CN112874751A - 舰船冷却海水淡化***及方法 - Google Patents

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邹士洋
***
伍俊荣
丁冰泉
章建程
李亿光
刘丽英
王学辉
左旭
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Abstract

本发明提供了一种舰船冷却海水淡化***及方法。该***包括：过滤部、加热器、增压输送部、蒸馏分离器、冷凝器以及抽真空器，其中，过滤部与冷却***的冷却水出口相连接，用于对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，加热器对过滤冷却海水进行加热得到待淡化海水，增压输送部对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送，蒸馏分离器对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽，冷凝器对水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水，抽真空器用于对蒸汽腔和蒸汽凝结腔分别抽真空。

Description

舰船冷却海水淡化***及方法
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种舰船冷却海水淡化***及方法。
背景技术
舰船是海上国防力量的重要装备，其动力装置能源消耗量巨大，但自持力延长和燃料运量有限之间的矛盾日渐突出，在执行长远航任务激增和石油燃料逐渐减少的背景下，进行舰船余热回收利用，提高燃料利用率迫在眉睫。大量柴油主机热平衡分析表明：船舶柴油机有效利用热能仅占45-50％，被热水带走损失能量超过20％。冷却水余热温度较高，回收价值高，而其他余热如柴油机机体、空气冷却器等设备的散热，能量品位较低，回收难度大。因此，高效回收利用冷却水余热成为船舶余热利用技术的关键突破点。
冷却***是保证舰船动力装置安全可靠运行的重要***之一，通常舰船动力装置的高温部分采用淡水冷却,然后冷却淡水再由海水冷却,而低温部分直接采用海水冷却。舰船柴油机缸套冷却淡水温度达到70～90℃，但冷却海水温度仅40～50℃，同样属于低品位热源，回收难度大，直接排放导致大量柴油机热能损失。探索舰船冷却水余热利用途径对促进舰船节能减排具有重要意义。
利用对舰船动力装置进行冷却换热的冷却海水进行海水淡化，减少海水淡化装置的能源消耗，能够有效提高舰船能量使用效率和远海自持力。国内外学者对舰船冷却水余热海水淡化技术展开了一些研究。Hung等提出用废热将海水加热到饱和温度，然后通过节流降压的方法生产淡水，建立多效海水蒸发数学模型，计算关键操作参数对海水产量的影响。刘干武等建立用船舶主机缸套冷却水驱动的单效真空蒸馏海水淡化***理论模型，计算分析冷却水温度、流量、蒸发压力及海水温度对产水量的影响规律。曹石等根据船舶柴油机能量梯级回收利用原则，设计以水/水蒸汽为单一热媒的淡水-空调复合功能***，兼具供热/制冷、制取淡水等诸多作用。然而，这些研究仅通过数学模型进行理论计算，至今未见对舰船冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水的海水淡化***及方法。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而进行的，目的在于提供一种舰船冷却海水淡化***及方法，能够对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，充分利用冷却海水中的低品位余热，运行能耗低，而且结构简单，产水通量大，所得淡水的水质更纯净。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
<方案一>
本发明提供了一种舰船冷却海水淡化***，与舰船的冷却***相连接，用于对该冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，具有这样的特征，包括：过滤部、加热器、增压输送部、蒸馏分离器、冷凝器以及抽真空器，其中，过滤部与冷却***的冷却水出口相连接，用于对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，加热器接受过滤冷却海水，并对该过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水，增压输送部对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送，蒸馏分离器接受增压后的待淡化海水，并对该待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽，冷凝器接受水蒸汽，并对该水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水，抽真空器与蒸馏分离器的蒸汽腔和冷凝器的蒸汽凝结腔分别相连通，用于对蒸汽腔和蒸汽凝结腔分别抽真空。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：还包括：浓海水回流部，用于将浓海水回流至加热器内，其中，浓海水回流部包含回流管以及设置在该回流管上的回流阀，回流管的两个端部分别与蒸馏分离器的海水回流出口和加热器的海水回流进口相连接。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，预设水温为60-80℃，预设海水流量为35-40L/min，蒸汽腔和蒸汽凝结腔内的真空度均为0.08-0.09Mpa。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，过滤部包含相互连接的介质过滤器和超滤过滤器，介质过滤器的进水口用于与冷却水出口相连接，超滤过滤器的出水口与加热器的进水口相连接。