CN107804888A - 回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，能够有效地提高能源利用率和海水淡化效率，其特征在于，包括：毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、和位于壳体内的毛细蒸发芯以及蒸汽冷凝器，毛细蒸发芯设置在壳体的中部，蒸汽冷凝器埋设在毛细蒸发芯的表层，壳体被毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室，位于上部的腔体作为蒸汽室；两个二次蒸汽发生装置，每个二次蒸汽发生装置都包含：二次蒸汽存储腔、冷能输送管道、以及废热输送管道；以及淡水排出管部，与蒸汽冷凝器的排水口相连，其中，每个二次蒸汽发生装置都具有两种工作模式，在工作时，两个二次蒸汽发生装置分别处于不同的工作模式；当达到饱和时，互换工作模式。

Description

回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统

技术领域

本发明属于海水淡化及清洁能源利用领域，具体涉及一种LNG冷能、低品位废热互补耦合且能够回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统。

背景技术

清洁淡水资源的严重短缺已成为最为普遍的全球性问题之一，目前一些解决淡水资源短缺的有效措施只能改善对现有淡水的使用，并没有使淡水资源增加，而增加淡水资源的一个有效方法就是对海水进行淡化处理。过去的几十年，海水淡化技术得到了很大的发展，其中多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透法在工程上都有较大规模的应用。然而传统的海水淡化技术投资高，能源消耗大，而且所消耗能量主要来自石油和煤炭等化石燃料，在此过程中又造成了新的污染。

因此，寻找清洁可持续能源替代传统能源实现海水淡化成为了有效解决水资源短缺的方法。目前LNG(液化天然气)是世界上公认的最清洁能源之一。LNG在接收站转换为气态天然气供给给用户过程中将释放出大量的冷能，为830～860kJ/kg。这部分冷能往往直接被海水或者空气带走，造成了极大的能源浪费，回收LNG冷能实现海水淡化既可以解决水资源短缺问题，也能拓展LNG冷能的利用，达到了节能目的。同时，低品位废热大量的存在我们生活的环境而无法得到有效利用。如火电厂、冶金、供暖厂等每天都向环境排放低温废热，造成严重的能量浪费，回收低品位废热进行海水淡化也是一种新型的海水淡化方法。

同时利用LNG冷能、低品位废热互相耦合进行海水淡化的系统尚未存在。目前存在海水淡化系统及方法主要集中于其中的一种能量，如：CN 106477658A公开一种基于LNG冷能的海水淡化装置，利用LNG冷冻淡化方法实现了较高的能源利用率。不仅如此，目前存在海水淡化系统几乎没考虑蒸汽凝结潜热的回收利用，而这部分能量巨大，设计一套能够回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统显得格外重要。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，能够利用LNG冷能、低品位废热、特别是蒸汽凝结潜热，极大地提高能源利用率和海水淡化效率。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。

本发明提供一种回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于，包括：毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、和位于壳体内的毛细蒸发芯以及蒸汽冷凝器，毛细蒸发芯设置在壳体的中部，蒸汽冷凝器埋设在毛细蒸发芯的表层，壳体被毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水输入管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水输出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽；两个二次蒸汽发生装置，每个二次蒸汽发生装置都包含：二次蒸汽存储腔、冷能输送管道、以及废热输送管道，二次蒸汽存储腔通过一次蒸汽输送管道与蒸汽室相连通，并通过二次蒸汽输出管道与蒸汽冷凝器的进气端相连，将换热后的二次蒸汽输入进气端，冷能输送管道和废热输送管道都伸入二次蒸汽存储腔内，并且分别用于输送LNG冷能和低品位废热；以及淡水排出管部，与蒸汽冷凝器的排水口相连，用于排出二次蒸汽冷凝成的淡水，其中，每个二次蒸汽发生装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：二次蒸汽存储腔与一次蒸汽输送管道处于不导通的状态，但与二次蒸汽输出管道处于相导通的状态，并且废热输送管道处于被通入低品位废热的开启状态，但冷能输送管道处于不被通入LNG冷能的切断状态；第二种工作模式为：二次蒸汽存储腔与一次蒸汽输送管道处于相导通的状态，但与二次蒸汽输出管道处于不导通的状态，并且废热输送管道处于不被通入低品位废热的切断状态，但冷能输送管道处于被通入LNG冷能的开启状态，在工作时，两个二次蒸汽发生装置分别处于不同的工作模式；当达到饱和时，则互换工作模式。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：蒸汽冷凝器包含多根二次蒸汽冷凝管道。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：二次蒸汽储存腔中填充满MOFs材料。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：毛细蒸发芯采用亲水且低导热系数的多孔陶瓷材料烧制而成。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：多孔陶瓷材料的孔隙率在60％左右，平均孔径大小为0.2～10微米，导热系数低于1W/(m﹒K)。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：毛细蒸发芯的厚度为壳体内部高度的1/4～1/3。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征：壳体采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的POM塑料制成。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征，还包括：淡水收集器，通过淡水排出管部与蒸汽冷凝器的排水口相连，收集二次蒸汽冷凝成的淡水。

