CN111747466B - 一种自驱动海水淡化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种自驱动海水淡化装置及方法，涉及海水淡化与节能减排领域，海水淡化装置的文丘里管的入口段与蒸发器对接；文丘里管的扩散段通过管线与冷凝器连接；蒸发器内设置有多孔芯，多孔芯将蒸发器的内腔分为隔离的海水腔和蒸汽腔；多孔芯的轴心处开设有海水通道；海水通道的一端与海水腔相通，海水腔通过管线与进水端相通；海水通道的另一端通过管线与出水端相通；海水腔的顶部空间设置有不凝气管，不凝气管与文丘里管的喉道相通；当海水淡化装置运行时，喉道的气压小于海水腔顶部空间的气压；海水腔的液压大于出水端的液压，且小于进水端的液压。本发明无需补水泵、盐水泵和真空泵，实现了无任何泵功设备情况下长时间运行，达到海水淡化的目的。

Description

一种自驱动海水淡化装置及方法
技术领域
本发明涉及海水淡化与节能减排领域，具体为一种自驱动海水淡化装置及方法。
背景技术
海水淡化的本质是以能换水，日益增长的淡水需求量与能源短缺的矛盾是限制海水淡化技术的迅速发展的瓶颈问题，以最少的能量换取最多的淡水是最令人期待的淡化方法。海水淡化主要需要的能量包括：热能和电能。其中，热能是用于加热海水产生蒸汽，从热力学上看，采用低温热源驱动海水淡化可以有效的降低淡化能耗成本；另外，电能消耗包括给水泵、盐水泵和真空泵，这部分电力成本如何进一步降低一直是海水淡化产业重点研究领域。
专利201010162214.0公开了一种低温余热海水淡化系统，利用毛细力抽吸海水实现海水自补给，避免了给水泵的使用；专利201410794482.2在上述专利的基础之上，利用虹吸作用进一步优化后提出了一种余热电水联产系统，通过液位差实现盐水排放的自驱动，进一步避开了盐水泵的使用。这两个专利大大减小了电能消耗。
然而，在这两个专利方案中，海水补给过程中不可避免会携带不凝气(不凝气是在常压下不能被冷凝的气体，但不凝气会溶解到淡水中)进入蒸发器中，不凝气体会导致系统传热性能退化，淡水产量下降。不凝气体的问题使得系统无法长时间无电力运行，使得该淡化技术难以推广。不凝气体是环路热管打开后，毛细驱动海水淡化的一个巨大的难题。尽管前期的技术中已经实现了间歇性泵功输入，实现部分时间下的海水淡化技术。比如，该技术最近进展情况Low-grade waste heat driven desalination with an open loop heatpipe,2018，可系统运行约2个小时之后，该系统还是无法避免引入真空泵，间歇性抽离补偿室的不凝气体，否则不凝气体将直接危及系统运行。
如何开发一种无电力驱动的不凝气体排放技术，与上述专利进行耦合运行，使得无动力驱动的低温海水淡化系统长时间运行是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自驱动海水淡化装置及方法，无需补水泵、盐水泵和真空泵，实现了无任何泵功设备情况下长时间运行，达到海水淡化的目的。
为达到以上目的，采取的技术方案是：一种自驱动海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化装置包含蒸发器、冷凝器和文丘里管，所述文丘里管的入口段与蒸发器对接，且两者同轴设置；所述文丘里管的扩散段通过管线与冷凝器连接；
所述蒸发器内设置有多孔芯，所述多孔芯将蒸发器的内腔分为隔离的海水腔和蒸汽腔；部分所述海水腔填充海水，所述多孔芯的轴心处开设有海水通道；
所述海水通道的一端与海水腔相通，所述海水腔通过管线与进水端相通；所述海水通道的另一端通过管线与出水端相通；所述海水腔的顶部空间设置有不凝气管，所述不凝气管与所述文丘里管的喉道相通；
当海水淡化装置运行时，所述喉道的气压小于海水腔顶部空间的气压；所述海水腔的液压大于所述出水端的液压，且小于所述进水端的液压。
在上述技术方案的基础上，所述多孔芯分为大径段和小径段，所述小径段朝向所述文丘里管，所述大径段的外径等于蒸发器的内径，并与蒸发器内壁密封连接。
在上述技术方案的基础上，所述小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽。
在上述技术方案的基础上，所述管线包含海水管和盐水管，所述海水管连通海水腔与进水端，所述盐水管连通海水通道和出水端。
在上述技术方案的基础上，所述海水通道为开设于所述多孔芯的盲孔，所述盲孔的开口朝向海水腔，所述盐水管的一端穿透所述盲孔的底壁。
