CN112629280B - 一种高效的全热及水分回收装置、海水淡化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效的全热及水分回收装置、海水淡化系统和方法，所述全热及水分回收装置，包括表冷器和换热器；所述表冷器包括气体分配室、设置于气体分配室上方的储液室、排列于气体分配室内的若干个换热管；所述换热器具有与表冷器的储液室连通的第一流道和与冷源连接的第二流道，所述换热器用于将表冷器输送到第一流道的水与第二流道的冷源换热；所述第一流道的出水口附近还设有用于排出第一流道中多余的水的排液口。所述海水淡化系统包括所述全热及水分回收装置以及加热器和气扫式膜式组件；本发明结构简单而紧凑，具备较小的体积，传热过程仅有少量能量损耗，可显著提高高湿空气中的全热回收率，大幅提高了能源转化率和能源利用率。

Description

一种高效的全热及水分回收装置、海水淡化系统和方法

技术领域

本发明涉及热回收领域，具体涉及一种高效的全热及水分回收装置、海水淡化系统和方法。

背景技术

工业领域对能量的需求巨大，最大化提高能源的利用率显得尤为重要，对于能源的二次利用以及循环使用能极大程度上提高能源的利用率。在工业生产的过程中，其产生的高湿气体所包含的全热的量和水分是巨大的，如果将其直接排向大气，则会浪费大量的能源。因此需要采取有效的措施对这部分高湿高温空气进行全热及水分回收，同时提高能源的利用率。

传统的热回收方式包轮转式换热器回收、板翅式换热器回收、热管式换热器回收、中间媒体式换热器回收。轮转式换热器主要通过附着在转轮上的干燥剂将来自高湿度的空气流里的湿气冷凝后吸收，旋转至另一侧将湿气释放到低湿度气流中，由此完成潜热转移，并通过转轮芯(蓄热体)进行热湿交换。但其装置较大，占用建筑面积和空间较大，且有传动设备，自身需要消耗动力；板翅式换热器利用特殊的纸质材料或铝泊装配成上下各层间隔而成的通道，进风通过单数层通道，排风通过双数层通道，通过空气与层板的接触传递热量，由此完成对能量的回收利用。但其仅适用于一般空调工程，选用具有局限性，且易脏堵、不易清洗、阻力较大。热管式换热器主要靠热管内工质的相变完成热量传递。但其只能回收显热，不能回收潜热；中间媒体式换热器在全热回收方面效率低，且只能回收显热。

公告号为CN207738619U的中国实用新型专利公开了一种具有全热回收箱的污泥干化系统。其主要通过将排出的湿热气体经由转轮式全热回收器进行热量回收，由网带干燥机进行干燥处理，而后对将废气升温成热干空气以供系统循环使用。但其自身设备量较多，装置较大，占地面积和空间都较大，且有传动设备，自身需要消耗动力。

公开号为CN101793469A的中国发明专利公开了一种将物料干燥后的废气中水分和废热回收利用的空冷系统，含水蒸气的废气走空冷散热器换热元件内部，经过空冷散热器与外部空气进行热交换，空气把废气中的热量带走，废气中部分水份冷凝成水，达到回收废热和水分的目的。但在空气与湿废气进行热交换时，湿废气冷却过程中只有少部分水蒸气冷凝成水，仅回收了废气中的少量潜热。且在冷凝管道中，大量的废气潜热在这一工段被浪费。

发明内容

本发明旨在针对现有技术中的不足，提供一种高效的全热及水分回收装置、海水淡化系统和方法，用于回收高温高湿空气中的全热和水分，以及用于进行海水淡化。其结构简单而紧凑，具备较小的体积，传热过程仅有少量能量损耗，可显著提高高湿空气中的全热回收率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种高效的全热及水分回收装置，其特征在于，包括表冷器和换热器；

