CN1142106C - 喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器 - Google Patents

Abstract

一种海水淡化器，设太阳能加热器、水泵、喷雾推进通风蒸发段、冷凝段，余热回收段及水换热器，淡水箱等。本发明还提出了立式布置的蒸发冷凝器。利用喷雾推进雾化装置(中国发明专利)使加热海水强制蒸发，并在喷射冷水和冷风作用下使热空气冷凝成淡水以及太阳能、风能等方便能源的利用。实现结构简单，运行可靠，操作方便，淡化成本低，能耗低，效率高。用于海水淡化，苦咸水及污水处理，蒸发浓缩，结晶，循环水冷却，射流冷热机等。

Description

喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器

喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器，属射流传热传质设备。

现有海水淡化的原理和工艺方法有多种。生产中常用的方法有三种：一、蒸发法；二、反渗透法；三、电渗析法。蒸发法又经常采用：1、多效闪蒸法；2、竖管蒸馏法；3、热泵蒸发法。各种方法的经济效益、能耗，受具体条件的影响。比如生产规模、地区条件，能源情况和用户要求等。因而各自有自己的生存空间。这些方法都属于高技术的领域，有的设备庞大，有的操作复杂，维护要求高。蒸发法能耗大小，取决于排出尾气和淡水带走的热量。排出尾气和淡水温度越高，能耗越大。排出尾气和淡水温度越低，能耗越小。因此，降低尾气和淡水的温度或对尾气能量的重复利用便是节能的关键。蒸发法的生产规模取决于蒸发器的蒸发强度和加热面积。蒸发强度越高，加热面积越大，生产能力就越大，反之则越小。常规的蒸发法需要蒸汽锅炉，热泵压缩机，蒸发器、冷凝器、换热器等一系列复杂设备。价格昂贵，淡水成本高，推广应用难度大。

太阳能和冷空气是取之不尽的方便能源。利用热空气降温提取淡水是一条极为理想的途径。蒸发式海水淡化的工艺流程大体上有：海水加热、蒸发、除盐、蒸汽冷凝，余热回收再利用几个部分。

就喷雾推进通风蒸发的效果而言，现有重力回水二次喷雾推进通风冷却塔(中国发明专利97.107721.5)运行实践表明；一座50T/h冷却塔，工作压力0.15Mpa，夏季进水温度108℃，出口温度52℃，温降56℃，水泵功率约4KW。另一座1000T/h的冷却塔的降温数据为，大气干球温度34℃，湿球温度28℃，进水温度51℃，出水温度34℃，温降17℃。按蒸发原理，水温每降6℃，蒸发1％的水量。这样前者蒸发水量约4.5T/h，后者蒸发的水量约28T/h。这样仅蒸发而言，前者为1.1吨水/度电，后者为0.33吨水/度电，平均为0.72吨水/度电。上述数据表明喷雾推进通风蒸发技术是一种低能耗的蒸发技术，而且通过进一步的改进和工艺参数的调整，能耗完全可以进一步下降，因此可以用于海水淡化蒸发系统中。获得低成本的冷凝水，是蒸发法海水淡化的另一关键课题。常规的方法是采用液一液换热器。在大型空调系统中则采用喷水降温除湿。直接喷雾除湿有很高的效率和传热速度。通常风温比水温高1～3℃，根据水蒸汽的性质，冷凝1吨蒸汽大约需要236×10⁴KJ的冷量，即1∶30-1∶70的气水比。实践和理论计算均说明，采用冷风和冷水混合冷凝湿热空气分离淡水，是一种理想而现实的方法。

本发明的目的，正是针对上述海水淡化现状及喷雾推进通风装置的实践和理论分析结果，提供一种喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器，实现简化设备，降低淡化成本，降低能耗，提高效率。

