CN103693699B - 具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，三根冷凝竖管之间依次嵌套安装，相邻冷凝竖管之间形成圆柱形空腔，三根冷凝竖管的底端开口由盖板封闭，顶端开口分别设置有拱形端盖，外层冷凝竖管的外表面设置有螺旋盘管，螺旋盘管的一端为进料原水进口，另一端与进料原水罐连通，中间层和内层冷凝竖管的外表面设置有亲水多孔透气膜，未附着亲水多孔透气膜的冷凝竖管外表面形成螺旋水槽，中间层和内层的拱形端盖上设置有圆形挡水棱，内层冷凝竖管作为加热水箱，其内侧的盖板上设置有加热器和排水阀；本发明利用自回热和多效回收蒸汽凝结潜热来提高蒸馏装置热能利用效率，可以通过增加效数和蒸发、冷凝面积来提高淡水量需求。

Description

具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置

技术领域

本发明涉及一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，具体地说是一种利用自回热和多效回收蒸汽凝结潜热来提高蒸馏装置热能利用效率及可以通过增加效数和蒸发、冷凝面积来提高淡水量需求，以降低单位体积淡化水成本的装置，属于水处理技术领域。

背景技术

目前，全世界约有5亿人喝不上清洁安全的饮用水，而随着世界上接近水资源开发极限的地区的不断增加和极端天气的日益增多，到2025年，这个数字将会增加5倍以上，达到28亿人。淡水资源短缺和水环境蜕变将会成为影响世界可持续发展的重要障碍，有学者提出，现在争油，将来争水。解决淡水资源短缺问题，最重要的途径之一是寻求利用太阳能或工业余热等来对海水或苦咸水进行淡化。对海水或苦咸水淡化的方法很多，但常规的方法比如反渗透法、蒸馏法、多级闪蒸法和渗析法等需要消耗大量的化石能源，利用成本高，且效率低。而且世界上还有许多缺水地区的淡水需求比较分散，如内陆苦咸水地区、沿海渔村和岛礁等，而在这些地区采用传统海水或苦咸水淡化***显然是不现实的。因此，开发中小型的、维护操作简便的太阳能或工业余热驱动的高效紧凑式海水或苦咸水淡化装置一直是这一领域的研究热点。

发明内容

为了克服现有海水、苦咸水淡化装置能量利用率低、原水热惰性大、能耗高及难于小规模应用的缺陷，本发明提供了一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，能够在边远地区或海岛上使用，并可以和太阳能或工业余热相结合，其能量利用率高且能耗低。

一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，该蒸馏装置包括三根冷凝竖管、盖板、进料原水罐、水泵、进水管、螺旋盘管、加热器、亲水多孔透气膜、进/排水阀、喷射器、内挡水板、外挡水板、原水排出管、淡水排出管、拱形端盖和圆形挡水棱；

安装关系：三根冷凝竖管之间依次嵌套安装，相邻冷凝竖管之间形成圆柱形空腔，三根冷凝竖管的底端开口由盖板封闭，顶端开口分别设置有拱形端盖，外层冷凝竖管的外表面设置有螺旋盘管，螺旋盘管的一端为进料原水进口，另一端与进料原水罐连通，中间层和内层冷凝竖管的外表面设置有螺旋状的亲水多孔透气膜，未附着亲水多孔透气膜的冷凝竖管外表面形成螺旋水槽，中间层和内层的拱形端盖上设置有圆形挡水棱，内层冷凝竖管作为加热水箱，其内侧的盖板上设置有加热器和进/排水阀；

