CN108483545A - 海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种海水淡化系统，包括：太阳能集热装置以及三级或更多多级海水淡化单元，太阳能集热装置利用聚光单元加热传热工质从而高温传热工质将换热腔内的淡水加热成高温水蒸汽。每级海水淡化单元包括海水腔室、与海水腔室隔离的水蒸汽腔室以及多个其开口端面向水蒸汽腔室并且中间部分穿过海水腔室的换热管，所述海水腔室具有海水入口、高温水蒸汽出口、浓盐水排出口、高温水蒸汽入口以及冷却水排出口，每一级海水腔室内的气压低于前一级海水腔室内的气压。
Description
技术领域
本公开涉及一种海水淡化系统，具体涉及一种多级海水淡化系统。
背景技术
远洋航行的大型轮船或舰船出海执行货运或巡航任务，轮船上需要准备足够充足的饮用水以及轮船运行所需的能源或燃料。但是，随着海水淡化技术的进步，轮船通常会装备海水淡化设备，以便充分就地取材(海水)来生产饮用水，以保证轮船上而人员获得充足的淡水用于饮用和其他用途，从而消除了携带淡水的体积占用轮船载重量缺陷。另外，远离大陆的一些岛屿由于没有淡水，也需要利用海水淡化类获取生活用水。
海水淡化处理技术主要包括反渗透法、多级闪蒸发、多效蒸馏法等，但是无论采用何种方式，在对海水淡化处理过程中往往需要消耗大量的能源，这对于远洋航行的轮船而言，就需要在保证任务执行的基础上，为了保证淡水供应，需要额外携带用于淡水处理的燃料。这样反而抵消了不用携带淡水带来的优势，因为，不携带淡水，也需要携带用于生产淡水的燃料，例如柴油等，这同样会占用轮船大量的载重量，而且，携带用于生产淡水的燃料也不能满足轮船船员的对淡水的无限量需求。而且，采用柴油作为海水淡化能源，建造成本大、设备占用体积大、维护成本高。尤其是，燃烧柴油来提供海水淡化动力本身造成污染，不符合绿色低碳的新经济前途。
因此，对于在大海上航行的远洋轮船或舰船来水，提供一种清洁的海水淡化能源和海水淡化设备，成为一种技术上的迫切需要。
发明内容
为了实现上述目的之一或全部，本公开提供了一种海水淡化系统，包括：太阳能集热装置，包括聚光单元、集热单元以及换热单元，聚光单元将外部光线汇聚到位于光汇集点处以加热流经该汇集点处的集热单元内的传热工质，所述传热工质将换热单元内的淡水加热成高温水蒸汽；第一海水淡化单元，包括第一海水腔室、与第一海水腔室隔离的第一水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第一水蒸汽腔室并且中间部分穿过第一海水腔室的第一换热管，所述第一海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第一海水入口和第一高温水蒸汽出口并且下部具有第一浓盐水排出口，并且所述第一水蒸汽腔室的上端具有与所述太阳能集热装置的换热单元内的高温水蒸汽出口连通的第一高温水蒸汽入口而下部具有第一冷却水排出口，其中所述第一海水腔室内的第一气压低于一个大气压；以及第二海水淡化单元，包括第二海水腔室、与第二海水腔室隔离的第二水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第二水蒸汽腔室并且中间部分穿过第二海水腔室的第二换热管，所述第二海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第二海水入口和第二高温水蒸汽出口并且下部具有第二浓盐水排出口，并且所述第二水蒸汽腔室的上端具有与第一高温水蒸汽出口连通的第二高温水蒸汽入口而下部具有第二冷却水排出口，其中所述第二海水腔室内的第二气压低于第一气压，其中流经所述多个第一换热管和多个第二换热管中高温水蒸汽分别与其对应的第一海水腔室和第二海水腔室内的海水进行热交换，以使得海水中的水分加热形成高温水蒸汽，第一水蒸汽腔室和第二水蒸汽腔室内的高温水蒸汽被冷却后形成的冷却水经由相应的第一冷却水排出口和第二冷却水排出口汇集到淡水收集箱。
