CN111453798A - 一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，主要由多级蒸发器和压缩机构成，蒸发器包括进口端板及进口端板，以及在进口端板与出口端板之间由正向波纹板片、海水侧密封圈、反向波纹板片及蒸汽侧密封圈依次相邻排列构成的多个换热板片，该海水蒸馏淡化系统的应用是将降膜蒸发板片和密封圈联合组装成高效紧凑的多效板式蒸馏海水淡化系统。本发明实现了一体式可拆卸板式降膜蒸馏淡化，汽化潜热的多效梯级利用，并使装置紧凑高效，运维便捷，对于提高海水淡化技术水平和装备能力具有重要意义。

Description

一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，随着经济的发展和人口的增加以及水污染日益严重，较多国家和地区出现不同程度的缺水问题。随着工业化进程的推进，全球面临着越来越严重的淡水危机。海水淡化作为一种开源增量的技术，是解决淡水资源危机的重要途径之一。

多效蒸馏海水淡化技术具有造水效率高、动力能耗低、产水品质好、操作弹性大、适应海水能力强、设备运行稳定可靠等优势，在海水淡化和水处理技术领域应用广泛，逐渐成为主流技术之一。目前多效蒸馏淡化技术主要采用管式降膜蒸发设备，该设备普遍存在系统装填密度低，占地面积大，集约化程度不高，运维操作不便等问题，已不能满足经济快速发展的需求，因此急需高效、紧凑、便捷的设备形式替代。

经公开专利检索，发现以下对比文件：

一种稳流蒸发器及其海水淡化系统(CN109231320B)公开了一种稳流蒸发器，蒸发器包括进口集管、出口集管以及连接在集管之间的换热部件，进口集管和出口集管分别连接蒸汽入口管和冷凝水出口管，进口集管的蒸汽入口管内设置稳流装置，稳流装置是片状结构，片状结构在蒸汽入口管的横截面上设置；稳流装置为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔和正八边形通孔。该发明采用新式结构的稳流装置，就是将环路热管中的稳流装置进行了领域转移，将其应用于环路热管蒸发端的入口管，因此减少汽水混合物进入进口集管的时候会产生空间扩大导致的水锤现象。

经分析，本发明与上述专利虽处于同一技术领域，但具体技术方案及技术效果均不相同，因此可判定本发明存在新颖性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，该海水淡化系统有效结局了现有技术中管式降膜蒸发设备的填密度低，占地面积大，集约化程度不高及运维操作不便等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，包括压缩机及依次连通并多级设置的蒸发器，其中压缩机的进汽端连通最末级蒸发器的蒸汽出口，压缩机的出汽端连通第一级蒸发器的加热蒸汽进口；蒸发器包括密封堆叠的多个换热板片，且蒸发器的进口端固接有进口端板，出口端固接有出口端板；换热板片将蒸发器内部分割为由上至下依次设置的加热蒸汽孔道、波纹滤膜及浓海水/二次蒸汽孔道，其中波纹滤膜与加热蒸汽孔道、波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道交替连通，且换热板片内均间隔排列设置淡水/不凝气孔道及海水孔道；进口端板上制出有加热蒸汽进口、海水进口、淡水/不凝气进口及浓海水进口，出口端板上制出有淡水/不凝气出口、蒸汽出口及浓海水出口；淡水/不凝气孔道的进口端连通加热蒸汽进口，淡水/不凝气孔道的出口端连通蒸汽出口及淡水/不凝气出口；海水孔道的进口端连通海水进口，海水孔道的出口端连通浓海水出口；淡水/不凝气进口连通上一级蒸发器的淡水/不凝气出口，浓海水进口连通上一级蒸发器的浓海水出口。

而且，换热板片包括依次排列并密封堆叠的正向波纹板片、海水侧密封圈、反向波纹板片及蒸汽侧密封圈。

而且，正向波纹板片及反向波纹板片的上部均制有贯通的加热蒸汽孔道，中部均密封固接有波纹方向互为反向的波纹滤膜，底部均制有贯通的浓海水/二次蒸汽孔道；波纹滤膜的上部制有贯通的海水孔道，波纹板的下部制有贯通的淡水/不凝气孔道。