在上述技术方案的基础上，所述管线包含蒸汽管和淡水管，所述蒸汽管连通所述文丘里管的扩散段与冷凝器，所述淡水管连接所述冷凝器的出水口。
在上述技术方案的基础上，所述冷凝器采用水冷冷凝器或辐射冷凝器；所述多孔芯由亲水性低、导热系数高且耐腐蚀材料制成。
本发明还公开了一种基于上述海水淡化装置的海水淡化方法，包括步骤：
海水流经海水通道，部分海水在多孔芯的毛细作用下被吸附至多孔芯外表面；不凝气体汇集于海水腔水面上方的顶部空间；
蒸发器受热通过壁面将热量作用于多孔芯外表面产生高压蒸汽；
高压蒸汽到达文丘里管的喉道时，蒸汽气压小于海水腔水面上方的不凝气体产生的气压；
不凝气体在气压差作用下被吸入文丘里管喉道，并随蒸汽进入冷凝器中。
在上述技术方案的基础上，所述多孔芯分为大径段和小径段，所述小径段朝向所述文丘里管；所述大径段的外径等于蒸发器的内径，并与蒸发器内壁密封连接；所述小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽；当蒸发器的热量作用于多孔芯时，所述小径段外表面形成汽液界面。
在上述技术方案的基础上，所述管线包含海水管、盐水管、蒸汽管和淡水管；海水从进水端通过海水管流入海水腔，海水腔中的海水流至海水通道，并从盐水管流出；文丘里管的蒸汽通过蒸汽管进入冷凝器中，冷凝成淡水，并从所述淡水管中流出。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的海水淡化装置，通过利用毛细力驱动海水至多孔芯外表面，利用蒸发器加热多孔芯，产生高压蒸汽，高压蒸汽从文丘里管的入口段进入至喉道；此过程中，由于文丘里效应，随着蒸汽接近喉道，速度增加压力降低；使得蒸汽到达喉道时，压力小于不凝气管另一端的压力，不凝气管两端产生压力差，将海水腔顶部的不凝气体抽吸至喉道，抽吸过来的不凝气体随着蒸汽进入至冷凝器中，溶解于冷凝形成的淡水中；
本发明的海水淡化全过程无需设置补水泵、盐水泵和真空泵，解决不凝气体依赖于外接真空泵的问题；实现了无任何泵功设备(抽吸类的泵设备)情况下长时间运行，达到了海水淡化的目的；并且整个过程，在实现海水淡化的同时能够达到静音的效果，在偏远地区海水淡化、海岛淡水供应或军事应用中具有较大优势。
2、本发明的海水淡化装置，主要包含蒸发器、文丘里管、冷凝器以及多孔芯，设备较少，减少了设备投入，降低了经济成本；文丘里管与蒸发器一体化设计，结构紧凑，装置简单，适用面较广。
附图说明
图1为本发明实施例的海水淡化装置示意图。
图2为本发明实施例的多孔芯横截面示意图。
附图标记：1-蒸发器、2-冷凝器、3-海水管、4-蒸汽管、5-淡水管、6-盐水管、7-不凝气管、8-海水通道、11-有效换热段、12-海水腔、13-蒸汽腔、14-多孔芯、15-文丘里管。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种自驱动海水淡化装置，海水淡化装置包含蒸发器1、冷凝器2和文丘里管15。文丘里管15由四部分组成，依次为呈圆柱管状的入口段、逐渐缩小且呈锥型状的收缩段、呈圆柱管状的喉道和逐渐扩大且稍微倾斜的扩散段。蒸发器1成圆柱形壳体，文丘里管15的入口段与蒸发器1对接成一个整体，且两者同轴设置；文丘里管15的扩散段通过管线与冷凝器2连接。优选地，文丘里管15的入口段的内径等于蒸发器1的内径。
蒸发器1内部设置有一个多孔芯14，多孔芯14将蒸发器1的内腔分为隔离的海水腔12和蒸汽腔13；部分海水腔12填充海水，海水腔12的海水液面上方形成容纳不凝气体的顶部空间。
多孔芯14的轴心处开设有海水通道8；海水通道8的一端与海水腔12相通，海水腔12通过管线与进水端相通；海水通道8的另一端通过管线与出水端相通；海水腔12的顶部空间设置有不凝气管7，不凝气管7与文丘里管15的喉道相通。
当海水淡化装置运行时，海水腔12的液压大于出水端的液压，且小于进水端的液压，以保证海水通道8中有持续不断的海水流动。优选地，进水端的液面高于出水端的液面，利用虹吸效应达到上述效果。同时，喉道的气压小于海水腔12顶部空间的气压；不凝气体在气压差的作用下，持续不断地沿着不凝气管7从海水腔12顶部空间到喉道。