根据本公开的海水淡化系统，其还包括第三海水淡化单元，包括第三海水腔室、与第三海水腔室隔离的第三水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第三水蒸汽腔室并且中间部分穿过第三海水腔室的第三换热管，所述第三海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第三海水入口和第三高温水蒸汽出口并且下部具有第三浓盐水排出口，并且所述第三水蒸汽腔室的上端具有与第二高温水蒸汽出口连通的第三高温水蒸汽入口而下部具有第三冷却水排出口，其中所述第三海水腔室内的第三气压低于第二气压。
根据本公开的海水淡化系统，其中所述第一气压为使得第一海水腔室中的海水的蒸发温度为60-70℃的气压值。
根据本公开的海水淡化系统，其中所述第二气压的气压值使得第二海水腔室中的海水的蒸发温度比第一海水腔室中的海水的蒸发温度低为3-5℃。
根据本公开的海水淡化系统，其中所述第三气压的气压值使得第三海水腔室中的海水的蒸发温度比第二海水腔室中的海水的蒸发温度低为3-5℃。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1所示为根据本公开的海水淡化系统原理结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一海水淡化单元也可以被称为第二海水淡化单元，类似地，第二海水淡化单元也可以被称为第一海水淡化单元。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
首先，集热单元中的聚光单元(未示出)将外部太阳光线汇聚到位于光汇集点处以加热流经该汇集点处的集热单元(未示出)内的传热工质。聚光单元，例如为碟式、槽式或塔式聚光单元，对太阳光进行汇聚。集热单元例如为集热管。集热单元可以采用包括集热芯管和套装在集热芯管上的玻璃套管构成的集热管。所述集热芯管内形成容纳传热工质容纳腔。所述传热工质对流使得套在集热单元内的换热腔内的淡水被加热成高温水蒸汽。为了储存多余的太阳能产生的热能，本申请可以利用本申请人的公告号“CN207379094U”的“太阳能储热罐”技术来储存多余太阳能作为热源。具体而言，太阳能储热罐，包括储热罐罐体；太阳能集热工质管路，穿过所述罐体底部；换热包，也就是汽包，布置在储热罐罐体的顶部；一个或多个热管，其下端插入太阳能集热工质管路内，上端穿过罐体的顶壁插入所述换热包内，其中间段埋植在储热罐中，储热罐中灌满储热工质，例如熔融盐。换热包包括工作介质的入口和出口。工作时，如果太阳光照射充足，从太阳能集热单元获取热量的高温集热工质流过穿过罐体底部的集热工质管路，因此高温集热工质流过其下端浸没在高温集热工质中的热管。一方面集热工质管路直接通过集热工质加热了其周围储热工质，另一方面集热工质加热了热管的下端，使热管的温度升高，从而使得热管内的工质产生热对流，将热量向上传递，该传递过程一方面加热了热管中间段周围的储热工质，另一方面高温热管上端将汽包中的水加热产生蒸汽用于发电或者将冷水加热成热水，形成高温蒸汽，用于海水淡化。用于海水淡化过程的水泵、产生蒸发低压的抽气泵的电力也可以来源于这种蒸汽发电产生的电力。当在阴天天气，太阳光照射不足或完全没有阳光照射时，集热工质管路中的集热工质温度不高，因此，热管将直接从高温的储热工质中吸收热量，将汽包中的水加加热产生蒸汽用于发电或者用于后面提到的海水淡化处理。因此，专利文献“CN207379094U”的“太阳能储热罐”整体通过引用方式被包含在本申请中。尽管在此处引用了该专利来提供太阳能产生的热能，但是也可采用其他方式来提供获取太阳能产生的热能来用于海水淡化。
图1所示的是用于本公开的海水淡化系统100原理结构示意图。如图1所示，水泵或水蒸汽泵105从太阳能集热装置的换热单元中抽取被加热成的高温水蒸汽进入第一海水淡化单元110。第一海水淡化单元110包括第一海水腔室111、包围第一海水腔室111的第一水蒸汽腔室112以及多个其开口端面向第一水蒸汽腔室112并且中间部分穿过第一海水腔室111的第一换热管113。
