CN109293119A - 一种淡化海水的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淡化海水的装置，包括中空的密闭箱体，箱体的空腔分隔成蒸发室、结晶室、冰晶分离室和淡水室；蒸发室内设置有毛细蒸发板，蒸汽腔通过蒸汽管与淡水室连通，海水腔连接有进水管。所述淡化海水的装置还包括依次连通的压缩泵、蒸发管、节流阀和冷凝管，蒸发管安装在毛细蒸发板内，节流阀安装在蒸发管和冷凝管之间，冷凝管安装在结晶室内。本发明将毛细蒸发装置与冷冻淡化装置进行巧妙结合，使得海水在结晶室释放出的热量在蒸发室中得到重新利用，将蒸发产生的蒸汽用作冰晶融化的热能；利用冷热耦合技术使得海水淡化装置高度集成，提高海水淡化的效率，具有良好的应用前景。

Description

一种淡化海水的装置

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种淡化海水的装置。

背景技术

尽管地球上的水储量极其丰富，但其中95％以上为海水，绝大部分的淡水又集中在南半极，因此能够被人直接利用的淡水资源非常少。随着人类社会的发展，人口的急剧增长，地球上的淡水资源越来越短缺，淡水资源成为制约各国经济与社会发展的重要因素。

海水淡化是一种将海水中盐和水进行分离，进而获取淡水的方法，可以提供稳定的淡水资源补充，已成为解决淡水短缺问题的重要途径。目前，海水淡化方法主要包括蒸馏法、反渗透和冷冻法，但这些方法在产业化过程中存在着一些问题：

1)蒸馏法中大型机组需要消耗巨大的热能，导致海水淡化的成本较高；2)反渗透需要消耗大量的电能，难以延伸到电力资源紧缺且缺水量较大的地区，应用范围受到限制；3)冷冻法的装置结构复杂，初期投资高，能耗大。

有鉴于此，海水淡化中突出的问题是如何协调能源紧缺与水资源短缺的双重问题，也是海水淡化产业发展的关键问题。在全球能源日益紧缺的情况下，寻求利用可再生清洁能源(例如太阳能)，进行高效经济制取淡水，已成为各国科研工作者关注的方向。由于太阳能热能密度低，太阳能海水淡化技术在晴好天气时产水量约为3-4L/m²，单位面积造水量低是当前太阳能海水淡化技术发展的瓶颈。

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：如何高效经济地淡化海水，降低淡水的生产成本。

为达到以上目的，本发明提供的一种淡化海水的装置，包括中空的密闭箱体，箱体内依次设置有第一隔板、第二隔板和第三隔板，将箱体的空腔分隔成蒸发室、结晶室、冰晶分离室和淡水室；蒸发室内设置有毛细蒸发板，毛细蒸发板将蒸发室分割为上下两个空腔，上空腔是蒸汽腔，下空腔是海水腔，蒸汽腔通过蒸汽管与淡水室连通，海水腔连接有进水管，海水腔内的海水在毛细力作用下流入毛细蒸发板中变成蒸汽进入蒸汽腔中；

所述第一隔板采用保温隔热材料制成，第一隔板底部开设有连通孔，将海水腔与结晶室的底部连通；第二隔板开设有连通口，将结晶室和冰晶分离室连通，冰晶分离室底部连接有排水管；第三隔板开设有连通口，将冰晶分离室和淡水室连通，淡水室下部连接有淡水管；

所述淡化海水的装置还包括依次连通的压缩泵、蒸发管、节流阀和冷凝管，形成循环回路，回路管道内填充有制冷工质，压缩泵设置在箱体外，压缩泵的进口与冷凝管连通，压缩泵的出口与蒸发管连通；蒸发管安装在毛细蒸发板内，节流阀安装在蒸发管和冷凝管之间，冷凝管安装在结晶室内。

在上述技术方案的基础上，所述淡化海水的装置还包括太阳能驱动装置，太阳能驱动装置的输出端与压缩泵的旋转轴传动连接。

在上述技术方案的基础上，所述太阳能驱动装置包括直流电动机和多个太阳能电池板，直流电动机的输出轴与压缩泵的旋转轴传动连接，太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，为直流电动机提供电能。