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，加热器为恒温加热器。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，增压输送部包含增压输送管以及依次设置在该增压输送管上的增压输送泵、液体调节阀和液体流量计，增压输送管的两个端部分别与加热器的出水口和蒸馏分离器的海水进口相连接。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，蒸馏分离器包含膜蒸馏组件，该膜蒸馏组件含有多个膜支撑管，每个膜支撑管具有管本体以及包裹在该管本体的外表面的微孔疏水膜，该微孔疏水膜为NACE膜。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：其中，冷凝器具有冷凝器壳体以及设置在该冷凝器壳体内的换热管，换热管的一个端部用于接受舰船外的作为冷凝液的原海水，另一个端部用作冷凝液出口排放换热后的冷凝液。
在本发明提供的舰船冷却海水淡化***中，还可以具有这样的特征：还包括：海水引入部，用于将换热后的冷却海水加压引入至过滤部内，其中，海水引入部包含引水管以及设置在该引水管上的引水泵，引水管的一个端部用于与冷却水出口相连接，另一个端部与过滤部相连接。
<方案二>
本发明还提供了一种舰船冷却海水淡化方法，用于对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，具有这样的特征，包括以下步骤：
对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水；
对过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水；
对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送；
对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽；
对水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的舰船冷却海水淡化***及方法，因为过滤部与冷却***的冷却水出口相连接，能够对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，加热器能够过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水，增压输送部对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送，蒸馏分离器能够对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽，冷凝器能够水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水，所以，本发明能够对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，充分利用冷却海水中的低品位余热，运行能耗低；而且结构简单，产水通量大，所获得的淡水的水质更纯净。
附图说明
图1是本发明的实施例中舰船冷却海水淡化***的结构原理图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的舰船冷却海水淡化***及方法的目的、特征和效果。
<实施例>
图1是本发明的实施例中舰船冷却海水淡化***的结构原理图。
如图1所示，在本实施例中，舰船冷却海水淡化***100被安装在舰船上并且与舰船的冷却***和压缩空气生成器分别相连接，用于对冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水。该舰船冷却海水淡化***100包括海水引入部10、过滤部20、加热器30、增压输送部40、蒸馏分离器50、冷凝器60、抽真空器70以及浓海水回流部80。
如图1所示，海水引入部10用于将冷却***排出的换热后的冷却海水加压送入过滤部20内，包含引水管11和引水泵12。
引水管11的一个端部与冷却***的冷却水出口200相连接，另一个端部与过滤部20中的介质过滤器21的进水口相连接。
引水泵12设置在引水管11上，用于对换热后的冷却海水进行加压并输送。
如图1所示，过滤部20用于对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，包含相互连接的介质过滤器21和超滤过滤器22。
介质过滤器21作为一级过滤器，用于去除海水中的大颗粒杂质。介质过滤器21的进水口与引水管11的另一个端部相连接且连通，从而接受从冷却水出口200排出的换热后的冷却海水。
超滤过滤器22作为二级过滤器，用于去除海水中的微小悬浮物颗粒。超滤过滤器22的进水口通过输水管与介质过滤器21的出水口相连接。
如图1所示，加热器30为电加热管加热式的恒温加热器，用于接受过滤部20得到的过滤冷却海水，并对该过滤冷却海水进行加热得到满足蒸馏分离要求的预设水温的海水作为待淡化海水。在本实施例中，预设水温为60-80℃。
加热器30的顶部设有进水口和海水回流进口。加热器30侧壁的下部设有出水口，该出水口处设有温度计31，用于实时监测待淡化海水的温度。
如图1所示，增压输送部40用于对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送给蒸馏分离器50，从而有效增大水蒸汽透过微孔疏水膜的驱动力，提高***的产水效率；本实施例中，预设海水流量为35-40L/min。该增压输送部40包含增压输送管41、增压输送泵42、液体调节阀43以及液体流量计44，增压输送泵42、液体调节阀43以及液体流量计44依次设置在增压输送管41上。
增压输送管41的两个端部分别与加热器30的出水口和蒸馏分离器50的海水进口相连接。
增压输送泵42用于对待淡化海水进行增压并输送。
