应之处设置制冷室，因为制冷器会吸收制冷室的热量，从而在制冷室内形成制冷效果，所以在制冷室内可储存具有冷量需求的物质。因此本发明通过制冷器取代了传统的空调，进一步降低了能耗和运行成本，热法淡化装置实现了制冷循环的零排放。

附图说明

图1为本发明实施例中的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统的结构示意图。

图中：1-海水预处理装置，2-冷凝热回收装置，3-增压泵，4-反渗透装置，5-活塞式压缩机，5a-驱动腔，5b-压缩腔，6-毛细淡化蒸发器，6a-蒸汽腔，6b-海水腔，6c-毛细板，7-节流阀，8-制冷器，9- 制冷室。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例中的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，包括反渗透海水淡化供给组件、热法海水淡化供给组件和制冷循环组件。海水淡化供给组件包括海水预处理装置1、冷凝热回收装置2(实际中可以为一般的换热器)和反渗透装置4；海水预处理装置1的输入端即为海水进口，海水预处理装置1的输出端通过管道与冷凝热回收装置2的输入端连通，冷凝热回收装置2的输出端通过管道与反渗透装置4的输入端连通，冷凝热回收装置2与反渗透装置4之间的管道上安装有增压泵3，反渗透装置4包括盐水输出端和生活用水输出端，生活用水输出端即为生活用水出口。

参见图1所示，热法海水淡化供给组件包括活塞式压缩机5、毛细淡化蒸发器6、以及复用于反渗透海水淡化供给组件的海水预处理装置1和冷凝热回收装置2。活塞式压缩机5内部通过一块隔板(本实施例中为滑动隔板)分隔为驱动腔5a和压缩腔5b，毛细淡化蒸发器6内部通过1块毛细板6c分为海水腔6b和蒸汽腔6a，毛细板6c 内设置有换热管。驱动腔5a的输入端通过管道与反渗透装置4的盐水输出端连通，驱动腔5a的输出端通过管道与海水腔6b的输入端连通，海水腔6b的输出端为盐水排出口；蒸汽腔6a的输出端通过锅炉用水管道贯穿冷凝热回收装置2，锅炉用水管道的输出端即为锅炉用水出口。

参见图1所示，制冷循环组件包括制冷器8以及复用于热法海水淡化供给组件的活塞式压缩机5和毛细淡化蒸发器6。活塞式压缩机5的压缩腔5b内设置有制冷介质，压缩腔5b的输出端通过管道与毛细板6c的换热管的输入端连通，换热管的输出端通过管道与制冷器8的输入端连通，换热管和制冷器8之间的管道上安装有节流阀7。制冷器8的输出端通过管道与压缩腔5b的输入端连通。由此可知，压缩腔5b、换热管、节流阀7和制冷器8形成回路。

参见图1所示，本实施例中的耦合船用供能系统还包括制冷室9，制冷器8位于制冷室9内部，制冷器8输出端和输入端的管道均穿过制冷室9。

参见图1所示，本实施例中的耦合船用供能系统的工作过程为：

反渗透海水淡化供给组件：海水通过海水预处理装置1预处理后，进入冷凝热回收装置2，在增压泵3的作用下，冷凝热回收装置 2中的海水进入反渗透装置4，反渗透装置4将海水分离为生活用水和高压盐水，反渗透装置4的生活用水输出端输出生活用水，反渗透装置4的盐水输出端输出高压盐水至活塞式压缩机5的驱动腔5a(此时驱动腔5a输入端的反渗透盐水阀门打开)。

热法海水淡化供给组件：高压盐水进入活塞式压缩机5的驱动腔 5a时，活塞式压缩机5的活塞在高压盐水的作用下下移、并对压缩腔5b中低温气态制冷介质加压形成高压高温气态介质，此时高压盐水中的压力能用于对活塞式压缩机5做功，做功后高压盐水转变为低压盐水。当关闭反渗透盐水阀门时，活塞在气态介质的静压力的作用下上移、将驱动腔5a中的低压盐水压入毛细淡化蒸发器6的海水腔 6b中，以对毛细板6c补充海水，海水腔6b的输出端将浓缩盐水排出。由于毛细淡化装置6实现了对反渗透淡化4排盐水的二次浓缩，海水腔6b的排盐水浓度较高，可以以高附加值产品形式进行综合利用，如提钾、溴等。低压盐水排出后开启反渗透盐水阀门，活塞式压缩机5进入下一个工作周期。

压缩腔5b中气态制冷介质经活塞式压缩机5压缩后，会变成高温高压的蒸汽；由于海水腔6b内的低压盐水会吸附于毛细板6c中，因此蒸汽经过位于毛细板6c内部的换热管时，会通过换热管加热吸附于毛细板6c内的盐水并产生水蒸气后进入锅炉用水管道，位于冷凝热回收装置2的锅炉用水管道的蒸汽，会对从海水预处理装置1进入冷凝热回收装置2的进料海水进行加热，锅炉用水管道内的蒸汽释放热量后冷凝为高品质的设备用水排出(毛细淡化蒸发是热法淡化技术，其产水含盐量小于5ppm，可直接用于设备用水)。进料海水加热会使得反渗透装置4不再因为进水温度低而造成反渗透出水量减少，进而提高了反渗透装置4的产水量，降低了反渗透装置4的淡化成本。

