CN108218055A - 冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶 - Google Patents

冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶 Download PDF

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Abstract

冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶：切换载冷剂供冷供热通路，以冷电耦合作用驱动冷冻脱盐桶中虹吸循环冷却料液、电泳分离、过滤分离、微波松化、上浮减压结冰、盐份浓缩、加热融冰、取用淡水/盐份等轮回；料液被虹吸循环冷却至0℃，使淡水对盐份溶解度降至最低，且淡水膨胀至最大比容，附加顶部负极板电磁力吸引，共同使淡水与盐份分离后上浮、减压、结冰；以及底部正极板电磁力吸引，共同使盐份下沉、聚集；高效分离淡水与盐份。

Description

冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶
一、技术领域
本发明涉及一种冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其全面耦合虹吸循环冷冻分离、电泳分离、微波松化等多种学科原理，以实现大幅提高单一冷冻法海水淡化的脱盐效率，可广泛应用于海水淡化、食品加工、饮料生产、污水处理、净水处理、中水处理、化工行业、家用水净化、商用水净化等技术领域。
二、背景技术
冷冻法海水淡化的机理：海水冷冻时一方面使得淡水对盐份溶解度降至最低，从而促使盐份与淡水分离；另一方面使淡水膨胀至最大比容而上浮、结冰，再将冰层移出后融化为淡水，而实现海水淡化。
冷冻法海水淡化的优点：(1)由于水的化学活跃度拐点为60℃，因此采用0℃时结冰、分离、浓缩的冷冻法，就可有效处理高腐蚀性溶液或热敏性物料；(2)工艺在开放装置中实施，从而避免抽真空等一系列复杂工艺控制过程；(3)由于水的结冰潜热只是其汽化潜热的1/7，使得冷冻法中冷冻机组的投资，相比蒸馏法中热泵机组的投资降低一半，同时也等比例降低其运行和维护成本。
冷冻法海水淡化，又可分为天然结冰法与人工结冰法两种，其最大缺点就是海水冷冻时冰块与盐水之间相互包裹严重，因此还需配以离心分离机的二次固液分离；然而，冷冻法、离心法两级的总脱盐效率也只能达到70-90％，所得脱盐水的含盐量依然高达3500ppm以上；所以正是总脱盐效率太低，限制了冷冻法海水淡化的进一步推广应用。
三、发明内容
本发明目的：切换接通载冷剂的供冷、供热通路并附加电泳电极板，以冷电耦合作用驱动冷冻脱盐桶中虹吸循环冷却料液、电泳分离、过滤分离、微波松化、上浮减压结冰、盐份浓缩、加热融冰、取用淡水/盐份等轮回；料液被虹吸循环冷却至0℃，以使淡水对盐份溶解度降至最低，且淡水膨胀至最大比容，附加顶部负极板电磁力吸引，共同使淡水与盐份分离后上浮、减压、结冰；以及底部正极板电磁力吸引，共同使盐份下沉、聚集；而微波阻止盘管腐蚀以及使冰块蓬松；以实现淡水与盐份高效分离。
按照附图1所示的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其由1-供冷电动阀；2-回冷电动阀；3-虹吸螺旋盘管；4-供热电动阀；5-回热电动阀；6-冷冻脱盐桶；6-1-料液进口；6-2-液位开关；6-3-脱盐桶出口；6-4-保温层；6-5-温度开关；6-6-浓缩液电动阀；6-7-淡水电动阀；6-8-溢流出口；7-料液流量调节阀；8-料液；9-淡水；10-浓缩液；11-电泳正极板；12-电泳负极板；13-复合电源；14-过滤网组成，其特征在于：
冷冻脱盐桶6为上部圆柱状、底部圆锥状的容器，上部内壁设置料液进口6-1，上部内壁设置液位开关6-2，上部内壁设置溢流出口6-8，内部中间边侧布置垂直轴线、下进上出的虹吸螺旋盘管3，底部圆锥状中央设置脱盐桶出口6-3，外壁面包裹保温层6-4；
虹吸螺旋盘管3的下进口通过进液三通连接供冷电动阀1和供热电动阀4，虹吸螺旋盘管3的上出口通过出液三通连接回冷电动阀2和回热电动阀5，组成虹吸螺旋盘管3的供冷与供热切换回路；