在上述技术方案的基础上，所述箱体设置在海平面上方9.0-9.8米的位置。

在上述技术方案的基础上，所述制冷工质在蒸发管内的设计温度为30-60℃，制冷工质在冷凝管内的设计温度为-10-0℃。

在上述技术方案的基础上，所述制冷工质为R22、R12或R134a。

在上述技术方案的基础上，所述蒸发管埋设在毛细蒸发板的上表层，蒸发管的直径为1.5-10mm。

在上述技术方案的基础上，所述淡化海水的装置还包括间壁式换热器，间壁式换热器分别与进水管和排水管连通。

在上述技术方案的基础上，所述毛细蒸发板采用亲水低导热系数的多孔陶瓷材料制成。

在上述技术方案的基础上，所述进水管设置有过滤装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)海水先在蒸发室内通过毛细蒸发板蒸发为水蒸气，未蒸发完的海水再流入结晶室进一步淡化分离，一方面使得蒸发室内海水的盐度始终较低，有效防止毛细蒸发板被堵塞；另一方面海水通过毛细蒸发板蒸发吸热，毛细蒸发板的热隔离作用使进入结晶室的海水处于较低温度，减少海水结晶所需要的冷能，进而提高海水淡化的效率；

2)将毛细蒸发装置与冷冻淡化装置进行巧妙结合，使得海水在结晶室释放出的热量在蒸发室中得到重新利用，并且蒸发产生的蒸汽用作冰晶融化的热能，达到能量重复利用的目的；利用冷热耦合技术使得海水淡化装置高度集成，海水从蒸发室到结晶室，海水的盐度升高、温度降低，显著提升淡化装置的产水率，具有良好的应用前景；

3)利用太阳能驱动装置将太阳能转化为机械能，为压缩泵提供动力，采用清洁能源作为淡化装置所需的能源，完全实现了能源上的自给自足，不仅有效解决能源紧缺与水资源短缺的冲突问题，而且不需要额外燃烧化石燃料可实现海水的淡水，不产生温室气，节能环保。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-压缩泵，2-蒸发室，3-结晶室，4-冰晶分离室，5-蒸汽管，6-淡水室，7-太阳能驱动装置，8-毛细蒸发板，9-蒸发管，10-进水管，11-节流阀，12-冷凝管，13-间壁式换热器，14-排水管，15-淡水管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

实施例1：参见图1所示，一种淡化海水的装置，包括中空的密闭箱体，箱体内依次设置有第一隔板、第二隔板和第三隔板，将箱体的空腔分隔成蒸发室2、结晶室3、冰晶分离室4和淡水室6。蒸发室2内设置有毛细蒸发板8，毛细蒸发板8将蒸发室2分割为上下两个空腔，上空腔是蒸汽腔，下空腔是海水腔。毛细蒸发板8是一种亲水性多孔介质，海水腔内的海水在毛细力作用下流入毛细蒸发板8中受热变成蒸汽进入蒸汽腔中。蒸汽腔通过蒸汽管5与淡水室6连通，海水腔连接有进水管10，用于向海水腔补充海水。

第一隔板采用保温隔热材料制成，第一隔板底部开设有连通孔，将海水腔与结晶室3的底部连通，便于海水腔的海水流入结晶室3内。

第二隔板开设有连通口，将结晶室3和冰晶分离室4连通，用于结晶室3内生成的冰晶和高浓度的盐水进入冰晶分离室4进行分离。冰晶分离室4底部连接有排水管14，用于将高浓度的盐水排出。

第三隔板开设有连通口，将冰晶分离室4和淡水室6连通，用于分离后的冰晶进入淡水室6内，与蒸发室2产生的蒸汽充分接触生成淡水(经过热交换后，冰晶融化成淡水，蒸汽冷凝成淡水)。淡水室6下部连接有淡水管15，用于输出淡水室6内的淡水。

所述淡化海水的装置还包括通过管道依次连通的压缩泵1、蒸发管9、节流阀11和冷凝管12，形成循环回路，回路管道内填充有制冷工质。压缩泵1设置在箱体外，压缩泵1的进口与冷凝管12连通，压缩泵1的出口与蒸发管9连通，用于将制冷工质由低温低压的气态压缩为高温高压的气态工质(机械能转换为内能)。

