CN120736603B - 一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水淡化技术领域，具体地说，涉及一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法。海水淡化装置包括主蒸发器、与主蒸发器连通的副蒸发器以及与副蒸发器连通的冷凝器，所述主蒸发器和副蒸发器内部均设置有进气室、换热室、排气室以及换热管，所述副蒸发器的排气室内连通有导流管，所述副蒸发器内的换热管用于输送来自主蒸发器内的海水蒸气或核蒸汽；该核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法中，主蒸发器和副蒸发器均采用换热管来对海水进行隔离式换热，一方面避免了核蒸汽与海水的接触，减少污染，另一方面，当主蒸发器内部的核蒸汽泄漏时，通过调整隔离罩的位置，使泄漏的核蒸汽转入副蒸发器内对海水进行淡化。

Description

一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体地说，涉及一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法。

背景技术

核能作为一种高密度能源被广泛地使用在发电和动力领域。在世界范围内，核电站多建设于沿海地区；核能作为动力也多用于海洋船舶及海洋平台。无论是核电站或是核动力船舶及平台，均有大量的淡水需求。为解决核能应用过程中的淡水需求，结合核能利用的地域性的特性，海水淡化是一种切实可行的有效方法。

核能在海水淡化中的应用主要是以核电站或低温核反应堆与海水淡化厂耦合的形式实现的，包括利用反应堆直接产生的蒸汽和核电站汽轮机抽汽进行的蒸馏淡化。但目前采用核能对海水淡化过程中会存在如下问题：

由于核蒸汽（利用反应堆直接产生的蒸汽）中会携带放射性物质，如果携带有放射性物质的核蒸汽与海水接触，将会有很大的概率污染海水淡化产品水，并且，此时的淡化装置也无法继续运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法，其通过设置主蒸发器和副蒸发器，主蒸发器和副蒸发器均可供核蒸汽流入，从而解决上述背景技术中提出的问题，即核蒸汽中会携带放射性物质，容易污染海水淡化产品水，同时导致淡化装置无法继续运行的问题。

为实现上述目的，本发明目的之一在于，提供了一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置，包括主蒸发器、与主蒸发器连通的副蒸发器以及与副蒸发器连通的冷凝器，所述主蒸发器和副蒸发器内部均设置有进气室、换热室、排气室以及换热管，所述换热管与进气室和排气室连通，所述换热室和排气室之间连通；还包括用于将海水喷淋至换热室内的喷淋机构；

所述副蒸发器的排气室内连通有导流管，所述副蒸发器内的换热管用于输送来自主蒸发器内的海水蒸气或核蒸汽；

所述排气室内设置有隔离罩，所述隔离罩连接有驱动机构，隔离罩内部具有与排气室隔离的独立空腔，独立空腔连通有废水管；当副蒸发器内的换热管的内部存在核蒸汽时，驱动机构驱动隔离罩向换热管处运动，使独立空腔连通换热管，换热管内的核蒸汽通过废水管排至外界。

上述技术方案中，换热管对核蒸汽和海水进行隔离，同时，当主蒸发器内的核蒸汽泄漏与海水接触时，利用隔离罩的移动来改变核蒸汽的流动路径，使核蒸汽能够进入副蒸发器内进行海水淡化作业。

在此基础上，所述主蒸发器和副蒸发器均包括壳体，所述壳体的内壁设置有第一隔板和第二隔板；所述隔离罩为开口朝向第二隔板的碗状结构，当隔离罩的开口端贴合第二隔板的侧壁时，隔离罩内部形成与换热管连通的独立空腔。这样，隔离罩接触第二隔板即可形成独立空腔，对换热管与排气室进行隔离，隔离罩脱离第二隔板即可实现换热管与排气室的连通。

在另一个技术方案中，所述冷凝器连通有真空泵和水泵，所述真空泵将冷凝器内的气体抽出，使副蒸发器内的压强低于主蒸发器；

所述水泵用于将冷凝水抽出。

此技术方案，在真空泵的作用下，副蒸发器内的压强低于主蒸发器，此时副蒸发器内的海水的沸点降低，从而使主蒸发器的海水蒸气能够将副蒸发器内的海水蒸发。

本发明目的之二在于，提供了一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置的淡化方法，包括如下方法步骤：