所述第一海水腔室111上部具有与海水泵115出口连通的第一海水入口114和第一高温水蒸汽出口116并且下部具有第一浓盐水排出口117，并且所述第一水蒸汽腔112室的上端具有与所述太阳能集热装置的换热单元内的高温水蒸汽出口连通的第一高温水蒸汽入口118而下部具有第一冷却水排出口119。
为了增强所述第一海水腔室111内海水中水分蒸发的强度，本公开采用抽吸方式降低并保持第一海水腔室111内的第一气压P1，该第一气压P1低于一个大气压。比较好的是，该第一气压P1将海水中水分蒸发的温度降低到第一汽化温度T1，例如60-70℃，例如60℃、65℃、70℃等等。
在实际海水淡化过程中，水泵或水蒸汽泵105从太阳能集热装置的换热单元中抽取被加热成的高温水蒸汽经由第一高温水蒸汽入口117进入第一海水淡化单元110的第一水蒸汽腔室112。进入第一水蒸汽腔室112的温度高于100℃的高温水蒸汽流经第一换热管113。同时，海水泵115将海水经由第一海水入口114泵送到内部压力为第一气压P1的第一海水腔室111内。被抽入的海水的入水管路可以是经过本公开的后面排除的高浓度盐水区域或者是经过被收集的淡水区域，因此被具有较高温度的高浓度盐水和/或具有较高温度的淡水的余热所预热过的。这样能够充分利用系统的余热从而加快进入第一海水腔室111内海水升温，并加快海水的汽化。进入第一海水腔室111内海水在喷淋下降的过程中，会喷淋到穿过第一海水腔室111的被其内的高温水蒸汽所加热到高温的第一换热管113上，从而与在第一换热管113中流动的高温水蒸汽通过热阻较低的管壁进行热交换，以便将第一换热管113外的海水的温度提高到在第一气压P1下的第一汽化温度T1，从而在第一海水腔室111产生水蒸汽。所产生的水蒸汽上升，经由第一高温水蒸汽出口116被排出到第二海水淡化单元210。而在第一换热管113中流动的高温水蒸汽在被管外的低温(温度比高温水蒸汽温度低)海水冷却后冷凝，在第一水蒸汽腔室112的下部形成冷凝水。冷凝水经由第一冷却水排出口119排出到第一水蒸汽腔室112外的淡水收集箱120中。
第二海水淡化单元210与第一海水淡化单元110具有相同的结构，为了区别两者，其相同构成元件的参考标记与第一海水淡化单元110的相同构成元件的参考标记仅仅在第一位数字不同，例如，第一位数字为“2”。如图1所示，第二海水淡化单元210包括第二海水腔室211、与第二海水腔室211隔离的第二水蒸汽腔室212以及多个其开口端面向第二水蒸汽腔室212并且中间部分穿过第二海水腔室211的第二换热管213。
同样，所述第二海水腔室211上部具有与海水泵115出口连通的第二海水入口214和第二高温水蒸汽出口216并且下部具有第二浓盐水排出口217，并且所述第二水蒸汽腔212室的上端具有与第一海水淡化单元110的第一高温水蒸汽出口116连通的第二高温水蒸汽入口218而下部具有第二冷却水排出口219。
为了增强所述第二海水腔室211内海水中水分蒸发的强度，本公开采用抽吸方式降低并保持第二海水腔室211内的第二气压P2，该第二气压P2低于第一气压P1。比较好的是，该第二气压P2将海水中水分蒸发的温度降低到第二汽化温度T2。该第二汽化温度T2通常比第一汽化温度T1低3-5℃，比较好的是低4℃。
在实际海水淡化过程中，从第一海水淡化单元110的第一高温水蒸汽出口116传送来的高温水蒸汽经由第二高温水蒸汽入口217进入第二海水淡化单元210的第二水蒸汽腔室212。进入第二水蒸汽腔室212的温度高于第二汽化温度T2的高温水蒸汽流经第二换热管213。同时，海水泵115将海水经由第二海水入口214泵送到内部压力为第二气压P2的第二海水腔室211内。被抽入的海水的入水管路可以是经过本公开的后面排除的高浓度盐水区域或者是经过被收集的淡水区域，因此被具有较高温度的高浓度盐水和/或具有较高温度的淡水的余热所预热过的。这样能够充分利用系统的余热从而加快进入第二海水腔室211内海水升温，并加快海水的汽化。