供冷电动阀1与回冷电动阀2切换控制冷冻脱盐桶6的中部虹吸螺旋盘管3，组成载冷剂供冷通路；
供热电动阀4与回热电动阀5切换控制冷冻脱盐桶6的中部虹吸螺旋盘管3，组成载冷剂供热通路；
脱盐桶出口6-3通过管道连接分流三通、浓缩液电动阀6-6和淡水电动阀6-7，组成切换排放回路；
冷冻脱盐桶6外壳为轴线垂直设置的圆形柱面，其上部内壁设置的液位开关6-2依据料液的液位信号闭环控制料液流量调节阀7的开度，组成冷冻脱盐桶料液液位控制回路；
冷冻脱盐桶6的上部、中部、底部内壁均设置温度开关6-5，以切换控制供冷电动阀1与回冷电动阀2，以及供热电动阀4与回热电动阀5的开关，组成冷冻脱盐桶的切换结冰与融冰回路。
在冷冻脱盐桶6的圆柱壁面外侧，布置圆柱形能发射高频微波的电泳正极板11；在冷冻脱盐桶6的底部圆锥壁面外侧，布置圆锥形电泳正极板11；在冷冻脱盐桶6的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板12；上述能发射高频微波的电泳正极板11、电泳正极板11、电泳负极板12均在复合电源13内由交流电经过能量形式的转换而被驱动。
在冷冻脱盐桶6的底部圆锥壁面外侧，布置圆锥形电泳正极板11；在冷冻脱盐桶6的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板12；上述电泳正极板11和电泳负极板12均由复合电源13驱动。
在冷冻脱盐桶6的圆柱壁面和圆锥壁面外侧，分别布置圆柱形电泳正极板11和圆锥形电泳正极板11；在冷冻脱盐桶6的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板12；上述电泳正极板11和电泳负极板12均由复合电源13驱动。
在虹吸螺旋盘管3的下部进口，布置1道或2道过滤网14。
料液8是海水，或是城市中水，或是城市污水，或是盐水，或是酸水，或是碱水，或是有机溶液，或是无机溶液，或是工业废水，或是矿井苦咸水，或是油田污水，或是化工污水中的一种。
本发明的工作原理结合附图1、附图2、附图3、附图4说明如下：
1、切换接通载冷剂供冷通路：依据液位开关6-2的信号开启料液流量调节阀7，以使料液8经顶部料液进口6-1流入冷冻脱盐桶6中，直至液位达到其上部内壁液位开关6-2的设定值，以浸满其中的虹吸螺旋盘管3；再由温度开关6-5的信号开启其供冷电动阀1与回冷电动阀2，关闭其供热电动阀4与回热电动阀5，以切换接通载冷剂供冷通路，并依据冷冻脱盐桶6中的深度，以及兼顾其上下同步结冰，可使-10℃载冷剂下进上出流经虹吸螺旋盘管3；
2、虹吸循环冷却料液：在冷冻脱盐桶6中，由虹吸螺旋盘管3中载冷剂所带冷量冷却管外料液8，使其沿圆柱边侧下沉，迫使圆柱内侧料液8上浮，从而以虹吸循环冷却料液8至0℃。
3、上浮减压结冰、盐份浓缩：当料液8被虹吸循环冷却至0℃时，一方面使得淡水9对盐份溶解度降至最低，从而促使盐份与淡水9分离并下沉、聚集在底部圆锥状空间；另一方面使淡水9膨胀至最大比容而上浮、减压、结冰，再利用结冰时的膨胀力而向下挤出盐份，由此从上至下逐层形成冰层；而冰层下面的虹吸螺旋盘管3的边侧与内侧，依然透过盘管间隙而形成虹吸循环，只是虹吸循环的高度差随着冰层的逐步增厚而逐步减小；从而实现利用虹吸循环驱动的冷冻法海水淡化工艺，并使脱盐效率最大化。
4、电泳分离：附加的复合电源13一方面提供36V直流电压，另一方面提供高频微波，以驱动冷冻脱盐桶6的底部圆锥壁面外侧的圆锥形电泳正极板11、顶部圆形端盖外侧的圆形电泳负极板12、中部圆柱壁面外侧的圆柱形发射高频微波的电泳正极板11；其中，利用底部电泳正极板11的电磁力吸引氯离子盐份下沉、聚集至底部，利用顶部电泳负极板12的电磁力吸引淡水上浮至液面，利用中部电泳正极板11发射的高频微波一方面阻止盘管腐蚀，另一方面使得冰块蓬松，便于包裹盐份受重力与电磁力耦合作用而向下再次析出；从而由电泳作用实现料液8中盐份浓缩液10与淡水9的进一步分离。
5、过滤分离：料液8在虹吸循环过程中流经虹吸螺旋盘管3下部进口的2道过滤网14时，先被其二级过滤掉分离出的盐份，再使淡水沿内侧上浮。
