CN1792829A

CN1792829A - 旋转射流真空冷冻海水淡化装置

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Publication number: CN1792829A
Application number: CNA2005100220549A
Authority: CN
Inventors: 魏仕英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2006-06-28

Abstract

旋转射流真空冷冻海水淡化装置是以水为制冷剂、冷凝液和真空动力，使海水蒸发结冰实现淡化。解决现真空冷冻法水蒸汽不凝气体难排除等问题。装置内设有旋转喷头和叶片、收敛——扩张型或圆筒形的蒸发或冷凝室、盛海水及冰块的盐水箱和盛冷凝水的淡水箱、泵和供水管等形成蒸发和冷凝压缩两循环系统，用闪蒸汽管连通；并将盐水箱冰块输送到淡水箱，形成封闭冷量循环。利用水射流抽吸水汽能力强，真空度等于水温对应饱和水蒸汽压强的特点，获廉价预真空；利用水射流和机械同抽气获冰点真空；用旋转射流使盐水快速蒸发。当冷凝水为16℃，能耗仅为5.5－6.0KWh/M3，有广阔市场和社会经济效益。可用于海水淡化，也可将闪蒸法和蒸馏压缩法结合，用于污水废水处理。

Description

旋转射流真空冷冻海水淡化装置

(一)技术领域：本专利是以水为制冷剂、冷凝液和产生真空动力，使海水蒸发后结冰的一种海水淡化装置。属水处理类(C02F)、通过与别的流体直接接触或利用流惯性泵送流体类(F04F)、雾化装置类(B05B)、加热和制冷联合系统类(F25B)。

(二)背景技术：与本专利接近的现有海水淡化技术如下：

真空冷冻海水淡化方法：此方法是利用真空蒸发，使海水在三相点蒸发结冰，其真空度约0.4kpa，海水三相点是使海水汽液固三相共存并达到平衡的一个特殊点工况，若压力或温度偏离这一点，平衡被破坏，三相会趋于一相或两相。此方法正是利用此三相点原理，以水自身为制冷剂，使海水同时蒸发和结冰，冰晶再经过分离、洗涤而得到淡水，以此实现海水淡化。与蒸馏法和膜法相比，能耗低、腐蚀结垢轻、预处理简单、设备投资小、并可处理高含盐量海水，是一种低成本较理想的海水淡化法。但目前尚未实现商业化，因遇到的难点是：三相点工况产生的水蒸汽难以移走，真空减压时海水中释放出来的不凝气体在蒸发器内聚集，使真空遭到破坏，此外冰晶的洗涤、输送也较难。

若用普通机械真空泵要排除大量水蒸汽真空代价太高，若采用水蒸汽喷射泵则需要很大的能耗和复杂的配套设备。

(三)发明内容：

本发明提出的旋转射流真空冷冻海水淡化装置，就是解决上述现有的真空冷冻海水淡化存在的三相点产生的水蒸汽难以移走；真空减压时海水中不凝气体聚集破坏真空、水蒸汽喷射泵能耗大配套复杂等问题。

其技术方案如下：

旋转射流真空冷冻海水淡化装置，其特征是此装置由真空蒸发系统和真空冷凝系统，以及串接两系统的闪蒸汽管5组成；

真空蒸发系统内设有顺次串接的旋转射流蒸发压缩器4A或4B(以下简述为蒸发压缩器)、盐水箱3、水泵2、供水管1，以形成循环回路；其中蒸发压缩器上段为与闪蒸汽管5连通的抽气室，其内装设通入压力水的喷雾转动装置4.5A或外旋式喷雾推进抽风装置4.5B，在它们上面装的旋转喷头4.4A或4.4B是向下喷，旋转喷头上方装的旋转叶片4.6A或4.6B是向上抽的；中段装收敛一扩张型蒸发室4.1A或圆筒形蒸发室4.1B，底段装尾管插入盐水箱3内；

真空冷凝系统内设有顺次串接的冷凝压缩器7A或7B或12、淡水箱8、水泵9、供水管11，以形成循环回路；其中的第一种冷凝压缩器7A或7B如下构成：其上段设有与闪蒸汽管5相通的抽气室，其内装设通入压力水的喷雾转动装置7.5A或外旋式喷雾推进抽风装置7.5B，在它们上面装的旋转喷头7.4A或7.4B是向下喷，旋转喷头上方装的旋转叶片7.6A或7.6B是向下抽的，中段装收敛一扩张型冷凝室7.1A或圆筒形冷凝室7.1B；底段装尾管插入淡水箱8内；或者采用第二种冷凝压缩器12如下构成：其内装设通入压力水的水室12.1，与水室连通的并向混合室12.2喷射的1个或多个并联的水喷嘴12.3，混合室外装设1个或多个并联的与水喷嘴配合的扩散管12.4，混合室通过抽气管12.5与闪蒸汽管5连通；底段为尾管12.6插入淡水箱8内；盐水箱3内的冰块需输送到淡水箱8内。

