CN103449548A - 船用热管式海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海水淡化领域，特别涉及一种船用热管式海水淡化装置。由压力表、液位计、热管、液体分布器、折流板、泄气阀、筒体、支座、单向阀、淡水泵、射流真空泵、海水泵、隔板、除雾器及各连接管路组成。本发明充分利用了重力热管的导热系数高的优点，采用船舶发动机冷却水的热量作为热源，在由离心泵驱动的射流真空泵创造的真空环境下，使海水沸点大幅度降低，将海水在较低的沸点下蒸馏，从而使海水淡化装置制造简单、结构紧凑、耗材少，达到船舶发动机冷却水循环利用和船体淡水自给自足的双重目的，有维护方便、成本低廉、寿命长以及安装空间较小的优点。
Description
技术领域
本专利涉及一种新型的单效低温蒸馏法海水淡化装置，用于渔船、供给船、客货船、淡水缺乏的沿海地区和海岛制取淡水。
背景技术
目前，淡水资源紧缺已成为制约我国国民经济发展和人民生活水平提高的瓶颈，海水淡化是解决沿海地区水资源紧缺的根本途径之一。海水淡化技术也称为海水脱盐技术，是分离海水中盐和水的过程，按分离原理和方法分类，海水淡化技术可分为相变法和非相变法两大类。相变法包括：蒸馏法(太阳能蒸馏法、低温多效法、多级闪蒸法、压气蒸馏法、膜蒸馏法)、冷冻法；非相变法主要包括：膜法(反渗透法、电渗析法)、离子交换法和溶液提取法。海水淡化装置是船舶保障日用淡水的重要设备，船舶上的淡水除了供给饮用、洗涤之外，还供给动力装置、卫生医药等部门使用，常用的船用海水淡化装置有单效蒸馏式、多级闪发式、反渗透式、电渗析式、机械蒸汽压缩式等。反渗透式海水淡化装置存在成本较高，使用寿命短、对工作环境要求较高、维护较为复杂的缺点；而闪蒸法设备虽然造价相对合理，产能较高，但由于设备对工作环境要求较高，安装空间较大，装置繁多，维护人工成本较高以及存在串级生产模式易产生产品质量风险，并不适用于成本和空间受限的中小型船舶。
中国国家知识产权局2010年6月2日授权的，专利号为ZL201010564359.3，名称为“板式海水淡化装置”的专利和专利号为ZL201110142750.9，名称为“串联热管换热器回收柴油机废热进行海水淡化的装置”的专利较好地解决了目前海水淡化设备中存在的以上问题。
上述专利技术中的“板式海水淡化装置”，以发动机冷却水废热为热源，采用减压蒸馏原理，通过板式蒸发器将海水沸腾，再由板式冷凝器将蒸汽冷凝成淡水，操作简单、装拆、检修方便，且制得淡水含盐量低。但存在以下缺陷：1、所采用的板式换热器，密封性较差，不适用于生产可供人们直接饮用的淡水。2、板式换热器的流道小，不适合于气-气换热或者蒸汽冷凝。
上述专利技术中的“串联热管换热器回收柴油机废热进行海水淡化的装置”，通过上、下两个热管式换热器串联，分别回收柴油机废气及冷却水的余热，通过热管加热海水，产生的水蒸汽进入冷凝器冷凝成淡水，采用的热管传热性能好，设备费用低、运转和维修简便。但存在以下缺陷：1、柴油机冷却水出口温度在70-90℃，常压情况下，很难将海水蒸馏。2、柴油发动机烟气中含有大量的二氧化硫、三氧化硫，极易发生露点腐蚀，设备使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的海水淡化装置的结构设计中存在的缺陷，提供一种结构合理，制造简单，高质量、高效率、连续的淡水供应以及高效的冷却水循环利用的船用热管式海水淡化装置。
实现上述目的的技术方案是：船用热管式海水淡化装置，其特征在于由第一组热管和第二组热管、液位计、液体分布器、隔板、第一管板和第二管板、管套、折流板、泄压阀、筒体、射流真空泵、除雾器、支座、单向阀、海水泵、压力表、淡水泵及各连接管路组成，其中所述第二管板、第二组热管及管套组成冷凝段；第二管板、第一组热管及管套组成蒸发段，冷凝段的预热室安装有海水入水管和海水出水管，冷凝室与不凝气体排出管、淡水管相连接；蒸发段的蒸发室与海水出水管的支路、真空管相连接，加热室安装有冷却水进、出水口，接船舶冷却循环水，淡水泵的出水口处安装有单向阀。