本发明的目的是用如下方式实现的：

本发明采用如下措施降低能耗，提高效率：

1、采用太阳能加热器加热海水；2、采用低能耗的喷雾推进雾化装置(中国发明专利ZL90106170.0；001.12630X)雾化并抽风。3、采用风冷和水冷并用的方式，直接冷凝。4、充分借助海洋和陆上自然风能进行喷雾蒸发冷凝。5、选择理想的运行参数。6、利用冷海水喷雾回收余热，降低尾气温度。7、加换热器回收淡水余热，降低排水温度。8、采用能吸收太阳幅射热的蒸发风道。

本发明根据冷热湿空气含水量差别大的特性，利用喷雾推进通风原理，用太阳能加热器将海水加热至80～150℃，通过喷雾装置喷雾通风，使海水强制蒸发于冷风中，增热增湿带走水份，又利用喷雾推进雾化装置喷射冷淡水并抽吸大量冷风，对湿热空气进行冷却去湿，提取淡水。

本发明技术方案如下：

喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器，其特征是沿海水淡化流程方向顺次设置和连接海水加热器7，喷雾推进通风蒸发段a，喷雾推进通风冷凝段b，水换热器8，与用户相连的淡水箱9；上述蒸段和冷凝段内分别设有由进水管1a₁、1b₁，分别与水泵2a、2b，海水加热器7和淡水箱9出水口连通的喷雾推进雾化装置1a、1b，且该两装置分别置于蒸发风道4a和冷凝风道4b内，风道内分别设有排水口的蒸发集水槽6a和冷凝集水槽6b，并经排水口分别与海水加热器7和水换热器8水路入口连通；蒸发风道4a与冷凝风道4b风路连通。为了利用尾气热量，本发明设喷雾推进通风尾气热量回收段C，其内设有：由进水管1c₁与水泵2c、水换热器8出水口连通的喷雾推进雾化装置1c，该装置置于回收风道4c内，其风道内设有排水口的回收集水槽6c，并经排水口与海水加热器7水路入口连通；回收风道4c和冷凝风道4b风路连通。

本发明同时提出了如下两种喷雾推进通风蒸发冷凝器，其原理、结构、性能与本发明上述喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器相同，即必要特征完全相同，仅是蒸发风道，冷凝风道布置方向改变。此两种蒸发冷凝器均能用于上述海水淡化器中，其技术方案如下：

一种喷雾推进通风蒸发冷凝器，其特征是设有竖向喷雾推进通风蒸发段a，竖向喷雾推进通风冷凝段b，各段内分别设有由进水管1a₁、1b₁分别与外部水泵2a、2b，外部供高温水装置7_b和供冷水装置9_b出水口连通的喷雾推进雾化装置1a、1b；该两装置分别置于竖向蒸发风道4a和竖向冷凝风道4b内，风道内分别设开有排水口的蒸发集水槽6a和冷凝集水槽6b，并经排水口与供高温水装置7_b和降水温装置9_a水路入口连通；蒸发风道与冷凝风道风路连通。

一种喷雾推进通风蒸发冷凝器，其特征是设斜向一竖向喷雾推进通风蒸发段a和竖向喷雾推进通风冷凝段b，各段分别设有由进水管1a₁、1b₁与外部水泵2a、2b外部供高温水装置7和供冷水装置9出水口连通的喷雾推进雾化装置1a、1b，该两装置分别置于斜向蒸发风道4a₁和竖向冷凝风道4b内，风道内分别设有排水口的蒸发集水槽6a和冷凝集水槽6b，并经排水口与外部供高温水装置7和降水温装置9水路入口连通；蒸发风道4a₂与冷凝风道4b风路连通。

本发明上述“海水淡化器”和“蒸发冷凝器”中各段内的喷雾推进雾化装置1a、1b、1c可按需要选用中国专利“喷雾推进雾化装置”(ZL90106170.0)或“外旋式喷雾推进抽风装置”(ZL00112630.X)或“组合式旋流雾化喷头”(ZL98229487.5)。在竖向布置的蒸发冷凝器中的喷雾推进雾化装置1a，若采用前述“组合式旋流雾化喷头”则装设位置使喷射方向对准塔中部回水槽上方隔离网，(详见图6和实施例4)。

