CN111747465B - 一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法，涉及海水淡化技术领域，包括通过蒸汽管线连通的毛细蒸发器和空气能压缩冷凝装置，其中，空气能压缩冷凝装置从上至下依次包括蒸汽冷凝腔、活塞和空气腔，蒸汽冷凝腔顶部设有散热器，内部设有上行截止件，空气腔内设有下行截止件，利用蒸汽冷凝腔与空气腔间的压力差，活塞可在上行截止件和下行截止件间上下移动；活塞向上移动时，会使得蒸汽被压缩并完成升温升压，而升温升压后的蒸汽会与散热器进行换热并冷凝成淡水，最终实现低温海水淡化过程的高效运转。因此，本申请不仅可通过环境压力完成低温蒸汽的升温升压实现高效冷凝接近环境温度的蒸汽，且运行成本低。

Description

一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法

技术领域

本申请涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法。

背景技术

目前，由于毛细力驱动海水淡化技术在小温差下具有高余热利用能力，其可以实现仅4℃温差下的海水淡化过程，在低温海水淡化领域具有很好的应用场景；且该技术具备对沿海化工、能源企业排放的具有30～40℃余热的废水进行深度利用，并转换成高品质的淡水资源，是真正意义上的节能减排技术，对低成本海水淡化产业发展具有极为重要的发展意义。

不过，尽管毛细力海水淡化在低温余热利用领域有极强的竞争优势，但由于其在低温下蒸发产生的蒸汽温度已接近环境温度，若仍以环境温度的空气或冷却水作为冷源已无法对蒸汽进行冷凝，因此，受冷凝温度的限制，导致接近环境温度的蒸汽无法实现高效冷凝。现有技术中，部分采用液化天然气冷能(LNG冷能)作为冷凝器的冷源虽可解决毛细力驱动海水淡化技术中冷凝温度的问题，但是，利用LNG冷凝蒸汽极大地限制了装置的运行厂址，存在运行成本高的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法，以解决相关技术中由于冷凝温度受限而导致接近环境温度的蒸汽无法实现高效冷凝以及运行成本高的问题。

第一方面，提供了一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，包括毛细蒸发器，所述毛细蒸发器包括蒸发腔和海水腔，所述海水腔上设有海水入口和盐水出口；

空气能压缩冷凝装置，所述空气能压缩冷凝装置从上至下依次包括蒸汽冷凝腔、活塞和空气腔，所述蒸汽冷凝腔顶部设有散热器，所述蒸汽冷凝腔内设有上行截止件，所述空气腔内设有下行截止件，所述活塞可在上行截止件和下行截止件间上下移动，所述活塞内设有上下贯通的淡水通道，所述淡水通道一端与所述蒸汽冷凝腔连通，另一端延伸至所述空气能压缩冷凝装置外；

蒸汽管线，所述蒸汽管线用于将所述蒸发腔中的蒸汽通入所述蒸汽冷凝腔。

一些实施例中，所述蒸汽冷凝腔的顶部设有真空抽气口，所述真空抽气口用于排出不凝气体。

所述海水淡化设备还包括换热管，所述换热管设于所述毛细蒸发器上。

所述海水腔的海水入口位置高于所述海水腔的盐水出口位置。

所述海水入口连通有海水入口管线，所述盐水出口连通有盐水出口管线，所述淡水通道底部连通有淡水出口管线，所述海水入口管线、所述盐水出口管线和所述淡水出口管线的竖直高度均设为大于5米且小于10米。

所述海水淡化设备还包括水箱，所述水箱与所述蒸汽冷凝腔连通。

第二方面，提供了一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置的海水淡化方法，包括以下步骤：

使海水通过海水入口通入毛细蒸发器；

毛细蒸发器使该海水蒸发并产生蒸汽以及盐水混合物，盐水出口排出盐水混合物；

使活塞向下移动，蒸汽管线使毛细蒸发器内的蒸汽通入蒸汽冷凝腔，待活塞向下移动至下行截止件处，淡水通道使蒸汽冷凝腔内的淡水排至空气能压缩冷凝装置外；

使活塞向上移动至上行截止件处，散热器使蒸汽冷凝腔中的蒸汽冷凝成淡水。

一些实施例中，所述通过散热器使蒸汽冷凝腔中的蒸汽冷凝成淡水，包括以下步骤：所述蒸汽冷凝腔中未被冷凝的蒸汽通过真空抽气口排出。

所述毛细蒸发器上设有换热管，利用所述换热管进行海水与热水或蒸汽的换热。

所述使活塞向下移动，包括以下步骤：使启动水源通入蒸汽冷凝腔，该启动水源用于启动活塞向下移动。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：不仅可通过环境压力完成低温蒸汽的升温升压实现高效冷凝接近环境温度的蒸汽，且具有运行成本低的优势。