在本实施例中，多孔芯14分为大径段和小径段，小径段朝向文丘里管15，大径段朝向海水腔12。大径段的外径等于蒸发器1的内径，并与蒸发器1内壁密封连接。小径段的外径小于大径段的外径，即小径段的外径与蒸发器1的内壁之间具有一定的间隙。在海水淡化装置中，蒸发器1与多孔芯14相对应的一段长度为有效换热段11；海水淡化装置运行时，蒸发器1施加热量至有效换热段11，热量可以是太阳能、地热能或其余热量，热量通过有效换热段11传递至多孔芯14的外表面。
如图2所示，优选地，多孔芯14的小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽，多条沟槽增大了多孔芯14的表面面积，提升了有效换热段11施加热量给多孔芯14产生蒸汽的效果。
在本实施例中，管线包含海水管3和盐水管6，海水管3连通海水腔3与进水端，盐水管6连通海水通道8和出水端。
进一步地，海水通道8是一个沿着多孔芯14轴线开设的的盲孔，盲孔的开口朝向海水腔12；盐水管6的一端穿透盲孔的底壁，与海水通道8联通，另一端与出水端联通。
优选地，管线还包含蒸汽管4和淡水管5，蒸汽管4连通文丘里管15的扩散段与冷凝器2，通过喉道的蒸汽在经过扩散段减速之后，经由蒸汽管4流入至冷凝器2中，在冷凝器2的作用下冷凝成淡水，并通过淡水管5流出。
优选地，冷凝器2采用水冷冷凝器或辐射冷凝器；多孔芯14由亲水性低、导热系数高且耐腐蚀材料制成。
本发明还公开了一种基于上述海水淡化装置的海水淡化方法，其步骤如下：
海水流经海水通道8，部分海水在多孔芯14的毛细作用下被吸附至多孔芯14外表面。
不凝气体汇集于海水腔12水面上方的顶部空间。
蒸发器1受热通过壁面将热量作用于多孔芯14外表面产生高压蒸汽。
高压蒸汽到达文丘里管15的喉道时，蒸汽气压小于海水腔12水面上方的不凝气体产生的气压。
不凝气体在气压差作用下被吸入文丘里管15喉道，并随蒸汽进入冷凝器2中。
在上述海水淡化方法中，多孔芯14分为大径段和小径段，小径段朝向文丘里管15；大径段的外径等于蒸发器1的内径，并与蒸发器1内壁密封连接；小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽；当蒸发器1的热量作用于多孔芯14时，小径段外表面形成汽液界面。汽液界面以外即为蒸汽腔13，汽液界面在热量的作用下，持续产生蒸汽。
在上述海水淡化方法中，管线包含海水管3、盐水管6、蒸汽管4和淡水管5；海水从进水端通过海水管3流入海水腔3，海水腔3中的海水流通至海水通道8，并从盐水管6流出；文丘里管15的蒸汽通过蒸汽管4进入冷凝器2中，冷凝成淡水，并从淡水管5中流出。
具体地，本发明的详细工作原理如下：
1、设置海水管3的进水端的液面高于盐水管6的出水端的液面，在海水管3和盐水管6中充满海水，在液面差形成的虹吸作用下海水将自发沿着海水管线3上升至海水腔12中，并经过海水通道8沿着盐水管6流出。部分海水被蒸发变成水蒸汽，未蒸发的海水从海水通道8沿着盐水管6排出。
与此同时，海水腔12的顶部空间通过不凝气管7与文丘里管15的喉道联通；在海水淡化装置启动前海水腔12内部的压力与文丘里管15和蒸汽腔13内部的压力一致。此时，假定海水腔12的顶部空间的压力为Pbc；由于多孔芯14内表面与海水接触，海水在多孔芯14的毛细作用下将被吸入多孔芯14的外表面，并在外表面形成汽-液界面。
2、蒸发器1施加热量到有效换热段11外表面，热量通过蒸发器1外壳传递给多孔芯14的外表面，多孔芯14外表面海水受热蒸发产生较高压力Pzq的饱和蒸汽，其中压力Pzq>Pbc。
3、较高压力Pzq的饱和蒸汽汇聚在蒸汽腔13中，流入文丘里管15中，由于文丘里效应，较高压力的高压蒸汽Pzq在渐缩段速度增加、压力降低，并在文丘里管15喉道达到速度最大、压力最小Phb，Phb小于海水腔12中压力Pbc，不凝气将在压力差Pbc-Phb作用下，通过不凝气管7从海水腔12的顶部空间被吸入文丘里管15的喉道；并同蒸汽一起经过文丘里管15渐扩段降速升压，沿着蒸汽管4流入冷凝器2中。
4、混有不凝气体的蒸汽在冷凝器2中凝结成淡水，此过程中不凝气体将溶解至淡水中，最后沿着淡水管5在流出系统，完成整个淡化过程。
补充解释：不凝气体会溶解到淡水中。海水腔12中不凝气体随着蒸汽流入冷凝器2冷凝过程中，由于冷凝内液相压力大于(或等于)蒸发器1中液相压力，从溶解度上分析，可以认为冷凝过程中的不凝气体是一种可溶性“不凝气体”，不会对冷凝过程产生影响，随着蒸汽冷凝，不凝气体可以溶解到淡水中。