上述收敛一扩张型蒸发室4.1A或圆筒形蒸发室4.1B壁外可加装加热套4.3A或4.3B，海水经阀门6后通入加热套内，其内海水出口处经流水管4.2A或4.2B与盐水箱3相通。

上述盐水箱3和淡水箱8内分别设带孔隔板3.1和8.1。

上述圆筒形蒸发室4.1B和圆筒形冷凝室7.1B内，均可设与喷头喷射方向相配合的水平放置的溅水板13和固定在圆筒内圈的挡水环14。

上述在有圆筒形蒸发室的旋转射流蒸发压缩器和冷凝压缩器中，圆筒形蒸发室底面的安装高度h距地面取为10米。

本发明有益效果：

i.本专利是用旋转射流蒸发压缩原理使海水淡化，正好克服了现有真空冷冻法出现的水蒸汽和不凝气体难排除，使真空遭破坏的问题。本专利是利用水射流具有极强的抽吸水蒸汽能力和真空度等于水温所对应的饱和水蒸汽压强的特点，获廉价预真空；利用水射流和机械同时抽气获取冰点真空；用旋转射流使盐水快速蒸发。当用低温和常温冷凝水可产生96kpa以上的预真空，降低了旋转射流蒸发压缩器的背压；余下的4kpa真空度由旋转射流蒸发压缩器形成的抽气作用完成，从而大幅度降低海水淡化成本和制造难度。

下面举例说明：用生产每吨淡水(1000kg/h)的电耗说明技术经济效果。

取海水冰点为零下5℃，相应饱和水蒸汽压强为0.4kpa，比容为309m²/kg。

冷凝压缩器冷凝水水温10～36℃，相应蒸发压缩器背压为1.227和5.939kpa，因此水蒸汽压缩量在0.827～5.539kpa之间。水汽化潜热r为2500KJ/kg，融解热为334.4KJ/kg，因此产量为1000kg/h淡水所需的制冷量QL＝1000×334.4/3600＝92.9KJ/S，由此得出蒸发水量为GZ＝QL/r＝0.0372kg/s。

根据水蒸汽压缩理论，绝热状态下水蒸汽压缩功率可如下确定：

N＝K×Gz×(P2.V2-P1.V1)/(K-1)×η KJ/S

上式中：K-水蒸汽绝热指数，对饱和水蒸汽K为1.135。

Gz-蒸发水量(也是被压缩水蒸汽重量流量)按上述计算0.0372kg/s

P1、P2-初态、终态压强kpa，

V1、V2--初态、终态水蒸汽比容m3/kg

η-机械效率修正系数，对实际进行的是非绝热过程，η取0.6由此得到＝0.521(P2.V2-P1.V1)＝0.521(P2.V2-123.6) KJ/S(1KJ/S＝1kw)

由饱和水蒸汽热力性质表查出的终态参数P2.V2值，计算结果见图5：本专利海水淡化压缩功率N随冷凝水温T8变化的曲线，由曲线可以看出冷凝水温T8在10～36℃范围内，每吨淡水水蒸汽压缩功率N仅需3-11KW。

ii.由於本专利采用将盐水箱3中冰粒或冰块输送至淡水箱8内，用以冷却冷凝水，使两系统形成封闭的冷量循环，可保证降低其内的冷凝水温T8不超过16℃，得出每吨淡水总的电耗(加上了通入压力水用的水泵2、9的电耗)约为5.5-6KWh。由此看出本专利为低能耗装置，尤其是冬季(夏季略高)。

iii.本专利由几种装置组合而成，易於组合，机动性强；且各种设备简单投资小，操作维护方便。

iv.本专利由单一的水力为动力，(蒸发压缩器4A以海水为工质，冷凝压缩器7A以淡水为工质)，淡化海水不仅可用冷冻法，且适用于闪蒸法，因此具有冷热能源皆可利用的多用途。由上述多种优点本装置具有极广阔的市场及社会经济效益。可用於海水淡化，也可将闪蒸法和蒸馏压缩法融为一体，用於污水废水处理系统。

v.在蒸发室收敛段外和圆筒形蒸发室外设置通入海水的加热套，其作用是一方面可防止蒸发室结冰，同时可以起着预冷海水的作用。

vi.蒸发室和冷凝室做成收敛—扩张管，可实现整个装置低位安装。

(四)附图说明：

图1实施例1结构示意图

图2实施例2结构示意图

图3实施例3结构示意图

图4实施例4结构示意图

图5本专利海水淡化压缩功率N随冷凝水温T8变化的曲线

(五)具体实施方式

实施例1：见图1，低位安装，两级压缩的旋转射流真空冷冻海水淡化装置。由蒸发压缩器4A，盐水箱3，水泵2，供水管1形成的真空蒸发系统和由第一种冷凝压缩器7A，淡水箱8，水泵9，供水管11形成的真空冷凝系统以及连接两系统的闪蒸汽管5组成。闪蒸汽管5两端通过与排汽口4.9A和进汽口7.9A相通，以此连接两系统。

