CN111792684B - 一种全玻璃管mvc低溶解度污水蒸发冷凝净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，包括：蒸发冷凝器、压缩机、水泵、玻璃异形预热器和原水箱。本发明能够优化现有机械蒸汽压缩技术，提供一种低成本、耐腐蚀、高效节能、日产0.5‑10吨左右纯净水、零排放的蒸发冷凝净化系统。

Description

一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统
技术领域
本发明涉及机械蒸汽压缩技术领域，尤其是一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统。
背景技术
农村地区的供水安全问题是一个亟待解决的重大问题，苦咸地下水资源在我国广泛地存在。受到农村供水规模的限制，一般难以建设大型的水厂，因此，开发中小型的供水系统是一个重要的解决方案。目前，苦咸水净化技术主要有反渗透法和热法。近二十年来，随着膜技术和能量回收技术的发展，反渗透法的技术经济可行性得到了很大的提高，是目前制取蒸馏水的最好方法之一，并且可以小型化。但是，反渗透法蒸馏水原水比低，蒸馏水约为原水的42～53％，因此浓水的产量相对较大，很难实现零排放处理，会进一步恶化当地本已脆弱的生态环境，此外，渗透膜容易损坏，维护和使用成本很高。在热法中，多级闪蒸法和多效蒸馏法需要依托大型热源，这在农村地区往往难以实现。机械压汽蒸馏MVC被认为是具有优秀性价比的方法，在中小型制取蒸馏水和污水零排放方面有着广泛的应用前景，对于苦咸水具有很高的蒸馏水原水比，有望实现制取蒸馏水浓缩物零排放，是解决农村安全供水和环境保护问题的重要技术方向。目前，MVC主要采用金属蒸发器，不仅成本较高，而且腐蚀和结垢的风险也较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，能够优化现有机械蒸汽压缩技术，提供一种高效节能、日产0.5-10吨左右纯净水、零排放的蒸发冷凝净化系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，包括：蒸发冷凝器、压缩机、水泵、预热器和原水箱；水泵将原水从原水池抽取出来并经过预热器后进入原水箱，根据负荷从原水箱调用预热后的原水从侧面进入蒸发冷凝器，在蒸发冷凝器的壳管内蒸发后进入压缩机得到高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在蒸发冷凝器的侧面进入蒸发冷凝器内的蒸发管，与原水换热在蒸发管内冷凝，冷凝得到蒸馏水流出；原水蒸发后剩余部分浓水，在蒸发冷凝器的底部从左侧流出，系统最终产生的浓水以固体析出回收的方式实现零排放；采用热静力排空气阀或水力喷射泵，排除蒸发冷凝器内部的不凝气体。
优选的，采用全玻璃异形管壳式换热器作为预热器对原水进行预热，加热水为冷凝得到的蒸馏水；原水走壳程，蒸馏水走管程；换热器的壳管为全玻璃真空管或单层玻璃直通管，内管为压成较扁的椭圆状玻璃管；玻璃管密集排列，管间距和椭圆短径取相同，异形预热器近似板式换热器，椭圆短径和相邻椭圆管最小间距的取值范围在5-20mm。
优选的，在预热器和蒸发冷凝器之间设置一个原水箱，箱外设置保温层，当水温过低时利用太阳能、风能可再生能源将箱内原水加热到设计温度；原水箱存储预热之后的原水，使得预热器和蒸发冷凝器之间异步运行。
优选的，蒸发冷凝器外部采用直通式全玻璃管，作为蒸发冷凝器的外壳；直通式全玻璃管内部上方安置走原水的直管，下方均匀分布玻璃直管作为蒸发管；直通式全玻璃管的一侧口由上至下分别安装蒸汽分流器和浓水出口，一侧口分别安装原水出流器、蒸汽集流器和蒸馏水集流器。
