CN112591837A - 一种双效热泵冷冻海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

一种双效热泵冷冻海水淡化装置，涉及海水淡化技术领域，用于提高海水淡化效率、节约能源。它包括第一截止阀、淡水水箱、淡水泵、压缩机、四通换向阀、海水水箱侧盘管换热器、节流阀、淡水水箱侧盘管换热器、第二截止阀、海水水箱、结冰水位传感器、海水泵、控制器、液压千斤顶、电机、旋转盘和热泵系统主机。本发明利用热泵系统的蒸发器进行海水的冻结，然后通过冷凝器将冷冻的海水融化；克服了传统冷冻海水淡化不能直接产生液态淡水的缺点。热泵系统从海水中吸收热量，向淡水冰中释放热量，降低了热泵内制冷剂循环的蒸发冷凝温度，提高了系统运行的COP(能效比)，有效提高了海水淡化的经济效益。

Description

一种双效热泵冷冻海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体地说是一种双效热泵冷冻海水淡化装置。

背景技术

水域面积占地球总表面面积的2/3，地球上的水体总量达到14.5亿立方千米。虽然地球上的水资源十分丰富，但其中97.5％为海水，而在余下的2.5％的淡水中，由于存在大量难以利用的极地冰盖、高山冰川等，人类实际可利用的淡水只占全球水总量的0.32％。而随着全球人口的急剧增加和工业化及城市化的迅速发展，人类对全球淡水资源的需求不断增长，淡水资源匮乏已成为制约我国尤其是北部沿海地区社会经济可持续发展的瓶颈，海水淡化作为新的供给水源是解决淡水资源短缺的有效途径之一。

冷冻海水淡化是海水淡化的一种有效方式，其原理为：无机盐与有机杂质在水中的分配系数要比冰种的分配系数高一到两个数量级，因此在海水结冰过程中，前15％左右的冰内不含无机盐与有机杂质。由于水的凝固潜热要远小于汽化潜热(每气化1kg水可以凝固7.5kg的冰)，因此相对于蒸馏法海水淡化，冷冻海水淡化是相对节能的一种海水淡化方式。目前的冷冻法海水淡化主要包含：自然冷冻法、真空直接蒸发冷冻法、二次冷媒直接接触冷冻法。

自然冷冻法由于是利用冬季环境使海水自然结冰，其受地域与环境的限制明显。而真空直接蒸发冷冻法是以水为制冷剂，通过降低压力使海水一部分气化，吸收热量，从而使一部分海水凝固。由于需要营造真空环境，其存在设备操作复杂，初投资高的缺点。而二次冷媒直接接触冷冻法是通过加入冷冻剂使海水结冰，然而常用的丁烷冷冻剂会污染水体，因此其在使用时存在潜在的环境风险。此外，所有的冷冻海水淡化方法还都需要对冰进行解冻操作，而此还需要额外消耗能源，从而进一步增加了海水淡化的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双效热泵冷冻海水淡化装置，用于解决现有技术中海水淡化能耗高的问题，将热泵技术与冷冻海水淡化技术相结合，利用热泵从海水中吸收热量产生冰，通过旋转装置实现蒸发器和冷凝器的切换后释放热量将其淡水冰融化，从而达到制取淡水的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，它包括第一截止阀、淡水水箱、淡水泵、压缩机、四通换向阀、海水水箱侧盘管换热器、节流阀、淡水水箱侧盘管换热器、第二截止阀、海水水箱、结冰水位传感器、海水泵、控制器、液压千斤顶、电机、旋转盘和热泵系统主机，海水水箱和淡水水箱分别设置在热泵系统主机的左侧和右侧，在淡水水箱内设有淡水水箱侧盘管换热器，在海水水箱内设有海水水箱侧盘管换热器，在海水水箱内设有结冰水位传感器，结冰水位传感器所在的高度为海水水箱内所加入海水及海水水箱侧盘管换热器所占据体积和的1.12倍体积对应的液面高度；

