CN109942137A - 船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，包括：氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统及低温水辅助冷凝系统；所述氨水吸收式制冷系统利用发动机的烟气余热对冷媒介质进行制冷；所述膜蒸馏海水淡化系统利用发动机缸套水余热进行海水淡化，获得淡水；所述低温水辅助冷凝系统连接在氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统之间。本公开利用发动机低温缸套水余热加热膜蒸馏海水淡化系统中的料液，从而达到利用发动机排气和缸套水余热实现制取冰和冷水及海水淡化的目的，并通过增设冷媒端低温水辅助膜蒸馏冷凝循环系统提高膜蒸馏效率。

Description

船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统

技术领域

本公开涉及吸收式制冷及海水淡化技术领域，特别是涉及船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统。

背景技术

作为海洋经济的重要部分之一，远洋渔业具有重要的经济、资源和环境意义。随着近海渔业资源的日益减少，远洋渔业资源的开发利用越来越受到关注。而远洋渔业目前面临的两个主要问题是鱼类的保鲜以及淡水资源。目前中小型渔船中一般没有制冰设备，如果直接携带大量的冰其经济效益会下降且制冷效果不好。而淡水是人类生存和发展的基本物质，渔船出海打渔必须携带或储备一定量的淡水。由于远洋渔船是在海洋中打渔的，因此，可以考虑通过海水淡化即时制取淡水。

发明人在研究中发现，远洋渔船通常是以柴油机为动力的，发动机排气的温度范围是300-600℃。如果直接将发动机尾气排放到大气中，会造成大量高温余热的浪费和环境污染。发动机缸套水温度一般在80-120℃，其低温余热也可回收利用。

因此，如何利用发动机排气及发动机缸套水低温余热进行制冷及海水淡化时本公开所要解决的技术问题。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，利用发动机排气及发动机缸套水低温余热以达到满足渔船的制冷和淡水需求和实现渔船发动机余热回收利用的目的。

本说明书实施方式提供船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，通过以下技术方案实现：

包括：

氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统及低温水辅助冷凝系统；

所述氨水吸收式制冷系统利用发动机的烟气余热对冷媒介质进行制冷；

所述膜蒸馏海水淡化系统利用发动机缸套水余热进行海水淡化，获得淡水；

所述低温水辅助冷凝系统连接在氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统之间，膜蒸馏海水淡化系统中，海水吸收膜蒸馏水蒸气冷凝潜热后的温度低于某一设定温度时，所述低温水辅助冷凝系统利用氨水吸收式制冷系统中排出的低温水辅助膜蒸馏海水淡化系统进行水蒸气的冷凝。

本说明书实施方式提供船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统的方法，通过以下技术方案实现：

包括：

海水经过滤后分两路，分别用于氨水吸收式制冷及膜蒸馏海水淡化；

发动机的高温烟气余热加热氨水溶液，部分溶液蒸发，得到含氨量较高的蒸气，排出的氨蒸气被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，液氨进一步冷却，继续放出热量，然后液氨节流后吸收载冷剂的热量蒸发成为氨蒸气，载冷剂携带冷量进行制冷；

发动机的缸套水余热加热海水，采用膜蒸馏将海水气化，气化的水蒸气进行冷凝，形成液态水。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开利用高温烟气余热驱动氨水吸收式制冷系统，利用发动机低温缸套水余热加热膜蒸馏海水淡化系统中的料液，从而达到利用发动机排气和缸套水余热实现制取冰和冷水及海水淡化的目的，并通过增设冷媒端低温水辅助膜蒸馏冷凝循环系统提高膜蒸馏效率。另外，利用海水分别来吸收膜蒸馏过程中的冷凝潜热和氨水吸收式制冷过程中的冷却热，可提高膜蒸馏过程中的换热效率、减小换热器面积。该系统及以此为基础的改进系统可以应用于中小型远洋渔业的渔船。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统示意图；