而且，海水侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道，且海水侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道；蒸汽侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道与波纹滤膜，且蒸汽侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的浓海水/二次蒸汽孔道。

而且，海水侧密封圈的下部制有密封连通淡水/不凝气孔道的淡水/不凝气孔道密封圈。

而且，蒸汽侧密封圈的上部制有密封连通海水孔道的海水孔道密封圈。

而且，出口端板及进口端板的侧壁上均制有多个拉杆定位孔，其中第一级蒸发器进口端板上的淡水/不凝气进口及浓海水进口封堵。

本发明的优点和技术效果是：

(1)本发明利用具有特定功能结构设计的板片作为蒸馏淡化装置的换热元件，将传统蒸馏淡化过程的加热、布液、蒸发、闪蒸、分离高度集成于换热板片(正向波纹板片及反向波纹板片)内部，使装置结构更加高效紧凑，设备装填密度更高，在同等产水能力条件下较传统管壳式蒸馏淡化装置占地空间减少40％以上。

(2)本发明利用板片间密封圈(海水侧密封圈及蒸汽侧密封圈)结构设计的变化及与板片的配合，实现板间蒸汽加热冷凝和海水降膜蒸发同步进行的双侧相变传热，并且省去传统蒸馏淡化装置的外壳，显著提高了传热效率，减少了材料用量，降低了装置制造成本。

(3)本发明浓海水/二次蒸汽孔道具有汽液分离功能，分离出的二次蒸汽可在效间传递，前效蒸发器产生的二次蒸汽作为后效蒸发器的加热蒸汽，实现蒸汽汽化潜的重复利用，提高了装置运行的经济性。

(4)本发明将蒸汽压缩再热循环引入多级蒸馏淡化过程，在只需电力供应的条件下，将末级蒸发器产生的蒸汽由压缩机升温升压，提升品质后作为第一级蒸发器的加热热源，这样，整体海水蒸馏淡化系统不再需要外供加热蒸汽和冷却水，系统简洁，热经济性高。

(5)本发明具有内部闪蒸热回收功能，前效浓水和淡水在效间压力差的作用自流至后效对应孔道并发生闪蒸放热，自身降低温度后再输出，闪蒸放热热量被回收利用。

(6)本发明采用一体式可拆卸板式降膜蒸发结构，没有壳体，运维简单，拆装方便，板片的增加、减少和更换十分灵活，便于调节蒸发器传热面积和产水负荷，在污堵和结垢情况下，易于实现人工物理清洗，提高了装置运行稳定和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的系统连接结构示意图；

