CN201999824U - 太阳能热泵联合空调海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能热泵联合空调海水淡化系统，该系统主要由太阳能集热器，蓄热装置，蒸汽发生器，自控装置，海水源热泵机组，板式换热器和多效蒸馏装置等单元组成。本实用新型改变传统的空调系统和多效蒸馏海水淡化热源供应模式，借助太阳能集热器、海水源热泵机组、多效蒸馏装置和自控装置，实现冷热水的联合自动供应和热法海水淡化功能；太阳能热泵热水的梯级利用和冷量回收，更有效地提高系统能效比，可以实现全天候海水淡化，极大改善了海岛开发的人工环境和生活条件；新能源的利用，既有利于降低系统运行成本，提高经济效益，同时也有利于环境保护，具有良好的环保效益。

Description

太阳能热泵联合空调海水淡化系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能热泵联合空调海水淡化系统。

技术背景

热泵是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵由低温热源(如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等)吸收热量，然后转换为较高温热源释放至所需的空间(或其它区域)内。这种装置即可用作供热制热设备，又可用作制冷降温设备，具有多种用途。海水源热泵是利用水与海水进行冷热交换作为热泵的冷热源，冬季把海水中的热量取出来，供给室内取暖，此时海水为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放至海水中，此海水为“冷源”。该工艺的关键技术在于如何解决水源的水量、水温、水质三要素，并提高防腐功能，从而达到正常的工作条件。

20世纪70年代以来，太阳能逐步成为国内外研究的重点由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。为克服太阳能利用中的上述问题，人们提出了采用太阳能加热系统作为电驱动式热泵系统的热源。电驱动式热泵在实际应用中最大的问题是当冬天的大气温度很低时，热泵系统的效率比较低。由于太阳能集热器在低温时集热效率较高，而热泵系统在其蒸发温度较高时系统效率较高，因此可以采用太阳能加热系统作为热泵系统的热源。这样既克服了太阳能加热系统的问题又解决了热泵系统冬季效率低的问题。太阳能热泵系统由于其节能环保的特点而得到快速发展。

从能源开发角度看，太阳能作为清洁无污而且取之不竭的能源，是替代常规能源的最具潜力的能源之一；从能源利用角度看，热泵技术是提高能源利用效率的最有效的方式之一。因此，对这两方面的研究开展的非常的广泛。太阳能热泵技术而将两者结合起来，使能源开发和能源利用互为补充，是值得研究的探求的有效途径。

经过“十五”时期的发展后，我国海水淡化产业已具备发展基础，而且发展势头良好，但是发展水平与国外海水利用发达的国家相比还有较大的差距。国外海水淡化工程不断向大型化、规模化方向发展。在海水淡化规模不断增加的同时，海水淡化成本也逐渐降低，在成本的组成上，运行及维护、能源消费和投资成本均逐年下降。国外应用海水淡化技术的国家在不断增加建设规模、降低生产成本的同时，还不断在集成化、深层化方向上对海水淡化技术进行开发。我国海水淡化虽然起步较早，但存在发展慢、规模小、市场竞争力不强等问题，主要表现在：一是海水淡化发展慢、规模小。我国海水淡化水日产量还很少，尚未成为沿海地区的重要水源；海水淡化装置仍属于千吨级规模。二是海水淡化成本仍相对较高。海水淡化吨水成本虽已降到目前的5～7元，但相对于大部分沿海城市偏低的自来水价格而言，仍然偏高，这是制约海水淡化发展的最直接和最主要因素之一。

多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能效比高、运行成本低的太阳能热泵联合空调海水淡化系统。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种太阳能热泵联合空调海水淡化系统，该系统主体设备是由以下单元组成：太阳能集热器，蓄热装置，蒸汽发生器，自控装置，海水源热泵机组，板式换热器和多效蒸馏装置，其中，太阳能集热器依次通过管道连通蓄热装置、蒸汽发生器构成一个加热循环回路。蒸汽发生器依次连通多效蒸馏装置、板式换热器、海水源热泵机组构成一个循环回路。自控装置连接控制上述循环回路中管道上的阀门和循环泵。

该设备的太阳能集热器、蓄热装置和蒸汽发生器主要用于提供多效蒸馏装置的蒸汽热源，自控装置、海水源热泵机组、板式换热器分别用于实现系统自动控制、预加热回水和供应空调系统冷冻水、供应采暖热水。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型适用于年日照时间较长、海水资源丰富的水域沿岸地区及海岛建设使用。