本申请实施例提供了一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法，包括通过蒸汽管线连通的毛细蒸发器和空气能压缩冷凝装置，其中，空气能压缩冷凝装置从上至下依次包括蒸汽冷凝腔、活塞和空气腔，蒸汽冷凝腔顶部设有散热器，蒸汽冷凝腔内设有上行截止件，空气腔内设有下行截止件，利用蒸汽冷凝腔与空气腔间的压力差，活塞可在上行截止件和下行截止件间上下移动；活塞向上移动时，会使得海水蒸发形成的低温难以冷凝的蒸汽被压缩，进而实现蒸汽的升温升压，并使升温升压后的蒸汽与散热器进行换热并冷凝成淡水，最终实现低温海水淡化过程的高效运转。因此，本申请不仅可通过环境压力完成低温蒸汽的升温升压实现高效冷凝接近环境温度的蒸汽，且具有运行成本低的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种海水淡化方法的流程示意图。

图中：1-毛细蒸发器，11-蒸发腔，12-毛细蒸发板，13-海水腔，2-空气能压缩冷凝装置，21-蒸汽冷凝腔，22-上行截止件，23-活塞，231-淡水通道，24-空气腔，25-下行截止件，3-蒸汽管线，4-散热器，5-海水入口管线，6-盐水出口管线，7-淡水出口管线，8-第一阀门，9-第二阀门。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置及方法，其能解决相关技术中由于冷凝温度受限而导致接近环境温度的蒸汽无法实现高效冷凝以及运行成本高的问题。

图1是一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置的结构示意图，包括毛细蒸发器1、空气能压缩冷凝装置2、蒸汽管线3和散热器4，其中，蒸汽管线3上设有第一阀门8，毛细蒸发器1包括蒸发腔11、毛细蒸发板12和海水腔13，毛细蒸发板12是亲水性多孔介质结构，可以提供毛细抽吸力，将海水从海水腔13内抽吸至毛细蒸发板12上表面，毛细蒸发板12位于毛细蒸发器1内并将毛细蒸发器1分为上下两层，上层为蒸发腔11，下层为海水腔13；蒸发腔11上设有蒸汽出口，蒸汽出口与蒸汽管线3连通，海水腔13的输入端处设有海水入口，输出端处设有盐水出口，海水入口上连通有海水入口管线5，盐水出口上连通有盐水出口管线6。

空气能压缩冷凝装置2竖直设置，其从上至下依次包括蒸汽冷凝腔21、活塞23和空气腔24，蒸汽冷凝腔21上设有蒸汽入口，蒸汽冷凝腔21的蒸汽入口通过蒸汽管线3与蒸发腔11的蒸汽出口连通，使得蒸发腔11中的蒸汽可通入蒸汽冷凝腔21中；蒸汽冷凝腔21的顶部设有散热器4，散热器4优选为水冷散热器或风冷翅片散热器；蒸汽冷凝腔21的上部用于存储蒸汽，下部用于存储淡水；蒸汽冷凝腔21内设有上行截止件22，空气腔24内设有下行截止件25，活塞23可在上行截止件22和下行截止件25间上下移动；活塞23内设有上下贯通的淡水通道231，淡水通道231一端与蒸汽冷凝腔21连通，另一端延伸至空气能压缩冷凝装置2外，淡水通道231用于将淡水排至空气能压缩冷凝装置2外，淡水通道231下部设有第二阀门9。优选的，淡水通道231底部设有淡水出口管线7；优选的，第一阀门8和第二阀门9可设为手动截止阀，也可设为电磁阀或电子膨胀阀，电磁阀或电子膨胀阀的使用不仅提高了系统的自动化程度，还提高了工作效率和安全性。