进一步的，冷凝段与蒸发段的换热元件均采用低温热管，充分利用了重力热管的导热系数高的优点，强化了传热。
进一步的，本装置的淡化方法是利用船舶发动机冷却水的热量，在由离心泵驱动的射流真空泵创造的真空环境下，通过热管将海水在较低的沸点下加热至蒸馏，水蒸汽通过热管与冷海水换热，使水蒸汽冷凝，产出淡水，通过淡水泵，将淡水泵出储存，供给饮用、洗涤。
进一步的，采用减压蒸馏，以发动机冷却水余热作为热源，发动机冷却水完成加热过程，从装置流出后，温度降低，循环入发动机。
进一步的，采用无运动部件的射流真空泵作为真空发生器，使海水沸点大幅度降低，降低蒸发沸点，使海水在较低温度沸腾，产生大量蒸汽，蒸汽经冷凝后收集为蒸馏水，即淡水。
本发明的基本构思是：海水淡化装置的主体是由上下两部分组成，上部为冷凝段，下部为蒸发段，两部分内的主要换热元件都为热管。从船舶发动机流出的带有热量的冷却水，经冷却水入口进入装置蒸发段的加热室，由第一组热管的冷端吸收其热量，冷却水温度降低，然后从冷却水出口流回发动机，循环利用。在蒸发室内由第一组热管的热端将海水加热，在射流真空泵创造的真空环境下，水的沸点大幅度降低，使其迅速汽化，产生的水蒸汽通过除雾器进入冷凝段的冷凝室，由冷凝室内的第二组热管冷端吸收其热量，将其冷凝成淡水，由淡水泵将淡水泵入淡水箱。在冷凝段中，海水经海水泵进入预热室，在预热室内被第二组热管的热端预热，此处热管的热量来自于蒸发段汽化的水蒸气冷凝放出的热量，经预热的海水从海水出口流出，其中一部分预热的海水进入蒸发室，用于汽化蒸发，另一部分进入射流真空泵，产生射流，使蒸发室内保持真空状态。该方法的特点在于：
a)以船舶发动机冷却水作为热源，既环保又节能，而且能够使发动机的冷却效果提高。
b)以热管作为海水淡化装置冷凝段与蒸发段的换热元件，可以有效地提高低温热源的利用率。
c)采用无运动部件的射流真空泵作为真空发生器，使海水沸点大幅度降低。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的海水淡化工艺，采用减压蒸馏，以发动机冷却水余热作为热源，一方面节约能源，满足船上淡水自给自足，实现冷却水的循环利用；另一方面，发动机冷却水完成加热过程，从装置流出后，温度降低，循环入发动机，可有效地保护发动机，延长使用寿命；由于冷却水的温度较低，且海水在真空环境下以较低的沸点气化，使装置的工作的温度保持在较低的范围，大大减轻了换热面上的结垢现象。
2、本发明采用热管作为换热元件，蒸发冷凝过程中充分利用了重力热管的导热系数高的优点，强化了传热，使海水淡化装置的制造简单、结构紧凑、耗材少、维修方便。
3、本发明采用的射流真空泵，是一种以加压液体为工作物质的喷射泵，工质来源方便，加压过程可以靠水泵实现，射流真空泵的进水口与冷凝段的海水出水管相连接，结构合理，消除了射流真空泵的背压，提高射流真空泵的抽吸能力。用射流真空泵替代了高压气体喷射器来实现抽真空行为，射流真空泵的引入可以省去浓液泵、压缩机、储气罐，节省了设备投资，简化了真空蒸发装置的整体结构，降低了电量消耗，提高了装置经济性，保持装置连续稳定运行。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的装置结构示意图。
图3为本发明的冷凝段和蒸发段管板示意图。
图4为本发明的射流真空泵结构示意图。
图5为本发明环管式液体分布器的结构示意图。
图6为本发明热管管套结构示意图。
图7为图6的俯视图。
其中：1—第一热管；2—第一管板；3—液位计；4—液体分布器；5—隔板；6—第二管板；7—管套；8—第二热管(翅片)；9—泄压阀；10—折流板；11—射流真空泵；12—筒体；13—除雾器；14—支座；15—单向阀；16—淡水泵；17—阀；18—压力表；19—海水泵。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