S1、当主蒸发器内的核蒸汽泄漏时，控制主蒸发器内的隔离罩脱离第二隔板，副蒸发器内的隔离罩贴合第二隔板，并关闭主蒸发器内的支管道；

S2、核蒸汽输送至主蒸发器的进气室内，流经进气室内的换热管，然后进入副蒸发器内的换热管内；

S3、核蒸汽通过副蒸发器内的换热管与海水换热，使海水蒸发为海水蒸气，核蒸汽冷凝为核废水；

S4、海水蒸气排至冷凝器内，经冷凝器冷凝后排出，副蒸发器内的换热管内的核废水通过隔离罩内的独立空腔排至废水管内，然后由废水管排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法中，主蒸发器和副蒸发器均采用换热管来对海水进行隔离式换热，一方面避免了核蒸汽与海水的接触，减少污染，另一方面，当主蒸发器内部的核蒸汽泄漏时，通过调整隔离罩的位置，使泄漏的核蒸汽转入副蒸发器内对海水进行淡化，无需停止运行，从而提高了海水淡化装置的应急作业能力。

2、该核能利用多效蒸馏海水淡化装置及淡化方法中，核蒸汽未泄漏时，主蒸发器和副蒸发器均可进行海水淡化作业，并且，副蒸发器内对海水加热的热能来自主蒸发器内的海水蒸气，从而实现对主蒸发器内海水蒸气热能的利用，提高海水淡化的效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的主蒸发器的结构示意图；

图3为本发明的副蒸发器的结构示意图；

图4为本发明的冷凝器的结构示意图；

图5为本发明的隔离罩的结构示意图；

图6为本发明的隔离罩的工作状态示意图一；

图7为本发明的隔离罩的工作状态示意图二。

图中各个标号意义为：

100、箱体；101、真空泵；102、水泵；103、外界蒸汽输送管；110、主蒸发器；111、进气室；112、换热室；113、排气室；114、换热管；115、壳体；116、入口；117、出口；118、底管；119、第一隔板；120、第二隔板；121、通口；130、副蒸发器；131、导流管；140、隔离罩；141、废水管；142、从动杆；143、气缸；150、主管道；151、支管道；160、冷凝器；161、冷凝箱；162、换热片；163、冷凝管；164、排水管；170、压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

针对核蒸汽（利用反应堆直接产生的蒸汽）中会携带放射性物质，容易污染海水淡化产品水，同时导致淡化装置无法继续运行的问题，本发明目的之一在于，提供了一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置。如图1所示，海水淡化装置包括主蒸发器110、与主蒸发器110连通的副蒸发器130以及与副蒸发器130连通的冷凝器160。主蒸发器110、副蒸发器130以及冷凝器160均设置在箱体100内。

如图2所示，主蒸发器110包括壳体115，壳体115为两端封闭的圆管状结构，且壳体115的封闭端为弧形。此外，壳体115的内壁设置有两个隔板，两个隔板将壳体115内部隔成进气室111、换热室112以及排气室113。具体的，两个隔板分别为位于左侧的第一隔板119和位于右侧的第二隔板120，第一隔板119和第二隔板120的外圈均与壳体115的内壁贴合。接着，换热室112内设置有多个一端连通进气室111、另一端连通排气室113的换热管114（优选采用导热性能强的材料制成，例如铝、铜），多个换热管114之间交错设置。同时，壳体115的左端设置有入口116、右端设置有出口117。这样，核蒸汽通过入口116进入进气室111内，然后进入换热管114内，使换热管114受热。

不仅如此，海水淡化装置还包括用于将海水喷淋至换热室112内的喷淋机构。此外，第二隔板120的侧壁设置有贯通的通口121，换热室112和排气室113之间通过通口121连通，通过此设计，当喷淋机构将海水喷淋至换热室112内时，海水接触高温的换热管114后被汽化形成海水蒸气，海水蒸气通过通口121流入排气室113内，然后进入出口117，最终流入副蒸发器130内。而未蒸发的浓海水则流至换热室112的底部，换热室112的底部连通有底管118，底管118内设置有阀门，阀门打开时，换热室112内的浓海水通过底管118排出。