优选的，建立蒸发冷凝器的传热模型并利用迭代法计算得到在单根蒸发管流量较低时总传热热阻的主要影响因素在蒸发侧，利用全玻璃蒸发管代替金属蒸发管对总传热热阻影响较小，且大幅度降低了装置制造成本。
优选的，蒸发冷凝器的传热模型包括物料/盐分守恒方程(1)和(2)、蒸发冷凝器传热量守恒方程(3)、管内外传热系数计算公式(4)和(5)；
Mf＝Mb+Md (1)
Mf·Xf＝Mb·Xb+Md·Xd (2)
Mf·cp·(tb-tf)+Md·rb＝he·Ae·(td-tb) (3)
Figure BDA0002497985940000021
Figure BDA0002497985940000022
其中，Mf为原水流量，Mb为浓水流量，Md为淡水/蒸汽流量，Xf为原水盐度，Xb为浓水盐度，Xd为淡水/蒸汽盐度，cp为比热容，tb为浓水温度，tf为原水温度，rb为浓水气化潜热，he为总量传热系数，Ae为总量面积，td为淡水/蒸汽温度，hi为蒸发管内传热系数，λl为液体热导率，ρl为液体密度，ρv为气体密度，g为重力加速度，rd为淡水/蒸汽气化潜热，μl为动力粘度，di为蒸发管内直径，tw为蒸发管壁温度，ho为蒸发管外传热系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，Qe为总传热量。
优选的，蒸发冷凝器内部均匀分布的蒸发管外包裹有一层吸湿性好并相互连接的网格布，最顶端蒸发管上的网格布延伸至原水管，原水管上部开缝，网格布从缝中伸入原水管；最下的蒸发管的网格布有一头自由端下垂和玻璃壳内壁底面接触。
优选的，网格布的包裹使表面张力代替重力和惯性力形成水膜，水膜薄而均匀，大幅度降低原水蒸发阻力；蒸发管全覆盖网格布并且从底部吸水，避免蒸发管干燥结垢；原水在网格布上停留时间较长，可一次性蒸发至较高浓度，利于浓水零排放。
本发明的有益效果为：(1)系统采用模块化设计，可以根据不同的蒸馏水量需求，调整蒸发冷凝器的个数、尺寸以及配套装置；(2)结构化设计系统，使用分流器和集流器密封真空管，多套管路分布并行，精简配置系统，管路分布清晰；(3)采用全玻璃管作为蒸发冷凝器的外壳，和现有蒸发冷凝器的金属外壳相比，腐蚀和结垢的问题得到优化，成本也大幅降低；对于采光较好的地区可使用全玻璃真空管吸收太阳能起到补热效果；(4)在蒸发冷凝器内设置包裹内部蒸发管的网格布，使得蒸发管表面以表面张力为主形成100多微米均匀厚度的原水膜，改善了以重力和惯性力为主形成的原水膜厚度不均的情况，提高总传热系数，降低原水在直管表面的流速及其蒸发阻力，增加蒸发时间和提高浓缩效果，最下端内管的网孔布一端自由下垂与壳管内壁底面接触，使底部浓水倒吸参与蒸发，减少局部蒸干、结垢；(5)系统最终蒸发留下的浓水，浓度不超过6％，采用强制蒸发的方式全部固体析出，实现浓水零排放的要求。
附图说明
图1为本发明的系统整体示意图。
图2为系统蒸发冷凝器内部结构示意图。
图3为蒸发冷凝器内部网格布置横截面示意图。
图4为玻璃异形预热器横截面示意图
其中，1、玻璃单层管或真空管；2、蒸汽分流器；3、原水出流器；4、蒸馏水集流器；5、蒸汽集流器；6、原水直管；7、蒸发管；8、管壁网格布；9、管间网格布；10、玻璃异形预热器。
具体实施方式