如图1，本发明提供的一种热管式海水淡化装置的淡化方法是利用船舶发动机冷却水的热量，在由离心泵驱动的射流真空泵创造的真空环境下，通过热管将海水在较低的沸点下加热至蒸馏，水蒸汽通过热管与冷海水换热，使水蒸汽冷凝，产出淡水，同时利用淡水泵，将淡水泵出储存，供给饮用、洗涤。
如图2，本发明提供一种热管式海水淡化装置，主要由第一组热管1和第二组热管8、液位计3、液体分布器4；隔板5、第一管板2和第二管板6、管套7、折流板10、泄压阀9、筒体12、射流真空泵11、除雾器13、支座14、单向阀15、海水泵19、压力表18、淡水泵16及各连接管路组成。由第二管板6、第二组热管8及管套7组成冷凝段I；由第一管板2、第一组热管1及管套7组成蒸发段II。
冷凝段I、蒸发段II、淡水泵16、射流真空泵11、海水泵19、隔板5、除雾器13及各连接管路组成。装置被隔板5与除雾器13分隔成上、下两段，上段为冷凝段I，下段为蒸发段II，冷凝段I与蒸发段II分别被第一管板2和第二管板6分隔成两个独立封闭的空间。冷凝段I中，第二管板6上部为预热室，下部为冷凝室。蒸发段II第一管板2上部为蒸发室，下部为加热室。
冷凝段I的预热室安装有海水入水管C和海水出水管D，冷凝室与不凝气体排出管B、淡水管E相连接；蒸发段II的蒸发室与海水出水管D的支路A、真空管F相连接，加热室安装有冷却水进、出水口，接船舶冷却循环水，淡水泵16的出水口处安装有单向阀15，有效地防止淡水泵16吸入空气，而造成倒吸气现象，确保淡水正常供应，保持蒸发段内的真空度，并提高了淡水泵16的使用寿命，保证了淡水出水率。将船舶发动机冷却循环水从蒸发段II的加热室的冷却水入口引入，从冷却水出口引出，在不影响冷却和循环条件下，为第一组热管1加热。
见图2，筒体12的上部、下部均有封头，封头可制成平板形或者蝶形，并焊接在筒体12的上下两侧，管A-G为方形管或圆形管，还可以采用其他形状的竖管，筒体12采用16MnR材料制作。冷凝段I冷凝室内的第二组热管8采用表面为纵向翅片的金属管，预热室内的热管采用金属光管，蒸发段II的第一组热管1为金属光管。冷凝段I的海水出口端与海水出水管D相连接，海水经海水出水管D流出，分为两路，一部分海水经过海水管支路A进入蒸发段II的蒸发室内的液体分布器，将海水均匀的喷洒在热管上，供给蒸发，另一部分海水作为工作介质通过海水出水管D与射流真空泵11的海水入口相连接。蒸发段II通过冷却水入口接入船舶发动机冷却循环水，流经蒸发段II的加热室，再流回柴油机内，循环连续不断地对海水进行加热。蒸发室外筒壁上安装有液位计，以指示用于蒸发的海水液位，保证蒸发能连续进行。
见图3，冷凝段I与蒸发段II的换热元件热管按正三角形排列，通过套管7密封安装在管板上见图6、7。
见图4，本发明中的射流真空泵11由吸入室体11-5装连在吸入室体11-5上依次设有吸入腔11-1-1、混合室11-1-2和扩压室11-1-3的管体11-1以及装连在吸入室体11-5内的锥形喷嘴11-3构成，吸入室体11-5的海水进口11-5-1接海水出水管D，吸入室体11-5轴侧的的抽真空接口11-5-2与真空管F相连通，锥形喷嘴11-3延伸至管体11-1吸入腔11-1-1内，且吸入腔11-1-1轴侧的吸气口11-2通过不凝气体排出管B与冷凝器I连通，用螺纹安装，并采用尼龙垫圈11-4密封，管体11-1上依次设有吸入腔11-1-1定位后，用紧固件连接，吸入室体11-5上的海水进口11-5-2与真空管F相连接，将空气、呈悬浮状态的水垢及蒸发残余的浓盐水抽出，并保持液面平衡。见图4，锥形喷嘴11-3延伸至管体11-1的吸入腔11-1-1内，且吸入腔11-1-1轴侧的吸气口11-2与不凝气体排出管B相连通，不凝气体排出管B设置在筒体12的中部，对蒸发段II内上升的水蒸汽较均匀地引流，经过除雾器13到冷凝段I中，形成淡水。由于锥形喷嘴11-3收缩流道延长，提高了抽真空能力，通过高压海水作为动力，抽吸蒸发段II中的空气及浓盐水，使其达到真空，高压海水经射流真空泵11释放压力后从热管式海水淡化装置的海水出水口排到装置外。