蒸发压缩器4A上段为与闪蒸汽管5连通的抽气室4.7A，其内装设通入压力水的喷雾转动装置4.5A，在它上面装的旋转喷头4.4A是向下喷，旋转喷头上方装的旋转叶片4.6A为向上抽的；中段为收敛一扩张型蒸发室4.1A，下段为尾管4.11插入盐水箱3内。与喷雾转动装置4.5A内孔连通的进水管4.8A与供水管1连通。从上至下顺次装设的进水管4.8A、抽气室4.7A、蒸发室4.1A、尾管4.11等相邻两者间用法兰螺拴连接。旋转喷头4.4A和旋转叶片4.6A用螺栓固定於喷雾转动装置4.5A上。

上述收敛一扩张型蒸发室4.1A壁外加装加热套4.3A，海水经阀门6后通入加热外套内，出口处海水经流水管4.2A与盐水箱3相通。上述盐水箱3设带孔隔板3.1，进行气水分离，使箱内盐水既相通，又防止水泵2抽吸冰块。

第一种冷凝压缩器7A除以下结构外，其余均与本实施例1蒸发压缩器4A完全相同：①旋转叶片7.6是向下抽的，使由旋转喷头7.4A下喷的水和汽以及进气口7.9进入的闪蒸汽均向下顺流，并使其压缩冷凝。②收敛一扩张型蒸发室7.1A壁外不装设加热套。③尾管7.11是插入淡水箱8内。淡水箱8内也设带孔隔板8.1，其作用与盐水箱相同。④进水管7.8A与供水管11连通。其余构件名称相同仅标记前字由4变为7，即分别为抽气室7.7A、喷雾转动装置7.5A、蒸发室7.1A。

上述盐水箱3内的冰块或冰粒需输送到淡水箱8内。

工作过程：

蒸发压缩器4A中盐水箱3内冷冻海水由水泵2增加至0.3Mpa后，经供水管1和进水管4.8A送入喷雾转动装置4.5A内，带动向下喷的旋转喷头4.4A和向上抽的旋转叶片4.6A同时转动，向下喷的旋转射流聚焦於收敛一扩张型蒸发室4.1A喉道处，产生抽真空作用，此水喷射流形成的真空度等於冷冻海水温度所对应的饱和水蒸汽压强。又因旋转叶片同时在向上抽气，使叶片下形成更高真空，促使收敛管处绝对压强低于该处饱和水蒸汽压强，由此作用使海水过热而实现蒸发。由于旋转喷头特性和快速旋转关系，喷射出来的空心水射流细且簿，并部分雾化，在蒸发空间设计适当的条件，蒸发过程在瞬间完成。被蒸发出来的水蒸汽和海水在真空中释放出来的不凝气体由旋转叶片抽出并实现压缩送至闪蒸汽管5。海水因蒸发而降温，降温海水排入盐水箱3，再次蒸发降温如此循环。与此同时，冷凝压缩器7A以同样方式进行压缩冷凝循环，并经调节阀10排放淡水箱8中的冷凝水和补充冷淡水。

当蒸发室4.1A收敛段绝压低于海水冰点后，雾流中部分水蒸汽将形成冰粒，同时因水温低于冰点，所以部分水在盐水箱3中结冰，同时此冰块输送入淡水箱8冷却工作的冷凝水，形成封闭的冷量循环。

为防止蒸发室4.1A因真空度在冰点以下而结冰，设加热套4.3A，其内充满高於0℃的海水，一方面对收敛段加热，另一方面使由阀门6进入的海水进行预冷后，再经过排水管4.2A通入盐水箱3中用以作工作介质参与循环，使其海水水温接近并稍高于冰点进入蒸发压缩器4A，以加快结冰速度并降低能耗。

实施例2：见图2低位安装，一级压缩旋转射流真空冷冻海水淡化装置

本实施例2与实施例1唯一不同的是用第二种冷凝压缩器12替代上述第一种冷凝压缩器7A。其冷凝压缩器12如下构成：其内装设通入压力水的水室12.1，与水室连通的并向混合室12.2喷射的1个或多个并联的水喷嘴12.3，混合室外装设1个或多个并联的与水喷嘴配合的扩散管12.4，混合室通过抽气管12.5与闪蒸汽管5连通；底段为尾管12.6插入淡水箱8内。第二种冷凝压缩器12的详细结构可见中国专利‘多扩散管水喷射器’(ZL00259988.0)。