其中，1为发动机，2为缸套水余热换热器，3为温度传感器，4为膜组件，5为精馏段，6为提馏段，7为发生器，8为节流阀b，9为吸收器，10为冷凝器，11为过冷器，12为节流阀a，13为蒸发器，14为阀门a，15为制冰机，16为阀门b，17为蓄冷槽，18为电磁阀b，19为溶液泵d，20为溶液泵b，21为低温水箱，22为阀门c，23为溶液泵a，24为溶液热交换器，25为海水泵，26为过滤器，27为膜蒸馏箱，28为液位传感器，29为净水桶，30为电磁阀a，31为冷凝管，32为辅助冷凝管，33为冷凝箱，34为真空泵，35为溶液泵c，36为料液桶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

目前热能驱动的制冷技术主要有吸收式制冷、喷射式制冷、吸附式制冷、热电制冷(半导体制冷)等。其中吸收式制冷由于具有制冷效率高、可靠性好等优点而得到广泛应用。在吸收式制冷中常用的工质对有溴化锂—水和氨—水两种，溴化锂吸收式制冷系统由于制冷温度较高，主要用于空调领域，而氨吸收式制冷系统具有较宽的制冷温度范围，同时可制得零度以下的冷量。在渔船上同时需要冰来储存鱼类以及低温介质来进行保鲜，因此，氨吸收式制冷系统可以满足渔船的冷量需求。

海水淡化技术主要包括蒸馏法、膜法、电渗析和冷冻法等。反渗透(RO)是膜法中应用最多的技术，但是其需要在高压条件下运行，需要消耗的能量多，对水质和膜材料等要求高，且需要定期清洗更换。作为一种利用热能驱动的海水淡化技术，膜蒸馏是采用疏水微孔膜为分隔介质，以膜两侧蒸汽压力差为传热传质驱动力的分离过程。膜蒸馏两侧需要的热源温度较低，无需加热至水的沸点，只要维持膜两侧适当的温差即可进行，可有效利用太阳能、地热等可再生能源和工业低温余热，并且具有截留率高，操作简单等特点。因此，可利用渔船柴油机的低温缸套水余热来驱动膜蒸馏系统淡化海水制取淡水。为了充分利用冷凝潜热以及避免温差极化，可采用膜蒸馏技术中的真空式膜蒸馏来进行海水淡化。

因此，为了梯级利用发动机排气和缸套水的余热，满足远洋渔船的制冷和淡水需求，可利用发动机的高温烟气和缸套水余热分别驱动氨吸收式制冷系统和真空膜蒸馏海水淡化系统，来制取渔船所需的冷量和淡水。

为了减少发动机排气和缸套水余热浪费，有效回收利用发动机排气和缸套水的余热，可以将渔船余热利用和制冷技术与海水淡化技术相结合，制出冷量和淡水，满足远洋渔船的制冷和淡水需求。

实施例子一

该实施例公开了船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，包括氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统及低温水辅助冷凝循环系统。

氨水吸收式制冷系统利用发动机的烟气余热进行制冷；

膜蒸馏海水淡化系统利用发动机缸套水余热进行海水淡化，获得淡水；

低温水辅助冷凝系统连接在氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统之间，海水吸收膜蒸馏水蒸气冷凝潜热后的温度低于某一设定温度时，所述低温水辅助冷凝系统利用氨水吸收式制冷系统中排出的低温水辅助膜蒸馏海水淡化系统进行水蒸气的冷凝。

发动机余热分为两部分利用，其烟气进入氨水吸收式制冷系统，发动机缸套水进入膜蒸馏海水淡化系统。

冷却水为海水，海水经过过滤器进行冷却，分为两条管路，第一条管路进入氨水吸收式制冷系统的冷却水入口，第二条管路进入膜蒸馏海水淡化系统。

在一实施例子中，参见附图1所示，氨水吸收式制冷系统包括精馏塔(分为发生器7、提馏段6、精馏段5)、节流阀b8、吸收器9、冷凝器10、过冷器11、节流阀a12、蒸发器13、阀门a14、制冰机15、阀门b16、蓄冷槽17、电磁阀b18、溶液泵d19、溶液泵b20、低温水箱21、阀门c22、溶液泵a23、溶液热交换器24。