6、取用盐份：由温度开关6-5的信号开启浓缩液电动阀6-6以向下经脱盐桶出口6-3、分流三通、浓缩液电动阀6-6而排尽浓缩液10，然后关闭浓缩液电动阀6-6。
7、切换接通载冷剂供热通路：由温度开关6-5的信号开启其供热电动阀4与回热电动阀5，关闭其供冷电动阀1与回冷电动阀2，以切换接通载冷剂供热通路。
8、加热融冰：以10℃载冷剂下进上出流经虹吸螺旋盘管3，以释放其中所带热量加热管外冰层，直至其完全融化成为淡水。
9、取用淡水：由温度开关6-5的信号开启淡水电动阀6-7以向下经脱盐桶出口6-3、分流三通、淡水电动阀6-7而排尽融冰淡水9。
因此与现有冷冻法海水淡化装置相比较，本发明技术优势如下：
切换接通载冷剂的供冷、供热通路并附加电泳电极板，以冷电耦合作用驱动冷冻脱盐桶中虹吸循环冷却料液、电泳分离、过滤分离、微波松化、上浮减压结冰、盐份浓缩、加热融冰、取用淡水/盐份等轮回；料液被虹吸循环冷却至0℃，以使淡水对盐份溶解度降至最低，且淡水膨胀至最大比容，附加顶部负极板电磁力吸引，共同使淡水与盐份分离后上浮、减压、结冰；以及底部正极板电磁力吸引，共同使盐份下沉、聚集；而微波阻止盘管腐蚀以及使冰块蓬松；以实现淡水与盐份高效分离。
四、附图说明
附图1为本发明的结构正视图。
附图2为本发明的结构俯视图。
附图3为本发明带电泳极板的结构正视图。
附图4为本发明带电泳极板的结构俯视图。
如附图1所示，其中：1-供冷电动阀；2-回冷电动阀；3-虹吸螺旋盘管；4-供热电动阀；5-回热电动阀；6-冷冻脱盐桶；6-1-料液进口；6-2-液位开关；6-3-脱盐桶出口；6-4-保温层；6-5-温度开关；6-6-浓缩液电动阀；6-7-淡水电动阀；6-8-溢流出口；7-料液流量调节阀；8-料液；9-淡水；10-浓缩液；11-电泳正极板；12-电泳负极板；13-复合电源；14-过滤网。
五、具体实施方式
本发明提出的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶实施例如附图1所示，现说明如下：其由接口直径38mm/壁厚2mm的不锈钢供冷电动阀1；接口直径38mm/壁厚2mm的不锈钢回冷电动阀2；直径500mm/高度2500mm/管径38mm/壁厚1.5mm/换热量28kW的不锈钢虹吸螺旋盘管3；接口直径38mm/壁厚2mm的不锈钢供热电动阀4；接口直径38mm/壁厚2mm的不锈钢回热电动阀5；直径650mm、高度2500mm的垂直布置聚氯乙烯塑料圆柱形冷冻脱盐桶6；直径38mm/壁厚1.5mm/高度50mm的不锈钢管料液进口6-1；控制高程100mm的不锈钢液位开关6-2；直径38mm/壁厚1.5mm/长度100mm的不锈钢管脱盐桶出口6-3；厚度50mm的PE保温层6-4；-30℃至40℃的温度开关6-5；接口直径38mm/壁厚2mm/长度150mm的不锈钢浓缩液电动阀6-6；接口直径38mm/壁厚2mm/长度150mm的不锈钢淡水电动阀6-7；直径38mm/壁厚1.5mm/长度50mm的不锈钢管溢流出口6-8；接口直径38mm/壁厚2mm/长度150mm的不锈钢料液流量调节阀7；进口温度10℃、流量4.8t/h、质量浓度35000ppm的盐水8；出口温度15℃、流量2.4t/h、质量浓度100ppm的淡水9；出口温度15℃、流量2.4t/h、质量浓度70000ppm的浓盐水10；钛材镀贵金属铂钌的1mm厚电泳正极板11；钛材镀贵金属铂钌的1mm厚电泳负极板12；提供36V电压以及微波辐射的复合电源13；过滤网14。
本发明实施例中技术经济性指标：切换接通载冷剂的供冷、供热通路并附加电泳电极板，以冷电耦合作用驱动冷冻脱盐桶中虹吸循环冷却料液、电泳分离、微波松化、上浮减压结冰、盐份浓缩、加热融冰、取用淡水/盐份等轮回；流量4.8t/h、质量浓度35000ppm的盐水被虹吸循环冷却至0℃，以使淡水对盐份溶解度降至最低，且淡水膨胀至最大比容，附加顶部负极板电磁力吸引，共同使流量2.4t/h、质量浓度100ppm的淡水与盐份分离后上浮、减压、结冰；以及底部正极板电磁力吸引，共同使流量2.4t/h、质量浓度70000ppm的盐份下沉、聚集；而微波阻止盘管腐蚀以及使冰块蓬松；以实现淡水与盐份99％的脱盐效率高效分离。