本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，还可以具有这样的特征，还包括：检测部，检测二次蒸汽发生装置是否达到饱和状态；阀门部，包含：分别设置在两个一次蒸汽输送管道上的第一阀门，分别设置在两个二次蒸汽输出管道上的第二阀门，分别设置在废热输送管道上的第三阀门，以及分别设置在冷能输送管道上的第四阀门；控制部，与检测部和阀门部相通信相连，在检测部检测到二次蒸汽发生装置达到饱和状态的情况下，控制阀门部切换每个二次蒸汽发生装置的工作模式。

发明的作用与效果

本发明的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，具有如下优点：

(1)本发明将LNG冷能、低品位废热互相耦合实现了多种能量的同时回收，提高了50％以上的能源利用率，避免了LNG冷能和低品位废热的能源浪费，拓展了这两种能源的回收利用途径。

(2)蒸汽的凝结潜热回收大大提高了系统的60％以上的能量转化效率和5倍以上的产水量。本发明充分考虑到了蒸汽凝结潜热的回收利用环节，解决了目前海水淡化方法中常常忽略的环节和难以解决的难题。

(3)本发明将MOFs材料气体的吸附与储存特性往海水淡化领域进行了拓展运用，使其能够作为一种新型海水淡化材料进入人们的视野，能够更好的利用MOFs材料的优异特性。

附图说明

图1是本发明涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统的结构示意图。

上述图中，各部件标号如下：

10.回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统：20.毛细驱动蒸发装置、30.二次蒸汽发生装置、40.二次蒸汽发生装置、50.淡水排出管部；

21.壳体、21a.海水补偿室、21b.蒸汽室、21c.海水输入管道、21d.盐水输出管道；22.毛细蒸发芯；23.蒸汽冷凝器：23a.二次蒸汽冷凝管道；

31.二次蒸汽存储腔、31a.一次蒸汽输送管道、31b.二次蒸汽输出管道、31c.真空泵接入管、32.冷能输送管道、33.废热输送管道；

41.二次蒸汽存储腔、41a.一次蒸汽输送管道、41b.二次蒸汽输出管道、42.冷能输送管道、43.废热输送管道；

51.淡水排出管、52.淡水排出管。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统作详细阐述。

<实施例>

如图1所示，回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统10包括：毛细驱动蒸发装置20、二次蒸汽发生装置30和40、淡水排出管部50、以及淡水收集器(图中未显示)。

毛细驱动蒸发装置20包含：壳体21、毛细蒸发芯22、以及蒸汽冷凝器23。

壳体21采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)并且耐海水腐蚀的POM塑料制成，具备良好的保温密封效果，可以有效防止热量散失和蒸汽冷凝。壳体21被毛细蒸发芯22分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室21a通过海水输入管道21c引入待蒸发的海水，并且通过盐水输出管道21d将蒸发后的浓盐水排出至深井中，位于上部的腔体作为蒸汽室21b用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽；