图3示出了副蒸发器130的具体结构，如图所示，副蒸发器130的大部分结构与上述中的主蒸发器110的结构相同，而不同之处在于，对应副蒸发器130的壳体115的底部设置有与冷凝器160连通的导流管131。此外，副蒸发器130的入口116与主蒸发器110的出口117连通，这样的好处在于，在主蒸发器110内的核蒸汽没有泄漏时，副蒸发器130内的换热管114用于输送来自主蒸发器110内的海水蒸气；在主蒸发器110内的核蒸汽出现泄漏（指的是泄漏到换热室112和排气室113内）时，副蒸发器130内的换热管114用于输送来自主蒸发器110内的核蒸汽，从而继续进行海水淡化作业（具体参考工作原理）。

由于换热管114的一端连通排气室113，为避免核蒸汽与海水蒸气在排气室113内接触，本发明的海水淡化装置还包括位于排气室113内的隔离罩140，隔离罩140连接有驱动机构，隔离罩140内部具有与排气室113隔离的独立空腔，独立空腔连通有废水管141；当副蒸发器130内的换热管114的内部存在核蒸汽时，驱动机构驱动隔离罩140向换热管114处运动，使独立空腔连通换热管114，换热管114内的核蒸汽通过废水管141排至外界。

具体来说，结合图2和图5所示，隔离罩140为开口朝向第二隔板120的碗状结构，当隔离罩140的开口端贴合第二隔板120的侧壁时，隔离罩140内部形成与换热管114连通的独立空腔。

实施时，隔离罩140的开口端向外部弯折，弯折后的开口端与第二隔板120侧壁的接触面积变大，提高密封效果，并且，对从动杆142的开口端采用橡胶条等柔性材料进一步密封，实现独立空腔与排气室113的隔离。

也就是说，主蒸发器110和副蒸发器130均采用换热管114来对海水进行隔离式换热，一方面避免了核蒸汽与海水的接触，减少污染，另一方面，当主蒸发器110内部的核蒸汽泄漏时，通过调整隔离罩140的位置，使泄漏的核蒸汽转入副蒸发器130内对海水进行淡化，无需停止运行，从而提高了海水淡化装置的应急作业能力。

图2示出了隔离罩140与废水管141的连接结构。如图所示，废水管141的一端穿入排气室113内，并向隔离罩140处弯折，隔离罩140对应废水管141弯折端的部位设置有连接口，废水管141的弯折端与连接口滑动连接。这样，当隔离罩140移动时，由于隔离罩140与废水管141之间滑动连接，因此废水管141不会阻止隔离罩140的移动。另外，废水管141的另一端设置有阀门，同时还连接有用于收集核蒸汽的设备。

不仅如此，图1还示出了喷淋机构的结构图。喷淋机构包括主管道150和与主管道150连通的支管道151，在图1所示的实施例中，支管道151的数量为两个，一个支管道151穿入主蒸发器110的换热室112内，另一个支管道151穿入副蒸发器130的换热室112内，且两个支管道151均位于换热管114的上方，同时，支管道151位于换热室112内的部位设置有朝向换热管114的喷嘴。这样，海水通过主管道150被输送至支管道151内，经支管道151底部的喷嘴喷向换热管114。此外，主管道150位于两个支管道151之间的部位设置有阀门。

图5示出了驱动机构的具体结构。如图所示，驱动机构包括与隔离罩140固定连接的从动杆142以及用于驱动从动杆142移动的气缸143，从动杆142的一端滑动贯穿壳体115，并与气缸143连接。具体的，从动杆142设置有多个，多个从动杆142围绕隔离罩140的中心环形阵列设置。从动杆142的一端与隔离罩140固定连接、另一端滑动贯穿壳体115。多个壳体115的一端共同固定连接有圆环，圆环与安装在壳体115侧壁的气缸143连接。

如图4所示，冷凝器160包括冷凝箱161以及设置在冷凝箱161内的换热片162和冷凝管163，换热片162以间隔地方式阵列设置有多个，冷凝管163的一端以连续“S”形的方式贯穿多个换热片162，一方面通过冷凝管163对多个换热片162进行固定，另一方面，冷凝管163的热量可传导至换热片162，以对海水蒸气进行冷凝。此外，冷凝管163的端部还贯穿冷凝箱161，用于与外界的供水系统连接，使供水系统将冷水输送至冷凝管163内。冷凝箱161的一侧与副蒸发器130的出口117连通、底部设置有排水管164。其中，上述中的导流管131与排水管164连通，具体可结合图1。