热泵系统主机内设有压缩机，压缩机上的压缩机排气口、压缩机吸气口均与四通换向阀连通，四通换向阀还与海水水箱侧盘管换热器、淡水水箱侧盘管换热器连通；热泵系统主机内设有节流阀，节流阀与淡水水箱侧盘管换热器、节流阀与海水水箱侧盘管换热器之间均连接；热泵系统主机设置在旋转盘上，旋转盘转动安装在安装座上，安装座固定在竖向设置的液压千斤顶的活塞杆上；控制器与电机信号连接，用于控制电机的工作状态，控制器与第一截止阀、第二截止阀信号连接，用于控制第一截止阀、第二截止阀的工作状态。

进一步地，在淡水水箱上设有淡水进水口，在淡水进水口与淡水水箱之间设有第一截止阀。

进一步地，在海水水箱上设有海水进水口，在海水进水口与海水水箱之间设有第二截止阀。

进一步地，在海水水箱外侧设有海水泵，用于将海水水箱内的海水经海水排水口排出。

进一步地，在淡水水箱外侧设有淡水泵，用于将淡水水箱内的淡水经淡水排水口排出。

进一步地，控制器与海水泵、淡水泵的电磁阀均信号连接。

进一步地，淡水水箱侧盘管换热器和海水水箱侧盘管换热器均为带翅片的蛇形盘管式换热器，其铺展尺寸与水箱截面尺寸基本相同，淡水水箱侧盘管换热器和海水水箱侧盘管换热器浸没在海水水箱或淡水水箱中，且淡水水箱侧盘管换热器和海水水箱侧盘管换热器上侧紧贴水面。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，具有以下优点：

1)利用热泵系统的蒸发器进行海水的冻结，然后通过冷凝器将冷冻的淡水融化；克服了传统冷冻海水淡化不能直接产生液态淡水的缺点。

2)热泵系统从海水中吸收热量，向淡水冰中释放热量，降低了热泵内制冷剂循环的蒸发冷凝温度，提高了系统运行的COP(能效比)，有效提高了海水淡化的经济效益。

3)热泵系统的蒸发器与冷凝器设置为带翅片的盘管换热器，且换热器铺展在水箱内，起上侧与水箱内的水面平齐。优势在于在蒸发器侧可以利用水在结冰时的自然对流提高了水的结冰速率；在冷凝侧，则由于盘管换热器增加了与冰的接触面积，加速了冰的融化。此外，由于蒸发器上设置有翅片，在海水凝固时，并会附着在蒸发器的翅片上，使淡水冰雨蒸发器紧密结合，可以防止系统旋转时淡水冰的脱落。

4)控制器的设置，通过结冰水位传感器的传输信号控制液压千斤顶与旋转盘，精准的控制海水结冰量，保证淡水的纯度，达到对热泵蒸发器冷凝器位置变换的精准控制。

附图说明

图1为第一阶段热泵系统流程图；

图2为第二阶段热泵系统流程图；

图3为本发明的正视图；

图4为海水水箱内海水液面高度示意图；

图5为海水水箱内有12％的海水结冰时的液面高度示意图；

图6为海水水箱侧盘管换热器在海水水箱内的放置示意图；

图中：1淡水进水口，2第一截止阀，3淡水水箱，4淡水泵，5淡水排水口，6压缩机，6a压缩机排气口，6b压缩机吸气口，7四通换向阀，8海水水箱侧盘管换热器，9节流阀，10淡水水箱侧盘管换热器，11海水进水口，12第二截止阀，13海水水箱，14结冰水位传感器，15海水泵，16海水排水口，17控制器，18液压千斤顶，19电机，20旋转盘，21热泵系统主机，22安装座，23结冰水位传感器。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明主要包括第一截止阀2、淡水水箱3、淡水泵4、压缩机6、四通换向阀7、海水水箱侧盘管换热器8、节流阀9、淡水水箱侧盘管换热器10、第二截止阀12、海水水箱13、结冰水位传感器14、海水泵15、控制器17、液压千斤顶18、电机19、旋转盘20和热泵系统主机21，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图3所示，海水水箱13和淡水水箱3分别设置在热泵系统主机的左侧和右侧，在淡水水箱内设有淡水水箱侧盘管换热器10，在淡水水箱外侧淡水泵4，淡水泵用于将淡水水箱内的淡水经淡水排水口5排出。在淡水水箱上设有淡水进水口1，在淡水进水口与淡水水箱之间设有第一截止阀2。