液体调节阀43用于调节增压输送管41内的海水流量使其达到预设海水流量。
液体流量计44用于实时监测增压输送管41内的海水流量。
如图1所示，蒸馏分离器50用于接受增压后的待淡化海水，并对该待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽。该蒸馏分离器50包含蒸馏器壳体51、膜蒸馏组件52以及布水板(图中未示出)。
蒸馏器壳体51的底部设有海水进口，该海水进口与增压输送管41的一个端部相连接。蒸馏器壳体51的顶部设有蒸汽出口，侧壁的上部设有海水回流出口。
膜蒸馏组件52设置在蒸馏器壳体51内，具有安装板521和多个膜支撑管522。
安装板521的周缘与蒸馏器壳体51的侧壁密封连接且位于海水回流出口的上方，从而将蒸馏器壳体51的内部空间分隔成呈下上布置的布水腔501和蒸汽腔502。
多个膜支撑管522间隔布置在安装板521的下表面且向下延伸，所有膜支撑管522的上端口均与蒸汽腔502相连通。
每个膜支撑管522具有管本体以及包裹在该管本体的外表面的微孔疏水膜。
管主体为管壁上具有多个通孔的圆管。
微孔疏水膜采用纳米结构高电荷密度电解质膜(Nano-structure High ChargeDensity Electrolyte膜，简称NACE膜)，进入布水腔501的待淡化海水在NACE膜的表面进行水汽分离，水蒸汽透过NACE膜进入管主体内并汇集至蒸汽腔502内。在本实施例中，NACE膜的厚度为12mm，平均孔径为0.15μm，孔隙率为79％，接触角为150.1°。
布水板固定设置在蒸馏壳体51内且位于膜蒸馏组件52的下方，并且与海水进口相连通，用于将待淡化海水均匀喷洒到膜蒸馏组件52上。
如图1所示，冷凝器60用于接受水蒸汽，并对该水蒸汽进行真空冷凝处理得到可直接饮用的淡水。该冷凝器60包含冷凝器壳体61和换热管62。
冷凝器壳体61的顶部设有蒸汽进口，该蒸汽进口通过蒸汽管与蒸馏分离器50的蒸汽出口相连接且连通。冷凝器壳体61的底部设有淡水出口，该淡水出口通过淡水管与舰船淡水舱300相连接，该淡水管上设有淡水排放阀611。冷凝器壳体61侧壁的上部设有通气口，该通气口处设有通气阀612。
换热管62为螺旋管，该螺旋管固定设置在冷凝器壳体61内的中上部，从而使得换热管62和冷凝器壳体61的中上部之间的空间形成冷凝器60的蒸汽凝结腔601，冷凝器壳体61的下部空间形成淡水收集腔602。从蒸汽进口进入蒸汽凝结腔601内的水蒸汽在换热管62的外表面及附近区域凝结成水滴落下，并汇集至淡水收集腔602内。
换热管62的下端部伸出冷凝器壳体61的外部而形成冷凝液进口621，上端部伸出冷凝器壳体61的外部而形成冷凝液出口622。在本实施例中，采用舰船外的原海水作为冷凝器60的冷凝液，即冷凝液进口621接受舰船外的原海水。
如图1所示，抽真空器70通过耐压管与冷凝器60的蒸汽凝结腔601相连通，进而通过蒸汽管与蒸馏分离器50的蒸馏腔502相连通，从而能够对蒸汽凝结腔601和蒸汽腔502分别抽真空。耐压管上设有真空表71，用于实时监测蒸汽腔502和蒸汽凝结腔601内的真空度。在本实施例中，蒸汽腔502和蒸汽凝结腔601内的真空度均为0.08-0.09Mpa。
如图1所示，浓海水回流部80用于将蒸馏分离器50得到的浓海水回流至加热器30内，包含回流管81和回流阀82。
回流管81的两个端部分别与蒸馏分离器50的海水回流出口和加热器30的海水回流进口相连接且连通。
回流阀82设置在回流管81上。
在本实施例中，回流管81的位于回流阀82和蒸馏分离器50之间的部分上还设有海水排放阀83。
在本实施例中，采用舰船冷却海水淡化***100对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理的海水淡化方法，包括以下步骤：
步骤S1，开启引水泵12，将冷却***排出的换热后的冷却海水加压送入过滤部20。
步骤S2，过滤部20对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水。
步骤S3，加热器30对过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水。
步骤S4，增压输送部40对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送。
步骤S5，蒸馏分离器50对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽。
步骤S6，冷凝器60对水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水，淡水汇集至淡水收集腔602内；与此同时，打开回流阀82，浓海水通过回流管81回流至加热器30内。
步骤S7，依次打开通气阀612和淡水排放阀611，淡水收集腔602内的淡水自动排放至舰船淡水舱300内。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的舰船冷却海水淡化***及方法，因为过滤部与冷却***的冷却水出口相连接，能够对换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，加热器能够过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水，增压输送部对待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送，蒸馏分离器能够对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽，冷凝器能够水蒸汽进行真空冷凝处理得到淡水，所以，本实施例能够对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，充分利用冷却海水中的低品位余热，运行能耗低；而且结构简单，产水通量大，所获得的淡水的水质更纯净。
另外，因为具有浓海水回流部，能够将浓海水回流至加热器内以对浓盐水再次进行加温和蒸馏处理，进一步提高淡水生产率。
