CN110294505A - 基于太阳能及lng冷能的冷冻海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水淡化领域，公开了一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其包括LNG管路、原料海水管路、预冷换热器、第一、第二冷凝换热器、蒸发汽冷凝室、真空冷冻室、太阳能集热器、太阳能蓄热装置、透平膨胀机，依次连接的结晶生长器、洗涤器以及融化器；LNG管路依次经过第一冷凝换热器、预冷换热器后与第二冷凝换热器连接；原料海水管路经过预冷换热器后通过第一支路与真空冷冻室连接，通过第二支路与结晶生长器连接，且真空冷冻室与结晶生长器连接，与蒸发汽冷凝室连通；真空冷冻室内设有海水蒸发槽，真空冷冻室外设有太阳能集热器和传热介质，太阳能蓄热装置与太阳能集热器连接。本发明提供的淡水质量好，能源利用率高。

Description

基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，特别是涉及一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统。

背景技术

天然气是我国能源战略的重要组成部分，随着我国沿海地区LNG(liquefiednatural gas，液化天然气)接收站的陆续建设和投入使用，我国LNG的贸易规模逐步扩大。而LNG在接收站被汽化后进入城市管网，大量的冷能被海水或空气带走，造成了巨大的冷能浪费，同时大量冷能的排放会对海洋形成冷污染，影响生态平衡。对LNG冷能的合理利用，成为当下研究的热点。

我国淡水资源紧张，被联合国列为13个最贫水国之一，尤其是东部沿海地区，淡水资源量与经济发展程度、人口密度严重不协调。由于LNG接收站常建设在沿海地区，而沿海地区的海水量充足，风能、太阳能丰富，合理利用这些有利资源实现海水淡化，不仅可以节能降耗、保护环境，还能解决沿海地区淡水匮乏的问题。

目前关于海水淡化的研究主要分为蒸馏法(热法)、膜法和冷冻法。蒸馏法相对比较传统，工艺简单，但能耗较高；膜法主要采用反渗透膜，反渗透海水淡化技术常采用太阳能作为能量输入，但是系统受太阳能辐射影响，稳定性和连续运行能力较差，且反渗透膜法海水预处理要求高，且膜性能会随时间而降低。

冷冻法主要依靠冷媒对海水直接冷冻来获取淡水，以其能耗低、腐蚀、结垢轻，预处理简单得到广泛关注。但现有冷冻法工艺单一，能源利用率低，急需要通过改进工艺技术，提高淡水质量和能源利用率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，以实现为沿海地区提供淡水供应，且提高能源利用率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其包括LNG管路、原料海水管路、第一冷凝换热器、预冷换热器、第二冷凝换热器、蒸发汽冷凝室、真空冷冻室、太阳能集热器、太阳能蓄热装置、透平膨胀机、结晶生长器、洗涤器以及融化器；

所述LNG管路依次经过所述第一冷凝换热器、预冷换热器后与所述第二冷凝换热器连接；

所述原料海水管路经过所述预冷换热器后通过第一支路与所述真空冷冻室连接，通过第二支路与所述结晶生长器连接，且所述真空冷冻室通过排冰管路与所述结晶生长器连接；

所述真空冷冻室内的上部设有海水蒸发槽，所述蒸发汽冷凝室与所述真空冷冻室的上部连通，所述真空冷冻室外的上部设有所述太阳能集热器，且所述真空冷冻室与太阳能集热器之间设有传热介质，所述太阳能蓄热装置与所述太阳能集热器连接；

所述结晶生长器依次与所述洗涤器、融化器连接，所述融化器的底部连接到淡水收集装置中，所述融化器内设有换热管，所述换热管与所述传热介质通过传热管路形成换热循环回路，所述换热循环回路上设有阀；