蒸发管9安装在毛细蒸发板8内，利用蒸发管9内高温的气态制冷工质将毛细蒸发板8内的海水加热变成蒸汽(气态工质放热冷凝成液态，海水吸热蒸发成蒸汽)，进入蒸汽腔中。节流阀11安装在蒸发管9和冷凝管12之间，用于将蒸发管9内高压的液态制冷工质降压后，进入冷凝管12中。冷凝管12安装在结晶室3内，制冷工质经过节流阀11降压后，在冷凝管12中由液态变成气态(低压闪蒸过程)，吸收结晶室3内海水的热量，生成的冰晶和高浓度的盐水，气态的制冷工质通过管道进入压缩泵1内进行循环。

本发明实施例中，先采用压缩泵1将低压气态的制冷工质压缩为高压气态工质，利用制冷工质由气态变为液态的相变放热，通过蒸发管9将毛细蒸发板8内的海水加热变成蒸汽，进入蒸汽腔中；再通过节流阀11将液态的制冷工质降压后，在冷凝管12中由液态变为气态的相变吸热，将结晶室3内的海水变成冰晶；最后将蒸发室2产生的蒸汽与结晶室3产生的冰晶混合，生成淡水。

海水先在蒸发室2内通过毛细蒸发板8蒸发为水蒸气，未蒸发完的海水(较高盐度的海水)再流入结晶室3进一步淡化分离，一方面使得蒸发室2内海水的盐度始终较低，有效防止蒸发板中毛细蒸发板8被堵塞；另一方面毛细蒸发板8起到热保温作用，使进入结晶室3的海水处于较低温度，减少海水结晶所需要的冷能，进而提高海水淡化的效率。

本发明巧妙地将毛细蒸发装置与冷冻淡化装置进行结合，使得海水在结晶室3释放出的热量在蒸发室2中得到重新利用，并且蒸发产生的蒸汽用作冰晶融化的热能，达到能量重复利用的目的；利用冷热耦合技术使得海水淡化装置高度集成，海水从蒸发室2到结晶室3，海水的盐度升高、温度仍较低，显著提升淡化装置的产水率，具有良好的应用前景。

实施例2：在实施例1的基础上，参见图1所示，所述淡化海水的装置还包括太阳能驱动装置7，太阳能驱动装置7的输出端与压缩泵1的旋转轴传动连接，将太阳能转化为机械能，为压缩泵1提供动力。

本发明实施例中，利用太阳能驱动装置7将太阳能转化为机械能，为压缩泵1提供动力，采用清洁能源作为淡化装置所需的能源，完全实现了能源上的自给自足，不需要额外燃烧化石燃料可实现海水的淡水，在不产生温室气、节能环保的同时，有效解决能源紧缺与水资源短缺的冲突问题，广泛适用于海岛居民、岛屿驻军、远洋船舶及海上钻井平台等获取淡水资源。

实施例3：在实施例2的基础上，所述太阳能驱动装置7包括直流电动机和多个太阳能电池板，直流电动机的输出轴与压缩泵1的旋转轴传动连接，太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，为直流电动机提供电能。

采用太阳能电池板将太阳能转化为电能的成熟技术，通过在海水淡化装置附近设置多个太阳能电池板，作为海水淡化装置的能源，突破了现有的太阳能海水淡化技术(直径利用太阳能淡化海水的技术)中单位面积造水量低的瓶颈。

实施例4：在实施例1的基础上，所述箱体设置在海平面之上9.0-9.8米的位置，利用大气压力使得蒸发室2、结晶室3、冰晶分离室4和淡水室6均为真空，显著降低海水在蒸发室2内蒸发为蒸汽的温度，实现海水的超低温淡化，提高海水淡化的效率，大大降低海水淡化的成本。

实施例5：在实施例1的基础上，所述制冷工质在蒸发管9内的设计温度为30-60℃，制冷工质在冷凝管12内的设计温度为-10-0℃。制冷工质在蒸发管9内的温度为30-60℃时，海水在蒸发室2内生成蒸气的效率最高，制冷工质在冷凝管12内的工作温度为-10-0℃时，海水在结晶室3内生成冰晶的效率最高，进而使得海水淡化的效率最高，并且有利于装置的长时间稳定运行。