毛细蒸发芯22位于壳体21内，并且设置在壳体21的中部；本实施例中，毛细蒸发芯22为亲水且低导热系数的多孔陶瓷材料烧制而成，可采用大规模建筑用砖的烧结方法制备，成本非常低；多孔陶瓷材料的孔隙率在60％左右，平均孔径大小为0.2～10微米，导热系数低于1W/(m﹒K)，可以有效抑制热量向海水传导；烧制成的毛细芯导热系数最好低于0.1W/(m﹒K)，且具有一定的承压能力和保温能力，其厚度选择在8～20毫米之间，优先选择10毫米(为壳体21内部高度的1/3)，这样可提供最充足的毛吸力不断补充海水，通过毛吸力将海水补偿室21a里的低温海水输送至与蒸汽冷凝器23外壁充分接触，进行热量交换。

蒸汽冷凝器23也位于壳体21内，包含多根二次蒸汽冷凝管道23a，这些二次蒸汽冷凝管道23a并排埋设在毛细蒸发芯22的表层。本实施例中，二次蒸汽冷凝管道23a可选择内经为2毫米，壁厚0.2mm，并且导热系数高于100W/(m﹒K)的毛细铜管，采用圆周缠绕，使得毛细铜管尽可能布满毛细芯整个截面，用于二次蒸汽的快速冷凝，同时能够快速实现与低温海水的热量交换。

两个二次蒸汽发生装置30和40的结构和工作原理完全一样，这里以二次蒸汽发生装置30为例进行说明。

二次蒸汽发生装置30包含：二次蒸汽存储腔31、冷能输送管道32、以及废热输送管道33。

二次蒸汽存储腔31通过一次蒸汽输送管道31a与蒸汽室21b相连通，并通过二次蒸汽输出管道31b与蒸汽冷凝器23的进气端相连，将换热后的二次蒸汽输入进气端。二次蒸汽储存室中填充满MOFs(金属有机骨架化合物)材料，能够吸收一次水蒸汽，具备满足在特定条件下快速吸收或者释放水蒸汽的功能，能够具备在较低温差变化范围内快速实现蒸汽吸收和释放。二次蒸汽存储腔31作为一次蒸汽的吸附和与LNG冷能、低品位废热进行快速的热量交换的场所。本实施例中，一次蒸汽输送管道31a上还连接有真空泵接入管31c。

冷能输送管道32和废热输送管道33都伸入二次蒸汽存储腔31内，并且分别用于输送LNG冷能和低品位废热。

同理，二次蒸汽发生装置40包含：二次蒸汽存储腔41、冷能输送管道42、以及废热输送管道43。二次蒸汽存储腔41通过一次蒸汽输送管道41a与蒸汽室21b相连通，并通过二次蒸汽输出管道41b与蒸汽冷凝器23的另一个进气端相连，将换热后的二次蒸汽输入进气端。

本实施例中，位于毛细蒸发芯22与二次蒸汽发生装置30和40之间的一次蒸汽输送管道31a、二次蒸汽输出管道31b、一次蒸汽输送管道41a、以及二次蒸汽输出管道41b都采用导热系数低于0.05W/(m﹒K)的绝热管道进行连接，该绝热管道外层可采用聚苯乙烯泡沫作为外部的保温绝热层。

淡水排出管部50包括两个淡水排出管51和52，分别与两个蒸汽冷凝器23的两个排水口相连，用于排出二次蒸汽冷凝成的淡水。

淡水收集器与淡水排出管51和52的淡水排出口，收集排出的淡水。

这里，每个二次蒸汽发生装置30和40都具有两种工作模式。以二次蒸汽发生装置30为例，第一种工作模式为：二次蒸汽存储腔31与一次蒸汽输送管道31a处于不导通的状态，但与二次蒸汽输出管道31b处于相导通的状态，并且废热输送管道33处于被通入低品位废热的开启状态，但冷能输送管道32处于不被通入LNG冷能的切断状态；第二种工作模式为：二次蒸汽存储腔31与一次蒸汽输送管道31a处于相导通的状态，但与二次蒸汽输出管道31b处于不导通的状态，并且废热输送管道33处于不被通入低品位废热的切断状态，但冷能输送管道32处于被通入LNG冷能的开启状态。

