CN109911966B - 一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置，包括蒸发器、混合器、涡流管、空气压缩机、冷凝器以及预热器。蒸发器采用真空低温蒸发器，利用尾气余热蒸发海水；混合器将换热后尾气与空气压缩机输出的高压空气混合，形成高压混合气体；涡流管，使高压混合气体分离为冷热两端；冷凝器采用风冷式冷凝器，利用冷端气体使蒸发模块产生的水蒸气冷凝为淡水；预热器由海水抽吸泵和海水预热器组成，利用热端气体对海水进行预热处理。本发明占用体积小、制淡效率高、节油量大且成本低廉，具有较大的环保节能意义。

Description

一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置

技术领域

本发明属于余热制淡技术领域，涉及一种船舶上海水淡化技术，具体涉及一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置。

背景技术

淡水是海上作业的重要保障资源，然而由于空间有限，船舶的淡水储量受到了严重限制，在船舶上配备海水淡化设备尤为重要。

目前，船用海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法以及结晶法，技术较为成熟、应用最多的是蒸馏法与反渗透法。反渗透海水淡化装置能耗较低，近年来装船量增长较快。但由于其对海水预处理要求严格，对于在污染严重的近海区工作的渔船来说，装置的使用寿命和产品水质都不甚理想。在出海船只中，蒸馏法海水淡化装置是主导产品，且类型较多。蒸馏法中研究热门的技术有多级闪蒸和低温多效蒸馏。

同时，轮船柴油机尾气中存在大量余热，船舶柴油机在工作时会产生大量的热烟气，而大量热烟气的直接对外排放又带走了大量未利用的热能，这就造成船舶柴油机正常工作时能量的不完全利用。此外，为保证柴油机气缸的安全运行，需要用冷却水对其进行冷却，缸套冷却水也会带走***的热量。对于船舶柴油机而言，燃油的能量转化效率非常低，仅有约50％转变成内燃机的机械功，其余50％是废热。其中约25％的废热量被废气带走，约20％的废热量被缸套冷却水带走，其他废热量损失约占5％。船舶不能有效利用这部分能量，***的能源利用效率低。

低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度约70℃的海水淡化技术，其将一系列水平管降膜蒸发器串联起来并分成若干效组，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。由于其技术操作温度低、弹性大，可利用各种形式的低品位热源，可有效利用船舶尾气废热。目前，国内外已经对利用轮船余热进行海水制淡进行了一些研究。

公开号为CN107555514A的发明专利申请“一种船舶烟气余热海水淡化装置及其应用方法”，包括海水贮存箱、倒漏斗形装置、冷却部分、蒸发部分、输送管道及二级冷却装置。该装置仅对烟气进行一次利用，烟气余热利用率不高，且蒸发室内部结构简单，主要由通入高温废气的水平弯管构成，使得弯管处易结垢且难以清理，海水蒸发效率低，产品水质不高，不便于投入实际使用。

公开号CN103145207B的发明专利“一种船用轮机烟气废热双级回收海水淡化装置”，包含蒸汽发生器、第一冷凝换热器、第二冷凝换热器、排污换热器、淡水储存器、输送管道以及PID控制器。该装置按照一定的进入海水比例强制连续排污，避免发生器中盐分浓度升高，使得结垢现象得以减缓和防止。同时采用新鲜海水两级升温，提高余热的有效利用。但该装置中增设较多控制器，提高了装置成本，同时该装置体积较大，不适用于船舶海水制淡使用。

公开号CN206814421U的实用新型专利“一种涡流管喷雾海水淡化装置”，包括空气压缩机、涡流管制冷器、加湿器、冷凝器、浓盐水箱、淡水箱、水泵和海水箱。该装置将涡流管制冷技术和喷雾蒸发海水淡化技术结合，实现海水淡化装置小型化。但该装置将涡流管分离后的冷热端气流直接与雾化海水混合，对通入压缩机的空气质量要求较高，且空气在管道流动过程中极易受到污染，使得产品水质较低。