在海水水箱内设有海水水箱侧盘管换热器8，如图6所示，海水水箱侧盘管换热器8在海水水箱内平铺设置，在海水水箱外侧设有海水泵15，用于将海水水箱内的海水经海水排水口16排出。海水水箱上设置有刻度，海水水箱内设有两个水位传感器，其中一个水位传感器用于监测海水水箱内海水是否充满，第二个水位传感器为结冰水位传感器，结冰水位传感器所在的高度为海水水箱内所加入海水及海水水箱侧盘管换热器所占据体积和的1.12倍体积对应的液面高度。无机盐与有机杂质在水中的分配系数要比冰的分配系数高一到两个数量级，因此在海水结冰过程中，则纯净的水先结冰，前15％左右的冰内不含无机盐与有机杂质。则15％左右的冰可认为淡水冰，而无机盐和其他杂质留在原液中。为了确保纯度，本方案中只留取12％的冰，通过设置结冰水位传感器监测到海水水箱中12％的水正好结冰的信号。

如图4、图5所示，海水水箱内只有海水时，海水液面高度为H1，由于海水水箱侧盘管换热器也要占据一定的体积，此时海水液面高度为H2。当海水水箱内有12％的海水结冰后，此时液面高度为H3。假设海水水箱侧盘管换热器的占用的体积为50L，每一个循环都往海水水箱内注入1000L海水(液面高度对应H1)，海水水箱侧盘管换热器完全浸没后海水液位在1050L(对应液面高度H2)刻度上。当本发明开始工作时冰开始附着在海水水箱侧盘管换热器上。由于水的密度为1000kg/m^3.，冰的密度为900kg/m³,当水变成冰时体积膨胀，每1L水变成冰体积增加0.11L，在结冰的同时液位会慢慢上升，当前12％的水，也就是120L水变成冰的时候，此时体积一共增加13.2L。则在1063.2L(1050+13.2L)(对应液面高度H3)刻度左右设置结冰水位传感器23，当液位超过此刻度时，压缩机停止工作，进行下一步的旋转操作，则附着在海水水箱侧盘管换热器上的冰跟着海水水箱侧盘管换热器进入淡水水箱。如果每次注入1000L海水就按照以上刻度设置结冰水位传感器；如果每次注入其他体积的海水，则进行相应换算后放置结冰水位传感器。

在海水水箱上设有海水进水口11，在海水进水口与海水水箱之间设有第二截止阀12。

热泵系统主机内设有压缩机6，压缩机上的压缩机排气口6a、压缩机吸气口6b均与四通换向阀7连通，四通换向阀还与海水水箱侧盘管换热器8、淡水水箱侧盘管换热器10连通。热泵系统主机内设有节流阀9，在节流阀与淡水水箱侧盘管换热器10、节流阀与海水水箱侧盘管换热器8之间均设有管路，这样通过节流阀9可以将海水水箱侧盘管换热器8和淡水水箱侧盘管换热器10连接在一起。四通换向阀与海水水箱侧盘管换热器8、淡水水箱侧盘管换热器10之间还相对固定连接，进而可以实现四通换向阀、水箱侧盘管换热器8和淡水水箱侧盘管换热器10的同步动作。

