CN103058298A - 一种低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，包括有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷循环及增湿-去湿海水淡化三个子系统。系统利用有机朗肯动力循环驱动蒸汽压缩制冷循环制取冷冻水，对增湿-去湿海水淡化子系统的实施冷冻水喷淋冷凝以生产温度较低的（冷）淡水，所产的部分冷淡水由水泵先输送至用冷末端供冷，随后被海水废料余热加热成热水供生活使用。此外，有机朗肯动力循环和蒸汽压缩制冷循环的冷凝器排热被用于预热进料海水。本系统有效地实现了对热能和冷能的梯级利用，具有适应性好、淡水产率高以及能源利用效率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用领域，尤其涉及的是一种利用低品位热源进行海水淡化及冷热联供的系统。
背景技术
淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一。淡水资源短缺已经成为影响世界经济社会可持续发展的重要因素，引起了全社会的普遍关注。积极推进海水淡化技术，向大海要水已经成为当今世界各国的共识。目前海水淡化已也成为解决沿海地区缺水问题最有效的措施之一。可以预见，随着经济持续发展和人们生活水平提高带来的淡水资源供需矛盾的尖锐化，海水淡化作为解决淡水资源短缺的有效手段，将会变得越来越重要。
海水淡化方法主要有蒸馏法、反渗透法、离子交换法、冷冻法和增湿-去湿法等。目前，技术比较成熟、被广泛应用的只有蒸发法和反渗透法，但存在需要消耗大量的燃料或电力的缺陷。另一方面，我国具有丰富的低品位热源如太阳能、地热能、工业余热等，开发利用这类能源是我国能源战略的重要组成部分。因此，探索开发一种高效、节能的利用低品位热源的海水淡化并能够实现冷热联产的方法对解决我国淡水缺乏供应不足问题，以及缓解我国能源供给压力、调整能源结构和提高能源利用效率具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，旨在解决现有的海水淡化技术需要消耗大量的燃料或电力的问题，并同时实现冷热联供，提高能源利用效率。
本发明的技术方案如下：
一种低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，包括有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷循环及增湿-去湿海水淡化三个子系统。该系统利用有机朗肯动力循环驱动蒸汽压缩制冷循环制取冷冻水，对增湿-去湿海水淡化子系统的实施冷冻水喷淋冷凝以生产温度较低的（冷）淡水，储存在冷水箱中，其中部分冷淡水由水泵先输送至用冷末端供冷，随后进入第二换热器被海水废料余热加热成热水供生活使用。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述的有机朗肯动力循环包括发生器、膨胀机、回热器、第二冷凝器和有机工质循环泵；低品位热源在第一水泵的作用下依次流经发生器和第一换热器，发生器的蒸汽出口与膨胀机的进口相连；膨胀机的乏汽出口通过回热器与第二冷凝进口相连；第二冷凝器的出口通过有机工质循环泵、回热器连接至发生器的进口。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述的蒸汽压缩制冷循环包括压缩机、第一冷凝器、节流元件和蒸发器；压缩机的进口与出口分别与蒸发器的蒸汽出口和第一冷凝器的进口相连；第一冷凝器的出口与蒸发器的进口通过节流元件相连。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述的有机朗肯动力循环的膨胀机与蒸汽压缩制冷循环的压缩机同轴。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述的增湿-去湿海水淡化子系统还包括增湿器、去湿器、第一引风机和第二引风机；增湿器顶部的湿工质出口通过第一引风机与去湿器底部侧面的湿工质进口相连；增湿器底部的海水废料出口通过第六水泵与第二换热器的海水进口相连；去湿器的顶部的干工质出口通过第二引风机与增湿器的底部侧面的干工质进口相连；增湿器和去湿器内均布置有用于分别喷淋雾化海水和冷冻水喷嘴；增湿器和去湿器内均布置有用于增加换热面积的填料。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，海水进料在第二水泵的作用下，依次流经第一冷凝器、第二冷凝器和第一换热器，第一换热器的海水出口与增湿器内的第一喷嘴相连。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述蒸发器的冷冻水出口与去湿器内的第二喷嘴相连，去湿器的侧面的第一冷淡水出口通过第三水泵与蒸发器的冷冻水进口相连构成循环；去湿器底部的第二冷淡水出口通过第四水泵与冷水箱相连，冷水箱通过第五水泵与用冷末端的进口相连，用冷末端的出口经第二换热器与热水箱相连。