由上述可得，目前船用海水淡化装置存在能量利用率较低和淡化水量小等缺点。同时，轮船柴油机尾气存在大量可供利用的余热，可为海水淡化提供热源。因此，有必要设计出一种低能耗的高效海水淡化装置及工艺，确保生产淡化海水时既节约能源，又能可持续自给自足高效运行。

发明内容

本发明为了解决现有船用海水淡化技术的缺点，提供了一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置，其特征在于：包括蒸发器、预热器、冷凝器、空气压缩机、混合器和涡流管，所述蒸发器底部的海水进料口设有进海水管，顶部的蒸汽出口通过蒸汽管道连接到冷凝器的蒸汽入口，所述蒸发器的高温废气入口通过废气管与船舶上高温尾气管相连，蒸发器的废气出口通过废气管与混合器的侧吸入口相连，混合器的高压气进口通过管道与空气压缩机出口相连，所述混合器的出气口通过混合气管道与涡流管的进气口相连，所述涡流管的冷端出口通过低温气管道与冷凝器的冷风入口相连，涡流管的热端出口与预热器相连，所述预热器用于对进入蒸发器内的海水预热，所述冷凝器底部设有淡水出口。

作为改进，所述的废热利用海水淡化装置还包括真空泵，所述真空泵与冷凝器的蒸汽排放口连接，用于对整个废热利用海水淡化装置形成低压环境。

作为改进，所述蒸发器为管壳式蒸发器，其包括蒸发器外壳和设于蒸发器外壳内的蒸发管，所述蒸发器外壳内上下两端分别设有蒸汽室和原料室，原料室与蒸发管下端相通，蒸汽室与蒸发管顶端相通，所述原料室底部设有海水进料口，蒸汽室顶部设有蒸汽出口，所述蒸发器外壳侧壁上设有与内部壳程相通的高温废气入口和废气出口。

作为改进，所述原料室侧部还设有带控制阀门的浓海水排出口。

作为改进，所述壳程内的蒸发管外套设有换热管，所述换热管内壁与蒸发管的间隙内填充具有储热功能的相变材料。

作为改进，所述混合器包括压缩气进气管、混合器外壳和设于混合器外壳内的文丘里射流管，所述文丘里射流管收腰处设有作为侧吸入口的尾气进气管，所述压缩气进气管作为主入口与文丘里射流管的入口相连，文丘里射流管的出口设有作为混合器出口的排气管。

作为改进，所述尾气进气管通过喇叭状收缩型的连接管与文丘里射流管收腰处相连。

作为改进，所述涡流管包括涡流外壳和设于涡流外壳内的涡旋发生器，所述涡流外壳上设有与涡旋发生器相通的进气喷嘴和冷气喷嘴，涡流外壳上与冷气喷嘴相对的位置设有与涡旋发生器相通的冷热分离管，所述冷热分离管前端设有热气喷嘴。

作为改进，所述预热器为管壳式换热器，所述涡流管的热端出口与预热器的管程进口相连，预热器的管程出口排大气，所述预热器的管程出口连接进海水管，管程入口与海水供给泵相连。

一种上述废热利用海水淡化装置运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

来自船舶上柴油机排出的高温尾气通过高温废气入口进入蒸发器的壳程内，对蒸发管内的海水进行加热，蒸发管内海水被加热汽化后，沿着蒸发管上升至蒸汽室，通过蒸汽出口进入冷凝器，被冷凝下来成为淡水，淡水通过冷凝器的淡化海水出水管排出；

加热后的废气通过废气出口进入混合器的侧吸入口，同时空气压缩机压缩的空气进入混合器的高压气进口，利用射流卷吸混合从蒸发器加热后出来的废气，混合后通过混合器的出气口进入涡流管内，通过涡流管分成冷热两股气流，热端气流进入预热器对进入蒸发器的海水进行预热，冷端进入冷凝器，对进入冷凝器的蒸汽进行冷凝，实现循环。