高压制冷工质蒸汽在位于毛细板6c内部的换热管释放热量后，会凝结成高压的液态制冷剂；液态制冷剂经过节流阀7后，液态制冷剂的压力急剧降低，液态制冷剂通过制冷器8向制冷室9或者外界中吸收大量热量并呈现闪蒸状态，从而变为气态制冷介质进入到压缩腔 5b，之后开始下一个制冷循环。为最简化设备投入，制冷器8可采用空冷型翅片制冷器，若希望强化制冷效果，可在制冷器8上增加风扇以提高换热效率。

为了实现热量的充分利用，达到热聚焦效果，还要让蒸汽较容易从毛细板6c中溢出并汇聚到蒸汽腔6a，毛细板6c中的换热管应可能靠近蒸汽腔6a，本实施例中的毛细板6c包括靠近于蒸汽腔6a的第一侧壁、以及靠近于海水腔6b的第二侧壁，换热管与第一侧壁接触。进一步，为了减少通过毛细板6c导热到海水腔6b的热量，毛细板 6c的厚度应至少为换热管直径的2倍，一般大于4mm本实施例中为 6mm；毛细板6c导热系数应该尽可能小，一般应该小于5W/(m·K)，瓦/米·开 ，本实施例中为3W/(m·K)；毛细板6c具体材质可以选择多孔陶瓷、多孔塑料或金属粉末烧结体。

本实施例中的耦合船用供能系统，按照目前反渗透技术海水浓缩率30％(70％排盐水)计算，排盐水压力假设为5.5MPa，若采用R134a 作制冷介质，毛细淡化蒸发器6中换热管内工质温度取55℃(对应压力1.5MPa)，产生的淡水蒸汽温度为50℃时，具备如下效果。

若预处理海水为1吨/时，理论上增压泵3需做功为 W₁＝ΔP·q_v＝1.5kW，生产淡水0.3吨。而反渗透剩余的排盐水理论可以对活塞式压缩机5做功W₂＝70％·ΔP·q_v1＝0.78kW，假设制冷循环的制冷系数为3.0，理论能获得的制冷量为2.33kW。通过制冷循环的能量守恒，计算毛细淡化蒸发器6可理论产水4.7kg。也就是说本发明通过将反渗透淡化供给系统、制冷循环系统和毛细淡水供给系统三者进行强耦合，实现了在输入功1.5kW情况下，利用反渗透装置4生产可供船员生活使用的淡水0.3吨，利用毛细蒸发淡化装置生产可供动力设备补给的淡水4.7kg，同时能获得2.33kW的制冷量。

进一步，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 (8)

1.一种具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，该系统包括反渗透海水淡化供给组件和热法海水淡化供给组件，其特征在于，该系统还包括制冷循环组件；海水淡化供给组件包括海水预处理装置(1)、冷凝热回收装置(2)和反渗透装置(4)；海水预处理装置(1)的输出端通过管道与冷凝热回收装置(2)的输入端连通，冷凝热回收装置(2)的输出端通过管道与反渗透装置(4)的输入端连通，反渗透装置(4)包括盐水输出端和生活用水输出端；

热法海水淡化供给组件包括活塞式压缩机(5)、毛细淡化蒸发器(6)、以及复用于反渗透海水淡化供给组件的海水预处理装置(1)和冷凝热回收装置(2)；活塞式压缩机(5)内部通过一块隔板分隔为驱动腔(5a)和压缩腔(5b)，毛细淡化蒸发器(6)内部通过1块毛细板(6c)分为海水腔(6b)和蒸汽腔(6a)，毛细板(6c)内设置有换热管；驱动腔(5a)的输入端通过管道与反渗透装置(4)的盐水输出端连通，驱动腔(5a)的输出端通过管道与海水腔(6b)的输入端连通；蒸汽腔(6a)的输出端通过锅炉用水管道贯穿冷凝热回收装置(2)；

制冷循环组件包括制冷器(8)、以及复用于热法海水淡化供给组件的活塞式压缩机(5)和毛细淡化蒸发器(6)；活塞式压缩机(5)的压缩腔(5b)内设置有制冷介质，压缩腔(5b)的输出端通过管道与毛细板(6c)的换热管的输入端连通，换热管的输出端通过管道与制冷器(8)的输入端连通，换热管和制冷器(8)之间的管道上安装有节流阀(7)，制冷器(8)的输出端通过管道与压缩腔(5b)的输入端连通。

2.如权利要求1所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述毛细板(6c)包括靠近于蒸汽腔(6a)的第一侧壁、以及靠近于海水腔(6b)的第二侧壁，毛细板(6c)内部的换热管与第一侧壁接触。

3.如权利要求1所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述毛细板(6c)的厚度至少为换热管直径的2倍。

4.如权利要求3所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述毛细板(6c)的厚度大于4mm，毛细板(6c)的导热系数小于5W/(m·K)。

5.如权利要求4所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述毛细板(6c)材质为多孔陶瓷、多孔塑料或金属粉末烧结体。

6.如权利要求1至5任一项所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述活塞式压缩机(5)内部的隔板为滑动隔板。

7.如权利要求1至5任一项所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述制冷器(8)采用空冷型翅片制冷器。

8.如权利要求1至5任一项所述的具备海水淡化功能和制冷功能的耦合船用供能系统，其特征在于：所述冷凝热回收装置(2)与反渗透装置(4)之间的管道上安装有增压泵(3)。