在工作时，两个二次蒸汽发生装置30和40分别处于不同的工作模式；当达到饱和时，则互换工作模式，本实施例中，两个二次蒸汽发生装置30和40能够同时达到饱和状态。例如，当二次蒸汽发生装置30处于第一工作模式时，二次蒸汽发生装置40就处于第二工作模式；当达到饱和状态时，二次蒸汽发生装置30改变成第二工作模式，同时二次蒸汽发生装置40改变成第一工作模式。

基于以上结构，本实施例所提供的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统10的具体工作过程为：

在开始运行时，将真空泵接入到真空泵接入管31c入口，抽取蒸汽室21b和海水补偿室21a内的空气形成负压；海水在负压作用下由海水输入管道21c进入到海水补偿室21a中，与毛细蒸发芯22底层接触，然后在毛细蒸发芯22毛细驱动力作用下被抽吸到毛细蒸发芯22表面；停止真空泵，关闭真空泵接入管31c，海水由于毛细层毛吸力被悬挂并充满海水补偿室21a和毛细蒸发芯22。

与此同时，接通其中一个二次蒸汽储存室(以二次蒸汽储存室30为例)的废热输送管道33，利用低品位废热加热这个充满MOFs材料的二次蒸汽存储腔31(初始含淡水)产生初始蒸汽，将蒸汽通过二次蒸汽输出管道31b输入到蒸汽冷凝器23的二次蒸汽冷凝管道23a中，和冷凝管道23a外壁的低温海水进行热量交换，毛细蒸发芯22表面低的温海水受热蒸发产生一次蒸汽，进入蒸汽室21b。

此时，二次蒸汽储存室40中的冷能输送管道42接通LNG冷能，实现这个室内MOFs材料迅速降温，蒸汽压降低，导致蒸汽室21b内的一次蒸汽由一次蒸汽输送管道41a快速进入到这个二次蒸汽储存室40。

当二次蒸汽储存室40中的低温蒸汽达到饱和状态后，切断冷能输送管道42的LNG冷能，切换成废热输送管道43输入低品位废热，产生二次高温蒸汽并由二次蒸汽输出管道41b进入二次蒸汽冷凝管道23a，与低温海水进行热量交换，实现冷凝的同时，产生新的一次蒸汽经过一次蒸汽输送管道31a进入二次蒸汽存储腔31(LNG冷能输送管道32接入使得低温吸附一次蒸汽输送管道31a中的一次蒸汽)，此刻冷凝水从淡水排出管道51输出。

待二次蒸汽冷凝管道23a中淡水冷凝完成(即、二次蒸汽储存室30中的低温蒸汽达到饱和状态)之后，二次蒸汽存储腔31立刻接通废热输送管道33升温加热已吸收的一次蒸汽形成二次蒸汽，再经过二次蒸汽输出管道31b输入到冷凝管道23a中实现一个新的循环。

对于整个系统10，低温海水在毛吸力作用下不断补充到毛细蒸发芯22表面实现蒸发，使得系统10能够自适应运行。蒸汽室21b分别与两个相同的二次蒸汽储存腔31和41进行管道连接，两个二二次蒸汽储存腔31和41交替不间断地通入LNG冷能和低品位余热，实现一个二次蒸汽储存腔利用LNG冷能使MOFs低温状态吸收一次蒸汽的同时，另一个二次蒸汽储存腔利用低品位废热升温加热已吸收的一次蒸汽，实现二次蒸汽的释放，释放后的二次蒸汽进入二次蒸汽冷凝管道23a实现蒸汽的快速冷凝，两个二次蒸汽储存腔31和41交替吸收和释放蒸汽，实现系统不间断地产水。由于二次蒸汽的温度远高于二次蒸汽冷凝管道23a外壁海水的温度，二次蒸汽将热量传递给海水释放凝结潜热，使海水不断实现快速蒸发；而二次蒸汽自身冷凝成淡水，通过淡水排出管51或52排出，这样同一个时刻总有一个淡水排出管可以进行输出淡水，从而实现系统10不间断产水，以达到系统10更高的能量转换效率和最大的产水量