以下再详述本发明的工作原理：

本发明为海水淡化装置配备了用于检测核蒸汽泄漏的传感器（传感器的种类根据实际需要自行旋转）。以图5所示，传感器为压力传感器170。压力传感器170设置在对应主蒸发器110的入口116和废水管141处。工作时，关闭废水管141内的阀门，然后通过外界蒸汽输送管103向入口116内输送一定压力的核蒸汽，最后通过阀门将外界蒸汽输送管103关闭。当压力传感器170检测到压力数值降低时，则表示主蒸发器110内的核蒸汽存在泄漏，压力数值未降低则表示主蒸发器110内的核蒸汽未存在泄漏。接下来将对泄漏和未泄漏两种状态进行分别详述：

参考图6，当主蒸发器110内的核蒸汽存在泄漏时，通过驱动机构控制主蒸发器110内的隔离罩140脱离第二隔板120，控制副蒸发器130内的隔离罩140贴合第二隔板120。此时，主蒸发器110内的换热管114与排气室113连通，副蒸发器130内的换热管114与隔离罩140内的独立空腔连通。然后关闭主管道150内的阀门，使位于主蒸发器110内的支管道151不再喷淋海水。接着，外界蒸汽输送管103将核蒸汽输送至主蒸发器110的进气室111内，核蒸汽的流向参考黑色箭头，进气室111内的核蒸汽进入换热管114内，然后通过换热管114的端部排至排气室113内，然后进入副蒸发器130内的进气室111内，然后流入副蒸发器130内的换热管114内。此时，换热室112内的海水与换热管114接触蒸发形成海水蒸气，海水蒸气的流向参考白色虚线箭头，海水蒸气进入排气室113内，然后通过出口117排至冷凝器160内，经冷凝器160冷凝后排出。而副蒸发器130内的换热管114内的核蒸汽受到海水的低温变为核废水，换热管114内的核废水通过隔离罩140内的独立空腔排至废水管141内，然后由废水管141排出。

参考图7，当主蒸发器110内的核蒸汽未泄漏时，将隔离罩140控制为图7中所示的状态，接着，外界蒸汽输送管103将核蒸汽输送至主蒸发器110的进气室111内，核蒸汽的流向参考黑色箭头，核蒸汽进入换热管114内，被换热室112内的海水降温后变为核废水，然后通过废水管141排出；主蒸发器110内的海水接触换热管114蒸发形成海水蒸气，海水蒸气的流向参考白色虚线箭头，主蒸发器110内的海水蒸气流入副蒸发器130内的换热管114内，换热管114内的海水蒸气与副蒸发器130内的海水换热，使换热管114内的海水蒸气液化为冷凝水，副蒸发器130内的海水汽化成海水蒸气，冷凝水通过换热管114排至排气室113内，然后通过导流管131排出，海水蒸气通过副蒸发器130的出口117排至冷凝器160内，经冷凝器160冷凝后排出。

由此可见，核蒸汽未泄漏时，主蒸发器110和副蒸发器130均可进行海水淡化作业，并且，副蒸发器130内对海水加热的热能来自主蒸发器110内的海水蒸气，从而实现对主蒸发器110内海水蒸气热能的利用，提高海水淡化的效率。

此外，结合图1和图4所示，冷凝箱161内连通有真空泵101，真空泵101将冷凝箱161内的气体抽出，降低冷凝箱161内的压强，由于主蒸发器110、副蒸发器130和冷凝箱161之间处于连通状态，因此，主蒸发器110和副蒸发器130内的压强也会降低，而副蒸发器130比主蒸发器110靠近冷凝箱161，因此副蒸发器130内的压强低于主蒸发器110。这样一来，副蒸发器130内的压强降低会使海水的沸点降低，从而使主蒸发器110内的海水蒸气能够将副蒸发器130内的海水蒸发。此外，排水管164的一端连通有水泵102，水泵102可将冷凝箱161内部和导流管131内的冷凝水抽出。

本发明目的之二在于，提供了一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置的淡化方法，包括如下方法步骤：

S1、当主蒸发器110内的核蒸汽泄漏时，控制主蒸发器110内的隔离罩140脱离第二隔板120，副蒸发器130内的隔离罩140贴合第二隔板120，并关闭主蒸发器110内的支管道151；

