CN211733890U - 一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海水淡化技术领域，具体涉及一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置；制冷剂循环系统包括第一压缩机、第一冷凝器、第一节流阀、蒸发器、第二压缩机、第二冷凝器、第二节流阀、气液分离器以及第三换热器；第一海水淡化系统包括第一海水水箱、第一水泵以及蒸发器；第二海水淡化系统包括第二海水水箱，第二水泵、第一冷凝器、第二冷凝器、真空泵、第二换热器以及淡水水箱。本实用新型采用两级压缩热泵技术制取淡水，在蒸发器侧将海水冷冻形成不含盐分的冰；在冷凝器侧将海水加热形成不含盐分的水蒸气，海水经过两个冷凝器加热，更容易达到沸点而蒸发；同时能够通过制冷剂循环将蒸发器侧的冰融化。

Description

一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置

技术领域

本实用新型属于海水淡化技术领域，具体涉及一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置。

背景技术

随着社会经济的发展，作为地球上一切生物赖以发展和生存的必需物质，世界淡水资源已经变得非常短缺，因此合理利用淡水和能源成为新世纪全球面临的难点之一。而海水淡化技术无疑是解决淡水危机的重要途径之一。

目前常用的海水淡化方法包括蒸馏法和膜技术等。蒸馏法以多级闪蒸和多效闪蒸海为主，但是能耗大、淡化成本高。反渗透和电渗析膜法海水淡化技术也存在着能耗大、膜加工使用成本高和淡化工艺复杂等突出问题。同时，普通的热泵式海水淡化装置只是利用了冷凝器侧的热量，而忽略了蒸发器侧的冷量。因此，需要一种淡化效率高、成本低且工艺简单的装置来满足现有需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提出了一种双效两级压缩热泵海水淡化装置。

为实现以上技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，包括制冷剂循环系统，制冷剂循环系统包括第一压缩机、第二压缩机、第二冷凝器、第二节流阀、气液分离器、第一节流阀以及蒸发器；第一压缩机的出口与第二压缩机的入口相连接，第二压缩机的出口与第二冷凝器的制冷剂入口相连接，第二冷凝器的制冷剂出口与第二节流阀的入口相连接，第二节流阀的出口与气液分离器的入口相连接，气液分离器的第一出口连接到第二压缩机的入口，气液分离器的第二出口连接到第一节流阀的入口；蒸发器内设有第一制冷剂管道，第一制冷剂管道的入口与出口分别为第一制冷剂入口、第一制冷剂出口；第一节流阀出口与蒸发器的第一制冷剂入口相连接，蒸发器的第一制冷剂出口与第一压缩机的入口相连接；制冷剂循环系统还包括第一冷凝器，第一压缩机的出口还与第一冷凝器的入口相连接，第一冷凝器的制冷剂出口与第一节流阀的入口相连接；还包括第一海水淡化系统与第二海水淡化系统，第一海水淡化系统包括第一海水水箱、第一水泵以及蒸发器；第一海水水箱通过第一水泵与蒸发器的海水通道入口相连通；第一海水水箱设有海水补水口，蒸发器设有排冰口与废水出口；第二海水淡化系统包括第二海水水箱，第二水泵、第一冷凝器、第二冷凝器、真空泵、第二换热器以及淡水水箱；真空泵使第二海水淡化系统为真空状态，第二海水水箱通过第二水泵与第一冷凝器的海水入口相连通，第一冷凝器的海水出口与第二冷凝器的海水入口相连通，第二冷凝器的水蒸气出口依次通过真空泵、第二换热器与淡水水箱相连通；第二海水水箱设有海水补入口，第二冷凝器设有废水出口。

进一步地，制冷剂循环系统还包括第三换热器，第三换热器与蒸发器并联；第一节流阀出口还与第三换热器的入口相连接，第三换热器的出口与第一压缩机的入口相连接；蒸发器内设有第二制冷剂管道，第二制冷剂管道的入口与出口分别为第二制冷剂入口、第二制冷剂出口；第二冷凝器的制冷剂出口还与蒸发器的第二制冷剂入口相连接，蒸发器的第二制冷剂出口与第一节流阀的出口相连接。