本发明的有益效果为：本发明提供一种以船用柴油机余热为热源，通过涡流管冷热分流实现海水预热和冷凝的***，该***结构简单、操作方便，同时由于最大限度地利用柴油机余热，能耗低于现有的的海水淡化装置，可满足相应船舶的淡水需求，具有良好的社会效益和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构轴侧图。

图2为本发明一个实施例的结构正视图。

图3为本发明一个实施例的蒸发器结构图。

图4为本发明一个实施例的混合器结构图。

图5为本发明一个实施例的涡流管结构图。

图6为本发明废热利用海水淡化装置流程示意图。

其中：1-蒸发器，101-蒸汽室端盖，102-蒸汽室，103-蒸发器外壳，104-高温废气入口，105-原料室，106-海水进料口，107-浓海水排出口，108-原料室端盖，109-废气出口，110-换热管，111-蒸发管，112-蒸汽出口，113-连接件，2-预热器，3-海水供给泵，4-蒸发器支架，5-冷凝器，6-气流参数监测装置，7-混合器，701-压缩气进气管，702-混合器外壳，703-密封件一，704-排气管，705-文丘里射流管，706-连接管，707-尾气进气管，708-密封件二，8-真空泵，9-空气压缩机，10-垫块，11-涡流管，1101-热气喷嘴，1102-进气喷嘴，1103-冷气喷嘴，1104-涡旋发生器，1105-冷热分离管，1106-热空气排气口，1107-涡流外壳，12-淡水存储罐，13-柴油机，14-电磁流量计，15-冷端流量计。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1~5所示，一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置，该装置包括蒸发器1、预热器2、海水供给泵3、冷凝器5、气流参数监测装置6、混合器7、真空泵8、空气压缩机9和涡流管11。蒸发器1由蒸发器支架4支撑，在蒸发器1下方侧壁设置有高温废气入口104，高温废气入口104与柴油机13的排气管连接，蒸发器1顶部设置有蒸汽出口112与冷凝器5的蒸汽入口连接，蒸发器1中部侧壁设置废气出口109与混合器7的侧吸入口相连，蒸发器1底部设置有海水进料口106，海水进料口106通过进海水管与预热器2顶部的海水出口连接。预热器2底部的海水进口与海水供给泵3出口相连，预热器2上部侧壁通过预热管与涡流管11热端出口连接，预热器2下部侧方设置有废气出口用于排放尾气（排向大气）。海水供给泵3的入口连接海水水源，用于吸入海水并送往蒸发器1。冷凝器5为风冷式冷凝器，冷凝器5的低温气进口通过低温气管道与涡流管11冷端出口连接，低温气管道上设有用于监测涡流管11冷端出口流量的冷端流量计15，冷凝器5底部设有与淡水存储罐12相连接的淡水出口。混合器7顶部设置有出气口，混合器7顶部的出气口通过混合气管道与涡流管11的进气口连接，所述混合气管道上设有测量涡流管11进气参数的气流参数监测装置6，所述气流参数监测装置6包括流量计和压力传感器，用于监测进入涡流管11的混合气的流量和压力。所述冷凝器5顶部设有蒸汽入口，下方侧部设有蒸汽排放口（图中未画出），利用蒸汽排放口排放掉冷凝器5内过高的压力。真空泵8与冷凝器5的蒸汽排放口连接，用于对整个装置形成低压环境。空气压缩机9下方由垫块10支撑安装在地面上，空气压缩机9顶部设置有出气口与混合器7的高压气进口连接。