其余结构与实施例1完全相同。其工作过程不同之处：用多扩散管水喷射器产生和实现冷凝压缩，用以代替实施例1中冷凝压缩，其於过程相同。

实施例3：见图3高位安装，两级压缩的真空冷冻海水淡化装置。

本实施例3与实施例1相比，结构不同之处如下：

①用蒸发压缩器4B内的圆筒形蒸发室4.1B和冷凝压缩器7B内的圆筒形冷凝室7.1B分别替代实施例1中蒸发压缩器4A内的收敛—扩张型蒸发室4.1A和冷凝压缩器7A内的收敛—扩张型冷凝室7.1A。在圆筒形蒸发室4.1B和圆筒形冷凝室7.1B内，均设与喷头喷射方向相配合的水平放置的溅水板13和固定在圆筒内圈的挡水环14。且圆筒形蒸发室4.1B和圆筒形冷凝室7.1B底面的安装高度h距地面为10米，称为高位安装。且用加长的尾管15和16分别替换实施例1中的较短的尾管3和8。②圆筒形蒸发室4.1B外装加热套4.3B。③用外旋式喷雾推进抽风装置4.5B和7.5B分别替换实施例1中喷雾转动装置4.5A和7.5A。其中‘外旋式喷雾推进抽风装置’结构详见中国专利ZL00112630.X。本实施例3其余结构与实施例1完全相同。

实施例4：见图4高位安装，一级压缩的真空冷冻海水淡化装置。本实施例4与实施例3唯一不同的是用第二种冷凝压缩器12替代上述第一冷凝压缩器7B。其第二种冷凝压缩器12的详细结构见实施例2。

本实施例4的其余结构与实施例3完全相同。

Claims

1.旋转射流真空冷冻海水淡化装置，其特征是此装置由真空蒸发系统和真空冷凝系统，以及串接两系统的闪蒸汽管(5)组成；

真空蒸发系统内设有顺次串接的旋转射流蒸发压缩器(4A或4B)、盐水箱(3)、水泵(2)、供水管(1)，以形成循环回路；其中旋转射流蒸发压缩器上段为与闪蒸汽管(5)连通的抽气室，其内装设通入压力水的喷雾转动装置(4.5A)或外旋式喷雾推进抽风装置(4.5B)，在它们上面装的旋转喷头(4.4A或4.4B)是向下喷，旋转喷头上方装的旋转叶片(4.6A或4.6B)是向上抽的；中段装收敛一扩张型蒸发室(4.1A)或圆筒形蒸发室(4.1B)，底段装尾管插入盐水箱(3)内；

真空冷凝系统内设有顺次串接的冷凝压缩器(7A或7B或12)、淡水箱(8)、水泵(9)、供水管(11)，以形成循环回路；其中的一种冷凝压缩器(7A或7B)如下构成：其上段设有与闪蒸汽管(5)相通的抽气室，其内装设通入压力水的喷雾转动装置(7.5A)或外旋式喷雾推进抽风装置(7.5B)，在它们上面装的旋转喷头(7.4A或7.4B)是向下喷，旋转喷头上方装的旋转叶片(7.6A或7.6B)是向下抽的，中段装收敛一扩张型冷凝室(7.1A)或圆筒形冷凝室(7.1B)；底段装尾管插入淡水箱(8)内；或者采用另一种冷凝压缩器(12)如下构成：其内装设通入压力水的水室(12.1)，与水室连通的并向混合室(12.2)喷射的1个或多个并联的水喷嘴(12.3)，混合室外装设1个或多个并联的与水喷嘴配合的扩散管(12.4)，混合室通过抽气管(12.5)与闪蒸汽管(5)连通；底段为尾管(12.6)插入淡水箱(8)内；

盐水箱(3)内的冰块需输送到淡水箱(8)内。

2.按权利要求1所述海水淡化装置，其特征是收敛一扩张型蒸发室(4.1A)或圆筒形蒸发室(4.1B)壁外装加热套(4.3A)或(4.3B)，海水经阀门(6)后通入加热套内，其内海水出口处经流水管(4.2A或4.2B)与盐水箱(3)相通。

3.按权利要求1或2所述海水淡化装置，其特征是盐水箱(3)和淡水箱(8)内分别设带孔隔板(3.1)和(8.1)。

4.按权利要求1所述海水淡化装置，其特征是在圆筒形蒸发室(4.1B)内，设与喷头喷射方向相配合的水平放置的溅水板(13)和固定在圆筒内圈的挡水环(14)。

5.按权利要求1所述海水淡化装置，其特征是在有圆筒形蒸发室的旋转射流蒸发压缩器和冷凝压缩器中，圆筒形蒸发室底面的安装高度h距地面10米。