附图说明

图1喷雾推进通风蒸发—冷凝式海水淡化器流程

图2全部装设喷雾推进雾化装置1的水平布置海水淡化器

图3全部装设组合式旋流雾化喷头12的水平布置海水淡化器

图4下部安装上喷型喷雾推进雾化装置1a，上部安装下喷喷雾推进雾化装置1b的竖向蒸发冷凝器。

图5全部安装下喷雾化装置1a、1b的竖向蒸发冷凝器。

图6下部安装组合式旋流雾化喷头12a，上部装下喷装置1b的竖向蒸发冷凝器。

图7蒸发风道内装喷雾推进雾化装置1a、1b的旋流式蒸发冷凝器。

图8蒸发风道内装细合式旋流雾化喷头12a的旋流式蒸发冷凝器。

图9图7和图8A-A向视图。

实施例1：

见图1、图2水平布置的海水淡化装置，设有太阳能加热器7a，通过水泵2a和进水管1a₁与蒸发风道4a内的喷雾推进雾化装置1a连通，并送入加热至80°～150°高温海水，蒸发集水槽6a经排水口与太阳能加热器7_a口连通，并排入蒸发后的热海水。冷凝风道4b内的喷雾推进雾化装置1b，通过进水管1b₁与水泵2b，淡水箱9出水口连通，向冷凝段送入冷淡水。冷凝集水槽6b经排水口与水换热器8进水口连通，以排入冷凝后的热淡水。尾气热量回收段C内喷雾推进雾化装置1c，经进水管1c₁、水泵2c与水换热器8出水口连通，并送入初加热海水。蒸发段a、冷凝段b、回收段c三段风路连通，一次冷风由风口3a进入，冷尾气由风口3c排入大气。冷凝风道4b入口外设二次进风口3b。蒸发风道4a为圆形或方形薄壁导热收敛管，管外设吸热翅片11和太阳能加热管10。冷凝风道4b为圆形或方形双层夹套收敛管，中间通入冷海水或直接喷淋冷凝风道外壁；回收风道4c为扩张型，且与冷凝风道连成密闭整体；各喷雾推进雾化装置置于风道进口旁，各风道出口处分别装设收水器5a、5b、5c；风道中轴线00′与地平线夹角为0～30°。

工作过程：见图1，原海水经水换热器8初加热后送入回收段C，将预热海水送入太阳能加热器7_a，加热至80°～150°后，送入水泵2a，加压至0.15Mpa，进入喷雾推进雾化装置1a，形成方向向前旋转细雾流，同时其风叶快速旋转，从进风口3a抽入气水比大于1的大量冷风。冷风与热气直接传热传质，迅速增热增湿至过饱和状态。增热增湿后的湿热风经收水器5a除去水滴后进入冷凝段。在冷凝段的入口设置有喷射淡冷却水的喷雾推进雾化置1b和二次进风口3b。1b的喷雾方向仍然向前。1b在抽吸来自蒸发段内湿热风的同时，还从二次进风口3b抽入大量的冷风。在冷凝段内湿热风受到冷雾和冷风双重冷凝作用，迅速降温排湿，使水蒸汽变成冷凝水下落，沿器壁注入集水槽6b。为不致使水雾飘逸，风道设计风速小于水滴自由沉降速度。排湿后的热风经收水器5b除水后流入下一级尾气热量回收段C，冷凝下来的淡水流入集水槽6b中。回收段C喷雾推进雾化装置1c喷冷海水回收风热。其风流方向朝向出口，视风阻的情况，其喷雾方向可以顺流和逆流。若将喷雾推进化装置喷射冷水冷却热风，本系统可作为射流冷风机使用。

实方例2：

见图3与实施例1差别仅是喷雾推进雾化装置1a、1b、1c换成了“组合式旋流雾化喷头”(中国专利ZL98.229487.5)12a、12b、12c、。因而缺少了机械通风，仅有水射流引射风和自然风。但噪音和能耗更低，雾流方向易于控制。本系统适于安装在船头和自然风速大于6m/s以上的地区，作为海水淡化和射流冷风机使用。