如图3所示，蒸发器1内部结构设置为真空蒸发器，蒸发器1由蒸汽室端盖101、连接件113、蒸汽室102、蒸发器外壳103、原料室105和原料室端盖108构成，蒸发器1整体设置为立式圆柱状结构。所述蒸发器外壳103内上下两端分别设有蒸汽室102和原料室105，原料室105与蒸发管111下端相通，蒸汽室102与蒸发管111顶端相通，所述原料室105底部设有海水进料口106，所述蒸发器外壳103侧壁下部和上部分别设有与内部壳程相通的高温废气入口104和废气出口109。所述壳程内的蒸发管111外套设有换热管110，所述换热管110内壁与蒸发管111的间隙内填充具有储热功能的相变材料，蒸发管111贯穿蒸发器1的壳程部分。蒸汽室端盖101和蒸汽室102分别均匀设置有通孔与连接件113（比如螺栓）连接，连接件113将蒸汽室端盖101和蒸汽室102连接至一起。蒸汽室102设置有与冷凝器5连接的蒸汽出口112。蒸汽室102下端与蒸发器外壳103焊接。蒸发器外壳103前方下部位置设置有与柴油机13排气口连接的高温废气入口104；蒸发器外壳103后方中部位置设置有与混合器7的进气口连接的废气出口109。蒸发器外壳103下端与原料室105焊接。原料室105和原料室端盖108分别均匀设置有通孔与连接件113连接，连接件113将原料室105和原料室端盖108连接至一起。原料室端盖108底部设置有与预热器2连接的海水进料口106。换热管110和蒸发管111构成蒸发器1的内部结构，蒸发管111在蒸发器外壳103内部上下分别均匀分布有8×8阵列，为内部空心铜管结构，最大效率进行换热。换热管110为内部中空金属管道，其内密封有相变材料。所述原料室105侧部还设有带控制阀门的浓海水排出口107，当蒸发器1运动一端时间后，原料室105内的海水浓度会变高，严重影响蒸发效率，此时可以停掉蒸发器1，打开浓海水排出口107上的控制阀门，将其内浓海水排出，重新进入新鲜海水，继续运行海水淡化。

如图4所示，混合器内部结构，压缩气进气管701右端与混合器外壳702左端相连，同时通过密封件二708连接文丘里射流管705左端。文丘里射流管705管内为X状，尾气进气管707上端连接连接管706，连接管706设计成喇叭状，连接管706的小端与文丘里射流管705中部最细部位（即收腰处）相连。文丘里射流管705右端出口通过密封件一703与排气管704连接，排气管704又通过混合器外壳702固定。

如图5所示，涡流管11内部结构，所述涡流管11包括涡流外壳1107和设于涡流外壳1107内的涡旋发生器1104，所述涡流外壳1107上设有与涡旋发生器1104相通的进气口和冷气喷嘴1103，该进气口内设有进气喷嘴1102，涡流外壳1107上与冷气喷嘴1103相对的位置设有与涡旋发生器1104相通的冷热分离管1105，所述冷热分离管1105前端设有热气喷嘴1101。进气喷嘴1102上端与混合器7的出气口排气管704相连接，下端与涡旋发生器1104相连接，涡旋发生器1104后端与冷气喷嘴1103相连接，前端与冷热分离管1105连接。冷气喷嘴1103设置为喇叭状，小端与涡旋发生器1104连接，大端与冷凝器5连接。冷热分离管1105材料推荐316型不锈钢。冷热分离管1105前端设置有热空气排气口1106，热空气排气口1106设置在冷热分离管1105径向中央位置，用于改变冷气流流向，热空气排气口1106前端设置有热气喷嘴1101，热气喷嘴1101设置为环状喷嘴，在喷嘴的边缘位置喷出气体。

如图6所示，本发明具体工作方式为：柴油机13排出的高温尾气通入真空低温的蒸发器1（通过真空泵8使得整个蒸汽管路压力为低压环境），尾气余热使海水蒸发后沿蒸发管111的管壁爬升进入冷凝器5，换热后的尾气则进入混合器7与空气压缩机9产生的压缩空气按比例混合，形成混合气，并将混合气输入涡流管11。混合气在涡流管11中分离，形成冷热两端，其中冷端气体通入冷凝器5，使在蒸发器1产生的水蒸汽冷凝成淡水，而热端通入预热器2对进入蒸发器1的海水进行预热处理，冷端的低温气体冷却蒸发器1后排出***或者排向大气，热端的高温气体经过预热器2与海水换热后排出***或者排向大气。