优选的，蒸汽冷凝腔21的顶部设有真空抽气口，真空抽气口用于排出未被冷凝的不凝气体，真空抽气口上连接有不凝气体排出管线，海水蒸发过程中会产生不凝气体，通过在空气能压缩冷凝器的蒸汽冷凝腔顶部设置真空抽气口，可将未能冷凝成淡水的不凝气体通过不凝气体排出管线抽离，进而提高蒸汽的冷凝效率。

优选的，海水淡化设备还包括换热管，换热管铺设在毛细蒸发器1内的毛细蒸发板12靠近上表面侧。当外界热源是热水或蒸汽时，则在毛细蒸发板12靠近上表面侧铺设换热管，热源即可在换热管内流动，并将热量传递给换热管外多孔介质内的海水，最终实现海水的蒸发；此外，可将海水淡化设备上的外壳设为透明材质，当外界热源是太阳能时，无需设置换热管，太阳能即可直接辐射到毛细蒸发板12上表面进行换热，海水受热后蒸发产生蒸汽，最终实现海水蒸发淡化。

优选的，海水腔13的海水入口位置高于海水腔13的盐水出口位置，使海水入口和盐水出口形成液面高度差，产生虹吸作用，而通过虹吸作用可实现盐水的自排放。

优选的，海水入口管线5、盐水出口管线6和淡水出口管线7的竖直高度均设为5米～10米，利用该水柱可建立托里拆利自然真空，从而降低系统真空建立和维持的能耗。

优选的，海水淡化设备还包括水箱，水箱与蒸汽冷凝腔21连通，并向蒸汽冷凝腔21内通入水，该水可作为驱动活塞23首次向下移动的启动水源。

参见图2所示，本发明实施例还提供了一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置的海水淡化方法，其步骤如下：

S1：使海水通过海水入口通入毛细蒸发器1。

S2：通过毛细蒸发器1使该海水蒸发并产生蒸汽以及盐水混合物，通过盐水出口排出盐水混合物。

S3：使活塞23向下移动，打开第一阀门8并通过蒸汽管线3使毛细蒸发器1内的蒸汽通入蒸汽冷凝腔21，待活塞23向下移动至下行截止件25处时，打开第二阀门9，通过淡水通道231使蒸汽冷凝腔21内的淡水排至空气能压缩冷凝装置2外。

S4：关闭第一阀门8和第二阀门9，使蒸汽冷凝腔21与空气腔24间存在压力差，使活塞23向上移动至上行截止件22处，使蒸汽冷凝腔21中的蒸汽升温升压，通过散热器4使升温升压后的的蒸汽冷凝成淡水，淡水汇集至蒸汽冷凝腔21中。

优选的，通过散热器4使蒸汽冷凝腔21内的蒸汽冷凝成淡水，包括以下步骤：蒸汽冷凝腔21中未被冷凝的蒸汽通过真空抽气口排出，真空抽气口上连接有不凝气体排出管线，海水蒸发过程中会产生未被冷凝的不凝气体，通过在空气能压缩冷凝器的蒸汽冷凝腔顶部设置真空抽气口，可将未能冷凝成淡水的不凝气体通过不凝气体排出管线抽离，进而提高蒸汽的冷凝效率。

优选的，毛细蒸发器1上设有换热管，利用换热管进行海水与热水或蒸汽的换热。当外界热源是太阳能时，无需设置换热管，太阳能可直接辐射到毛细蒸发板12上表面，海水受热后蒸发产生蒸汽；当外界热源是热水或蒸汽时，则在毛细蒸发板12靠近上表面侧铺设换热管，热源即可在换热管内流动，并将热量传递给换热管外多孔介质内的海水，最终实现海水的蒸发。