图2、图3为本发明的立体结构示意图；

图4、图5为本发明的进口端板及出口端板结构示意图；

图6、图7为本发明的正向波纹板片及反向波纹板片结构示意图；

图8、图9为本发明的海水侧密封圈及蒸汽侧密封圈结构示意图；

图中：1、一级蒸发器；2、二级蒸发器；3、压缩机；4、加热蒸汽进口；5、海水进口；6、淡水/不凝气出口；7、蒸汽出口；8、浓海水出口；9、淡水/不凝气进口；10、浓海水进口；11、进口端板；12、正向波纹板片；13、反向波纹板片；14、海水侧密封圈；15、蒸汽侧密封圈；16、出口端板；17、拉杆定位孔；18、海水孔道密封圈；19、淡水/不凝气孔道密封圈；20、加热蒸汽孔道；21、海水孔道；22、淡水/不凝气孔道；23、浓海水/二次蒸汽孔道；24、蒸汽通道(图1中流向虚线)；25、海水通道(图1中流向实线)；26、波纹滤膜。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，包括压缩机3及依次连通并多级设置的蒸发器，其中压缩机的进汽端连通最末级蒸发器的蒸汽出口7，压缩机的出汽端连通第一级蒸发器的加热蒸汽进口4；蒸发器包括密封堆叠的多个换热板片，且蒸发器的进口端固接有进口端板11，出口端固接有出口端板16；换热板片将蒸发器内部分割为由上至下依次设置的加热蒸汽孔道20、波纹滤膜及浓海水/二次蒸汽孔道23，其中波纹滤膜与加热蒸汽孔道、波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道交替连通，且换热板片内均间隔排列设置淡水/不凝气孔道22及海水孔道21；进口端板上制出有加热蒸汽进口、海水进口5、淡水/不凝气进口9及浓海水进口10，出口端板上制出有淡水/不凝气出口6、蒸汽出口及浓海水出口8；淡水/不凝气孔道的进口端连通加热蒸汽进口，淡水/不凝气孔道的出口端连通蒸汽出口及淡水/不凝气出口；海水孔道的进口端连通海水进口，海水孔道的出口端连通浓海水出口；淡水/不凝气进口连通上一级蒸发器的淡水/不凝气出口，浓海水进口连通上一级蒸发器的浓海水出口。

而且，换热板片包括依次排列并密封堆叠的正向波纹板片12、海水侧密封圈14、反向波纹板片13及蒸汽侧密封圈15。

而且，正向波纹板片及反向波纹板片的上部均制有贯通的加热蒸汽孔道，中部均密封固接有波纹方向互为反向的波纹滤膜，底部均制有贯通的浓海水/二次蒸汽孔道；波纹滤膜的上部制有贯通的海水孔道，波纹板的下部制有贯通的淡水/不凝气孔道。

而且，海水侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道，且海水侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道；蒸汽侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道与波纹滤膜，且蒸汽侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的浓海水/二次蒸汽孔道。

而且，海水侧密封圈的下部制有密封连通淡水/不凝气孔道的淡水/不凝气孔道密封圈19。

而且，蒸汽侧密封圈的上部制有密封连通海水孔道的海水孔道密封圈18。

而且，出口端板及进口端板的侧壁上均制有多个拉杆定位孔17，其中第一级蒸发器进口端板上的淡水/不凝气进口及浓海水进口封堵。

另外，本发明优选的，多级设置的蒸发器包括一级蒸发器1及二级蒸发器2，其中一级蒸发器上的淡水/不凝气进口及浓海水进口封堵，一级蒸发器的蒸汽出口连通二级蒸发器的加热蒸汽进口，一级蒸发器的淡水/不凝气出口连通二级蒸发器的淡水/不凝气进口，一级蒸发器的浓海水出口连通二级蒸发器的浓海水进口；并且一级蒸发器的加热蒸汽进口连通压缩机的排汽端，二级蒸发器的蒸汽出口连通压缩机的进汽端。

另外，本发明优选的，系统初始启动时，需要借助现有技术中的外供热源加热，当运行稳定后，即可启用压缩机，并不再需要外供热源。上述海水蒸馏淡化系统的运行方法是基于启用压缩机后的运行描述。

另外，本发明优选的，海水通道通过其两端的海水进口及浓海水出口还连通有现有技术中的外部真空泵，该外部真空泵为海水通道提供负压，当海水预热达到负压对应的饱和温度时进行降膜蒸发，产生的二次蒸汽和浓海水在浓海水/二次蒸汽孔道进行汽液分离，二次蒸汽从蒸汽出口排出，浓海水从浓海水出口排出。

为更清楚的说明本发明的具体使用方式，下面提供一种实例：

如图1～图3所示，包括一级蒸发器1、二级蒸发器2和压缩机3；一级蒸发器与二级蒸发器结构相同；一级蒸发器的淡水/不凝气出口6、蒸汽出口7、浓海水出口8通过管路分别与二级蒸发器的淡水/不凝气进口9、加热蒸汽进口4和浓海水进口10连接；二级蒸发器蒸汽出口7通过管路与压缩机蒸汽进口连接，压缩机蒸汽出口通过管路与一级蒸发器加热蒸汽进口4连接；一级蒸发器的淡水/不凝气进-9和浓海水进口10封堵。