所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其中，所述的有机朗肯动力循环的第二冷凝器与蒸汽压缩制冷循环的第一冷凝器的排热被用于预热增湿-去湿海水淡化子系统的进料海水。
本发明的有益效果：本发明通过将有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷及增湿-去湿海水淡化系统耦合在一起，其有益的效果是：系统对热源的温度要求低，适应性好；湿器中冷冻水与湿工质直接接触，淡水产率高；能量梯级利用，实现海水淡化及冷热联供，能源利用效率高。
附图说明
图1是本发明提供的海水淡化及冷热联供系统结构原理图。
图中的标号分别为：1为发生器；2为膨胀机；3为压缩机；4为蒸发器；5为第一冷凝器；6为节流元件；7为第二冷凝器；8为有机工质循环泵；9为回热器；10为第一换热器；11为增湿器；12为去湿器；P1-2为喷嘴；T1-2为填料；13为冷水箱；14为用冷末端；15为第二换热器；16为热水箱；B1-6为水泵；Y1-2为引风机；O1为增湿器湿工质出口；O2为增湿器海水废料出口；E1为去湿器干工质出口；E2-3为去湿器冷淡水出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，包括有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷循环及增湿-去湿海水淡化三个子系统。系统运行过程中，利用有机朗肯动力循环驱动蒸汽压缩制冷循环制取冷冻水，对增湿-去湿海水淡化子系统的实施冷冻水喷淋冷凝以生产温度较低的（冷）淡水，储存在冷水箱13中，其中部分冷淡水由第五水泵B5先输送至用冷末端14供冷，随后进入第二换热器15被海水废料余热加热成热水，储存在热水箱16供生活使用。
所述的有机朗肯动力循环包括发生器1、膨胀机2、回热器9、第二冷凝器7和有机工质循环泵8；低品位热源在第一水泵B1的作用下依次流经发生器1和第一换热器10；发生器1的蒸汽出口与膨胀机2的进口相连；膨胀机2的乏汽出口通过回热器9与第二冷凝7进口相连；第二冷凝器7的出口通过有机工质循环泵8、回热器9连接至发生器1的进口。
所述的蒸汽压缩制冷循环包括压缩机3、第一冷凝器5、节流元件6和蒸发器4；所述的有机朗肯动力循环的膨胀机2与蒸汽压缩制冷循环的压缩机3同轴。压缩机3的进口与出口分别与蒸发器4的蒸汽出口和第一冷凝器5的进口相连；第一冷凝器5的出口与蒸发器4的进口通过节流元件6相连。
所述的增湿-去湿海水淡化子系统包括增湿器11、去湿器12、第一引风机Y1和第二引风机Y2；增湿器11顶部的湿工质出口O1通过第一引风机Y1与去湿器12底部侧面的湿工质进口相连；增湿器11底部的海水废料出口O2与第二换热器15的海水进口相连；去湿器12的顶部的干工质出口E1通过第二引风机Y2与增湿器11的底部侧面的干工质进口相连；增湿器11和去湿器12内均布置有喷嘴，分别用于喷淋雾化海水和冷冻水；增湿器11和去湿器12内均布置有填料，用于增加换热面积。
海水进料在第二水泵B2的作用下，依次流经第一冷凝器冷凝5、第二冷凝器7和第一换热器10，第一换热器10的海水出口与增湿器11内的第一喷嘴P1相连；增湿器11内布置有第一填料T1。
蒸发器4的冷冻水出口与去湿器12内的第二喷嘴P2相连，去湿器12的侧面的第一冷淡水出口E2通过第三水泵B3与蒸发器4的冷冻水进口相连构成循环；去湿器12内布置有第二填料T2；去湿器12底部的第二冷淡水出口E3通过第四水泵B4与冷水箱13相连，冷水箱通过第五水泵B5与用冷末端14的进口相连，用冷末端14的出口经第二换热器15与热水箱16相连。
所述的有机朗肯动力循环的第二冷凝器7与蒸汽压缩制冷循环的第一冷凝器5的排热被用于预热增湿-去湿海水淡化子系统的进料海水。
所述的低品位热源在第一水泵B1的作用下先流经发生器1在其中与有机朗肯动力循环的工质换热，随后流经第一换热器10在其中加热海水进料。
所述的蒸汽压缩制冷循环生产的冷冻水被用于在去湿器12内喷淋，冷冻水与湿工质直接接触，强化传热。
本发明的工作过程是：
有机朗肯动力循环的工质在发生器1中被由第一水泵B1输送的低品位热源加热产生蒸汽，经管道进入膨胀机2，在其中膨胀做功，做功后的乏汽首先进入回热器9中放热，随后进入第二冷凝器7中被海水进料冷凝成为液体，液态工质在有机工质循环泵8的作用下升压，进入回热器9吸收乏汽的部分排热，升温后进入发生器1中完成朗肯动力循环；膨胀机2做功推动与其同轴的压缩机3运转，将从蒸发器4中产生的制冷工质蒸汽吸入并压缩，升压后的制冷工质进入第一冷凝器5中被海水进料冷凝成为液体，液态制冷工质随后经节流元件6减压进入蒸发器4，在其中吸热蒸发生产冷冻水，完成蒸汽压缩制冷循环，；进料海水在第二水泵B2的作用下先后流经第一冷凝器5和第二冷凝器7，吸收朗肯动力循环和蒸汽压缩制冷循环冷凝器7和5的排热升温后，进入第一换热器10被从发生器1中流出的低品位热源在其中再次加热，成为热海水；热海水随后从顶部进入增湿器11通过第一喷嘴P1喷淋，雾化的热海水与由增湿器11底部侧面进入其中的干工质在第一填料T1间直接接触换热，实现对增湿-去湿海水淡化子系统循环工质的加湿，由此干工质转变为湿工质，增湿器11中的海