如图1和图4所示，一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，包括：蒸发冷凝器、压缩机、水泵、玻璃异形预热器和原水箱；原水经过预热器后进入原水箱，根据负荷从原水箱调用预热后的原水从右侧进入蒸发冷凝器，在蒸发冷凝器的壳管内蒸发后进入压缩机得到高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在蒸发冷凝器的左侧进入蒸发冷凝器，与原水换热在内管冷凝，冷凝得到蒸馏水流出。原水蒸发后剩余部分浓水，在蒸发冷凝器的底部从左侧流出；系统最终产生的浓水以结晶析出回收的方式实现零排放；采用热静力排空气阀或水力喷射泵，排除蒸发冷凝器内部的不凝气体。
针对日产水2吨的系统，蒸发冷凝系统的规格为全玻璃管1是10个，尺寸为外径内径大小100*95mm，长度1200mm，间隔为120mm。真空管内部的蒸发管7是3列，每列均分布3管，管子内外径大小为12*10mm，一列每管之间的间隙为3mm；各列管之间的间隙为8mm。真空管内部上方的原水直管6，外径内径大小为20*18mm，安装在中间列内部蒸发管7正上方。
如图3所示，原水直管6的顶部开有细缝，细缝长度细缝宽度与网格布8和9厚度相同，原水从网格布8和9引流出来，以水平降膜的方式在蒸发管7表面形成一层水膜，管壁网格布8为包裹着管壁的部分，管间网格布9为管间膜，网格布最下端没入壳管底部的浓水内，通过倒吸作用来提高原水利用率以及避免干燥结垢。
蒸发冷凝系统为模块化设计，每一根全玻璃真空管1为一个模块，图2为真空管模块单根壳管的内部结构示意图。
如图2所示，全玻璃真空管1的左侧口由上至下分别安装蒸汽分流器2和浓水出口。蒸汽分流器2靠右侧面顶部留有安放原水直管6的凹槽，长度10mm，深度8-9mm；中间是型似肋板的外圈，紧密贴合全玻璃真空管1的内壁，用作密封；底部设有浓水管，管径12*8mm，长度50mm；最右侧面上是均匀分布的通孔，连接内部蒸发管7左端口，以便将降温后的饱和蒸汽通入蒸发管7。全玻璃真空管1的右侧口分别安装原水出流器3、蒸馏水集流器4和蒸汽集流器5。原水出流器3和蒸汽集流器5是一体化设计，整体外壁呈现圆形，可以完全封住全玻璃真空管1的右侧出口，其中原水出流器3在上蒸汽集流器5在下。蒸馏水集流器4安装在原水出流器3和蒸汽集流器5的左侧，无缝贴合二者。原水出流器3高38.25mm，壁面厚度2mm，外壁呈现圆弧形，圆弧直径47.5mm，紧贴全玻璃真空管1的内壁；左侧开有直径为20.1mm的孔洞，以便连接全玻璃真空管1的内部原水直管6；原水出流器3右侧面有凸出右侧40mm的原水短管，直径为14*10mm，连接原水进水管路。蒸汽集流器5的左侧是近似半圆的凹面，便于流通蒸汽；蒸汽集流器5的右侧面有凸出右侧60mm的短管，短管直径32*28mm，连接蒸汽出口管路；外壁呈现圆弧形，外径为95mm，紧贴全玻璃真空管1的内壁，整个蒸汽集流器5壁厚2mm。蒸馏水集流器4的靠左侧顶端留有安放原水直管6的凹槽，凹槽长度是蒸馏水集流器4的长度，30mm，深度为8-9mm；左侧面上是各列均匀分布的通孔，蒸发管7右端口将全部安插在通孔内，以便将冷凝的蒸馏水汇集到蒸馏水集流器4；右侧面底端有凸出的短管，长90mm，外径内径大小为12*8mm，穿过蒸汽集流器5底端的通孔，连接蒸馏水出水管路。
运作过程：一个大气压下，原水经过系统的预热加热升温，以水平降膜的方式被薄面薄膜引流至蒸发管外壁，形成一层水膜。系统内部加热，水膜迅速蒸发产生大量蒸汽，蒸发温度控制在50-70℃。利用蒸汽管路将蒸汽输送至压缩机。蒸汽经过压缩机压缩升压升温形成过热蒸汽，过热蒸汽直接通入蒸发管，先在直管内部放热降温，降温至该压力下的饱和温度后由于相变换热，蒸汽冷凝变成蒸馏水，如此循环，完成每日产量2吨。

Claims (5)