所述表冷器包括气体分配室、设置于气体分配室上方的储液室，以及阵列排列于气体分配室内的若干个换热管；所述换热管包括中空管体和气泡发生器，所述中空管体的下端垂直连接于储液室的底面，并穿过储液室的底面与气体分配室连通，所述气泡发生器固定于中空管体的下端内部，用于将气体分配室中的气体通入储液室中；所述储液室的侧壁上开设有进液孔和出液孔，所述气体分配室的侧壁上开设有进气孔；所述换热管的中空管体作为纯净水介质和湿热空气进行全热和水分交换的场所；所述进气孔与待回收全热及水分的湿热空气源连接；

所述换热器具有第一流道和第二流道，所述第一流道通过管路与表冷器的储液室连通；所述第二流道的进水口与冷源连接；所述换热器用于将表冷器输送到第一流道的水与第二流道的冷源换热；

其中，所述第一流道的进水口通过第一管路连接到表冷器的出液孔，第一流道的出水口通过第二管路连接到表冷器的进液孔；所述第一流道的出水口附近还设有有排液口，用于排出第一流道中多余的水。

作为优选的技术方案，所述第一管路或第二管路上设有输液泵，所述输液泵用于驱动水在表冷器和换热器之间循环流动。

作为优选的技术方案，所述表冷器的储液室中，进液孔和出液孔设置于储液室相对两侧的侧壁上，且进液孔的位置高于出液孔的位置。

作为优选的技术方案，在所述表冷器中，所述储液室的顶面开口。

作为优选的技术方案，所述换热管中的中空管体为不锈钢管。

作为优选的技术方案，所述中空管体的上部侧面设有排液孔。

作为优选的技术方案，所述表冷器中，储液室内的换热管呈矩形、正方形或三角形阵列分布。

作为优选的技术方案，所述换热器内设有搅拌器，用于使第一流道和第二流道中的液体产生对流。

本发明还提供了一种海水淡化系统，其特征在于，包括所述的全热及水分回收装置以及加热器和气扫式膜式组件；

所述气扫式膜式组件包括空气流道和液体流道，所述空气流道和液体流道之间设有半透膜，用于使液体流道中的水分穿过半透膜进入空气流道中；

所述换热器的第二流道的进水口与待淡化的海水源连接，第二流道的出水口经过加热器连接到气扫式膜式组件的液体流道入口；所述气扫式膜式组件的空气流道入口与干燥空气源连接，空气流道出口与表冷器的进气孔连接。

本发明还提供了一种海水淡化方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、准备工作：在装置启动时，向表冷器的换热管和储液室中注入适量的纯净水；

S2、海水转换：将待淡化处理的海水从换热器的第二流道的进水口通入，经加热器加热后流经气扫式膜式组件的液体流道；将干燥的新风通入气扫式膜式组件的空气流道；液体流道的海水中的水分和热量经过半透膜传递到空气流道的空气中，使得空气流道出口排出高温高湿的湿热空气；

S3、回收全热及水分：将步骤S2所得湿热空气通过进气孔通入表冷器的气体分配室中；换热管的气泡发生器将湿热空气转换成大量密集的微小气泡通入到中空管体中并与低温纯净水充分接触，使气泡中包含的水蒸气遇冷冷凝形成冷凝水，同时吸收气泡中的热量形成高温液态水；中空管体中的水的体积逐渐增大，并从排液孔溢出至储液室中；储液室经过出液孔和输液泵将高温液态水输送至换热器的第一流道；多余的空气则从储液室的顶部上方作为废气排出；

S4、将回收的全热及水分输出利用：在换热器中，将需要预热的低温海水从第二流道的进水口通入，和第一流道中的高温液态水进行换热，实现对低温海水的预热，预热后的海水通入加热器并重新执行步骤S2；表冷器输入的高温液态水经换热后已损耗大部分热量，成为较低温度的液态水，一部分从第一流道的出水口流回到表冷器的储液室中再次利用，另一部分多余的液态水从第一流道的排液口排出，实现海水的淡化。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明结构简单而紧凑，具备较小的体积，传热过程仅有少量能量损耗，可显著提高高湿空气中的全热回收率，大幅提高了能源转化率和能源利用率。