进一步地，第一海水淡化系统还包括第一换热器，蒸发器废水出口与第一换热器进口相连通；第一换热器位于第一海水水箱内，第一换热器设有伸出第一海水水箱的废水排出管。

进一步地，第二冷凝器制冷剂出口与第二制冷剂入口之间的管道设有第一截止阀；第一截止阀与第二节流阀并联，第二冷凝器制冷剂出口通过第一截止阀与第二制冷剂入口相连接。

进一步地，第二制冷剂出口连接的管道设有第三节流阀，蒸发器的第二制冷剂出口通过第三节流阀与第一节流阀的出口相连接。

进一步地，第一节流阀出口与第一制冷剂入口之间的管道设有第二截止阀；第二截止阀与第三换热器并联，第一节流阀的出口通过第二截止阀与第一制冷剂入口相连接；第三换热器出口与第一压缩机入口之间的管道设有第三截止阀；第三截止阀与蒸发器并联，第三换热器出口通过第三截止阀与第一压缩机入口相连接。

进一步地，蒸发器内的换热器为金属平板，所述第一制冷剂管道与所述第二制冷剂管道均贯穿金属平板的一侧，金属平板的另一侧内部中空构成所述海水通道。

进一步地，第二换热器与第三换热器均为强制对流的风冷翅片换热器。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果为：

(1)本实用新型采用两级压缩热泵技术制取淡水，相比于常规热泵，两级压缩热泵在制取淡水的过程中，海水经过两个冷凝器加热，更容易达到沸点而蒸发，能够有效降低能耗，提高海水淡化速度；通过回收热泵冷凝器侧的冷凝潜热，在冷凝器侧将海水加热形成不含盐分的水蒸气，完成海水淡化，气液分离器提高冷凝器侧海水淡化速度；利用热泵蒸发器侧的冷量，在蒸发器侧将海水冷冻形成不含盐分的冰，完成海水淡化，气液分离器提高蒸发器侧海水淡化速度；冷凝器与蒸发器相结合，共同制取淡水，提高海水淡化的速度，节约海水淡化成本；

(2)本实用新型能够通过制冷剂循环将冰融化；

(3)温度较低的高浓度的废水由蒸发器进入第一换热器内与第一海水水箱中的初始海水换热，使初始海水温度降低，海水进入蒸发器更容易结冰。

附图说明

图1为本实施例一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置连接结构图；

图2为本实施例蒸发器结构图。

图中：1-第二压缩机、2-第一压缩机、3-蒸发器、4-第三截止阀、5-第三换热器、6-第二截止阀、7-第三节流阀、8-第一截止阀、9-第一节流阀、10-第一换热器、11-第一海水水箱、12-第一水泵、13-第二海水水箱、14-第二水泵、15-气液分离器、16-第二节流阀、17-第二冷凝器、18-真空泵、19-第二换热器、20-淡水水箱、21-第一冷凝器、22-第一制冷剂入口、23-第一制冷剂出口、24-第二制冷剂入口、25-第二制冷剂出口、26-第一制冷剂管道、27-第二制冷剂管道、28-海水通道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步地描述，但本实用新型的保护范围并不仅仅限于此。