本实用新型运行原理如下：太阳能集热器收集太阳辐射热量，蓄热设备把热量存储，热量借助循环泵和蓄热工质输送至蒸汽发生器。蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备并在其中与进料海水换热并释放热量，进料海水在多效蒸馏设备中经多效蒸馏成为成品淡水。生蒸汽在多效蒸馏设备中放热冷凝后并回流至板式换热器，热水回水在换热器进行热量交换为冬季用户提供采暖热水，经过二级利用后回水温度下降，海水源热泵机组对回水进行预加热，同时对海水源热泵机组的蒸发器进行冷回收为夏季空调系统提供冷冻水。 经过加热后的回水重新输送至蒸汽发生器，蒸汽发生器生产蒸汽完成一次循环。该设备持续工作即可实现持续的空气调节和海水淡化。

自控装置的作用主要是针对不同工况下的系统自动转换控制以及太阳能热泵供热模块的联动切换，提高系统的稳定性和可靠性，实现系统的多工况全年自动运行。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型利用可再生太阳能源作为海水淡化主要热源，海水源热泵作为辅助热源，实现系统的清洁、低成本、高效运行；

2、本实用新型通过采用自控装置，根据系统热量需求实现全年自动控制，自动调节太阳能与热泵联合的热量供应，系统稳定性和可靠性更强；

3、利用本实用新型的太阳能热泵联合空调海水淡化系统，实现热泵机组进行冷量回收和热水回水进行梯级利用，实现空调与海水淡化多功能同时运行，提高了能源利用率，经济效益明显。

本实用新型在实现空调冷热联供的同时，为海水淡化系统提供全天候运行的高效低成本热源。本实用新型改变传统的空调系统和实现多效蒸馏海水淡化热源高效低成本连续供应模式，借助太阳能集热器、海水源热泵机组、多效蒸馏装置和自控装置，实现冷热水的高效联合自动供应和为热法海水淡化设备提供低成本热量、太阳能热泵热水的梯级利用和冷量回收，更有效地提高系统能效比，可以实现全天候海水淡化。新能源的利用，既有利于降低系统运行成本，具有良好的经济和环保效益。

附图说明

图1是本实用新型的原理图；

附图标记说明：

1.太阳能集热器，2.蓄热装置，3.蒸汽发生器，4.自控装置，5.海水源热泵机组，6.板式换热器，7.多效蒸馏装置。

具体实施方式

以下通过实施例对本实用新型内容做进一步说明。

如图1所示，一种太阳能热泵联合空调海水淡化系统，该设备主体为太阳能集热器1、海水源热泵机组5、多效蒸馏装置7组成，其他主要部份包括：蓄热装置2用于存储和释放所收集的太阳辐射热量，蒸汽发生器3用于提供海水淡化所需高温高压蒸汽，板式换热器6通过热交换回收回水中的热量为用户提供采暖水热，自控装置4用于阀门的控制和不同供工况下的系统自动联合控制。

本实施例中，太阳能集热器1收集太阳辐射热量，蓄热装置2把热量存储，热量借助循环泵和蓄热工质输送至蒸汽发生器3，蒸汽发生器3产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7，生蒸汽在多效蒸馏设备7中与进料海水换热并释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝为40℃热水并回流至板式换热器6，热水回水在板式换热器6进行热量交换为冬季用户提供采暖热水，经过二级利用后回水温度降低至30℃以下，海水源热泵机组5对回水进行预加热并将其温水升高至70℃以上，同时对海水源热泵机组5的蒸发器进行冷回收为夏季空调系统提供冷冻水，经过加热后的回水重新输送至蒸汽发生器3，蒸汽发生器3生产蒸汽完成一次循环。如此不断循环即可实现持续的空气调节和海水淡化。自控装置4其作用主要是针对不同工况下的系统自动转换控制以及太阳能热泵供热模块的联动切换，提高系统的稳定性和可靠性，实现系统的多工况全年自动运行。

海水源热泵机组由以下主要部件组成：蒸发器，冷凝器，压缩机和节流阀。海水源热泵机组蒸发器由二套换热器并联组成，制冷工况下采用一套普碳钢型管壳换热器，非制冷工况下采用另一套耐海水腐蚀钛合金板式换热器。本实用新型冷热联供原理为：压缩机排出的高压制冷剂气体，经四通换向阀换向后，进入水换热冷凝器对水加热并释放出热量，使用水预加热后进入蒸汽发生器，制冷剂由气态变为液态；液体制冷剂经双向节流阀节流降压后，进入管壳式冷却水蒸发器，制冷剂在水换热器内蒸发吸收冷水热量使水降温，冷却水降温后进入冷冻管网供冷，制冷剂由液态变为气态，经四通换向阀气液分离器回到压缩机完成循环。在非制冷工况下，蒸发器内的水侧低温热源为经过过滤和预处理的海水，进入另一套耐腐蚀钛合金板式换热器内放出热量后排回大海。

