CN107416930B - 多能耦合海水淡化*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多能耦合海水淡化***，其特征在于，包括：余热提取装置、毛细竖管蒸发器、毛细驱动蒸发器、太阳聚焦装置、太阳能蒸发器、压气机、风力机、以及蒸汽喷射器，其中，余热提取装置与余热工质输送管相连，并与毛细竖管蒸发器相连；毛细竖管蒸发器通过蒸汽管与毛细驱动蒸发器的一次蒸汽入口相连；毛细驱动蒸发器具有一次蒸汽入口、海水入口、海水出口、二次蒸汽出口、淡水出口；太阳聚焦装置将太阳能聚焦至太阳能蒸发器；太阳能蒸发器通过海水管引入海水，并且通过蒸汽管与压气机的蒸汽入口相连；压气机与风力机相连，蒸汽出口与蒸汽喷射器的高压蒸汽入口相连；蒸汽喷射器的一次蒸汽出口与毛细驱动蒸发器的一次蒸汽入口相连。

Description

多能耦合海水淡化***
技术领域
本发明属于海水淡化及节能减排领域，具体涉及一种多能耦合海水淡化***。
背景技术
淡水资源作为一种紧缺的基础性资源，已成为世界各国关注的焦点。海水淡化是一种将海水中盐和水进行分离，进而获取淡水的方法，可以提供稳定的淡水资源补充。目前常规的海水淡化技术主要包括热法蒸馏淡化和膜法反渗透淡化。无论是热法还是反渗透，都是以消耗高品位能源作为代价换取淡水，对高品位电力有较强的依赖性。就目前来讲，其仍属于能源密集型产业，日益紧张的能源问题难以应对不断增长的淡水需求。此外，常规海水淡化设备体积过于庞大，初期投资高，能耗大，这一直是常规海水淡化技术存在的主要问题。
近年，中国专利CN201010162214和CN201410794482分别公布了一项低温余热海水淡化技术和一种余热电水联产***。这两专利充分利用我国钢铁、石油、水泥等传统工业生产过程中产生的100-300℃甚至温度更低低品位余热，基于开路环路热管毛细驱动技术，实现超低温的海水淡化。希望能利用工业上的余热废热获取淡化，变废为宝，降低淡化技术的能源成本，具有良好的应用前景。
此外，充分利用可再生清洁能源进行海水淡化也是近年发展的趋势，如中国专利CN201510014674公开一种植入风电杆塔的海水淡化装置，中国专利CN106145489A和CN104058473A各公开了一种太阳能和风能互补的海水淡化装置。然而由于清洁能源本身能量密度低和受气候波动影响较大，严重影响了其效率的提高，导致产水量低，难以实现应用。
如何降低常规海水淡化技术成本和提高新能源的效率仍是待解决的技术问题。路环路热管毛细驱动技术本身是一种低能耗近零污染的清洁海水淡化技术，其能源特点为量大品位低；而新能源如风能太阳能等本身能量密度低但品味高。如何将路环路热管毛细驱动技术与新能源淡化技术相结合并克服这两种技术的缺点，从而推动这些技术的实际应用仍是亟待解决的课题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种低成本高效率的多能耦合海水淡化***。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种多能耦合海水淡化***，其特征在于，包括：余热提取装置、毛细竖管蒸发器、毛细驱动蒸发器、太阳聚焦装置、太阳能蒸发器、压气机、风力机、以及蒸汽喷射器，其中，余热提取装置与余热工质输送管相连，并通过循环水管道与毛细竖管蒸发器相连，使余热工质和循环水进行换热；毛细竖管蒸发器将循环水吸收的余热作为热源生成一次蒸汽，并且通过蒸汽管与毛细驱动蒸发器的一次蒸汽入口相连，输出一次蒸汽；毛细驱动蒸发器具有一次蒸汽入口、海水入口、海水出口、二次蒸汽出口、淡水出口，海水入口通过海水进口管引入海水，海水出口通