热泵系统主机21固定设置在旋转盘20上，旋转盘设置在在液压千斤顶18上方，在液压千斤顶的活塞杆上固定有水平设置的安装座22，旋转盘转动安装在安装座上，电机设置在安装座上，驱动旋转盘的旋转。通过电机驱动某一物体的旋转为本技术领域内的常用技术手段，可以在电机与旋转盘之间设置传动机构，如齿轮齿圈传动机构；齿圈固定在旋转盘底部，齿轮固定在电机输出端。这样，液压千斤顶可以将旋转盘、热泵系统主机、水箱侧盘管换热器8和淡水水箱侧盘管换热器10举起，旋转盘旋转时可以带动热泵系统主机、水箱侧盘管换热器8和淡水水箱侧盘管换热器10的旋转。控制器17与电机信号连接，用于控制电机的工作状态，进而控制旋转盘、液压千斤顶的工作状态。控制器与第一截止阀、第二截止阀、海水泵、淡水泵的电磁阀信号连接，用于控制第一截止阀、第二截止阀、海水泵、淡水泵的工作状态。

本发明的工作原理是:

(1)控制器17控制第一截止阀2与第二截止阀12打开，此时淡水经淡水进水口1进入淡水水箱内，并使得淡水水箱内充满淡水，海水经海水进水口11进入海水水箱内，并使得海水水箱充满海水。

(2)随后压缩机6启动，制冷剂蒸汽通过压缩机排气口6a排出，经四通换向阀7进入淡水水箱侧盘管换热器10内，向淡水水箱3内释放热量，淡水水箱内水温升高。

(3)淡水水箱侧盘管换热器10排出的制冷剂经节流阀9节流降压后，进入海水水箱侧盘管换热器8吸收海水的热量，使海水结冰。

(4)从淡水水箱侧盘管换热器10排出的制冷剂经四通换向阀7从压缩机吸气口6b返回压缩机6；在此过程中，海水水箱侧盘管换热器8上逐渐形成淡水冰。

(5)当海水水箱内有12％的海水结成冰时，因冰的体积大于海水，因此海水水箱内水位上涨，第二个水位传感器检测到水位信号，结冰水位传感器14将电信号传输到控制器17，此时压缩机6停止工作，控制器控制电机19工作驱动液压千斤顶18提升热泵系统主机21、海水水箱侧盘管换热器8和淡水水箱侧盘管换热器10的高度，使海水水箱侧盘管换热器8高于海水水箱13、淡水水箱侧盘管换热器10的高度高于淡水水箱3。

(6)电机19驱动旋转盘20旋转，使得海水水箱侧盘管换热器8与淡水水箱侧盘管换热器10位置交换；随后电机19控制液压千斤顶18回落，使海水水箱侧盘管换热器8浸入淡水水箱3中；使淡水水箱侧盘管换热器10浸入海水水箱13中。

(7)控制器17控制第二截止阀12与海水泵15开启，使已经析出淡水冰的高浓度海水在海水泵15的抽取下经海水排水口16排出，淡海水通过海水进水口11进入海水水箱13并将其充满。

(8)当上述过程完成时，控制器17控制压缩机6再次启动海水水箱侧盘管换热器8作为热泵系统的冷凝器，使上一个步骤凝结在海水水箱侧盘管换热器8上的淡水冰融化；淡水水箱侧盘管换热器10作为蒸发器吸收海水水箱13内的热量，再次在淡水水箱侧盘管换热器10上形成淡水冰；之后重复上述操作，做到持续输出淡水。

冷冻脱盐技术为现有技术，当水中含有无机盐或其他有机杂质时，会导致冰点降低，此时将水冷却到冰点以下，则纯净的水先结冰，而无机盐和其他杂质留在原液中。当液体温度继续下降时，随着大部分水逐渐凝结成冰，原液中盐的浓度越来越高，到一定程度后水和无机盐以及其他有机杂质会一起结晶。