优选的，使活塞23向下移动，包括以下步骤：使启动水源通入蒸汽冷凝腔21，该启动水源用于启动活塞23向下移动。

具体地，本发明的详细工作原理如下：

海水通过海水入口管线5进入海水腔13，毛细蒸发板12将海水从海水腔13内抽吸至其上表面，使该海水蒸发产生20℃～40℃的蒸汽和盐水混合物，盐水混合物通过盐水出口管线排出；使活塞23向下运行，开启第一阀门8，使蒸汽冷凝腔21处于膨胀过程中，蒸汽冷凝腔21通过蒸汽管线3从毛细蒸发器1的蒸发腔11中抽吸蒸汽，当蒸汽冷凝腔21膨胀至最大值时，即活塞23运行至下行截止件25处时，打开淡水通道231上的第二阀门9，此时，淡水从蒸汽冷凝腔21中排至空气能压缩冷凝装置2外；关闭第一阀门8和第二阀门9，使得蒸汽冷凝腔21和空气腔24间存在压力差，空气能推动活塞23向上运行至上行截止件22处，蒸汽冷凝腔21内的蒸汽被压缩，蒸汽升温升压后与蒸汽冷凝腔21顶部的散热器4换热，冷凝成淡水，该淡水在重力作用下汇集在蒸汽冷凝腔21的下部，完成一次循环，并进行下一次循环。本申请通过两类自然力驱动装置的强强耦合，即充分利用环境大气压与低压蒸汽间压力差实现蒸汽的加压升温冷凝，将海水淡化的余热利用能力进一步拓展，具备利用接近环境温度的废热进行海水淡化的能力，利于技术的应用推广和产业化应用；且本系统运行不需要任何外加电力，运行成本极低，是真正意义上的低成本海水淡化，具有很好的应用价值和技术优势。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于，包括：

毛细蒸发器(1)，所述毛细蒸发器(1)包括蒸发腔(11)和海水腔(13)，所述海水腔(13)上设有海水入口和盐水出口；

空气能压缩冷凝装置(2)，所述空气能压缩冷凝装置(2)从上至下依次包括蒸汽冷凝腔(21)、活塞(23)和空气腔(24)，所述蒸汽冷凝腔(21)顶部设有散热器(4)，所述蒸汽冷凝腔(21)内设有上行截止件(22)，所述空气腔(24)内设有下行截止件(25)，所述活塞(23)可在上行截止件(22)和下行截止件(25)间上下移动，所述活塞(23)内设有上下贯通的淡水通道(231)，所述淡水通道(231)一端与所述蒸汽冷凝腔(21)连通，另一端延伸至所述空气能压缩冷凝装置(2)外；

蒸汽管线(3)，所述蒸汽管线(3)用于将所述蒸发腔(11)中的蒸汽通入所述蒸汽冷凝腔(21)。

2.如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于：所述蒸汽冷凝腔(21)的顶部设有真空抽气口，所述真空抽气口用于排出不凝气体。

3.如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化设备还包括换热管，所述换热管设于所述毛细蒸发器(1)上。

4.如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于：所述海水腔(13)的海水入口位置高于所述海水腔(13)的盐水出口位置。

5.如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于：所述海水入口连通有海水入口管线(5)，所述盐水出口连通有盐水出口管线(6)，所述淡水通道(231)底部连通有淡水出口管线(7)，所述海水入口管线(5)、所述盐水出口管线(6)和所述淡水出口管线(7)的竖直高度均设为大于5米且小于10米。

6.如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化设备还包括水箱，所述水箱与所述蒸汽冷凝腔(21)连通。

7.一种采用如权利要求1所述的一种自然力驱动的高效余热海水淡化装置的海水淡化方法，其特征在于，包括以下步骤：

使海水通过海水入口通入毛细蒸发器(1)；

毛细蒸发器(1)使该海水蒸发并产生蒸汽以及盐水混合物，盐水出口排出盐水混合物；

使活塞(23)向下移动，蒸汽管线(3)使毛细蒸发器(1)内的蒸汽通入蒸汽冷凝腔(21)，待活塞(23)移动至下行截止件(25)时，淡水通道(231)使蒸汽冷凝腔(21)内的淡水排至空气能压缩冷凝装置(2)外；

使活塞(23)向上移动至上行截止件(22)处，散热器(4)使蒸汽冷凝腔(21)中的蒸汽冷凝成淡水。

8.如权利要求7所述的一种海水淡化方法，其特征在于：所述散热器(4)使蒸汽冷凝腔(21)中的蒸汽冷凝成淡水，包括以下步骤：所述蒸汽冷凝腔(21)中未被冷凝的蒸汽通过真空抽气口排出。

9.如权利要求7所述的一种海水淡化方法，其特征在于：所述毛细蒸发器(1)上设有换热管，利用所述换热管进行海水与热水或蒸汽的换热。

10.如权利要求7所述的一种海水淡化方法，其特征在于：所述使活塞(23)向下移动，包括以下步骤：使启动水源通入蒸汽冷凝腔(21)，该启动水源用于启动活塞(23)向下移动。

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