过海水出口管进行排水，二次蒸汽出口通过蒸汽管与蒸汽喷射器的二次蒸汽入口相连、用于排出二次蒸汽，淡水出口通过淡水管道将淡水排出；太阳聚焦装置将太阳能聚焦至太阳能蒸发器，对该太阳能蒸发器进行加热；太阳能蒸发器通过海水管引入海水，并且通过蒸汽管与压气机的蒸汽入口相连，将高温蒸汽输送给压气机；压气机的压缩端通过连杆与风力机相连，蒸汽出口通过蒸汽管与蒸汽喷射器的高压蒸汽入口相连，输出加压后的高温高压蒸汽；蒸汽喷射器的一次蒸汽出口通过蒸汽管与毛细驱动蒸发器的一次蒸汽入口相连，输出高温高压蒸汽与二次蒸汽混合而成的蒸汽。
本发明所涉及的多能耦合海水淡化***，还可以具有这样的特征：在余热提取装置内设有换热管，循环水通入换热管内部，余热工质通入换热管外部腔体中。
本发明所涉及的多能耦合海水淡化***，还可以具有这样的特征：毛细竖管蒸发器中部设有竖直设置的毛细芯，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为冷水腔，蒸汽腔上设有蒸汽管连接口，冷水腔中存储有淡水。
本发明所涉及的多能耦合海水淡化***，还可以具有这样的特征：毛细驱动蒸发器的中部设有毛细芯和换热管，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为海水腔，换热管设置在毛细芯浅层内，换热管的一端作为一次蒸汽入口，换热管的另一端作为淡水出口，二次蒸汽出口设置在蒸汽腔上，海水入口和海水出口分别设置在海水腔底部的两侧。
本发明所涉及的多能耦合海水淡化***，还可以具有这样的特征：淡水管道将淡水分为两路排出，一路淡水被排送至毛细竖管蒸发器，另一路被排送至淡水收集装置。
发明的作用与效果
根据本发明的多能耦合海水淡化***，通过余热提取装置将工业余热传递给循环水，并由循环水携带到毛细竖管蒸发器，加热储存的淡水产生一次蒸汽，一次蒸汽通过蒸汽管进入毛细驱动蒸发器加热海水产生二次蒸汽；同时太阳能蒸发器在聚焦太阳辐照加热下产生高温蒸汽，进入压气机，并由风力机利用风能驱动压气机压气，从而进一步升温升压，再进入蒸汽喷射器，蒸汽喷射器抽取毛细驱动蒸发器中的二次蒸汽和高温蒸汽混合形成一次蒸汽；一次蒸汽和来自竖管蒸汽器的蒸汽汇合成更多的一次蒸汽，进入毛细驱动蒸发器加热海水，产生二次蒸汽；换热后，一次蒸汽冷凝成淡水排出，而二次蒸汽被吸进喷水器进入下一循环。如此循环，从而利用工业产生低品位蒸汽，通过高品位太阳能风能等提高蒸汽品位，使其成为可再次利用的热源加热海水产生蒸汽制备淡水，实现工业余热和清洁新能源的高效耦合利用，造水比提高至10倍以上。
附图说明
图1是本发明涉及的多能耦合海水淡化***的结构示意图；
图2是本发明涉及的多能耦合海水淡化***的工作过程示意图。
上述图1和2中，各部件标号如下：
10.多能耦合海水淡化***：20.余热提取装置、30.毛细竖管蒸发器、40.毛细驱动蒸发器、50.太阳聚焦装置、60.太阳能蒸发器、70.压气机、71.连杆、80.风力机、90.蒸汽喷射器。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的多能耦合海水淡化***作详细阐述。
<实施例>
如图1所示，多能耦合海水淡化***10包括余热提取装置20、毛细竖管蒸发器30、毛细驱动蒸发器40、太阳聚焦装置50、太阳能蒸发器60、压气机70、风力机80、以及蒸汽喷射器90。
这里，余热提取装置20、毛细竖管蒸发器30和毛细驱动蒸发器40组成了毛细驱动的工业余热蒸汽子***。太阳聚焦装置50、太阳能蒸发器60和压气机70组成了太阳能高温蒸汽产生子***，压气机70、风力机80和蒸汽喷射器90组成了耦合连接子***。