实施例3：

见图4这是一种竖直安装的喷雾推进通风蒸发冷凝器，图中省略了与上述系统完全一致的与它同时使用的海水淡化器的其余部分。竖直安装具有较小的占地面积，喷雾蒸发的效果好。这是一种在重力回水二次喷雾推进通风冷却塔(中国发明专利97107721.5)的基础上发展起来的一种装置。

蒸发冷凝器内喷雾推进雾化装置1a、1b，风道4a、4b、集水槽6a、6b等基本结构、功能及水路风路等连接关系与实施例1中蒸发段a，冷凝段b中完全相同。不同之处为风道竖向布置。其具体结构和附加特征如下：蒸发段内喷雾推进雾化装置1a为上喷型，冷凝段内为下喷型1b；在蒸发风道内设顺次机械连接和水路连通的如下部件：与蒸发风道4a内壁密封的周向回水槽13、竖直重力回水管14、周向回水二次喷管15和二次上喷喷雾旋流雾化喷头16等以构成重力回水二次喷射装置；蒸发风道出风口与冷凝风道进风口处开二次进风道3b和设置收水器5a，冷凝段内收水器5b装在喷雾推进雾化装置1b内风叶和喷头之间。冷凝风道4b为收缩扩张型。见图4，设下百叶窗17形成一次风道3a，上百叶窗19形成二次风道3b。内风筒18装在1a外，蒸发段、冷凝段进水管分别为1a₁、1b₁，集水槽6a、6b的排水口分别为6a₁6b₁。

工作过程如下：被加热海水用泵加压至0.12-0.15Mpa从进水管1a₁进入喷雾推进雾化装置1a喷雾通风蒸发。喷雾流中水雾较细的部分在中央向上流动，而换热差的较大的水滴则旋转至四周流向塔壁，被回水槽13收集，被收集起来的热水通过重力流向设在集水槽6a内的雾化喷头16，再次喷雾蒸发降温。这种旋流雾化喷头具有13毫米以上的喉道直径，而且是空心的，流阻极小，在水压0.03Mpa以上即能将水喷射成细雾。这样，由于重力势能的再利用，二次喷雾极大地提高了热水的蒸发效果。从蒸发段流出上升湿热气流通过收水器5a以后，被喷雾推进雾化装置1b喷射的冷淡水和抽吸的二次冷风冷凝变成淡水。

实施例4

见图5，与实施例3不同的只是将蒸发段内喷雾推进雾化装置1a从上喷型改下喷型。其优点是喷雾推进通风蒸发冷凝器的高度可以降低，风量可以增大。

见图6，与实施例3和4不同之处仅在于将下部的喷雾推进雾化装置1a改成组合式旋流雾化喷头12a，使喷射方向斜对蒸发风道4a中部回水槽13上方隔离网20上喷射。并将回水槽13移至风道中部。其优点是噪音低。

实旋例6

见图7和图9，这是一种旋流式蒸发冷凝器，其内的喷雾推进雾化装置1a、1b，风道4a、4b、集水槽6a、6b等基本结构、功能、水路、风路等连接作用关系与实施例1中蒸发段a，冷凝段b中完全相同，不同之处为风道布置为斜向一竖向4a。其具体结构和附特征如下：斜向一竖向蒸发风道4a是由轴线与水平线夹角a为0～30°斜向布置的前段风道4a₁，后段内设上下贯通的旋流通风管21的竖向蒸发风道4a₂且前后两段切向连接构成；蒸发段内喷雾推进雾化装置1a置于斜向风道4a₁入口处，喷射方向和风流方向顺流向内；冷凝段喷雾推进雾化装置为下喷型1b；蒸发风道出风口与冷凝风道进风口处开二次进风道3b，蒸发段内旋流通风管21为收敛型或圆柱形。它可作为三次进风道和旋流芯。它的外部是扩容蒸发室22。从斜向蒸发风道4a₁出来的增热湿气流切向进入扩容蒸发室22，经旋流后再进入冷凝风道4b。此种布局的优点是：(1)加大了蒸发空间，降低了雾流密度改善了气水两流的传热传质条件。(2)加长了蒸发路程，因而提高了传热传质的时间。(3)旋转气流提高了传热传质系数。(4)旋转的热雾流在上升过程中，在中部造成负压区，由此引射进冷风，解决了蒸发段中部雾流密度大，而风量小的问题。(5)降低了蒸发段的高度。(6)减少了水滴飞溅损失，取消了设置在蒸发风道4a出口处的收水器5a，因相应减少了系统的流动阻力。