Claims (6)

1.一种冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其由供冷电动阀(1)；回冷电动阀(2)；虹吸螺旋盘管(3)；供热电动阀(4)；回热电动阀(5)；冷冻脱盐桶(6)；料液进口(6-1)；液位开关(6-2)；脱盐桶出口(6-3)；保温层(6-4)；温度开关(6-5)；浓缩液电动阀(6-6)；淡水电动阀(6-7)；溢流出口(6-8)；料液流量调节阀(7)；料液(8)；淡水(9)；浓缩液(10)；电泳正极板(11)；电泳负极板(12)；复合电源(13)；过滤网(14)组成，其特征在于：冷冻脱盐桶(6)为上部圆柱状、底部圆锥状的容器，上部内壁设置料液进口(6-1)，上部内壁设置液位开关(6-2)，上部内壁设置溢流出口(6-8)，内部中间边侧布置垂直轴线、下进上出的虹吸螺旋盘管(3)，底部圆锥状中央设置脱盐桶出口(6-3)，外壁面包裹保温层(6-4)；虹吸螺旋盘管(3)的下进口通过进液三通连接供冷电动阀(1)和供热电动阀(4)，虹吸螺旋盘管(3)的上出口通过出液三通连接回冷电动阀(2)和回热电动阀(5)，组成虹吸螺旋盘管(3)的供冷与供热切换回路；供冷电动阀(1)与回冷电动阀(2)切换控制冷冻脱盐桶(6)的中部虹吸螺旋盘管(3)，组成载冷剂供冷通路；供热电动阀(4)与回热电动阀(5)切换控制冷冻脱盐桶(6)的中部虹吸螺旋盘管(3)，组成载冷剂供热通路；脱盐桶出口(6-3)通过管道连接分流三通、浓缩液电动阀(6-6)和淡水电动阀(6-7)，组成切换排放回路；冷冻脱盐桶(6)外壳为轴线垂直设置的圆形柱面，其上部内壁设置的液位开关(6-2)依据料液的液位信号闭环控制料液流量调节阀(7)的开度，组成冷冻脱盐桶料液液位控制回路；冷冻脱盐桶(6)的上部、中部、底部内壁设置温度开关(6-5)，以切换控制供冷电动阀(1)与回冷电动阀(2)，以及供热电动阀(4)与回热电动阀(5)的开关，组成冷冻脱盐桶的切换结冰与融冰回路。
2.按照权利要求1所述的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其特征在于：在冷冻脱盐桶(6)的圆柱壁面外侧，布置圆柱形能发射高频微波的电泳正极板(11)；在冷冻脱盐桶(6)的底部圆锥壁面外侧，布置圆锥形电泳正极板(11)；在冷冻脱盐桶(6)的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板(12)；上述能发射高频微波的电泳正极板(11)、电泳正极板(11)、电泳负极板(12)均在复合电源(13)内由交流电经过能量形式的转换而被驱动。
3.按照权利要求1所述的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其特征在于：在冷冻脱盐桶(6)的底部圆锥壁面外侧，布置圆锥形电泳正极板(11)；在冷冻脱盐桶(6)的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板(12)；上述电泳正极板(11)和电泳负极板(12)均由复合电源(13)驱动。
4.按照权利要求1所述的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其特征在于：在冷冻脱盐桶(6)的圆柱壁面和圆锥壁面外侧，分别布置圆柱形电泳正极板(11)和圆锥形电泳正极板(11)；在冷冻脱盐桶(6)的顶部圆形端盖外侧，布置圆形电泳负极板(12)；上述电泳正极板(11)和电泳负极板(12)均由复合电源(13)驱动。
5.按照权利要求1所述的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其特征在于：在虹吸螺旋盘管(3)的下部进口，布置1道或2道过滤网(14)。
6.按照权利要求1所述的冷电耦合驱动虹吸循环冷冻脱盐桶，其特征在于：料液(8)是海水，或是城市中水，或是城市污水，或是盐水，或是酸水，或是碱水，或是有机溶液，或是无机溶液，或是工业废水，或是矿井苦咸水，或是油田污水，或是化工污水中的一种。
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