本发明的有益效果是：

1)利用热泵系统的蒸发器进行海水的冻结，然后通过冷凝器将冷冻的淡水融化；克服了传统冷冻海水淡化不能直接产生液态淡水的缺点。

2)热泵系统从海水中吸收热量，向淡水冰中释放热量，降低了热泵内制冷剂循环的蒸发冷凝温度，提高了系统运行的COP(能效比)，有效提高了海水淡化的经济效益。

3)热泵系统的蒸发器与冷凝器设置为带翅片的盘管换热器，且换热器铺展在水箱内，起上侧与水箱内的水面平齐。优势在于在蒸发器侧可以利用水在结冰时的自然对流提高了水的结冰速率；在冷凝侧，则由于盘管换热器增加了与冰的接触面积，加速了冰的融化。此外，由于蒸发器上设置有翅片，在海水凝固时，并会附着在蒸发器的翅片上，使淡水冰雨蒸发器紧密结合，可以防止系统旋转时淡水冰的脱落。

4)控制器的设置，通过结冰水位传感器的传输信号控制液压千斤顶与旋转盘，精准的控制海水结冰量，保证淡水的纯度，达到对热泵蒸发器冷凝器位置变换的精准控制。

双效热泵冷冻海水淡化装置在工作时以海水作为低温热源，以凝结后的淡水冰作为高温热源。假设海水的温度为25℃，海水的凝固点为-1℃，换热器的换热温差为10摄氏度，则双效热泵冷冻海水淡化装置的蒸发温度为-11℃，冷凝温度为9℃(在开始阶段双效热泵冷冻海水淡化装置的冷凝器从淡水水箱中预加注的淡水作为高温热源，故而冷凝温度为35℃)，热泵系统的运行效率为0.6。则根据热泵系统的COP(能效比)为7.86，由水的凝固潜热为334kJ/kg，则可以得到双效热泵冷冻海水淡化装置在运行时所产生的淡水的理论耗电为11.8度/吨，成本为6.49元/吨。极大地降低了海水淡化的成本。

Claims (6)

1.一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，它包括第一截止阀、淡水水箱、淡水泵、压缩机、四通换向阀、海水水箱侧盘管换热器、节流阀、淡水水箱侧盘管换热器、第二截止阀、海水水箱、结冰水位传感器、海水泵、控制器、液压千斤顶、电机、旋转盘和热泵系统主机，海水水箱和淡水水箱分别设置在热泵系统主机的左侧和右侧，在淡水水箱内设有淡水水箱侧盘管换热器，在海水水箱内设有海水水箱侧盘管换热器，在海水水箱内设有结冰水位传感器，结冰水位传感器所在的高度为海水水箱内所加入海水及海水水箱侧盘管换热器所占据体积和的1.12倍体积对应的液面高度；

热泵系统主机内设有压缩机，压缩机上的压缩机排气口、压缩机吸气口均与四通换向阀连通，四通换向阀还与海水水箱侧盘管换热器、淡水水箱侧盘管换热器连通；热泵系统主机内设有节流阀，节流阀与淡水水箱侧盘管换热器、节流阀与海水水箱侧盘管换热器之间均连接；热泵系统主机设置在旋转盘上，旋转盘转动安装在安装座上，安装座固定在竖向设置的液压千斤顶的活塞杆上；控制器与电机信号连接，用于控制电机的工作状态，控制器与第一截止阀、第二截止阀信号连接，用于控制第一截止阀、第二截止阀的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，在淡水水箱上设有淡水进水口，在淡水进水口与淡水水箱之间设有第一截止阀。

3.根据权利要求1所述的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，在海水水箱上设有海水进水口，在海水进水口与海水水箱之间设有第二截止阀。

4.根据权利要求1所述的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，在海水水箱外侧设有海水泵，用于将海水水箱内的海水经海水排水口排出。

5.根据权利要求1所述的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，在淡水水箱外侧设有淡水泵，用于将淡水水箱内的淡水经淡水排水口排出。

6.根据权利要求1所述的一种双效热泵冷冻海水淡化装置，其特征是，控制器与海水泵、淡水泵的电磁阀均信号连接。

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