如图1、图2所示，本实施例一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，包括制冷剂循环系统，制冷剂循环系统包括第一压缩2、第二压缩机1、第二冷凝器17、第二节流阀16、气液分离器15、第一节流阀9以及蒸发器3。第一压缩机2的出口与第二压缩机1的入口相连接，第二压缩机1的出口与第二冷凝器17的制冷剂入口相连接，第二冷凝器17的制冷剂出口与第二节流阀16的入口相连接，第二节流阀16的出口与气液分离器15的入口相连接，气液分离器15的第一出口连接到第二压缩机1的入口，气液分离器15的第二出口连接到第一节流阀9的入口。蒸发器3内设有第一制冷剂管道26，第一制冷剂管道26的入口与出口分别为第一制冷剂入口22、第一制冷剂出口23。第一节流阀9出口与蒸发器3的第一制冷剂入口22相连接，蒸发器3的第一制冷剂出口23与第一压缩机2的入口相连接。制冷剂循环系统还包括第一冷凝器21，第一压缩机2的出口还与第一冷凝器21的入口相连接，第一冷凝器21的制冷剂出口与第一节流阀9的入口相连接。第一压缩机2流出的制冷剂一部分进入第一冷凝器21，另一部分经第二压缩机1进入第二冷凝器17。气液分离器15流出的液态制冷剂与第一冷凝器21流出的制冷剂汇合后进入第一节流阀9。

本实施例还包括第一海水淡化系统，第一海水淡化系统包括第一海水水箱11、第一水泵12以及蒸发器3。第一海水水箱11通过第一水泵12与蒸发器3的海水通道28入口相连通。第一海水水箱11设有海水补水口，蒸发器3设有排冰口与废水出口。第一海水水箱11内的海水由第一水泵12送至蒸发器3内的海水通道28内形成不含盐分的冰冰融化后从排冰口排出，高浓度废水从废水出口排出。蒸发器3内，制冷剂在相应的制冷剂管道内流动，海水在制冷剂管道外的海水通道28内流动，制冷剂将冷量传递给海水，使海水在海水通道28的内壁结冰。

本实施例还包括第二海水淡化系统，第二海水淡化系统包括第二海水水箱13，第二水泵14、第一冷凝器21、第二冷凝器17、真空泵18、第二换热器19以及淡水水箱20。真空泵18使第二海水淡化系统为真空状态，第二海水水箱13通过第二水泵14与第一冷凝器21的海水入口相连通，第一冷凝器21的海水出口与第二冷凝器17的海水入口相连通，第二冷凝器17的水蒸气出口依次通过真空泵18、第二换热器19与淡水水箱20相连通。第二海水水箱13设有海水补入口，第二冷凝器17设有废水出口。第二海水水箱13内的海水由第二水泵14送至第一冷凝器21加热升温，海水从第一冷凝器21流出后进入第二冷凝器17加热汽化形成不含盐分的水蒸气，水蒸气由真空泵18进入第二换热器19冷凝形成淡水后进入淡水水箱20，高浓度的废水从第二冷凝器17废水出口排出。第一冷凝器21内，制冷剂在相应的制冷剂管道内流动，海水在相应的海水管道内流动，制冷剂释放的热量传递给海水，使海水温度升高。第二冷凝器17内，制冷剂在相应的制冷剂管道内流动，海水在相应的海水管道内流动，制冷剂释放的热量传递给海水，使海水变成水蒸气。

第一压缩机2流出的制冷剂一部分进入第一冷凝器21，另一部分经第二压缩机1进入第二冷凝器17。制冰时，第二冷凝器17流出的制冷剂经第二节流阀16进入气液分离器15。气液分离器15流出的气态制冷剂与第一压缩机2流出的制冷剂汇合后进入第二压缩机1，气液分离器15分离出的气态制冷剂温度较高，与第一压缩机2流出的制冷剂换热，使进入第二压缩机1的制冷剂温度升高，提高效率。液态制冷剂与第一冷凝器21流出的制冷剂汇合后进入第一节流阀9，第一节流阀9流出的制冷剂进入蒸发器3内的第一制冷剂管道26，由于气液分离器15分离出的液态制冷剂温度较低，因此经过第一节流阀9进入蒸发器3的制冷剂湿度也低，能够吸收海水更多热量，从而提高热泵的效率。制冷剂从第一制冷剂管道26流出后进入第一压缩机2。