2、本发明采用气泡发生器增大了液体与湿热气体的接触面积，更高效地完成了气液之间的热交换；同时采用特殊的换热管在传热过程中降低了能量的耗损，使传热过程接近等温运行，具有较高的能源转化率。进一步地，本发明采用循环式结构，使能源得以二次利用，大大提升了能源利用率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种高效的全热及水分回收装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的换热管的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种海水淡化系统的结构示意图。

附图标号说明：

1.储液室；2.换热管；3.进液孔；4.气体分配室；5.进气孔；6.出液孔；71.第一管路；72.第二管路；8.进水口；9.换热器；10.排液口；11.表冷器；12.液体流道入口；13.空气流道入口；14.气扫式膜式组件；15.输液泵；16.加热器；21.中空管体；22.排液孔；23.气泡发生器；

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种高效的全热及水分回收装置，包括表冷器11和换热器9。

具体地，所述表冷器11包括气体分配室4、设置于气体分配室4上方的储液室1，以及阵列排列于储液室1内的若干个换热管2。结合图2所示，所述换热管2包括中空管体21和气泡发生器23，所述中空管体21的下端垂直连接于储液室1的底面，并穿过储液室1的底面与气体分配室4连通，所述气泡发生器23固定于中空管体21的下端内部，用于将气体分配室4中的气体通入储液室1中；所述储液室1的侧壁上开设有进液孔3和出液孔6，所述气体分配室4的侧壁上开设有进气孔5；所述换热管2的中空管体21内装有纯净水，所述进气孔5与待回收全热及水分的湿热空气源连接。其中，气泡发生器23能够利用气体分配室4中的气体产生数量多且密集的气泡，通入中空管体21内的纯净水中。

所述换热器9具有第一流道和第二流道，所述第一流道通过管路与表冷器11的储液室1连通；所述第二流道的进水口8与冷源连接；所述换热器9用于将表冷器11输送到第一流道的水与第二流道的冷源换热。作为改进，所述换热器9内还设有搅拌器，用于使第一流道和第二流道中的液体产生对流，加快换热效率。

其中，所述第一流道的进水口通过第一管路71连接到表冷器11的出液孔6，第一流道的出水口通过第二管路72连接到表冷器11的进液孔3；所述第一流道的出水口附近还设有有排液口10，用于排出第一流道中多余的水。

作为改进，所述第一管路71或第二管路72上设有输液泵15，用于驱动水在表冷器11和换热器9之间循环流动。本实施例中，所述输液泵15设置于第一管路71上。作为改进，还可以在第一管路或第二管路上设置单向阀，以保证水的流动方向。

进一步地，所述表冷器11的储液室1中，所述进液孔3和出液孔6设置于储液室1相对两侧的侧壁上，且进液孔3的位置高于出液孔6的位置，以防止储液室1中的水逆流。

进一步地，在表冷器11中，所述储液室1的顶面开口。

结合图2所示，在本实施例中，所述换热管2中的中空管体21为不锈钢管。所述中空管体21的上部侧面设有排液孔22。当气泡发生器23将气体分配室4中的湿热空气以气泡的形式通入中空管体21内的纯净水中时，湿热空气中包含的热量和水分被纯净水吸收，使得纯净水的总体体积增加，进而通过中空管体21上方的排液孔22溢出，流入到储液室1中。

进一步地，所述表冷器11中，储液室1内的换热管2呈矩形、正方形或三角形阵列分布。在本实施例中，所述换热管2呈矩形阵列分布。

本发明实施例提供的一种高效的全热及水分回收装置的工作过程如下：

S1、准备工作：在装置启动时，向表冷器11的换热管2中注入适量的纯净水，同时，也向储液室1中注入少量的纯净水，以满足装置的基本运转需求。

S2、回收全热及水分：注水完毕后，将待回收全热及水分的湿热空气通过进气孔5通入气体分配室4中。其中，所述待回收全热及水分的湿热空气可以是食品加工(干燥等)、化工(海水淡化等)、制造业(锅炉蒸汽等)等工业生产过程中产生的各种高湿空气。

在表冷器11中，所述换热管2的气泡发生器23将湿热空气转换成大量密集的微小气泡通入到中空管体21的纯净水内；在中空管体21中，大量密集的微小气泡与纯净水充分接触，高效换热。低温的纯净水使气泡中包含的水蒸气遇冷冷凝形成冷凝水，同时吸收气泡中的热量形成高温液态水，至此实现了湿热空气中的全热及水分回收，多余的空气则从储液室1的顶部上方作为废气排出。