见图5，本发明中的液体分布器4由螺栓4-1、螺母4-2、管法兰4-3、液体分配管4-4、布液管4-5、支撑梁4-6组成。海水管支路A与液体分配管4-4通过管法兰连接，支撑梁4-6焊接在内筒壁上，布液管4-5搭接在支撑梁上。液体分配管4-4与布液管4-5采用圆管制成，布液管4-5底部打孔以将液体均匀的分布在热管上，使蒸发效率更高，这种环管式液体分布器4主要靠泵的压头及高液位通过管道与分布器相连，将液体分布。
装置在工作时，海水通过海水进水口进入冷凝段I的预热室被热管加热，热管的热量来自于冷凝室内的水蒸汽冷凝放出热量，被预热的海水从海水出水管D流出，一个支路的海水作为工作介质进入射流真空泵11的吸入室11-5，将蒸发段II蒸发室内的空气及末凝结的水蒸气及浓盐水抽出；海水出水管D的另一个支路A与蒸发段II的蒸发室内的液体分布器4，将海水均匀喷洒，给蒸发室补充海水，被加热至沸腾蒸发，上升的水蒸气经过除雾器13进入冷凝段I中的冷凝室中，被冷凝成蒸馏水，即淡水，通过淡水管E被淡水泵16泵出，由于蒸发段II蒸发室内的海水在真空、较低温度条件下进行沸腾蒸发，明显提高了淡水的出水率。
本发明还具有装在筒体12底部的排污阀G，在淡水制取过程中，可以对设备内部残余的脏水进行排污清洗，筒体12上还装有泄压阀9，排污或停机时，先打开筒体10上的泄压阀9。
以上是对本发明的具体说明，本方案不仅仅局限在以上实施例中，针对在本方案发明构思下所做的任何改变都将落入本发明保护范围内。
Claims (5)
1.船用热管式海水淡化装置，其特征在于由第一组热管(1)和第二组热管(8)、液位计(3)、液体分布器(4)、隔板(5)、第一管板(2)和第二管板(6)、管套(7)、折流板(10)、泄压阀(9)、筒体(12)、射流真空泵(11)、除雾器(13)、支座(14)、单向阀(15)、海水泵(19)、压力表(18)、淡水泵(16)及各连接管路组成，其中所述第二管板(6)、第二组热管(8)及管套(7)组成冷凝段(I)；第二管板(2)、第一组热管(1)及管套(7)组成蒸发段(II)，冷凝段(I)的预热室安装有海水入水管(C)和海水出水管(D)，冷凝室与不凝气体排出管(B)、淡水管(E)相连接；蒸发段(II)的蒸发室与海水出水管(D)的支路(A)、真空管(F)相连接，加热室安装有冷却水进、出水口，接船舶冷却循环水，淡水泵(16)的出水口处安装有单向阀(15)。
2.根据权利要求1所述的船用热管式海水淡化装置，其特征在于冷凝段(I)与蒸发段(II)的换热元件均采用低温热管，充分利用了重力热管的导热系数高的优点，强化了传热。
3.根据权利要求1所述的船用热管式海水淡化装置的淡化方法，其特征在于利用船舶发动机冷却水的热量，在由离心泵驱动的射流真空泵(11)创造的真空环境下，通过热管将海水在较低的沸点下加热至蒸馏，水蒸汽通过热管与冷海水换热，使水蒸汽冷凝，产出淡水，通过淡水泵，将淡水泵出储存，供给饮用、洗涤。
4.根据权利要求3所述的淡化方法，其特征在于所述蒸馏采用减压蒸馏，以发动机冷却水余热作为热源，发动机冷却水完成加热过程，从装置流出后，温度降低，循环入发动机。
5.根据权利要求3所述的淡化方法，其特征在于，采用无运动部件的射流真空泵(11)作为真空发生器，使海水沸点大幅度降低，降低蒸发沸点，使海水在较低温度沸腾，产生大量蒸汽，蒸汽经冷凝后收集为蒸馏水，即淡水。
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