在工业余热蒸汽子***中，余热提取装置20内设有换热管，换热管通过循环水管道与毛细竖管蒸发器30相连，使循环水在换热管内部流通，换热管外部的腔体与余热工质输送管相连，使余热工质在换热管外部流通，从而将余热传递给循环水，进行热交换。
毛细竖管蒸发器30一方面通过循环水管道与余热提取装置20相连，将循环水吸收的余热作为热源生成一次蒸汽，另一方面通过蒸汽管与毛细驱动蒸发器40相连，输出一次蒸汽。本实施例中，毛细竖管蒸发器30采用与专利CN201010162214中所记载的蒸发器类似的结构，其不同之处仅在于将其竖立放置，实现循环水与冷水的换热蒸发。具体地，毛细竖管蒸发器30中部设有竖直设置的毛细芯，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为冷水腔；冷水腔中存储有淡水；蒸汽腔上设有蒸汽管连接口，与蒸汽管相连；从而使吸收了余热的循环水通过循环水管进入，并作为热源加热储存在冷水腔中的淡水产生一次蒸汽，然后一次蒸汽通过蒸汽管输出至毛细驱动蒸发器40。
毛细驱动蒸发器40的中部设有毛细芯和换热管，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为海水腔，换热管设置在毛细芯浅层内，换热管的一端作为一次蒸汽入口，换热管的另一端作为淡水出口。蒸汽腔上设有二次蒸汽出口，海水腔底部的两侧分别设置有海水入口和海水出口。海水入口通过海水进口管引入海水；海水出口通过海水出口管线排出加热蒸发后的海水(即、浓盐水)；一次蒸汽入口通过蒸汽管与毛细竖管蒸发器30的蒸汽管连接口相连通，用于导入一次蒸汽来加热毛细芯表层海水；二次蒸汽出口通过蒸汽管与蒸汽喷射器90的二次蒸汽入口相连，用于排出加热海水后产生的二次蒸汽；淡水出口通过淡水管道将换热管中冷凝成的淡水排出。本实施例中，淡水管道将淡水分为两路排出，一路淡水被排送至毛细竖管蒸发器30，另一路被排送至淡水收集装置中(图中未显示)。
太阳能高温蒸汽产生子***中，太阳聚焦装置50将太阳能聚焦至太阳能蒸发器60，从而对该太阳能蒸发器60进行加热。
太阳能蒸发器60通过海水管线引入海水，并且通过蒸汽管与压气机70的蒸汽入口相连，将高温蒸汽输送给压气机70。
在耦合连接子***中，压气机70的压缩端通过连杆71与风力机80相连，对输送来的高温蒸汽进行加压，蒸汽出口通过蒸汽管与蒸汽喷射器90的高压蒸汽入口相连，输出加压后的高温高压蒸汽。
风力机80利用风能带动压气机70运行。
蒸汽喷射器90通过二次蒸汽入口和高压蒸汽入口分别导入来自毛细驱动蒸发器40的二次蒸汽和来自压气机70的高温高压蒸汽，一次蒸汽出口通过蒸汽管与毛细驱动蒸发器40的一次蒸汽入口相连，输出高温高压蒸汽与二次蒸汽混合而成的一次蒸汽。本实施例中，二次蒸汽入口设置在蒸汽喷射器90的底端，混合蒸汽出口设置在蒸汽喷射器90的侧部。
下面，以90℃冲渣水作为余热工质为例，对多能耦合海水淡化***10的具体工作过程进行说明。
如图2所示，100吨/h的90℃冲渣水流入余热提取装置20与温度为50℃循环水换热，将其加热到75℃；循环热水将毛细竖管蒸发器30内储存的淡水加热产生一次蒸汽(42℃，8.2kPa)，一次蒸汽通过蒸汽管进入毛细驱动蒸发器40，加热海水产生二次蒸汽(38℃，6.6kPa)；太阳聚焦装置50加热太阳能蒸发器60中的海水产生1吨/h的高温蒸汽(110℃，0.14MPa)，风力机80驱动压气机70压缩(压缩比2.4)高温蒸汽到133℃和0.3Mpa；高温蒸汽喷入蒸汽喷射器90，同时抽取毛细驱动蒸发器40中的二次蒸汽进入蒸汽喷射器90混合后获得一次蒸汽(42℃，8.2kPa)；一次蒸汽与毛细竖管一次蒸汽(共4.2吨/h)汇合进入毛细驱动蒸发器40加热海水产生二次蒸汽(38℃，6.6kPa)，二次蒸汽再次被抽入蒸汽喷射器90进入下一循环。一次蒸汽冷凝成淡水，一方面补充毛细竖管蒸发器所需淡水，一方面形成成品淡水(100吨/天)。