进入第二海水腔室211内海水在喷淋下降的过程中，会喷淋到穿过第二海水腔室211的被其内的高温水蒸汽所加热到高温的第二换热管213上，从而与在第二换热管213中流动的高温水蒸汽通过热阻较低的管壁进行热交换，以便将第二换热管213外的海水的温度提高到在第二气压P2下的汽化温度T2，从而在第二海水腔室211产生水蒸汽。所产生的水蒸汽上升，经由第二高温水蒸汽出口216被排出到第三海水淡化单元310。而在第二换热管213中流动的高温水蒸汽在被管外的低温(温度比高温水蒸汽温度低)海水冷却后冷凝，在第二水蒸汽腔室212的下部形成冷凝水。冷凝水经由第二冷却水排出口219排出到第二水蒸汽腔室212外的淡水收集箱120中。
第三海水淡化单元310与第二海水淡化单元210具有相同的结构，为了区别两者，其相同构成元件的参考标记与第二海水淡化单元210的相同构成元件的参考标记仅仅在第二位数字不同，例如，第二位数字为“3”。如图1所示，第三海水淡化单元310包括第三海水腔室311、与第三海水腔室311隔离的第三水蒸汽腔室312以及多个其开口端面向第三水蒸汽腔室312并且中间部分穿过第三海水腔室311的第三换热管313。
同样，所述第三海水腔室311上部具有与海水泵115出口连通的第三海水入口314和第三高温水蒸汽出口316并且下部具有第三浓盐水排出口317，并且所述第三水蒸汽腔312室的上端具有与第二海水淡化单元210的第二高温水蒸汽出口116连通的第三高温水蒸汽入口318而下部具有第三冷却水排出口319。
为了增强所述第三海水腔室311内海水中水分蒸发的强度，本公开采用抽吸方式降低并保持第三海水腔室311内的第三气压P3，该第三气压P3低于第二气压P2。比较好的是，该第三气压P3将海水中水分蒸发的温度降低到第三汽化温度T3。该第三汽化温度T3通常比第二汽化温度T2低3-5℃，比较好的是低4℃。
在实际海水淡化过程中，从第二海水淡化单元210的第二高温水蒸汽出口116传送来的高温水蒸汽经由第三高温水蒸汽入口317进入第三海水淡化单元310的第三水蒸汽腔室312。进入第三水蒸汽腔室312的温度高于第三汽化温度T3的高温水蒸汽流经第三换热管313。同时，海水泵115将海水经由第三海水入口314泵送到内部压力为第三气压P3的第三海水腔室311内。被抽入的海水的入水管路可以是经过本公开的后面排除的高浓度盐水区域或者是经过被收集的淡水区域，因此被具有较高温度的高浓度盐水和/或具有较高温度的淡水的余热所预热过的。这样能够充分利用系统的余热从而加快进入第三海水腔室311内海水升温，并加快海水的汽化。进入第三海水腔室311内海水在喷淋下降的过程中，会喷淋到穿过第三海水腔室311的被其内的高温水蒸汽所加热到高温的第三换热管313上，从而与在第三换热管313中流动的高温水蒸汽通过热阻较低的管壁进行热交换，以便将第三换热管313外的海水的温度提高到在第三气压P3下的汽化温度T3，从而在第三海水腔室311产生水蒸汽。所产生的水蒸汽上升，经由第三高温水蒸汽出口316被排出到第四海水淡化单元410(未示出)。而在第三换热管313中流动的高温水蒸汽在被管外的低温(温度比高温水蒸汽温度低)海水冷却后冷凝，在第三水蒸汽腔室312的下部形成冷凝水。冷凝水经由第三冷却水排出口319排出到第三水蒸汽腔室312外的淡水收集箱120中。
此后，在第四、五、六、七等海水淡化单元将如第二和第三海水淡化单元一样，循环出现，从而实现多效多级的海水淡化过程。人们可以根据实际需要，选择不同级数的海水淡化系统，其中相邻两级之间的压力逐级下降，从而汽化温度也逐级下降。
通过根据本公开的上述一系列的海水淡化单元串联起来并被分成若干效组，用一定量的热能输入，通过多次蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的淡化技术。在本公开的效级间温差约4℃，30℃温差可安排6-7个效级，大大增加了太阳能源的利用效率。本公开近几年显示了三个效级，但是在实际使用中，通常采用6个效级，相邻效级间温差4℃-5℃，顶温70℃。本公开对太阳能进行直接利用，而不是通过转化成电能来进行加热海水，这减少了能源转换的次数，从而提高了能源的利用效率，也降低了所需设备的数量成本。因此，对于远洋轮船和小型无淡水资源的小岛而言，极大地提高了海水淡化设备性价比。