所述蒸发汽冷凝室内设有冷凝管，所述冷凝管、所述第一冷凝换热器、所述透平膨胀机通过冷却管路连接形成朗肯循环回路；

所述蒸发汽冷凝室的底部、所述第二冷凝换热器中的蒸汽管路均连接到所述淡水收集装置中；

所述洗涤器中的洗涤海水通过引入管路引入所述海水蒸发槽中，所述海水蒸发槽中的浓海水通过排出管路引出；

所述第一支路、第二支路上均设有阀。

其中，所述第二冷凝换热器中的蒸汽管路连接至所述真空冷冻室的上方侧壁，且在所述蒸汽管路的出口处设有抽气泵。

其中，所述透平膨胀机连接有储电装置，所述储电装置用于为所述抽气泵供电。

其中，所述朗肯循环回路上设有冷媒循环泵；所述换热循环回路还设有传热介质循环泵；所述引入管路上设有洗涤海水泵。

其中，所述真空冷冻室连接有压力控制器；所述太阳能集热器连接有温度控制器。

其中，所述蒸发汽冷凝室中位于所述冷凝管的下方设有导流板。

其中，所述海水蒸发槽包括槽体，所述槽体的中部下凹形成储水槽，所述储水槽的四周设有向外延伸的支撑盘，所述支撑盘的盘面间隔设有镂空孔；所述支撑盘的径向两侧设有安装槽，用于对应安装进水管和出水管。

其中，所述洗涤器的中部设有振动筛。

其中，所述结晶生长器与所述洗涤器的连接管路上设有冰浆泵；所述融化器通过淡水管路连接至所述淡水收集装置，所述淡水管路上设有淡水泵，经过所述淡水泵后的淡水管路通过淡水支路连接至所述洗涤器的上部。

其中，所述第二冷凝换热器的上侧设有天然气出口，所述天然气出口连接天然气管路，用于将汽化后的天然气导出；位于所述第二冷凝换热器下方的蒸汽管路连接不凝气体管路，且所述不凝气体管路上设有不凝气泵和阀。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，通过采用上述技术方案，具有如下优点：

1、综合利用沿海地区LNG冷能、太阳能、丰富的海水资源的优势，基于LNG冷能的朗肯循环，将系统内蒸发汽冷凝室内的水蒸汽冷凝，水蒸汽冷凝吸热形成低温低压的状态，抽吸真空冷冻室中的水蒸汽，使压力和温度向水的三相点移动，汽化过程和升华过程同时进行而生产淡水；

2、该系统综合利用了冷循环和热循环，利用LNG的冷能进行海水冷冻和循环转化来发电，并将得到的电能用于自身用电，提高能量利用率；利用太阳的热能对传热介质进行加热，循环至融化器用于提供融冰所需热量，同时蒸发真空冷冻室内的海水，平衡压力，节能降耗，系统运行后可自身满足所需能量。

3、在真空冷冻室上部采用海水蒸发槽结构，不仅起到冷冻室内隔断热辐射的作用，同时还利用浅盘式的蒸发槽使内部的洗涤海水优先吸收传热介质散发的热能而汽化，为蒸发汽冷凝室提供水蒸汽，保证真空冷冻室内压力和温度的平衡。

4、利用结晶生长时自动排出杂质的原理，海水在真空冷冻室中的低温低压下形成冰晶，冰晶作为核心，可以在结晶生长器中继续生长，结晶的生长可以提高盐分、杂质的排出率，增加淡水冰的质量，使洗涤后冰晶得到的淡水质量更好。

附图说明

图1为本发明一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统的原理图；

图2为图1中海水蒸发槽的俯视图；

图3为图2的剖视图；

图4为图2的使用示意图；

图中：1-第一阀门；2-第二阀门；3-第三阀门；4-第四阀门；5-第五阀门；6-第六阀门；7-第七阀门；8-第八阀门；9-不凝气泵；10-冷媒循环泵；11-传热介质循环泵；12-洗涤海水泵；13-冰浆泵；14-淡水泵；15-第一冷凝换热器；16-预冷换热器；17-透平膨胀机；18-蒸发汽冷凝室；19-真空冷冻室；20-抽气泵；21-结晶生长器；22-洗涤器；23-融化器；24-温度控制器；25-压力控制器；26-储电装置；27-太阳能集热器；28-太阳能蓄热装置；29-第二冷凝换热器；30-海水蒸发槽；300-储水槽；310-支撑盘；320-镂空孔；330-安装槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

为了表述的方便，规定下文中设于不凝气体管路上的阀为第一阀门，第一支路上的阀为第二阀门，设于第二支路上的阀为第三阀门，排冰管路上的阀为第四阀门，结晶生长器21与洗涤器22之间的管路上的阀为第五阀门，引入管路上的阀为第六阀门，换热循环回路上的阀为第七阀门，洗涤海水管上的阀为第八阀门。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其包括LNG管路、原料海水管路、第一冷凝换热器15、预冷换热器16、第二冷凝换热器29、蒸发汽冷凝室18、真空冷冻室19、太阳能集热器27、太阳能蓄热装置28、透平膨胀机17、结晶生长器21、洗涤器22以及融化器23；