实施例6：在实施例1的基础上，所述制冷工质为R22、R12或R134a。R22、R12和R134a均为商品化的制冷剂，原料易得、价格低，有利于降低海水淡化装置的成本。

实施例7：在实施例1的基础上，所述蒸发管9埋设在毛细蒸发板8的上表层，蒸发管9的直径为1.5-10mm。蒸发管9埋设在毛细蒸发板8的上表层，在毛细蒸发板8的上表层形成局部高温，不仅有利于毛细蒸发芯上部的海水快速蒸发，而且减少热量向海水腔传递，从而使海水腔中未蒸发的海水仍保持在低温状态，减少海水结晶所需要的冷能。

实施例8：在实施例1的基础上，所述淡化海水的装置还包括间壁式换热器13，间壁式换热器13分别与进水管10和排水管14连通，利用低温的高浓度盐水降低进水管10内海水的水温，回收高浓度盐水的冷能，进而减少海水结晶所需要的冷能。

实施例9：在实施例1的基础上，所述毛细蒸发板8采用亲水低导热系数的多孔陶瓷材料制成，优选为导热系数低于0.5W/(m·K)、孔径为1-100微米的多孔硅藻土，不仅能防止蒸汽腔的热量向海水腔传递，而且还耐海水腐蚀。

实施例10：在实施例1-9任一实施例的基础上，所述进水管10设置有过滤装置，用于过滤海水中的颗粒杂质和微生物，防止堵塞毛细蒸发板8的毛细蒸发芯。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。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 (10)

1.一种淡化海水的装置，包括中空的密闭箱体，其特征在于：箱体内依次设置有第一隔板、第二隔板和第三隔板，将箱体的空腔分隔成蒸发室(2)、结晶室(3)、冰晶分离室(4)和淡水室(6)；蒸发室(2)内设置有毛细蒸发板(8)，毛细蒸发板(8)将蒸发室(2)分割为上下两个空腔，上空腔是蒸汽腔，下空腔是海水腔，蒸汽腔通过蒸汽管(5)与淡水室(6)连通，海水腔连接有进水管(10)，海水腔内的海水在毛细力作用下流入毛细蒸发板(8)中变成蒸汽进入蒸汽腔中；

所述第一隔板采用保温隔热材料制成，第一隔板底部开设有连通孔，将海水腔与结晶室(3)的底部连通；第二隔板开设有连通口，将结晶室(3)和冰晶分离室(4)连通，冰晶分离室(4)底部连接有排水管(14)；第三隔板开设有连通口，将冰晶分离室(4)和淡水室(6)连通，淡水室(6)下部连接有淡水管(15)；

所述淡化海水的装置还包括依次连通的压缩泵(1)、蒸发管(9)、节流阀(11)和冷凝管(12)，形成循环回路，回路管道内填充有制冷工质，压缩泵(1)设置在箱体外，压缩泵(1)的进口与冷凝管(12)连通，压缩泵(1)的出口与蒸发管(9)连通；蒸发管(9)安装在毛细蒸发板(8)内，节流阀(11)安装在蒸发管(9)和冷凝管(12)之间，冷凝管(12)安装在结晶室(3)内。

2.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述淡化海水的装置还包括太阳能驱动装置(7)，太阳能驱动装置(7)的输出端与压缩泵(1)的旋转轴传动连接。

3.如权利要求2所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述太阳能驱动装置(7)包括直流电动机和多个太阳能电池板，直流电动机的输出轴与压缩泵(1)的旋转轴传动连接，太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，为直流电动机提供电能。

4.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述箱体设置在海平面上方9.0-9.8米的位置。

5.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述制冷工质在蒸发管(9)内的设计温度为30-60℃，制冷工质在冷凝管(12)内的设计温度为-10-0℃。

6.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述制冷工质为R22、R12或R134a。

7.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述蒸发管(9)埋设在毛细蒸发板(8)的上表层，蒸发管(9)的直径为1.5-10mm。

8.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述淡化海水的装置还包括间壁式换热器(13)，间壁式换热器(13)分别与进水管(10)和排水管(14)连通。

9.如权利要求1所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述毛细蒸发板(8)采用亲水低导热系数的多孔陶瓷材料制成。

10.如权利要求1-9任一项所述的一种淡化海水的装置，其特征在于：所述进水管(10)设置有过滤装置。