多效蒸馏装置，其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。蒸发器是主要换热设备，主要由壳体、换热管束、海水喷淋系统、除雾器、蒸汽通道、前水室及水封装置、后水室及水封装置、淡水联接管、盐水联接管、不凝气抽出口等组成，其工作原理是：海水首先进入冷凝器中预热、脱气，而后被分成两股物流。一股作为冷却水排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料。进料海水加入阻垢剂后被引入到蒸发器的后几效中。料液经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上，然后沿顶排管以薄膜形式向下流动，部分水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而蒸发。二次蒸汽在下一效中冷凝成产品水，剩余料液由泵输送到蒸发器的下一个效组中，该组的操作温度比上一组略高，在新的效组中重复喷淋、蒸发、冷凝过程。剩余的 料液由泵往高温效组输送，最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开装置。蒸汽发生器所产的一次蒸汽被输入到第一效的蒸发管内并在管内冷凝，管外海水产生与冷凝量基本等量的二次蒸汽。由于第二效的操作压力要低于第一效，二次蒸汽经过汽液分离器后，进入下一效传热管。蒸发、冷凝过程在各效重复，每效均产生基本等量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在冷凝器中被海水冷凝。第一效的冷凝液返回蒸汽发生器，其余效的冷凝液进入产品水罐，各效产品水罐相连。由于各效压力不同而使得产品水闪蒸，并将热量带回蒸发器。这样，产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却，回收的热量可提高系统的总效率。被冷却的产品水由产品水泵输送到产品水储罐。浓盐水从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，热的浓盐水被闪蒸以回收其热量。经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经浓盐水泵排回大海。本实用新型的一个创新点在于，所述多效蒸馏装置的一次蒸汽热量来源于可再生清洁太阳能和高效无污染海水源热泵机组。

本实施例的工作过程是：

系统可实现全年工况全天候的自动运行，自控装置4根据室外环境温度和太阳辐射实时值，发送对应的控制信号：

(1)夏季工况

①日间运行

太阳能集热器1收集太阳辐射热量，蓄热设备2存储热量并送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝后直接回流至海水源热泵机组5，对回水进行预加热，同时进行冷回收为夏季空调系统提供冷冻水，加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现夏季日间工况运行。

②夜间运行

太阳能集热器1停止工作，蓄热设备2释放热量并输送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝后直接回流至海水源热泵机组5，对回水进行预加热，同时对海水源热泵机组的蒸发器进行冷回收为夏季空调系统提供冷冻水，加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现夏季夜间工况运行。

(2)冬季工况

①日间运行

太阳能集热器1收集太阳辐射热量，蓄热设备2存储热量并输送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在蒸馏设备中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备中放热后冷凝后回流至板式换热器6，进行热量交换后为冬季用户提供采暖热水，海水源热泵机组5吸收海水热量对回水进行预加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现冬季日间工况运行。

②夜间运行

太阳能集热器1停止运行，蓄热设备2释放热量并输送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝后回流至板式换热器6，进行热量交换后为冬季用户提供采暖热水，海水源热泵机组5吸收海水热量对回水进行预加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现冬季夜间工况运行。

(3)过渡季节工况

①日间运行

太阳能集热器1收集太阳辐射热量，蓄热设备2存储热量并输送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝后直接回流至海水源热泵机组5，海水源热泵机组5吸收海水热量对回水进行预加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现过渡季节日间工况运行。

②夜间运行

太阳能集热器1停止运行，蓄热设备2释放热量并输送至蒸汽发生器3中产生高温高压蒸汽，生蒸汽沿管道输送至多效蒸馏设备7中释放热量，进料海水在多效蒸馏设备7中经多效蒸馏后成为成品淡水，生蒸汽在多效蒸馏设备7中放热后冷凝后直接回流至海水源热泵机组5，海水源热泵机组5吸收海水热量对回水进行预加热后回水重新输送至蒸汽发生器3生产下一次循环蒸汽，如此实现过渡季节日间工况运行。

综上(1)(2)(3)，全年工况自控装置4控制信号如下：

Claims (4)

1.一种太阳能热泵联合空调海水淡化系统，该系统主要由太阳能集热器，蓄热装置，蒸汽发生器，自控装置，海水源热泵机组，板式换热器和多效蒸馏装置装置组成；其中，太阳能集热器依次通过管道连通蓄热装置、蒸汽发生器构成一个加热循环回路；蒸汽发生器依次连通多效蒸馏装置、板式换热器、海水源热泵机组构成一个循环回路；自控装置连接控制上述循环回路中管道上的阀门和循环泵。

2.如权利要求1所述太阳能热泵联合空调海水淡化系统，其特征在于，所述海水源热泵机组由以下主要部件组成：蒸发器，冷凝器，压缩机和节流阀。

3.如权利要求2所述太阳能热泵联合空调海水淡化系统，其特征在于，所述海水源热泵机组蒸发器由二套换热器并联组成，制冷工况下采用一套普碳钢型管壳换热器，非制冷工况下采用另一套耐海水腐蚀钛合金板式换热器。

4.如权利要求1所述太阳能热泵联合空调海水淡化系统，其特征在于，所述多效蒸馏装置是将一系列的水平管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组。 

Images