所述LNG管路依次经过所述第一冷凝换热器15、预冷换热器16后与所述第二冷凝换热器29连接，进行逐级换热；

所述原料海水管路经过所述预冷换热器16后温度降低至0℃后形成冰水混合物，通过第一支路与所述真空冷冻室19连接，通过第二支路与所述结晶生长器21连接，第一支路上设有第二阀门2，第二支路上设有第三阀门3，且所述真空冷冻室19通过排冰管路与所述结晶生长器21连接，用于将真空冷冻室19内的冰晶排入结晶生长器21中继续生长，排冰管路上设有阀，为第四阀门4；具体地，在真空冷冻室19内形成的冰浆通过第四阀门4进入结晶生长器21，而经过预冷换热器16的低温海水通过第三阀门3进入结晶生长器21与冰浆一起缓慢搅拌，通过控制搅拌速度、过冷度和停留时间，使冰晶生长，增加冰晶的生长时间，可以使冰晶自身排出杂质和盐分的水平进一步提高，将生成大冰晶的冰浆通过第五阀门5和冰浆泵13输送至洗涤器22；

所述真空冷冻室19内的上部设有海水蒸发槽30，所述蒸发汽冷凝室18与所述真空冷冻室19的上部连通，所述真空冷冻室19外的上部设有所述太阳能集热器27，且所述真空冷冻室19与太阳能集热器27之间设有传热介质形成的传热区，太阳能集热器27吸收的太阳能用于加热传热介质，从而加热海水蒸发槽30中的海水，产生蒸汽，所述太阳能蓄热装置28与所述太阳能集热器27连接，用于收集太阳能集热器27产生的多余能量；

所述结晶生长器21依次与所述洗涤器22、融化器23连接，所述融化器23的底部连接到淡水收集装置中，所述融化器23内设有换热管，所述换热管与所述传热介质通过传热管路形成换热循环回路，所述换热循环回路上设有阀，传热介质通过传热介质循环泵11和第七阀门7泵出，进入融化器23内的换热管为冰融化提供热量，传热介质被冰冷却后，重新进入真空冷冻室19的传热区吸收太阳能并对水蒸汽传热，形成一个密闭的循环；融化器23中，大冰晶吸收传热介质的热量后升温融化成淡水，淡水输出后与蒸发汽冷凝室18和第二冷凝换热器29中的淡水汇合后输出。

所述蒸发汽冷凝室18内设有冷凝管，为了增大接触面积，冷凝管设置为呈蛇形延伸的冷凝管，冷凝管内走冷媒，对蒸发汽冷凝室18和真空冷冻室19内的水蒸汽进行冷凝，冷凝后收集淡水，由于水蒸汽在蒸发汽冷凝室18冷凝后，使得体系内的压力降低形成负压，预冷后的海水在三相点时发生汽化，形成的水蒸汽继续在蒸发汽冷凝室18内冷凝，由于蒸发吸热且预冷的海水处于0℃，表面海水持续冷冻形成冰晶。冷媒经过冷媒循环泵10被加压泵入蒸发汽冷凝室18上部的冷凝管与水蒸汽进行换热，冷媒吸收水蒸汽的热量后汽化，进入透平膨胀机17进行做功，产生电能，然后进入第一冷凝换热器15重新冷凝形成液态用于循环，所述冷凝管、所述第一冷凝换热器15、所述透平膨胀机17通过冷却管路连接形成朗肯循环回路；

朗肯循环是指以水蒸汽作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀、以及一个等压冷凝过程，用于蒸汽装置动力循环。

所述蒸发汽冷凝室18的底部、所述第二冷凝换热器29中的蒸汽管路均连接到所述淡水收集装置中；

所述洗涤器22中的洗涤海水通过引入管路引入所述海水蒸发槽30中，所述海水蒸发槽30中的浓海水通过排出管路引出。

具体地，所述第二冷凝换热器29中的蒸汽管路连接至所述真空冷冻室19的上方侧壁，且在所述蒸汽管路的出口处设有抽气泵20，用于保证真空冷冻室19内的压力维持在所需的范围。

其中，所述透平膨胀机17连接有储电装置26，在朗肯循环回路中，透平膨胀机17压缩气体做功产生的电能通过储电装置26将电能储存，所述储电装置26用于为所述抽气泵20工作时供电。