发动机1的高温烟气余热驱动氨吸收式制冷系统。烟气加热精馏塔下部发生器7中的氨水溶液，部分溶液蒸发，产生的蒸气经过提馏段6，得到含氨量较高的蒸气。这股蒸气经过精馏段5氨的含量进一步增加。从精馏塔顶排出的氨蒸气进入冷凝器10中被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，液氨进入过冷器11中，继续放出热量，再经过节流阀a12后进入到蒸发器13中，液氨在蒸发器13内吸收载冷剂的热量蒸发成为氨蒸气，载冷剂携带冷量分别通过阀门a14、阀门b16、阀门c22进入制冰机15、蓄冷槽17和低温水箱21进行制冷。蒸发器13出口的氨蒸气经过过冷器11吸收热量后进一步蒸发，用于后续吸收器吸收。

从发生器7底部流出的稀溶液，进入溶液热交换器24释放热量后经过节流阀b8，然后进入吸收器9吸收过冷器11出口的氨蒸气，形成氨水浓溶液，吸收过程中释放的热量由冷却水带走。冷却水为海水，冷却水进入吸收器后吸收热量后再次进入冷凝器进一步吸收冷凝器释放的热量，之后通过溶液泵b泵入料液桶。生成的氨水浓溶液由溶液泵a23增压，经溶液热交换器24加热后温度升高，最后从精馏塔的进料口进入精馏段5，循环重复进行。

在一具体实施例中，膜蒸馏海水淡化系统包括冷凝箱33、真空泵34、液位传感器28、电磁阀a30、净水桶29、溶液泵c35、料液桶36、缸套水余热换热器2、膜蒸馏箱27、膜组件4、小孔、冷凝管31。

低温水辅助冷凝系统循环系统包括温度传感器3、辅助低温水的支路管路、辅助冷凝管32。低温水的支路管路包括低温水的支路供水管路及低温水的支路回水管路，辅助冷凝管的入口与低温水的支路供水管路连接，出口与低温水的支路回水管路连接。辅助低温水的支路管路上设置有电磁阀b18、溶液泵d19。

在该实施例中，海水泵25与过滤器26连接，过滤器分为两条管路，第一条管路进入氨水吸收式制冷系统的吸收器冷却水入口，第二条管路进入膜蒸馏海水淡化系统。低温水辅助冷凝系统分别与氨水吸收式制冷系统中的低温水箱21以及辅助冷凝管32相连。

所用冷却水次经过吸收器9和冷凝器10后，经过溶液泵b20进入膜蒸馏海水淡化系统中的料液桶36。

缸套水余热换热器2的壳程与发动机1相连接，管程与料液桶36以及膜组件4相连接。由于海水浓度较高，因此选择走管程，避免盐分堆积增加换热热阻，减小换热效率。

膜蒸馏箱27内部，发动机1的缸套水余热加热后热海水通过管道进入膜组件4中，膜组件4底部设有管道排出废料，此处海水经过膜蒸馏后除去水蒸气剩余的部分被排走，称为废料。

被加热后的海水进行膜蒸馏过程，由于真空泵的作用，高温海水在压力差的作用下在膜蒸馏箱中海水中的水成分被蒸发出来，经过膜组件时只允许水蒸气通过，因此水蒸气被分离出来。

膜蒸馏箱27底部设有小孔，水蒸气通过小孔进入冷凝箱33。冷凝箱33底部设有真空泵34、液位传感器28和净水桶29，冷凝下来的净水通过控制电磁阀a30进入净水桶29中。冷凝箱33中包括冷凝管31与辅助冷凝管32。冷凝管31中流过从过滤器26中进入的海水，经过溶液泵c35后进入料液桶36。