本发明实施例蒸发模块设计为升膜式蒸发器，由多根竖直长管组成的蒸发管111，在蒸发过程中，海水由蒸发器1底部进入管程，高温尾气进入蒸发器1的壳程对蒸发管111进行加热，海水在蒸发管111内受热并迅速沸腾汽化，所产生的蒸汽在蒸发管111的管内高速上升。海水被迅速上升的蒸汽所带动，沿管内壁呈膜状上升，在上升过程中膜也蒸发。而竖管升膜式蒸发器1传热系数较高，进料时可以不必使用水泵提高主动力，节约大量的泵能，结构简单，造价低廉，可以使用在船只等场合进行较小规模的海水淡水。

本发明实施例所述混合模块设计成为文丘里混合器，本装置选用的文丘里混合器最适进气压力约为0.7MPa，最适进气温度为100℃。混合器7将压力为大气压的尾气与空压机提供的高压空气进行混合，混合过程为经空压机压缩后的空气从文丘里射流管705的高压进气口高速喷出，在吸气室内形成负压，引射进次流进口（即尾气进气管707）的尾气，并在文丘里管中与尾气充分混合后输出。所述混合模块可通过调节压缩空气流量来控制压缩空气与尾气混合后的压力及温度。在检测到尾气的状态参数后，空压机压缩机自动调节出气量，如此便可在保证次流流量的条件下，使混合器7的出气口压力、温度达到涡流管11所要求的压力、温度。

本发明实施例中，所述冷热分离模块设计为涡流管结构，所述涡流管11可以通过调节热端调节阀与冷端冷孔板之间的压力差，使冷热端出口反向，提高冷热分离效率。本***利用涡流管11的冷热分离作用，将混合模块得到的约50℃的高压气体通入涡流管11进气口，经过涡流管11的分离作用，热端得到约130℃的气体通入预热器2为海水预热，冷端得到约10℃的气体通入冷凝器5为水蒸气进行降温冷凝。

本发明实施例中，所述预热器2利用压缩气体经涡流管11分离产生的热端气流进行海水的预处理，即海水的预热。所述涡流管11热端产生100℃气流，在海水进水管上设置预热器2，将热流通入预热器2中，与常温海水充分换热，将海水加热至35℃，增加海水的流动性，提高海水淡化效率。分析本发明所需换热海水流量及实际使用情况，所述预热器2设计为可拆卸板式换热器，其最大流量可达6000kg/h，满足***流程中流量的淡化。

本发明实施例中，所述冷凝器5采用风冷式冷凝器，通过低温尾气与水蒸气的冷热交换，实现冷凝作用。蒸发器1内的水蒸气沿管壁爬升进入冷凝器5，与来自涡流管11冷端的冷气流进行热交换，凝结为水流进入淡水箱，经过交换的冷气由排气口直接排出。

本发明实施例中，本发明采用自动控制技术，所述控制技术由MCS51单片机、温度传感器和流量阀组成的电路组成。本发明实施例还可以在蒸发器1的废气出口设置温度传感器，用于对混合气体的控制，温度传感器检测经过蒸发器1后的尾气温度并将信息发送给单片机，单片机经过计算确定尾气与压缩气体的混合比例，通过控制流量阀来调节两种气体的流量实现混合气体温度的稳定输入。对于涡流管11的检测，通过检测涡流管入口的流量和压力信息以及涡流管冷端出口的流量信息，来控制涡流管的运行状态，同时还可以在涡流管11的冷端和热端分别设置温度传感器，温度传感器检测涡流管11的冷热端气体并将电信号发送给单片机，单片机将对应温度显示至显示屏中。