本发明的实施例中，所述朗肯循环回路上设有冷媒循环泵10；所述换热循环回路还设有传热介质循环泵11；所述引入管路上设有洗涤海水泵12和第六阀门6，各泵均用于为所在管路提供动力。

其中，所述真空冷冻室19连接有压力控制器25，真空冷冻室19内的压力由压力控制器25进行控制，当系统压力过高时，开启抽气泵20降低压力，抽出的水蒸汽在第二冷凝换热器29内与LNG冷能换热冷凝，变为淡水排出；所述太阳能集热器27连接有温度控制器24，太阳能集热器27收集太阳能后将热量传递给传热介质，传热介质被加热到一定温度后用于在真空冷冻室19顶部的传热区对海水蒸发槽30内的海水进行汽化，传热介质温度通过温度控制器24控制不宜过高，当温度过高时，开启太阳能蓄热装置28，将热能储存，用于夜间或阴天时补充热能。

其中，所述蒸发汽冷凝室18中位于所述冷凝管的下方设有导流板，用于水蒸汽冷凝后导流。

如图2-4所示，所述海水蒸发槽30包括槽体，所述槽体的中部下凹形成储水槽300，所述储水槽300的四周设有向外延伸的支撑盘310，所述支撑盘310的盘面间隔设有镂空孔320，使气体可以进入下部的空间以及蒸发汽冷凝室18中；所述支撑盘310的径向两侧设有安装槽330，用于对应安装进水管和出水管，使原料海水进入储水槽300，并将多余的浓海水从储水槽300排出。

为了向海水蒸发槽30提供海水，洗涤器22下部的洗涤海水通过洗涤海水泵12通过洗涤海水管被输送至真空冷冻室19上部的海水蒸发槽30内，洗涤海水管上还设有第八阀门8，在海水蒸发槽30内通过汽化后，浓海水被排出，可以用于制盐或其他用途。

其中，所述结晶生长器21与所述洗涤器22的连接管路上设有冰浆泵13，用于为冰晶导入洗涤器22提供驱动力；所述融化器23通过淡水管路连接至所述淡水收集装置，所述淡水管路上设有淡水泵14，经过所述淡水泵14后的淡水管路通过淡水支路连接至所述洗涤器22的上部。其中，所述洗涤器22的中部设有振动筛，冰浆落入振动筛上，由顶端喷淋的淡水进行洗涤、振动，将杂质和盐分洗涤掉，洗涤后的冰晶由振动筛筛入相通的融化器23中，振动筛最上面的冰晶经过淡水洗涤后，被导入到融化器23中进行融化，形成淡水，淡水质量好，可以供给用户使用。

其中，所述第二冷凝换热器29的上侧设有天然气出口，所述天然气出口连接天然气管路，用于将气化后的天然气(NG)导出，可以接入天然气管网，为用户提供天然气使用；位于所述第二冷凝换热器29下方的蒸汽管路连接不凝气体管路，且所述不凝气体管路上设有不凝气泵9和阀，随着运行时间的延长，蒸发汽冷凝室18内的不凝气如氧气等会聚集，因此系统压力会增加，通过压力控制器25的调节，开启抽气泵20将室内气体抽出，经过第二冷凝换热器29将水蒸汽冷凝，而不凝气通过第一阀门1和不凝气泵9排出，降低系统压力。

本发明的实施例中，LNG的冷能先用于在第一冷凝换热器15中对冷媒的冷凝，消耗大部分的高品位冷能，然后进入预冷换热器16中对原料海水进行预冷，由于海水的换热温差较小，所需LNG的冷能只利用其-20℃～-50℃之间的冷能即可，最后LNG进入第二冷凝换热器29对抽气泵20抽出的气体进行冷凝；通过逐级利用LNG的各品位冷能，可以实现LNG冷能的充分回收利用，提高利用效率。

由于低温海水蒸发速度较慢，由太阳能集热器27提供热量传热给传热介质，并由传热介质汽化海水蒸发槽30中的海水，将海水进一步汽化，产生蒸汽供朗肯循环中的冷媒进行换热。传热介质可以保证温度不会过高，由于冷媒的换热作用要消耗大量的蒸汽，而且海水蒸发吸热会降低室内的压力和温度，使海水在传热介质的稍高温度和稍低压力下不断汽化。多余的太阳能在太阳能蓄热装置28中储存，用于在夜间或无充足太阳能的状态下，保证系统持续运行。太阳能蓄热装置28主要采用蓄热相变材料来储能，蓄热材料具有热容大、相变热大的特点，如石蜡、有机相变材料等。