进料原水罐引出两根进水管分别至中间层和内层圆形挡水棱上方，还引出两根排水管分别至中间层和内层冷凝竖管的螺旋水槽内，排水管上设置有水泵，排水管出口设置有喷射器，内挡水板和外挡水板均设置在盖板上，内挡水板位于中间层和内层冷凝竖管之间的腔体内，外挡水板位于中间层和外层冷凝竖管之间的腔体内，内挡水板和内层冷凝竖管之间、外挡水板和中间层冷凝竖管之间的腔体均通过原水排出管穿过盖板与浓原水罐连通，内挡水板和中间层冷凝竖管之间、外挡水板和外层冷凝竖管之间的腔体均通过淡水排出管穿过盖板分别与淡水罐连通。

所述蒸馏装置还包括螺旋导水棱，中间层和内层的拱形端盖上均设置有螺旋导水棱，螺旋导水棱位于圆形挡水棱内侧。

所述内层和外层冷凝竖管外表面在亲水多孔透气膜对应位置加工有蜂窝状凹坑。

所述三根冷凝竖管为圆形或椭圆形。

所述喷射器为鸭嘴形喷射器。

所述加热器和进/排水阀由太阳能集热器的进、出水管代替。

所述加热器和进/排水阀由电加热器代替。

有益效果：

（1）本发明设置多层冷凝竖管即多次利用蒸汽凝结潜热，提高了装置的能量利用效率和产水量；利用在冷凝竖管外表面粘贴螺旋状亲水多孔透气膜（比如泡沫铝），即将原水储藏在冷凝竖管壁面的亲水多孔透气膜中，并通过螺旋水槽内的原水会在毛细作用下对亲水多孔透气膜中的原水进行补水，实现了蒸馏装置中竖直壁面储水的功能，热惰性小，装置启动时间短，同时增大了原水的受热面积，避免竖直壁面上水膜因重力无法实现均匀分布的难题；对进料原水进行了回热，强化了外层冷凝竖管的冷凝效果，提高了装置热能利用率，增大了相同输入热能的单位产水量；总之，本发明解决了现有海水或苦咸水淡化***由于不能够对冷凝时所释放的凝结潜热进行多次回收而导致的能耗大和成本高的问题。

（2）本发明在拱形端盖还设置有螺旋导水棱，进料原水在螺旋导水棱和圆形挡水棱共同作用下形成渐扩螺旋水流，并在圆形挡水棱作用下于拱形端盖上形成均匀流动的水膜，均匀渗入到亲水多孔透气膜中进行蒸发，吸热均匀，且相比只采用圆形挡水棱，节省材料并使得进料原水分布更均匀。

（3）本发明的冷凝竖管内壁面为光滑镜面，在附有螺旋状的亲水多孔透气膜的竖管内壁面下均匀分布多个蜂窝状凹坑，增大了蒸汽冷凝面积，破坏了冷凝竖管冷凝面水膜的生成，提高了冷凝竖管壁面的换热系数。

（4）本发明的喷射器为鸭嘴形，利用鸭嘴喷射器形成有压水流，此水流在离心力和卷吸力作用下，在狭小的圆柱形腔体即蒸发腔内形成微负压，利于原水的低温蒸发和蒸汽的上升，提高了蒸汽的传质系数。

（5）本发明采用太阳能集热器或电加热器代替加热器和排水阀，使得装置具有鲜明的节能减排特点，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的结构图。

图2是本发明具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的主视图。

图3是本发明具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的俯视剖面图。

图4是本发明具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置拱形端盖的俯视图。

图5是本发明用椭圆柱形冷凝竖管代替圆柱形冷凝竖管的装置俯视剖面图。

图6是加热装置为太阳能集热器的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的实施例图。

图7是加热装置为电加热器的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的实施例图。

图8是本发明鸭嘴喷射器的结构示意图。

其中，1—进料原水罐；2—水泵；3—进水管；4—加热水箱；5—螺旋导水棱；6—蜂窝孔；7—螺旋盘管；8—螺旋水槽；9—加热器；10—亲水多孔透气膜；11—进/排水阀；12—喷射器；13—外挡水板；14—原水排出管；15—淡水排出管；16—拱形端盖；17—圆形挡水棱；18—太阳能集热器；19—热水进水管；20—热水出水管；21—电加热棒