在这过程中，中空管体21中的水的体积逐渐增大，并从排液孔22溢出至储液室1中；储液室1经过出液孔6和输液泵15将高温液态水输送至换热器9的第一流道。

S3、将回收到的全热及水分输出利用：在换热器9中，将需要加热的冷源从第二流道的进水口8通入，以和第一流道中的高温液态水进行换热；冷源经换热后从第二流道的出水口流出，进而将热量携带至外部使用；表冷器11输入的高温液态水经换热后已损耗大部分热量，成为较低温度的液态水。一方面换热后的一部分液态水从第一流道的出水口流回到表冷器11的储液室1中再次利用，另一方面，多余的液态水从第一流道的排液口10排出，供外部使用。

至此，本发明实施例对湿热空气完成了一次全热及水分的回收，并完成了能源的循环利用，如此循环反复，可以实现连续的全热及水分回收。

在以上过程中，各个中空管体21能够使各个气泡发生器23产生的气泡互相间隔开，避免相互干扰，确保气液接触的均匀性和充分性，中空管体21侧面的排液孔22能够使内部吸湿吸热后的液态水流到外部，使中空管体21内外的液态水混合均匀，同时防止液态水从中空管体21上端溢出，起到了一定的气液分离作用。

实施例二

本实施例提供了一种海水淡化系统及其方法，是实施例一的一种具体应用场景。如图3所示，本发明实施例的一种海水淡化系统，包括实施例一所述的全热及水分回收装置，还包括加热器16和气扫式膜式组件14。

其中，所述气扫式膜式组件14包括空气流道和液体流道，所述空气流道和液体流道之间设有半透膜，用于使液体流道中的水分穿过半透膜进入空气流道中。

具体地，所述换热器9的第二流道的进水口8与待淡化的海水源连接，第二流道的出水口经过加热器16连接到气扫式膜式组件14的液体流道入口12；所述气扫式膜式组件14的空气流道入口13与干燥空气源(新风)连接，空气流道出口与表冷器11的进气孔5连接。

本实施例中，关于全热及水分回收装置的技术细节与实施例一相同，在此不再赘述。

本实施例提供的一种海水淡化系统的工作方法及原理如下：

S1、将待淡化处理的海水从换热器9的第二流道的进水口8通入，海水经加热器16加热后流经气扫式膜式组件14的液体流道；将干燥的新风通入气扫式膜式组件14的空气流道。其中，使用加热器16对海水加热的目的是提高海水在气扫式膜式组件14中的水分渗透效率。

在气扫式膜式组件14中，液体流道的海水中的水分经过半透膜传递到空气流道的空气中，同时，海水的热量也传递到空气流道的空气中，使得空气流道出口排出高温高湿的湿热空气。

S2、湿热空气经过表冷器11后，其中包含的全热和水分被收集并输送到换热器9的第一流道中。

S3、在换热器9中，第一流道中的高温液态水与第二流道中的低温海水换热，实现对海水的预热；同时，换热后形成的液态水从换热器9的排液口10排出，实现海水的淡化。

S4、在换热器9中预热后的海水，输送到加热器16中加热并依照以上流程持续完成淡化过程。

在以上过程中，海水通过气扫式膜式组件14将水分和热量传递到空气中，形成湿热空气，随后又通过表冷器实现全热和水分的回收。最后回收的水分从换热器排出，回收的热量则在换热器中用于对后续待淡化的海水进行预热。回收的热量能够有机地融合于海水淡化的整个过程中，得到了合理而有效的利用。同时，淡化后的海水通过表冷器11和换热器9得到了充分的收集。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高效的全热及水分回收装置，其特征在于，包括表冷器和换热器；