本实施例采用两级压缩热泵技术制取淡水，相比于常规热泵，两级压缩热泵在制取淡水的过程中，海水经过两个冷凝器加热，更容易达到沸点而蒸发，能够有效降低能耗，提高海水淡化速度；通过回收热泵冷凝器侧的冷凝潜热，在冷凝器侧将海水加热形成不含盐分的水蒸气，完成海水淡化，气液分离器提高冷凝器侧海水淡化速度；利用热泵蒸发器侧的冷量，在蒸发器侧将海水冷冻形成不含盐分的冰，完成海水淡化，气液分离器提高蒸发器侧海水淡化速度；冷凝器与蒸发器相结合，共同制取淡水，提高海水淡化的速度，节约海水淡化成本。

本实施例还包括第三换热器5，第三换热器5与蒸发器3并联，第一节流阀9出口还与第三换热器5的入口相连接，第三换热器5的出口与第一压缩机2的入口相连接。蒸发器3内设有第二制冷剂管道27，第二制冷剂管道27的入口与出口分别为第二制冷剂入口24、第二制冷剂出口25。第二冷凝器17的制冷剂出口还与蒸发器3的第二制冷剂入口24相连接，蒸发器3的第二制冷剂出口25与第一节流阀9的出口相连接。除冰时，第二冷凝器17流出的制冷剂一部分经第二节流阀16进入气液分离器15，另一部分进入蒸发器3内的第二制冷剂管道27；气液分离器15流出的气态制冷剂与第一压缩机2流出的制冷剂汇合后进入第二压缩机1，气液分离器15流出的液态制冷剂与第一冷凝器21流出的制冷剂汇合后进入第一节流阀9，第一节流阀9流出的制冷剂与第二制冷剂管道27流出的制冷剂汇合后通过第三换热器5流入第一压缩机2。除冰时，第三换热器5充当蒸发器来维持制冷剂循环的正常运行。因此，本实施例对应制冰与除冰，制冷剂有不同的循环回路，在通过制冷剂循环进行制冰的过程中，同时能够通过制冷剂循环将冰融化。

为回收第一海水淡化系统中废水的冷量，第一海水淡化系统还包括第一换热器10。蒸发器3废水出口与第一换热器10进口相连通。第一换热器10位于第一海水水箱11内，第一换热器10设有伸出第一海水水箱11的废水排出管。第一换热器10为水冷换热器，蒸发器3废水出口排出的废水进入第一换热器10，第一换热器10位于第一海水水箱11内，第一换热器10的出口管道伸出第一海水水箱11，废水由第一换热器10的出口管道排出。温度较低的高浓度的废水由蒸发器3进入第一换热器10内与第一海水水箱11中的初始海水换热，使初始海水温度降低，海水进入蒸发器3更容易结冰。

为便于在制冰与除冰之间进行切换，第二冷凝器17制冷剂出口与第二制冷剂入口24之间的管道设有第一截止阀8。第一截止阀8与第二节流阀16并联，第二冷凝器17制冷剂出口通过第一截止阀8与第二制冷剂入口24相连接。除冰时，第一截止阀8打开，第二冷凝器17流出的制冷剂一部分进入第二节流阀16，另一部分经第一截止阀8进入蒸发器3的第二制冷剂管道27。第二制冷剂出口25连接的管道设有第三节流阀7，蒸发器3的第二制冷剂出口25通过第三节流阀7与第一节流阀9的出口相连接。制冷剂经第三节流阀7流出后与第一节流阀9流出的制冷剂汇合，汇合后的制冷剂进入第三换热器5。

为便于除冰时，防止制冷剂进入蒸发器3，并使得制冷剂进入第三换热器5，第一节流阀9出口与第一制冷剂入口22之间的管道设有第二截止阀6。第二截止阀6与第三换热器5并联，第一节流阀9的出口通过第二截止阀6与第一制冷剂入口22相连接。第三换热器5出口与第一压缩机2入口之间的管道设有第三截止阀4。第三截止阀4与蒸发器3并联，第三换热器5出口通过第三截止阀4与第一压缩机2入口相连接。关闭第二截止阀6，打开第三截止阀4，第一节流阀9流出的制冷剂由第三换热器5进入第一压缩机2。打开第二截止阀6，关闭第三截止阀4，第一节流阀9流出的制冷剂进入蒸发器3内的第一制冷剂管道26，第一制冷剂出口23流出的制冷剂进入第一压缩机2。