本发明的海水淡化全过程(海水补给、盐水排放和不凝气体排放)无需设置补水泵、盐水泵和真空泵，都无需外加动力，解决了不凝气体依赖于外接真空泵的问题，实现了无任何泵功设备(抽吸类的泵设备)情况下长时间运行，达到了海水淡化的目的；并且整个过程，在实现海水淡化的同时能够达到静音的效果，在偏远地区海水淡化、海岛淡水供应或军事应用中具有较大优势。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。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 (9)

1.一种自驱动海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化装置包含蒸发器(1)、冷凝器(2)和文丘里管(15)，所述文丘里管(15)的入口段与蒸发器(1)对接，且两者同轴设置；所述文丘里管(15)的扩散段通过管线与冷凝器(2)连接；
所述蒸发器(1)内设置有多孔芯(14)，所述多孔芯(14)将蒸发器(1)的内腔分为隔离的海水腔(12)和蒸汽腔(13)；部分所述海水腔(12)填充海水，所述多孔芯(14)的轴心处开设有海水通道(8)；
所述海水通道(8)的一端与海水腔(12)相通，所述海水腔(12)通过管线与进水端相通；所述海水通道(8)的另一端通过管线与出水端相通；所述海水腔(12)的顶部空间设置有不凝气管(7)，所述不凝气管(7)与所述文丘里管(15)的喉道相通；
当海水淡化装置运行时，所述喉道的气压小于海水腔(12)顶部空间的气压；所述海水腔(12)的液压大于所述出水端的液压，且小于所述进水端的液压；
所述多孔芯(14)分为大径段和小径段，所述小径段朝向所述文丘里管(15)，所述大径段的外径等于蒸发器(1)的内径，并与蒸发器(1)内壁密封连接。
2.如权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于：所述小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽。
3.如权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于：所述管线包含海水管(3)和盐水管(6)，所述海水管(3)连通海水腔(12 )与进水端，所述盐水管(6)连通海水通道(8)和出水端。
4.如权利要求3所述的海水淡化装置，其特征在于：所述海水通道(8)为开设于所述多孔芯(14)的盲孔，所述盲孔的开口朝向海水腔(12)，所述盐水管(6)的一端穿透所述盲孔的底壁。
5.如权利要求1-4任意一项所述的海水淡化装置，其特征在于：所述管线包含蒸汽管(4)和淡水管(5)，所述蒸汽管(4)连通所述文丘里管(15)的扩散段与冷凝器(2)，所述淡水管(5)连接所述冷凝器(2)的出水口。
6.如权利要求1-4任意一项所述的海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝器(2)采用水冷冷凝器或辐射冷凝器；所述多孔芯(14)由亲水性低、导热系数高且耐腐蚀材料制成。
7.一种基于权利要求1所述海水淡化装置的海水淡化方法，其特征在于，包括步骤：
海水流经海水通道(8)，部分海水在多孔芯(14)的毛细作用下被吸附至多孔芯(14)外表面；不凝气体汇集于海水腔(12)水面上方的顶部空间；
蒸发器(1)受热通过壁面将热量作用于多孔芯(14)外表面产生高压蒸汽；
高压蒸汽到达文丘里管(15)的喉道时，蒸汽气压小于海水腔(12)水面上方的不凝气体产生的气压；
不凝气体在气压差作用下被吸入文丘里管(15)喉道，并随蒸汽进入冷凝器(2)中。
8.如权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于：所述小径段的外圆周等角度均布多条沿长度方向设置的沟槽；
当蒸发器(1)的热量作用于多孔芯(14)时，所述小径段外表面形成汽液界面。
9.如权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于：所述管线包含海水管(3)、盐水管(6)、蒸汽管(4)和淡水管(5)；海水从进水端通过海水管(3)流入海水腔(12 )，海水腔(12 )中的海水流至海水通道(8)，并从盐水管(6)流出；
文丘里管(15)的蒸汽通过蒸汽管(4)进入冷凝器(2)中，冷凝成淡水，并从所述淡水管(5)中流出。
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