水废料由增湿器海水废料出口O2被第六水泵B6输送至第二换热器15，增湿器11内的湿工质由其顶部的增湿器湿工质出口O1出去，在第一引风机Y1的作用下从去湿器12底部侧面进入去湿器12，蒸发器4的冷冻水在第三水泵B3的作用下由顶部进入去湿器12，通过第二喷嘴P2喷淋，雾化的冷冻水与进入去湿器12的湿工质在第二填料T2间直接接触换热，湿工质释放出其所携带的显热，且其所携带的水蒸气凝结成淡水，由此湿工质转变成干工质，去湿器12内的干工质由其顶部的去湿器干工质出口E1出去，在第二引风机Y2的作用下从增湿器11的底部侧面进入增湿器11，完成增湿-去湿海水淡化子系统的工质循环；此状态下生产的淡水温度较低（冷水），去湿器12中生产的冷水一部分在第三水泵B3的作用下回流到蒸发器4，完成蒸发器4的冷冻水循环，另一部分冷水由第二去湿器冷淡水出口E3被第四水泵B4输送至冷水箱13中储存供使用；冷水箱13中的部分冷水在第五水泵B5的作用下被输送至用冷末端14如空调的风机盘管供冷，升温后的淡水随后进入第二换热器15，在其中被海水废料余热加热成热水，储存在热水箱16中供使用。
本系统中有机朗肯动力循环和蒸汽压缩制冷循环采用有机工质，如可以分别为HFC-245fa和HFC-134a，也可以采用同一种工质，如HFC-134a。本系统中增湿-去湿海水淡化子系统的循环工质可以为空气或氦气。
本发明通过将有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷及增湿-去湿海水淡化系统耦合在一起，有效地实现了对热能和冷能的梯级利用，具有适应性好、淡水产率高以及能源利用效率高等特点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，包括有机朗肯动力循环、蒸汽压缩制冷循环及增湿-去湿海水淡化三个子系统；所述有机朗肯动力循环子系统驱动蒸汽压缩制冷循环子系统制取冷冻水，所述增湿-去湿海水淡化子系统采用制取的冷冻水实施喷淋冷凝生产冷淡水，其中部分冷淡水先输送至用冷末端供冷，再进入第二换热器被流经其中的海水废料余热加热成热水，储存于热水箱。
2.根据权利要求1所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述的有机朗肯动力循环包括发生器、膨胀机、回热器、第二冷凝器和有机工质循环泵；低品位热源在第一水泵的作用下依次流经发生器和第一换热器，发生器的蒸汽出口与膨胀机的进口相连；膨胀机的乏汽出口通过回热器与第二冷凝进口相连；第二冷凝器的出口通过有机工质循环泵、回热器连接至发生器的进口。
3.根据权利要求2所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述的蒸汽压缩制冷循环包括压缩机、第一冷凝器、节流元件和蒸发器；压缩机的进口与出口分别与蒸发器的蒸汽出口和第一冷凝器的进口相连；第一冷凝器的出口与蒸发器的进口通过节流元件相连。
4.根据权利要求3所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述的有机朗肯动力循环的膨胀机与蒸汽压缩制冷循环的压缩机同轴。
5.根据权利要求4所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述的增湿-去湿海水淡化子系统还包括增湿器、去湿器、第一引风机和第二引风机；增湿器顶部的湿工质出口通过第一引风机与去湿器底部侧面的湿工质进口相连；增湿器底部的海水废料出口与第二换热器的海水进口相连；去湿器的顶部的干工质出口通过第二引风机与增湿器的底部侧面的干工质进口相连；增湿器和去湿器内均布置有用于分别喷淋雾化海水和冷冻水喷嘴；增湿器和去湿器内均布置有用于增加换热面积的填料。
6.根据权利要求5所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，海水进料在第二水泵的作用下，依次流经第一冷凝器冷凝、第二冷凝器和第一换热器，第一换热器的海水出口与增湿器内的第一喷嘴相连。
7.根据权利要求2所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述蒸发器的冷冻水出口与去湿器内的第二喷嘴相连，去湿器的侧面的第一冷淡水出口通过第三水泵与蒸发器的冷冻水进口相连构成循环；去湿器内布置有第二填料；去湿器底部的第二冷淡水出口通过第四水泵与冷水箱相连，冷水箱通过第五水泵与用冷末端的进口相连，用冷末端的出口经第二换热器与热水箱相连。
8.根据权利要求2所述的低品位热源驱动的海水淡化及冷热联供系统，其特征在于，所述的有机朗肯动力循环的第二冷凝器与蒸汽压缩制冷循环的第一冷凝器的排热被用于预热增湿-去湿海水淡化子系统的进料海水。
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| 李春林: ""液体除湿系统研究与应用"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
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