为提高蒸发器3内第一制冷剂管道26内的制冷剂与海水通道28内的海水之间的换热效率，同时提高蒸发器3内的第二制冷剂管道27内的制冷剂与海水通道28内的冰块之间的换热效率，蒸发器3内的换热器为金属平板，所述第一制冷剂管道26与所述第二制冷剂管道27均贯穿金属平板的一侧，金属平板的另一侧内部中空构成所述海水通道28。金属平板的导热系数很高，制冰时，第一制冷剂管道26内制冷剂很快将冷量传递给海水使其结冰。融冰时，第二制冷剂管道27内的制冷剂很快将热量传递给冰块使其融化。为加强第二换热器19与第三换热器5的换热效率，第二换热器19与第三换热器5均为强制对流的风冷翅片换热器。

本实施例海水的淡化过程包括运行模式。运行模式下，关闭第一截止阀8和第三截止阀4，打开第二截止阀6，从第二压缩机1出来的高温高压气态制冷剂经过第二冷凝器17，又经过第二节流阀16完成第一级节流变为中压的气液两相状态；气液两相状态的制冷剂进入气液分离器15，其中气体回到第二压缩机1，而具有更多制冷量的液体经过第一节流阀9完成二级节流达到更低的温度经过第二截止阀6进入蒸发器3。第一水泵12从第一海水水箱11中抽取海水，海水进入蒸发器3内的海水通道28，海水通道28内壁面结冰，由于冰中几乎不含有盐分，所以冰也可以作为淡水；同时，高浓度的废水由蒸发器3的废水出口排出，进入第一换热器10，由于废水已经在蒸发器3中被冷却，温度较低，所以在第一换热器10中与初始的海水换热，使海水温度降低，进入蒸发器3后就更容易结冰。第二水泵14从第二海水水箱13中抽取海水，通过管道进入第一冷凝器21，在第一冷凝器21中吸收潜热，海水升温，然后再由管道进入第二冷凝器17，在第二冷凝器17中再次利用潜热蒸发海水，第二冷凝器17得到淡水的原理基于盐分几乎不溶于低压水蒸气的原理，运行时用真空泵18使第二海水淡化系统保持较高真空度，然后利用第二冷凝器17对海水加热使之在高真空下蒸发汽化，得到的水蒸气经过真空泵18进入第二换热器19，冷凝为淡水后进入淡水水箱20，同时，高浓度的废水由第二冷凝器17的废水出口排出。

本实施例海水的淡化过程还包括除冰模式。除冰模式下，在运行模式的基础上，打开第一截止阀8和第三截止阀4，关闭第二截止阀6，此时，从第二冷凝器17制冷剂出口流出的制冷剂一路进入第二节流阀16，另一路经过第一截止阀8进入蒸发器3的第二制冷剂入口24，将蒸发器3内海水通道28内的冰加热，使冰融化并从海水通道28内壁上脱落，然后从蒸发器3底端的排冰口落下，从而得到淡水。用于融化冰块的热制冷剂再从蒸发器3的第二制冷剂出口25经过第三节流阀7回到第一节流阀9的出口，与第一节流阀9出口的制冷剂会合，进入第三换热器5，第三换热器5充当蒸发器来维持制冷剂循环回路的正常运行。两种模式可以相互切换，当蒸发器3中换热板上已经结成冰块时，就可以进入除冰模式，除冰完成，再回到运行模式。本实施例不仅能用于海水的淡化，也可以用于其他溶液或污水中水的淡化提取。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本实用新型提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：