实施例7

见图8和图9，与实施例7不同之处仅在于将喷雾推进雾化装置1a改成组合式旋流雾化喷头12a，其优点是工作水压和噪音降低，但进风量也减少。

本发明的技术经济效果。

1、根据空气的特性，湿空气的饱和含湿量随着温度的不同迅速变化。见表

空气湿球温度℃    20      30     50     80      90

饱和含湿量        17.3    30.4   83.2   292.9   422.9(克水/米³空气)

空气是地球上取之不尽的资源，因此将低温空气增热增湿至高温，然后再降温除湿，是提取淡水最为理想的海水淡化途径。2、根据蒸发原理，热水温度每降低6℃，水份蒸发1％。现有的重力回水二次喷雾冷却塔技术已使热水从108℃降至52℃，蒸发9.3％，蒸发量4.5t/h，工作水压为0.15mpa，所用电机助率约4kw。而喷雾冷凝更求的功率也不大，再加上余热回收，用于喷雾推选通风蒸发、冷凝、余热回收，每吨淡水所用水泵电机功率约4kw左右。再加上用太阳能加热海水，由此极大地降低了海水淡化的成本。3、采用喷雾推进通风冷凝技术既提高了气水传质效率，又极大地减少了冷凝淡水的用量，提高了能量效率，同时简化了设备。4、将风能用于海水淡化系统中提高了系统的蒸发和冷凝效果，同时使低品位余热得到应用。5、使用太阳能加热器降低了加热成本。6、使蒸发式海水淡化器系统人为简化，成本降低，操作简便，有利于推广应用。7、扩大了设备的用途，在船舶上，既可以将其用于海水淡化，还可以利用江河中的冷水冷却热风，作射流冷风机用，或喷热水除湿当作热气风机用。

本海水淡化器由太阳能加热器、水泵、喷雾推进通风蒸发段、冷凝段、尾气热量回收段，液—液换热器及淡水箱等部分组成，设备结构简单，运行可靠、操作方便，耗电功率小，淡化成本极低，规模大小不限，又是一种技术先进的节能环保设备。本设备可广泛地应用于海水淡化、苦成水及污水处理，蒸发浓缩、结晶、循环水冷却等领域，也可以作为射流冷热风机使用，尤其是在船舶上。

Claims (10)

1、喷雾推进通风蒸发一冷凝式海水淡化器，其特征是沿海水淡化流程方向顺次设置和连接海水加热器(7)，喷雾推进通风蒸发段a，喷雾推进通风冷凝段b，水换热器(8)，与用户相连的淡水箱(9)；上述蒸发段和冷凝段内分别设有由进水管(1a₁)、(1b₁)，分别与水泵(2a)、(2b)，海水加热器(7)和淡水箱(9)出水口连通的喷雾推进雾化装置(1a)、(1b)，且该两装置分别置于蒸发风道(4a)和冷凝风道(4b)内，风道内分别设有排水口的蒸发集水槽(6a)和冷凝集水槽(6b)，并经排水口分别与海水加热器(7)和水换热器(8)水路入口连通；蒸发风道(4a)与冷凝风道(4b)风路连通。

2、按权利要求1所述海水淡化器，其特征是设喷雾推进通风尾气热量回收段C，其内设有：由进水管(1c₁)与水泵(2c)、水换热器(8)出水口连通的喷雾推进雾化装置(1c)，该装置置于回收风道(4c)内，其风道内设有排水口的回收集水槽(6c)，并经排水口与海水加热器(7)水路入口连通；回收风道(4c)和冷凝风道(4b)风路连通。