综上，本实施例提供的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统10相比于CN106477658A专利，本专利创造性的考虑到了蒸汽凝结潜热的回收问题，提供相同的热量，单位时间内的产水量会比其大出五倍以上。同时，本专利采用了太阳能这种易获取的清洁能源，拓展了能源利用种类。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统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。

在本发明所涉及的海水淡化系统中，还可以设置一些自动检测和控制的部件，实现自动切换工作状态。例如，设置检测部，能够检测二次蒸汽发生装置是否达到饱和状态；还设置阀门部，它包含：分别设置在两个一次蒸汽输送管道31a上的第一阀门，分别设置在两个二次蒸汽输出管道31b上的第二阀门，分别设置在废热输送管道33上的第三阀门，以及分别设置在冷能输送管道32上的第四阀门；以及控制部，与检测部和阀门部相通信相连，在检测部检测到二次蒸汽发生装置达到饱和状态的情况下，控制阀门部切换每个二次蒸汽发生装置的工作模式。

Claims (9)

1.一种回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于，包括：

毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、和位于所述壳体内的毛细蒸发芯以及蒸汽冷凝器，所述毛细蒸发芯设置在所述壳体的中部，所述蒸汽冷凝器埋设在所述毛细蒸发芯的表层，所述壳体被所述毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水输入管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水输出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽；

两个二次蒸汽发生装置，每个所述二次蒸汽发生装置都包含：二次蒸汽存储腔、冷能输送管道、以及废热输送管道，所述二次蒸汽存储腔通过一次蒸汽输送管道与所述蒸汽室相连通，并通过二次蒸汽输出管道与所述蒸汽冷凝器的进气端相连，将换热后的二次蒸汽输入所述进气端，所述冷能输送管道和所述废热输送管道都伸入所述二次蒸汽存储腔内，并且分别用于输送LNG冷能和低品位废热；以及

淡水排出管部，与所述蒸汽冷凝器的排水口相连，用于排出所述二次蒸汽冷凝成的淡水，

其中，每个所述二次蒸汽发生装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：所述二次蒸汽存储腔与所述一次蒸汽输送管道处于不导通的状态，但与所述二次蒸汽输出管道处于相导通的状态，并且所述废热输送管道处于被通入所述低品位废热的开启状态，但所述冷能输送管道处于不被通入所述LNG冷能的切断状态；第二种工作模式为：所述二次蒸汽存储腔与所述一次蒸汽输送管道处于相导通的状态，但与所述二次蒸汽输出管道处于不导通的状态，并且所述废热输送管道处于不被通入所述低品位废热的切断状态，但所述冷能输送管道处于被通入所述LNG冷能的开启状态，

在工作时，两个所述二次蒸汽发生装置分别处于不同的工作模式；当达到饱和时，则互换工作模式。

2.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述蒸汽冷凝器包含多根二次蒸汽冷凝管道。

3.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述二次蒸汽储存腔中填充满MOFs材料。

4.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述毛细蒸发芯采用亲水且低导热系数的多孔陶瓷材料烧制而成。

5.根据权利要求4所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述多孔陶瓷材料的孔隙率在60％左右，平均孔径大小为0.2～10微米，导热系数低于1W/(m﹒K)。

6.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述毛细蒸发芯的厚度为所述壳体内部高度的1/4～1/3。

7.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述壳体采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的POM塑料制成。

8.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于，还包括：

淡水收集器，通过所述淡水排出管部与所述蒸汽冷凝器的排水口相连，收集所述二次蒸汽冷凝成的淡水。

9.根据权利要求1所述的回收蒸汽凝结潜热的海水淡化系统，其特征在于，还包括：

检测部，检测所述二次蒸汽发生装置是否达到饱和状态；

阀门部，包含：分别设置在两个所述一次蒸汽输送管道上的第一阀门，分别设置在两个所述二次蒸汽输出管道上的第二阀门，分别设置在所述废热输送管道上的第三阀门，以及分别设置在所述冷能输送管道上的第四阀门；

控制部，与所述检测部和所述阀门部相通信相连，在所述检测部检测到所述二次蒸汽发生装置达到饱和状态的情况下，控制所述阀门部切换每个所述二次蒸汽发生装置的工作模式。