由以上实施例可以看出，本发明综合利用了沿海地区LNG冷能、太阳能、丰富的海水资源的优势，基于LNG冷能的朗肯循环，将系统内蒸发汽冷凝室内的水蒸汽冷凝，水蒸汽冷凝吸热形成低温低压的状态，抽吸真空冷冻室中的水蒸汽，使压力和温度向水的三相点移动，汽化过程和升华过程同时进行而生产淡水；

利用朗肯循环系统内冷热能量的转化来进行发电，并将得到的电能用于自身用电，节能降耗，提高能量利用率；

利用传热介质加载太阳能的热量，用于对融化器提供热量，太阳能不仅起到调节压力的作用，还能辅助生产淡水，起到了综合利用自然资源，降低能耗的作用；

利用结晶生长时自动排出杂质的原理，在结晶生长器中的低温低压下形成冰晶，冰晶作为核心，可以在结晶生长器中继续生长，结晶的生长可以提高盐分、杂质的排出率，增加淡水冰的质量，使洗涤后冰晶得到的淡水质量更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，包括LNG管路、原料海水管路、第一冷凝换热器、预冷换热器、第二冷凝换热器、蒸发汽冷凝室、真空冷冻室、太阳能集热器、太阳能蓄热装置、透平膨胀机、结晶生长器、洗涤器以及融化器；

所述LNG管路依次经过所述第一冷凝换热器、预冷换热器后与所述第二冷凝换热器连接；

所述原料海水管路经过所述预冷换热器后通过第一支路与所述真空冷冻室连接，通过第二支路与所述结晶生长器连接，且所述真空冷冻室通过排冰管路与所述结晶生长器连接；

所述真空冷冻室内的上部设有海水蒸发槽，所述蒸发汽冷凝室与所述真空冷冻室的上部连通，所述真空冷冻室外的上部设有所述太阳能集热器，且所述真空冷冻室与太阳能集热器之间设有传热介质，所述太阳能蓄热装置与所述太阳能集热器连接；

所述结晶生长器依次与所述洗涤器、融化器连接，所述融化器的底部连接到淡水收集装置中，所述融化器内设有换热管，所述换热管与所述传热介质通过传热管路形成换热循环回路，所述换热循环回路上设有阀；

所述蒸发汽冷凝室内设有冷凝管，所述冷凝管、所述第一冷凝换热器、所述透平膨胀机通过冷却管路连接形成朗肯循环回路；

所述蒸发汽冷凝室的底部、所述第二冷凝换热器中的蒸汽管路均连接到所述淡水收集装置中；

所述洗涤器中的洗涤海水通过引入管路引入所述海水蒸发槽中，所述海水蒸发槽中的浓海水通过排出管路引出；

所述第一支路、第二支路上均设有阀。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述第二冷凝换热器中的蒸汽管路连接至所述真空冷冻室的上方侧壁，且在所述蒸汽管路的出口处设有抽气泵。

3.根据权利要求2所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述透平膨胀机连接有储电装置，所述储电装置用于为所述抽气泵供电。

4.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述朗肯循环回路上设有冷媒循环泵；所述换热循环回路还设有传热介质循环泵；所述引入管路上设有洗涤海水泵。

5.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述真空冷冻室连接有压力控制器；所述太阳能集热器连接有温度控制器。

6.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述蒸发汽冷凝室中位于所述冷凝管的下方设有导流板。

7.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述海水蒸发槽包括槽体，所述槽体的中部下凹形成储水槽，所述储水槽的四周设有向外延伸的支撑盘，所述支撑盘的盘面间隔设有镂空孔；所述支撑盘的径向两侧设有安装槽，用于对应安装进水管和出水管。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述洗涤器的中部设有振动筛。

9.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述结晶生长器与所述洗涤器的连接管路上设有冰浆泵；所述融化器通过淡水管路连接至所述淡水收集装置，所述淡水管路上设有淡水泵，经过所述淡水泵后的淡水管路通过淡水支路连接至所述洗涤器的上部。

10.根据权利要求1所述的基于太阳能及LNG冷能的冷冻海水淡化系统，其特征在于，所述第二冷凝换热器的上侧设有天然气出口，所述天然气出口连接天然气管路，用于将汽化后的天然气导出；位于所述第二冷凝换热器下方的蒸汽管路连接不凝气体管路，且所述不凝气体管路上设有不凝气泵和阀。