3、按权利要求1所述海水淡化器，其特征是海水加热器(7)采用太阳能加热器(7_a)，蒸发风道(4a)外装设太阳能加热管(10)。

4、按权利要求2所述海水淡化器，其特征是冷凝风道(4b)入口处设二次进风口(3b)；蒸发风道(4a)为圆形或方形薄壁导热收敛管，管外设吸热翅片(11)和加热管(10)；冷凝风道(4b)为圆形或方形双层夹套收敛管，中间通入冷海水或直接喷淋冷凝风道外壁；回收风道(4c)为扩张型，且与冷凝风道连成密闭整体；各喷雾推进雾化装置置于风道进口旁，各风道出口处分别装设收水器(5a)、(5b)、(5c)。

5、一种喷雾推进通风蒸发冷凝器，其特征是设有竖向喷雾推进通风蒸发段a，竖向喷雾推进通风冷凝段b，各段内分分别设有由进水管(1a₁)、(1b₁)分别与外部水泵(2a)、(2b)，外部供高温水装置(7_b)和供冷水装置(9_b)出水口连通的喷雾推进雾化装置(1a)、(1b)；该两装置分别置于竖向蒸发风道(4a)和竖向冷凝风道(4b)内，风道内分别设开有排水口的蒸发集水槽(6a)和冷凝集水槽(6b)，并经排水口与外部供高温水装置(7_b)和降水温装置(9_b)水路入口连通；蒸发风道(4a)与冷凝风道(4b)风路连通。

6、按权利要求5所述蒸发冷凝器，其特征是蒸发段内喷雾推进雾化装置(1a)为上喷型，冷凝段内为下喷型(1b)；在蒸发风道内设顺次机械连接和水路连通的如下部件：与蒸发风道(4a)内壁密封的周向回水槽(13)、竖直重力回水管(14)、周向回水二次喷管(15)和二次上喷喷雾旋流雾化喷头(16)等以构成重力回水二次喷射装置；蒸发风道出风口与冷凝风道进风口处开二次进风道(3b)和设置收水器(5a)，冷凝段内收水器(5b)装在喷雾推进雾化装置(1b)内风叶和喷头之间，冷凝风道(4b)为收缩扩张型。

7、按权利要求5所述蒸发冷凝器，其特征是蒸发段内喷雾推进雾化装置(1a₁)为下喷型。

8、按权利要求5、6所述蒸发冷凝器，其特征是蒸发段内喷雾推进雾化装置(1a)装设位置使喷射方向斜对塔中部，回水槽上方隔离网(20)上喷射。

9、一种喷雾推进通风蒸发冷凝器，其特征是设斜向一竖向喷雾推进通风蒸发段和竖向喷雾推进通风冷凝段b，各段分别设有由进水管(1a₁)、(1b₁)与外部水泵(2a)、(2b)，外部供高温水装置(7_b)和供冷水装置(9_b)出水口连通的喷雾推进雾化装置(1a)、(1b)，该两装置分别置于斜向一竖向蒸发风道(4a)和竖向冷凝风道(4b)内，风道内分别设有排水口的蒸发集水槽(6a)和冷凝集水槽(6b)，并经排水口与外部供高温水装置(7_b)和降水温装置(9_b)水路入口连通；蒸发风道(4a)与冷凝风道(4b)风路连通。

10、按权利要求9所述的蒸发冷凝器，其特征是斜向一竖向蒸发风道(4a)是由前段轴线与水平线夹角a为0～30°斜向布置的风道(4a1)，后段内设上下贯通的旋流通风管(21)的竖向蒸发通道(4a₂)，且前后两者切向连接构成；蒸发段内喷雾推进雾化装置(1a)置于斜向风道(4a)入口处，喷射方向和风流方向顺流向内；冷凝段喷雾推进雾化装置为下喷型(1b)；蒸发风道出风口与冷凝风道进风口处开二次进风道(3b)；蒸发段内旋流通风管(21)为收敛型或圆柱形。

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