需要指出的，虽然图中未画出，但是根据控制需要，本发明可以在空气压缩机9出口，混合器7出入口管路、涡流管11出入口管路、蒸发器1出入管路、冷凝器5出入管路以及海水供给泵3出入管路设置控制阀门，该控制阀门既可以通过控制器，比如单片机控制也可以手动控制。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于涡流管效应的废热利用海水淡化装置，其特征在于：包括蒸发器、预热器、冷凝器、空气压缩机、混合器和涡流管，所述蒸发器底部的海水进料口设有进海水管，顶部的蒸汽出口通过蒸汽管道连接到冷凝器的蒸汽入口，所述蒸发器的高温废气入口通过废气管与船舶上高温尾气管相连，蒸发器的废气出口通过废气管与混合器的侧吸入口相连，混合器的高压气进口通过管道与空气压缩机出口相连，所述混合器的出气口通过混合气管道与涡流管的进气口相连，所述涡流管的冷端出口通过低温气管道与冷凝器的冷风入口相连，涡流管的热端出口与预热器相连，所述预热器用于对进入蒸发器内的海水预热，所述冷凝器底部设有淡水出口，侧部设有蒸汽排放口。

2.如权利要求1所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：还包括真空泵，所述真空泵与冷凝器的蒸汽排放口连接，用于对整个废热利用海水淡化装置形成低压环境。

3.如权利要求2所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述蒸发器为管壳式蒸发器，其包括蒸发器外壳和设于蒸发器外壳内的蒸发管，所述蒸发器外壳内上下两端分别设有蒸汽室和原料室，原料室与蒸发管下端相通，蒸汽室与蒸发管顶端相通，所述原料室底部设有海水进料口，蒸汽室顶部设有蒸汽出口，所述蒸发器外壳侧壁上设有与内部壳程相通的高温废气入口和废气出口。

4.如权利要求3所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述原料室侧部还设有带控制阀门的浓海水排出口。

5.如权利要求3所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述壳程内的蒸发管外套设有换热管，所述换热管内壁与蒸发管的间隙内填充具有储热功能的相变材料。

6.如权利要求3所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述混合器包括压缩气进气管、混合器外壳和设于混合器外壳内的文丘里射流管，所述文丘里射流管收腰处设有作为侧吸入口的尾气进气管，所述压缩气进气管作为主入口与文丘里射流管的入口相连，文丘里射流管的出口设有作为混合器出口的排气管。

7.如权利要求6所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述尾气进气管通过喇叭状收缩型的连接管与文丘里射流管收腰处相连。

8.如权利要求6所述的废热利用海水淡化装置，其特征在于：所述涡流管包括涡流外壳和设于涡流外壳内的涡旋发生器，所述涡流外壳上设有与涡旋发生器相通的进气喷嘴和冷气喷嘴，涡流外壳上与冷气喷嘴相对的位置设有与涡旋发生器相通的冷热分离管，所述冷热分离管前端设有热气喷嘴。

9.一种权利要求8所述的废热利用海水淡化装置运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

来自船舶上柴油机排出的高温尾气通过高温废气入口进入蒸发器的壳程内，对蒸发管内的海水进行加热，蒸发管内海水被加热汽化后，沿着蒸发管上升至蒸汽室，通过蒸汽出口进入冷凝器，被冷凝下来成为淡水，淡水通过冷凝器的淡化海水出水管排出；

加热后的废气通过废气出口进入混合器的侧吸入口，同时空气压缩机压缩的空气进入混合器的高压气进口，利用射流卷吸混合从蒸发器加热后出来的废气，混合后通过混合器的出气口进入涡流管内，通过涡流管分成冷热两股气流，热端气流进入预热器对进入蒸发器的海水进行预热，冷端进入冷凝器，对进入冷凝器的蒸汽进行冷凝，实现循环。

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