此外，因为预设水温为60-80℃，预设海水流量为35-40L/min，蒸汽腔和蒸汽凝结腔内的真空度均为0.08-0.09Mpa，使得整个***处于较佳的运行状态，既节约能源，又能确保蒸馏分离和冷凝的顺利进行，从而提高淡水的生产率和水质。
另外，因为过滤部具有相互连接的介质过滤器和超滤过滤器，能够截留海水中的胶体悬浮物和大分子有机物，有效减缓蒸馏分离器中的微孔疏水膜的污染。
此外，因为加热器采用恒温加热器，能够将冷却海水二次升温至适宜的温度，有效控制冷却海水二次升温的能耗，节约能源。
另外，因为增压输送部具有增压输送管以及依次设置在该增压输送管上的增压输送泵、液体调节阀和液体流量计，增压输送管的两个端部分别与加热器的出水口和蒸馏分离器的海水进口相连接，结构简单，操作方便；而且，市场上容易采购，进一步降低制造成本。
此外，因为蒸馏分离器包含膜蒸馏组件，该膜蒸馏组件含有多个膜支撑管，每个膜支撑管具有管本体以及包裹在该管本体的外表面的微孔疏水膜，该微孔疏水膜为NACE膜，具有良好的分离效果；而且，结构简单，市场上容易采购，进一步降低制造成本。
另外，因为冷凝器具有冷凝器壳体以及设置在该冷凝器壳体内的换热管，换热管的一个端部能够接受舰船外的作为冷凝液的原海水，另一个端部用作冷凝液出口排放换热后的冷凝液，充分利用舰船外的原海水，节约能源。
此外，因为抽真空器与冷凝器的蒸汽凝结器相连通，进而与蒸馏分离器的蒸馏腔相连接，有效地增大微孔疏水膜两侧蒸汽压差，提高蒸汽透过微孔疏水膜的驱动力，从而提高淡水生产效率。
另外，因为具有海水引入部，能够将换热后的冷却海水加压送入过滤部，能够增大海水在过滤器中过滤介质两侧的压差，进一步提高海水的过滤效果。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种舰船冷却海水淡化***，与舰船的冷却***相连接，用于对该冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，其特征在于，包括：
过滤部、加热器、增压输送部、蒸馏分离器、冷凝器以及抽真空器，
其中，所述过滤部与所述冷却***的冷却水出口相连接，用于对所述换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水，
所述加热器接受所述过滤冷却海水，并对该过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水，
所述增压输送部对所述待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送，
所述蒸馏分离器接受增压后的待淡化海水，并对该待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽，
所述冷凝器接受所述水蒸汽，并对该水蒸汽进行真空冷凝处理得到所述淡水，
所述抽真空器与所述蒸馏分离器的蒸汽腔和所述冷凝器的蒸汽凝结腔分别相连通，用于对所述蒸汽腔和所述蒸汽凝结腔分别抽真空。
2.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于，还包括：
浓海水回流部，用于将所述浓海水回流至所述加热器内，
其中，所述浓海水回流部包含回流管以及设置在该回流管上的回流阀，
所述回流管的两个端部分别与所述蒸馏分离器的海水回流出口和所述加热器的海水回流进口相连接。
3.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述预设水温为60-80℃，
所述预设海水流量为35-40L/min，
所述蒸汽腔和所述蒸汽凝结腔内的真空度均为0.08-0.09Mpa。
4.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述过滤部包含相互连接的介质过滤器和超滤过滤器，
所述介质过滤器的进水口用于与所述冷却水出口相连接，
所述超滤过滤器的出水口与所述加热器的进水口相连接。
5.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述加热器为恒温加热器。
6.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述增压输送部包含增压输送管以及依次设置在该增压输送管上的增压输送泵、液体调节阀和液体流量计，
所述增压输送管的两个端部分别与所述加热器的出水口和所述蒸馏分离器的海水进口相连接。
7.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述蒸馏分离器包含膜蒸馏组件，该膜蒸馏组件含有多个膜支撑管，
每个所述膜支撑管具有管本体以及包裹在该管本体的外表面的微孔疏水膜，该微孔疏水膜为NACE膜。
8.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于：
其中，所述冷凝器具有冷凝器壳体以及设置在该冷凝器壳体内的换热管，
所述换热管的一个端部用于接受舰船外的作为冷凝液的原海水，另一个端部用作冷凝液出口排放换热后的冷凝液。
9.根据权利要求1所述的舰船冷却海水淡化***，其特征在于，还包括：
海水引入部，用于将所述换热后的冷却海水加压引入至所述过滤部内，
其中，所述海水引入部包含引水管以及设置在该引水管上的引水泵，
所述引水管的一个端部用于与所述冷却水出口相连接，另一个端部与所述过滤部相连接。
10.一种舰船冷却海水淡化方法，用于对舰船的冷却***排出的换热后的冷却海水进行淡化处理得到可直接饮用的淡水，其特征在于，包括以下步骤：
对所述换热后的冷却海水进行过滤预处理得到过滤冷却海水；
对所述过滤冷却海水进行加热得到预设水温的海水作为待淡化海水；
对所述待淡化海水进行增压并按照预设海水流量输送；
对增压后的待淡化海水进行真空蒸馏分离处理得到浓海水和水蒸汽；
对所述水蒸汽进行真空冷凝处理得到所述淡水。
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