包括制冷剂循环系统，制冷剂循环系统包括第一压缩机、第二压缩机、第二冷凝器、第二节流阀、气液分离器、第一节流阀以及蒸发器；第一压缩机的出口与第二压缩机的入口相连接，第二压缩机的出口与第二冷凝器的制冷剂入口相连接，第二冷凝器的制冷剂出口与第二节流阀的入口相连接，第二节流阀的出口与气液分离器的入口相连接，气液分离器的第一出口连接到第二压缩机的入口，气液分离器的第二出口连接到第一节流阀的入口；蒸发器内设有第一制冷剂管道，第一制冷剂管道的入口与出口分别为第一制冷剂入口、第一制冷剂出口；第一节流阀出口与蒸发器的第一制冷剂入口相连接，蒸发器的第一制冷剂出口与第一压缩机的入口相连接；

制冷剂循环系统还包括第一冷凝器，第一压缩机的出口还与第一冷凝器的入口相连接，第一冷凝器的制冷剂出口与第一节流阀的入口相连接；

还包括第一海水淡化系统与第二海水淡化系统，第一海水淡化系统包括第一海水水箱、第一水泵以及蒸发器；第一海水水箱通过第一水泵与蒸发器的海水通道入口相连通；第一海水水箱设有海水补水口，蒸发器设有排冰口与废水出口；

第二海水淡化系统包括第二海水水箱，第二水泵、第一冷凝器、第二冷凝器、真空泵、第二换热器以及淡水水箱；真空泵使第二海水淡化系统为真空状态，第二海水水箱通过第二水泵与第一冷凝器的海水入口相连通，第一冷凝器的海水出口与第二冷凝器的海水入口相连通，第二冷凝器的水蒸气出口依次通过真空泵、第二换热器与淡水水箱相连通；第二海水水箱设有海水补入口，第二冷凝器设有废水出口。

2.根据权利要求1所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：制冷剂循环系统还包括第三换热器，第三换热器与蒸发器并联；第一节流阀出口还与第三换热器的入口相连接，第三换热器的出口与第一压缩机的入口相连接；蒸发器内设有第二制冷剂管道，第二制冷剂管道的入口与出口分别为第二制冷剂入口、第二制冷剂出口；第二冷凝器的制冷剂出口还与蒸发器的第二制冷剂入口相连接，蒸发器的第二制冷剂出口与第一节流阀的出口相连接。

3.根据权利要求1所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：第一海水淡化系统还包括第一换热器，蒸发器废水出口与第一换热器进口相连通；第一换热器位于第一海水水箱内，第一换热器设有伸出第一海水水箱的废水排出管。

4.根据权利要求2所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：

第二冷凝器制冷剂出口与第二制冷剂入口之间的管道设有第一截止阀；第一截止阀与第二节流阀并联，第二冷凝器制冷剂出口通过第一截止阀与第二制冷剂入口相连接。

5.根据权利要求2所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：

第二制冷剂出口连接的管道设有第三节流阀，蒸发器的第二制冷剂出口通过第三节流阀与第一节流阀的出口相连接。

6.根据权利要求2-5任一项所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：

第一节流阀出口与第一制冷剂入口之间的管道设有第二截止阀；第二截止阀与第三换热器并联，第一节流阀的出口通过第二截止阀与第一制冷剂入口相连接；第三换热器出口与第一压缩机入口之间的管道设有第三截止阀；第三截止阀与蒸发器并联，第三换热器出口通过第三截止阀与第一压缩机入口相连接。

7.根据权利要求2所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：蒸发器内的换热器为金属平板，所述第一制冷剂管道与所述第二制冷剂管道均贯穿金属平板的一侧，金属平板的另一侧内部中空构成所述海水通道。

8.根据权利要求2所述的冷冻蒸发联合作用的两级压缩热泵海水淡化装置，其特征在于：第二换热器与第三换热器均为强制对流的风冷翅片换热器。

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