如上，相对于其他的常规海水淡化***，本方案的优越性在于：
(1)低能耗低成本。毛细驱动蒸发器的热源来自工业余热废热，这部分能量如不利用便耗散到环境中，可认为是“零成本”；而常规热法膜法淡化技术需大量消耗高品位电能。
(2)工业余热与新能源耦合利用，提高造水比。工业余热废热相对于环境的温差小品位低，潜在的做功能力差。将这部分转换为低温蒸汽，再通过高品位清洁新能源太阳能和风能进一步提高这部分蒸汽的品位，再次利用制备淡化。可实现一份能量的多次利用产水，提高造水比。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的多能耦合海水淡化***并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种多能耦合海水淡化***，其特征在于，包括：
余热提取装置、毛细竖管蒸发器、毛细驱动蒸发器、太阳聚焦装置、太阳能蒸发器、压气机、风力机、以及蒸汽喷射器，
其中，所述余热提取装置与余热工质输送管相连，并通过循环水管道与所述毛细竖管蒸发器相连，使余热工质和循环水进行换热；
所述毛细竖管蒸发器将循环水吸收的余热作为热源生成一次蒸汽，并且通过蒸汽管与所述毛细驱动蒸发器的一次蒸汽入口相连，输出一次蒸汽；
所述毛细驱动蒸发器具有所述一次蒸汽入口、海水入口、海水出口、二次蒸汽出口、淡水出口，所述海水入口通过海水进口管引入海水，所述海水出口通过海水出口管进行排水，所述二次蒸汽出口通过蒸汽管与所述蒸汽喷射器的二次蒸汽入口相连、用于排出二次蒸汽，所述淡水出口通过淡水管道将淡水排出；
所述太阳聚焦装置将太阳能聚焦至所述太阳能蒸发器，对该太阳能蒸发器进行加热；
所述太阳能蒸发器通过海水管引入海水，并且通过蒸汽管与所述压气机的蒸汽入口相连，将高温蒸汽输送给所述压气机；
所述压气机的压缩端通过连杆与所述风力机相连，蒸汽出口通过蒸汽管与所述蒸汽喷射器的高压蒸汽入口相连，输出加压后的高温高压蒸汽；
所述蒸汽喷射器的一次蒸汽出口通过蒸汽管与所述毛细驱动蒸发器的所述一次蒸汽入口相连，输出所述高温高压蒸汽与所述二次蒸汽混合而成的蒸汽。
2.根据权利要求1所述的多能耦合海水淡化***，其特征在于：
其中，在所述余热提取装置内设有换热管，所述循环水通入所述换热管内部，所述余热工质通入所述换热管外部腔体中。
3.根据权利要求1所述的多能耦合海水淡化***，其特征在于：
其中，所述毛细竖管蒸发器中部设有竖直设置的毛细芯，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为冷水腔，
所述蒸汽腔上设有蒸汽管连接口，所述冷水腔中存储有淡水。
4.根据权利要求1所述的多能耦合海水淡化***，其特征在于：
其中，所述毛细驱动蒸发器的中部设有毛细芯和换热管，上部腔体作为蒸汽腔，下部腔体作为海水腔，
所述换热管设置在毛细芯浅层内，所述换热管的一端作为所述一次蒸汽入口，所述换热管的另一端作为所述淡水出口，
所述二次蒸汽出口设置在所述蒸汽腔上，所述海水入口和所述海水出口分别设置在所述海水腔底部的两侧。
5.根据权利要求1所述的多能耦合海水淡化***，其特征在于：
其中，所述淡水管道将淡水分为两路排出，一路淡水被排送至所述毛细竖管蒸发器，另一路被排送至淡水收集装置。
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