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1～附图4所示，本发明提供了一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，该蒸馏装置包括三根圆柱形的冷凝竖管、进料原水罐1、水泵2、进水管3、螺旋导水棱5、螺旋盘管7、加热器9、亲水多孔透气膜10、进/排水阀11、喷射器12、外挡水板13、原水排出管14、淡水排出管15、拱形端盖16和圆形挡水棱17；其中亲水多孔透气膜10采用泡沫铝，喷射器12为鸭嘴形，如图8所示。

安装关系：三根冷凝竖管依次嵌套安装，相邻两层冷凝竖管之间形成两层圆柱形腔体，三根冷凝竖管的底端开口由盖板封闭，三根冷凝竖管的顶端开口分别设置有拱形端盖16，外层冷凝竖管的外表面由下至上设置有螺旋盘管7，螺旋盘管7的一端为进料原水进口，另一端与进料原水罐1连通，中间层和内层冷凝竖管的外表面设置有螺旋状的亲水多孔透气膜10，相邻亲水多孔透气膜10之间形成螺旋水槽8，即未附着亲水多孔透气膜10的冷凝竖管外表面形成螺旋水槽8，为了增加冷凝面积和保证亲水多孔透气膜10的可靠附着，在亲水多孔透气膜10对应的冷凝竖管内表面加工有蜂窝状凹坑6，中间层和内层的拱形端盖16上设置有螺旋导水棱5和圆形挡水棱17，螺旋导水棱5位于圆形挡水棱17内侧，采用螺旋导水棱5使得进料原水形成螺旋流动，在圆形挡水棱作用下水膜分布更均匀，且还可以节省材料，内层冷凝竖管作为加热水箱4，其内侧的盖板上设置有加热器9和排水阀11。

进料原水罐1引出两根进水管3分别至中间层和内层螺旋导水棱5上方，还引出两根排水管分别至中间层和内层冷凝竖管的螺旋水槽8内，排水管上设置有水泵2，排水管出口设置有喷射器12，内挡水板和外挡水板13均设置在盖板上，内挡水板位于中间层和内层冷凝竖管之间的腔体内，外挡水板13位于中间层和外层冷凝竖管之间的腔体内，内挡水板和内层冷凝竖管之间、外挡水板13和中间层冷凝竖管之间的腔体均通过原水排出管14穿过盖板与浓原水罐连通，内挡水板和中间层冷凝竖管之间、外挡水板13和外层冷凝竖管之间的腔体均通过淡水排出管15穿过盖板分别与淡水罐连通。

工作原理：进料原水经附着在外层冷凝竖管外壁面的螺旋盘管7进入到进料原水罐1中，一部分原水经进水管3流到拱形端盖16表面，经端盖表面的螺旋导水棱5和圆形挡水棱17作用形成流动的水膜，然后均匀渗入到螺旋状的亲水多孔透气膜10中，另一部分原水在水泵2作用下经鸭嘴形的喷射泵12均匀喷射到螺旋水槽8中，在离心力和卷吸力作用下形成微负压，同时利用毛细作用对亲水多孔透气膜10中的原水进行补水，加热水箱4中的加热器9使得加热介质受热升温，并通过排水阀11对加热介质的量进行调节，热量通过内层冷凝竖管的壁面传给外壁面上附着的亲水多孔透气膜10中储藏的原水，原水受热蒸发到中间层冷凝竖管内壁，然后凝结成淡水，蒸汽在冷凝过程中释放的凝结潜热经壁面传给中间层冷凝竖管外壁面亲水多孔透气膜10中的原水，原水受热蒸发到外层冷凝竖管冷凝壁面上凝结生成淡水，装置工作过程中生成的淡水与过量原水被装置底部的外挡水板13和内挡水板分开，所产生的淡水经淡水排出管15汇集到淡水罐中，过量原水经原水排出管14流到浓原水罐中。