以上对本公开的具体实施方式的描述，仅仅为了帮助理解本公开的发明构思，这并不意味着本公开所有应用只能局限在这些特定的具体实施方式。本领域技术人员应当理解，以上所述的具体实施方式，只是多种优选实施方式中的一些示例。任何体现本公开权利要求的具体实施方式，均应在本公开权利要求所要求保护的范围之内。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本公开权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种海水淡化系统，包括：
太阳能集热装置，其利用聚光单元将外部光线汇聚到位于光汇集点处以加热流经该汇集点处的集热单元内的传热工质，所述传热工质将换热腔内的淡水加热成高温水蒸汽；
第一海水淡化单元，包括第一海水腔室、与第一海水腔室隔离的第一水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第一水蒸汽腔室并且中间部分穿过第一海水腔室的第一换热管，所述第一海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第一海水入口和第一高温水蒸汽出口并且下部具有第一浓盐水排出口，并且所述第一水蒸汽腔室的上端具有与所述太阳能集热装置的换热单元内的高温水蒸汽出口连通的第一高温水蒸汽入口而下部具有第一冷却水排出口，其中所述第一海水腔室内的第一气压低于一个大气压；以及
第二海水淡化单元，包括第二海水腔室、与第二海水腔室隔离的第二水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第二水蒸汽腔室并且中间部分穿过第二海水腔室的第二换热管，所述第二海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第二海水入口和第二高温水蒸汽出口并且下部具有第二浓盐水排出口，并且所述第二水蒸汽腔室的上端具有与第一高温水蒸汽出口连通的第二高温水蒸汽入口而下部具有第二冷却水排出口，其中所述第二海水腔室内的第二气压低于第一气压，
其中流经所述多个第一换热管和多个第二换热管中高温水蒸汽分别与其对应的第一海水腔室和第二海水腔室内的海水进行热交换，以使得海水中的水分加热形成高温水蒸汽，第一水蒸汽腔室和第二水蒸汽腔室内的高温水蒸汽被冷却后形成的冷却水经由相应的第一冷却水排出口和第二冷却水排出口汇集到淡水收集箱。
2.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其还包括第三海水淡化单元，包括第三海水腔室、与第三海水腔室隔离的第三水蒸汽腔室以及多个其开口端面向第三水蒸汽腔室并且中间部分穿过第三海水腔室的第三换热管，所述第三海水腔室上部具有与海水泵出口连通的第三海水入口和第三高温水蒸汽出口并且下部具有第三浓盐水排出口，并且所述第三水蒸汽腔室的上端具有与第二高温水蒸汽出口连通的第三高温水蒸汽入口而下部具有第三冷却水排出口，其中所述第三海水腔室内的第三气压低于第二气压。
3.根据权利要求1或2所述的海水淡化系统，其中所述第一气压为使得第一海水腔室中的海水的蒸发温度为60-70℃的气压值。
4.根据权利要求3所述的海水淡化系统，其中所述第二气压的气压值使得第二海水腔室中的海水的蒸发温度比第一海水腔室中的海水的蒸发温度低为3-5℃。
5.根据权利要求4所述的海水淡化系统，其中所述第三气压的气压值使得第三海水腔室中的海水的蒸发温度比第二海水腔室中的海水的蒸发温度低为3-5℃。
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