如图1～图5所示，一级蒸发器和二级蒸发器均包含有进口端板11及出口端板16，以及在进口端板和出口端板之间由多个海水侧密封圈14、正向波纹板片12、蒸汽侧密封圈15、反向波纹板片13依次相邻排列构成的换热板片；换热板片与进口端板和出口端板用海水侧密封圈或蒸汽侧密封圈连接。

其中，进口端板11纵向中轴线上自上至下依次设置有加热蒸汽进口4、海水进口5、淡水/不凝气进口9和浓海水进口10，在进口端板左右两侧的上下两端分别设置有对称的拉杆定位孔17；其中，出口端板16设置有淡水/不凝气出口6、浓海水出口8和拉杆定位孔17，并分别与进口端板的淡水/不凝气进口9、浓海水进口10和拉杆定位孔位置相对应，淡水/不凝气出口9和浓海水出口8之间设置有蒸汽出口7。两侧端板位置对应的拉杆定位孔内穿装拉杆后将两侧端板及端板之间的换热板片压紧。

如图6、图7所示，的正向波纹板片12上部和下部分别开有半圆形蒸汽孔道20、浓海水/二次蒸汽孔道23，蒸汽孔道20与进口端板加热蒸汽进口4对应，浓海水/二次蒸汽孔道23与出口端板的蒸汽出口7和浓海水出口8相对应，且蒸汽出口7位置对应浓海水/二次蒸汽孔道23的顶部，浓海水出口8位置对应浓海水/二次蒸汽孔道23的底部；正向波纹板片12中部为带有正向波纹26的换热区域，换热区域纵向中轴线上下两端分别设置有海水孔道21和淡水/不凝气孔道22，海水孔道21与进口端板海水进口5对应，淡水/不凝气孔道22与进口端板淡水/不凝气进口9及出口端板淡水/不凝气出口6均相对应。的反向波纹板片13与正向波纹板片12除波纹方向相反外其他结构均相同。

如图8、图9所示，的海水侧密封圈14包括密封正向波纹板片与反向波纹板片之间的加热蒸汽孔道20、淡水/不凝气孔道22及容纳海水通道25、浓海水/二次蒸汽孔道23的密封边条；的蒸汽侧密封圈15包括密封反向波纹板片与正向波纹板片之间的海水孔道21、浓海水/二次蒸汽孔道23及容纳加热蒸汽孔道20、蒸汽通道24的密封边条。

在本发明的具体实施中，的正向波纹板片和反向波纹板片材质为金属或塑料，换热区域制有人字形波纹、斜波纹、水平波纹或竖向波纹结构，波纹结构可增强流体湍流，破坏边界层，强化传热。

本发明的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其工作原理为：

加热蒸汽从一级蒸发器和二级蒸发器的加热蒸汽进口进入各个板片的蒸汽通道，在蒸汽孔道密封圈的作用下，蒸汽只进入由反向波纹板片、蒸汽侧密封圈和正向波纹板片配合构成的蒸汽通道，将热量传递给海水通道的海水，自身被冷却凝结为淡水，并与不凝气一道向下流入淡水/不凝气孔道，经淡水/不凝气出口排出。

海水通道的海水被蒸汽通道的蒸汽预热，海水通道在外部真空泵的作用下保持一定的负压，当海水预热达到负压对应的饱和温度时进行降膜蒸发，产生的二次蒸汽和浓海水在浓海水/二次蒸汽孔道进行汽液分离，二次蒸汽从蒸汽出口排出，浓海水从浓海水出口排出。