1.一种全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，其特征在于，包括：蒸发冷凝器、压缩机、水泵、预热器和原水箱；水泵将原水从原水池抽取出来并经过预热器后进入原水箱，根据负荷从原水箱调用预热后的原水从侧面进入蒸发冷凝器，在蒸发冷凝器的壳管内蒸发后进入压缩机得到高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在蒸发冷凝器的侧面进入蒸发冷凝器内的蒸发管，与原水换热在蒸发管内冷凝，冷凝得到蒸馏水流出；原水蒸发后剩余部分浓水，在蒸发冷凝器的底部从左侧流出，系统最终产生的浓水以固体析出回收的方式实现零排放；采用热静力排空气阀或水力喷射泵，排除蒸发冷凝器内部的不凝气体；采用全玻璃异形管壳式换热器作为预热器对原水进行预热，加热水为冷凝得到的蒸馏水；原水走壳程，蒸馏水走管程；换热器的壳管为全玻璃真空管或单层玻璃直通管，内管为压成较扁的椭圆状玻璃管；玻璃管密集排列，管间距和椭圆短径取相同，椭圆短径和相邻椭圆管最小间距的取值范围在5-20mm。
2.如权利要求1所述的全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，其特征在于，在预热器和蒸发冷凝器之间设置一个原水箱，箱外设置保温层，当水温过低时利用太阳能、风能可再生能源将箱内原水加热到设计温度；原水箱存储预热之后的原水，使得预热器和蒸发冷凝器之间异步运行。
3.如权利要求1所述的全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，其特征在于，蒸发冷凝器外部采用直通式全玻璃管，作为蒸发冷凝器的外壳；直通式全玻璃管内部上方安置走原水的直管，下方均匀分布玻璃直管作为蒸发管；直通式全玻璃管的一侧口由上至下分别安装蒸汽分流器和浓水出口，一侧口分别安装原水出流器、蒸汽集流器和蒸馏水集流器。
4.如权利要求3所述的全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，其特征在于，建立蒸发冷凝器的传热模型并利用迭代法计算得到在单根蒸发管流量较低时总传热热阻的主要影响因素在蒸发侧，蒸发冷凝器的传热模型包括物料/盐分守恒方程(1)和(2)、蒸发冷凝器传热量守恒方程(3)、管内外传热系数计算公式(4)和(5)；
Mf＝Mb+Md (1)
Mf·Xf＝Mb·Xb+Md·Xd (2)
Mf·cp·(tb-tf)+Md·rb＝he·Ae·(td-tb) (3)
Figure FDA0003529630040000021
Figure FDA0003529630040000022
其中，Mf为原水流量，Mb为浓水流量，Md为淡水/蒸汽流量，Xf为原水盐度，Xb为浓水盐度，Xd为淡水/蒸汽盐度，cp为比热容，tb为浓水温度，tf为原水温度，rb为浓水气化潜热，he为总量传热系数，Ae为总量面积，td为淡水/蒸汽温度，hi为蒸发管内传热系数，λl为液体热导率，ρl为液体密度，ρv为气体密度，g为重力加速度，rd为淡水/蒸汽气化潜热，μl为动力粘度，di为蒸发管内直径，tw为蒸发管壁温度，ho为蒸发管外传热系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，Qe为总传热量。
5.如权利要求3所述的全玻璃管MVC低溶解度污水蒸发冷凝净化系统，其特征在于，蒸发冷凝器内部均匀分布的蒸发管外包裹有一层吸湿性好并相互连接的网格布，最顶端蒸发管上的网格布延伸至原水管，原水管上部开缝，网格布从缝中伸入原水管；最下的蒸发管的网格布有一头自由端下垂和玻璃壳内壁底面接触。
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