所述表冷器包括气体分配室、设置于气体分配室上方的储液室，以及阵列排列于气体分配室内的若干个换热管；所述换热管包括中空管体和气泡发生器，所述中空管体的下端垂直连接于储液室的底面，并穿过储液室的底面与气体分配室连通，所述气泡发生器固定于中空管体的下端内部，用于将气体分配室中的气体通入储液室中，所述中空管体的上部侧面设有排液孔；所述储液室的侧壁上开设有进液孔和出液孔，所述气体分配室的侧壁上开设有进气孔；所述换热管的中空管体作为纯净水介质和湿热空气进行全热和水分交换的场所；所述进气孔与待回收全热及水分的湿热空气源连接；

所述换热器具有第一流道和第二流道，所述第一流道通过管路与表冷器的储液室连通，在所述表冷器中，所述储液室的顶面开口；所述第二流道的进水口与冷源连接；所述换热器用于将表冷器输送到第一流道的水与第二流道的冷源换热；

其中，所述第一流道的进水口通过第一管路连接到表冷器的出液孔，第一流道的出水口通过第二管路连接到表冷器的进液孔；所述第一流道的出水口附近还设有排液口，用于排出第一流道中多余的水。

2.根据权利要求1所述的高效的全热及水分回收装置，其特征在于，所述第一管路或第二管路上设有输液泵，所述输液泵用于驱动水在表冷器和换热器之间循环流动。

3.根据权利要求1所述的高效的全热及水分回收装置，其特征在于，所述表冷器的储液室中，进液孔和出液孔设置于储液室相对两侧的侧壁上，且进液孔的位置高于出液孔的位置。

4.根据权利要求1所述的高效的全热及水分回收装置，其特征在于，所述换热管中的中空管体为不锈钢管。

5.根据权利要求1所述的高效的全热及水分回收装置，其特征在于，所述表冷器中，储液室内的换热管呈矩形或三角形阵列分布。

6.根据权利要求1所述的高效的全热及水分回收装置，其特征在于，所述换热器内设有搅拌器，用于使第一流道和第二流道中的液体产生对流。

7.一种海水淡化系统，其特征在于，包括权利要求1至6任一所述的全热及水分回收装置以及加热器和气扫式膜式组件；

所述气扫式膜式组件包括空气流道和液体流道，所述空气流道和液体流道之间设有半透膜，用于使液体流道中的水分穿过半透膜进入空气流道中；

所述换热器的第二流道的进水口与待淡化的海水源连接，第二流道的出水口经过加热器连接到气扫式膜式组件的液体流道入口；所述气扫式膜式组件的空气流道入口与干燥空气源连接，空气流道出口与表冷器的进气孔连接。

8.一种海水淡化方法，其特征在于，包括权利要求7所述的一种海水淡化系统，包含以下步骤：

S1、准备工作：在装置启动时，向表冷器的换热管和储液室中注入适量的纯净水；

S2、海水转换：将待淡化处理的海水从换热器的第二流道的进水口通入，经加热器加热后流经气扫式膜式组件的液体流道；将干燥的新风通入气扫式膜式组件的空气流道；液体流道的海水中的水分和热量经过半透膜传递到空气流道的空气中，使得空气流道出口排出高温高湿的湿热空气；

S3、回收全热及水分：将步骤S2所得湿热空气通过进气孔通入表冷器的气体分配室中；换热管的气泡发生器将湿热空气转换成大量密集的微小气泡通入到中空管体中并与低温纯净水充分接触，使气泡中包含的水蒸气遇冷冷凝形成冷凝水，同时吸收气泡中的热量形成高温液态水；中空管体中的水的体积逐渐增大，并从排液孔溢出至储液室中；储液室经过出液孔和输液泵将高温液态水输送至换热器的第一流道；多余的空气则从储液室的顶部上方作为废气排出；

S4、将回收的全热及水分输出利用：在换热器中，将需要预热的低温海水从第二流道的进水口通入，和第一流道中的高温液态水进行换热，实现对低温海水的预热，预热后的海水通入加热器并重新执行步骤S2；表冷器输入的高温液态水经换热后已损耗大部分热量，成为较低温度的液态水，一部分从第一流道的出水口流回到表冷器的储液室中再次利用，另一部分多余的液态水从第一流道的排液口排出，实现海水的淡化。

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