一级蒸发器产生的二次蒸汽作为二级蒸发器热源通过管路进入其加热蒸汽进口，二级蒸发器产生的二次蒸汽经压缩机升温升压后作为一级蒸发器加热热源进入其加热蒸汽进口，这样就实现了二次蒸汽的梯级利用和压缩再热循环。一级蒸发器产生的淡水在效间压差的作用下通过管路进入二级蒸发器的淡水/不凝气进口，并在淡水/不凝气孔道闪蒸放热，闪蒸热量用于海水蒸发，闪蒸后的淡水自身降低温度后与二级蒸发器产生的淡水一并从淡水/不凝气出口排出；一级蒸发器产生的浓海水在效间压差的作用下通过管路进入二级蒸发器的浓海水进口，并在浓海水/二次蒸汽孔道闪蒸，闪蒸蒸汽进入压缩机被回收利用，闪蒸后的浓海水自身降低温度后与二级蒸发器产生的浓海水一并从浓海水出口排出；这样，排出淡水和浓海水的显热被回收利用。

一级蒸发器和二级蒸发器海水进口通过外置料液泵给水，二级蒸发器淡水/不凝气出口通过外置气液分离器、真空泵和淡水泵配合排出淡水和不凝气，二级蒸发器浓海水出口通过外置浓海水泵排出浓海水。

双效板式蒸馏淡化装置初始启动时，需要借助外供热源加热，当运行稳定后，即可启用压缩机，并不再需要外供热源。上述双效板式蒸馏淡化方法是基于启用蒸汽压缩后的运行描述。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：包括压缩机及依次连通并多级设置的蒸发器，其中压缩机的进汽端连通最末级蒸发器的蒸汽出口，压缩机的出汽端连通第一级蒸发器的加热蒸汽进口；所述蒸发器包括密封堆叠的多个换热板片，且蒸发器的进口端固接有进口端板，出口端固接有出口端板；所述换热板片将蒸发器内部分割为由上至下依次设置的加热蒸汽孔道、波纹滤膜及浓海水/二次蒸汽孔道，其中波纹滤膜与加热蒸汽孔道、波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道交替连通，且换热板片内均间隔排列设置淡水/不凝气孔道及海水孔道；所述进口端板上制出有加热蒸汽进口、海水进口、淡水/不凝气进口及浓海水进口，出口端板上制出有淡水/不凝气出口、蒸汽出口及浓海水出口；所述淡水/不凝气孔道的进口端连通加热蒸汽进口，淡水/不凝气孔道的出口端连通蒸汽出口及淡水/不凝气出口；所述海水孔道的进口端连通海水进口，海水孔道的出口端连通浓海水出口；所述淡水/不凝气进口连通上一级蒸发器的淡水/不凝气出口，浓海水进口连通上一级蒸发器的浓海水出口。

2.根据权利要求1所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述换热板片包括依次排列并密封堆叠的正向波纹板片、海水侧密封圈、反向波纹板片及蒸汽侧密封圈。

3.根据权利要求2所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述正向波纹板片及反向波纹板片的上部均制有贯通的加热蒸汽孔道，中部均密封固接有波纹方向互为反向的波纹滤膜，底部均制有贯通的浓海水/二次蒸汽孔道；所述波纹滤膜的上部制有贯通的海水孔道，波纹板的下部制有贯通的淡水/不凝气孔道。

4.根据权利要求2所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述海水侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道，且海水侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的波纹滤膜与浓海水/二次蒸汽孔道；所述蒸汽侧密封圈的上部连通正向波纹板片与反向波纹板片的加热蒸汽孔道与波纹滤膜，且蒸汽侧密封圈的下部连通正向波纹板片与反向波纹板片的浓海水/二次蒸汽孔道。

5.根据权利要求4所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述海水侧密封圈的下部设置密封连通淡水/不凝气孔道的淡水/不凝气孔道密封圈。

6.根据权利要求4所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述蒸汽侧密封圈的上部设置密封连通海水孔道的海水孔道密封圈。

7.根据权利要求1所述的一种基于多级蒸发器的海水蒸馏淡化系统，其特征在于：所述出口端板及进口端板的侧壁上均制有多个拉杆定位孔，其中第一级蒸发器进口端板上的淡水/不凝气进口及浓海水进口封堵。

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