图5是用椭圆柱形冷凝竖管代替圆柱形冷凝竖管的实施例图，为了加工方便，将圆柱形冷凝竖管采用椭圆形冷凝竖管代替，其运行原理与采用圆柱形冷凝竖管一致。

图6是加热装置为太阳能集热器18的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的实施例图，采用太阳能集热器18代替加热器9，太阳能集热器18将热水通过热水进水管19送入到内层冷凝竖管内腔顶端即加热水箱4中，然后底端经热水出水管20流回到太阳能集热器18中，运行原理与采用加热器9一致。

图7是加热装置为电加热器21的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置的实施例图，采用电加热器21代替加热器9，电加热器21内设置在内层冷凝竖管内腔，电加热器21通外部电流加热介质加热升温，运行原理与采用加热器9一致。

本发明装置的效数可以按照所需淡水产量进行适当增加或减少，只需增加或减少外层冷凝竖管就可以，加热水箱不需要改动，此外本发明装置安装维护简便，适合于边远地区、岛屿上小规模饮用水生产。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，该蒸馏装置包括三根冷凝竖管、盖板、进料原水罐(1)、水泵(2)、进水管(3)、螺旋盘管(7)、加热器(9)、亲水多孔透气膜(10)、进/排水阀(11)、喷射器(12)、内挡水板、外挡水板(13)、原水排出管(14)、淡水排出管(15)、拱形端盖(16)和圆形挡水棱(17)；

安装关系：三根冷凝竖管之间依次嵌套安装，相邻冷凝竖管之间形成圆柱形空腔，三根冷凝竖管的底端开口由盖板封闭，顶端开口分别设置有拱形端盖(16)，外层冷凝竖管的外表面设置有螺旋盘管(7)，螺旋盘管(7)的一端为进料原水进口，另一端与进料原水罐(1)连通，中间层和内层冷凝竖管的外表面设置有螺旋状的亲水多孔透气膜(10)，未附着亲水多孔透气膜(10)的冷凝竖管外表面形成螺旋水槽(8)，中间层和内层的拱形端盖(16)上设置有圆形挡水棱(17)，内层冷凝竖管作为加热水箱(4)，其内侧的盖板上设置有加热器(9)和进/排水阀(11)；

进料原水罐(1)引出两根进水管(3)分别至中间层和内层圆形挡水棱(17)上方，还引出两根排水管分别至中间层和内层冷凝竖管的螺旋水槽(8)内，排水管上设置有水泵(2)，排水管出口设置有喷射器(12)，内挡水板和外挡水板(13)均设置在盖板上，内挡水板位于中间层和内层冷凝竖管之间的腔体内，外挡水板(13)位于中间层和外层冷凝竖管之间的腔体内，内挡水板和内层冷凝竖管之间、外挡水板(13)和中间层冷凝竖管之间的腔体均通过原水排出管(14)穿过盖板与浓原水罐连通，内挡水板和中间层冷凝竖管之间、外挡水板(13)和外层冷凝竖管之间的腔体均通过淡水排出管(15)穿过盖板分别与淡水罐连通。

2.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述蒸馏装置还包括螺旋导水棱(5)，中间层和内层的拱形端盖(16)上均设置有螺旋导水棱(5)，螺旋导水棱(5)位于圆形挡水棱(17)内侧。

3.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述内层和外层冷凝竖管外表面在亲水多孔透气膜(10)对应位置加工有蜂窝孔(6)状凹坑。

4.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述三根冷凝竖管为圆形或椭圆形。

5.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述喷射器(12)为鸭嘴形喷射器。

6.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述加热器(9)和进/排水阀(11)由太阳能集热器(18)的进、出水管代替。

7.如权利要求1所述的具有自回热功能的多效竖管螺旋亲水透气蒸馏装置，其特征在于，所述加热器(9)和进/排水阀(11)由电加热器(21)代替。