此处的海水为经过过滤器后进入冷凝管的海水，由于温度较低首先在冷凝管处冷凝水蒸气，并且自身吸热，然后与氨吸收式制冷系统的冷却水混合后进入料液桶，然后经过缸套水加热后进行膜蒸馏，产生的水蒸气最终进入冷凝箱通过冷凝成为净水。

低温水辅助冷凝循环系统的辅助低温水的支路管路的管道上有电磁阀b18，通过位于冷凝管31出口处的温度传感器3控制，辅助低温水供水管路与辅助冷凝管32相连，辅助低温水回水管路通过溶液泵d19连接低温水箱21。蒸发器13冷媒端设有制冰机15、蓄冷槽17和低温水箱21，分别通过阀门a14、阀门b16和阀门c22控制。

实施例子二

该实施例子公开了船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统的工作方法，包括：

海水经过滤后分两路，分别用于氨水吸收式制冷及膜蒸馏海水淡化；

发动机的高温烟气余热加热氨水溶液，部分溶液蒸发，得到含氨量较高的蒸气，排出的氨蒸气被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，液氨进一步冷却，继续放出热量，然后液氨节流后吸收载冷剂的热量蒸发成为氨蒸气，载冷剂携带冷量进行制冷；

发动机的缸套水余热加热海水，采用膜蒸馏将海水气化，气化的水蒸气进行冷凝，形成液态水。

在具体实施例子中，氨水吸收式制冷可采用实施例子一中的氨水吸收式制冷系统，膜蒸馏海水淡化可采用实施例子一中的膜蒸馏海水淡化系统。

具体的，海水经海水泵25打入过滤器26中，首先对海水进行过滤预处理，然后一路海水先进入氨吸收式制冷系统中的吸收器9中吸收热量，然后进入冷凝器10中吸收工质冷凝过程释放的热量，被预热后的海水通过溶液泵b20打入料液桶36中。另一路海水进入冷凝箱33中的冷凝管31，吸收水蒸气冷凝释放的热量，被预热后通过溶液泵c35与从氨吸收式制冷系统中出来的冷却水汇合进入到料液桶36。

从料液桶36出来的海水进入缸套水余热换热器2中被发动机1的缸套水余热加热，然后进入膜蒸馏箱27中的膜组件4中，由于真空膜蒸馏中真空泵34提供压差，气化的水蒸气通过膜组件4，并在真空泵34的作用下通过膜蒸馏箱27下方的小孔进入冷凝箱33，而析出水蒸气后剩余的料液从管道排出。进入冷凝箱33后的水蒸气被冷凝管31中的海水冷凝形成液态水，并聚集到冷凝箱33下部，冷凝箱33下部有液位传感器28，当水的高度到达设定高度后，电磁阀a30打开，液态水进入净水桶29中。冷凝管31出口部位有温度传感器3测量预热后的海水温度，当温度低于某一设定温度时，电磁阀b18打开，一部分低温水进入冷凝箱33中的辅助冷凝管32，辅助水蒸气的冷凝，吸收热量后的低温水通过溶液泵d19再次循环汇集到低温水管路中并再次进入低温水箱21。

在该实施例子中，海水使膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝为净水，同时海水温度升高，若海水温度在冷凝箱出口处温度低于某一设定温度说明吸收的热量较少，水蒸气冷凝过程效果不佳，因此需增设辅助低温水对水蒸气进行冷凝，使水蒸气可完全冷凝为净水。

本公开的具体实施例子通过利用发动机排气和缸套水余热同时制取冷量和淡水满足渔船的制冷和淡水需求。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，包括：

氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统及低温水辅助冷凝系统；

所述氨水吸收式制冷系统利用发动机的烟气余热对冷媒介质进行制冷；

所述膜蒸馏海水淡化系统利用发动机缸套水余热进行海水淡化，获得淡水；

所述低温水辅助冷凝系统连接在氨水吸收式制冷系统、膜蒸馏海水淡化系统之间，在膜蒸馏海水淡化系统中，海水吸收膜蒸馏水蒸气冷凝潜热后的温度低于某一设定温度时，所述低温水辅助冷凝系统利用氨水吸收式制冷系统中排出的低温水辅助膜蒸馏海水淡化系统进行水蒸气的冷凝。

2.如权利要求1所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述氨水吸收式制冷系统包括精馏塔、冷凝器、过冷器及蒸发器；

所述发动机的高温烟气传输至精馏塔，加热其中的氨水溶液成氨蒸气，所述氨蒸气进入冷凝器中被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，所述液氨进入过冷器，继续放出热量后进入到蒸发器，液氨在蒸发器内吸收载冷剂的热量蒸发成为氨蒸气，载冷剂携带冷量进行制冷。

3.如权利要求2所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述氨水吸收式制冷系统还包括吸收器，所述精馏塔底部流出的稀溶液，进入吸收器吸收过冷器出口的氨蒸气，形成氨水浓溶液，吸收过程中释放的热量由冷却水带走，所述吸收器冷却水出口与冷凝器冷却水入出口串联。

4.如权利要求3所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述发生器底部流出的稀溶液，进入溶液热交换器释放热量后经过节流阀，然后进入吸收器。

5.如权利要求1所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述氨水吸收式制冷系统蒸发器冷媒端设有制冰机、蓄冷槽和低温水箱，分别通过阀门a、阀门b和阀门c控制。

6.如权利要求3所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述吸收器生成的氨水浓溶液由溶液泵增压，经溶液热交换器加热后温度升高，最后进入精馏塔。

7.如权利要求3所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述膜蒸馏海水淡化系统包括冷凝箱、膜蒸馏箱及料液桶；

所述冷却水次经过吸收器和冷凝器后，经过溶液泵进入膜蒸馏海水淡化系统中的料液桶；

所述缸套水余热换热器分别连接至膜蒸馏箱及料液桶，膜蒸馏箱内设置有膜组件，热海水进入膜组件中，膜组件底部设有管道排出废料；

所述膜蒸馏箱底部设有小孔，水蒸气通过小孔进入冷凝箱，在冷凝箱中将水蒸气进行冷凝为淡水。

8.如权利要求7所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述冷凝箱底部设有真空泵、液位传感器和净水桶，冷凝下来的净水通过控制电磁阀进入净水桶中；

冷凝箱中包括冷凝管与辅助冷凝管，冷凝管中流过从过滤器中进入的海水，经过溶液泵后进入料液桶。

9.如权利要求1所述的船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统，其特征是，所述低温水辅助冷凝系统循环系统包括温度传感器、辅助低温水的支路管路及辅助冷凝管，所述温度传感器设置在冷凝管出口处；

所述低温水的支路管路包括低温水的支路供水管路及低温水的支路回水管路，辅助冷凝管的入口与低温水的支路供水管路连接，出口与低温水的支路回水管路连接；

所述辅助低温水的支路管路上设置有电磁阀、溶液泵。

10.船用余热驱动氨吸收式制冷耦合膜蒸馏海水淡化的联供系统的方法，其特征是，包括：

海水经过滤后分两路，分别用于氨水吸收式制冷及膜蒸馏海水淡化；

发动机的高温烟气余热加热氨水溶液，部分溶液蒸发，得到含氨量较高的蒸气，排出的氨蒸气被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，液氨进一步冷却，继续放出热量，然后液氨节流后吸收载冷剂的热量蒸发成为氨蒸气，载冷剂携带冷量进行制冷；

发动机的缸套水余热加热海水，采用膜蒸馏将海水气化，气化的水蒸气进行冷凝，形成液态水。