S2、核蒸汽输送至主蒸发器110的进气室111内，流经进气室111内的换热管114，然后进入副蒸发器130内的换热管114内；

S3、核蒸汽通过副蒸发器130内的换热管114与海水换热，使海水蒸发为海水蒸气，核蒸汽冷凝为核废水；

S4、海水蒸气排至冷凝器160内，经冷凝器160冷凝后排出，副蒸发器130内的换热管114内的核废水通过隔离罩140内的独立空腔排至废水管141内，然后由废水管141排出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种核能利用多效蒸馏海水淡化装置，包括主蒸发器（110）、与主蒸发器（110）连通的副蒸发器（130）以及与副蒸发器（130）连通的冷凝器（160），其特征在于：所述主蒸发器（110）和副蒸发器（130）内部均设置有进气室（111）、换热室（112）、排气室（113）以及换热管（114），所述换热管（114）与进气室（111）和排气室（113）连通，所述换热室（112）和排气室（113）之间连通；还包括用于将海水喷淋至换热室（112）内的喷淋机构；

所述副蒸发器（130）的排气室（113）内连通有导流管（131），所述副蒸发器（130）内的换热管（114）用于输送来自主蒸发器（110）内的海水蒸气或核蒸汽；

所述排气室（113）内设置有隔离罩（140），所述隔离罩（140）连接有驱动机构，隔离罩（140）内部具有与排气室（113）隔离的独立空腔，独立空腔连通有废水管（141）；所述隔离罩（140）为开口朝向第二隔板（120）的碗状结构，当隔离罩（140）的开口端贴合第二隔板（120）的侧壁时，隔离罩（140）内部形成与换热管（114）连通的独立空腔；当副蒸发器（130）内的换热管（114）的内部存在核蒸汽时，驱动机构驱动隔离罩（140）向换热管（114）处运动，使独立空腔连通换热管（114），换热管（114）内的核蒸汽通过废水管（141）排至外界。

2.根据权利要求1所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述主蒸发器（110）和副蒸发器（130）均包括壳体（115），所述壳体（115）的内壁设置有第一隔板（119）和第二隔板（120），所述第一隔板（119）和第二隔板（120）共同将壳体（115）内部隔成进气室（111）、换热室（112）以及排气室（113）；

所述壳体（115）的一侧设置有入口（116）、另一侧设置有出口（117）；

所述换热室（112）的底部连通有用于将浓海水排出的底管（118）。

3.根据权利要求2所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述第二隔板（120）的侧壁设置有贯通的通口（121），所述换热室（112）和排气室（113）之间通过通口（121）连通。

4.根据权利要求1所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述废水管（141）的一端延伸至排气室（113），并滑动穿入隔离罩（140）内部；

所述废水管（141）的另一端设置有阀门。

5.根据权利要求1所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述喷淋机构包括穿入换热室（112）内的支管道（151），所述支管道（151）位于换热室（112）内的部位设置有朝向换热管（114）的喷嘴。

6.根据权利要求1所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述驱动机构包括与隔离罩（140）固定连接的从动杆（142）以及用于驱动从动杆（142）移动的气缸（143），所述从动杆（142）的一端滑动贯穿壳体（115），并与气缸（143）连接。

7.根据权利要求2所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝器（160）包括冷凝箱（161）以及设置在冷凝箱（161）内的换热片（162）和冷凝管（163），所述冷凝管（163）贯穿换热片（162）；

所述冷凝箱（161）的一侧与副蒸发器（130）的出口（117）连通、底部设置有排水管（164）。

8.根据权利要求1所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述冷凝器（160）连通有真空泵（101）和水泵（102），所述真空泵（101）将冷凝器（160）内的气体抽出，使副蒸发器（130）内的压强低于主蒸发器（110）；

所述水泵（102）用于将冷凝水抽出。

9.一种用于如权利要求4-8中任意一项所述的核能利用多效蒸馏海水淡化装置的淡化方法，其特征在于：包括如下方法步骤：

S1、当主蒸发器（110）内的核蒸汽泄漏时，控制主蒸发器（110）内的隔离罩（140）脱离第二隔板（120），副蒸发器（130）内的隔离罩（140）贴合第二隔板（120），并关闭主蒸发器（110）内的支管道（151）；

S2、核蒸汽输送至主蒸发器（110）的进气室（111）内，流经进气室（111）内的换热管（114），然后进入副蒸发器（130）内的换热管（114）内；

S3、核蒸汽通过副蒸发器（130）内的换热管（114）与海水换热，使海水蒸发为海水蒸气，核蒸汽冷凝为核废水；

S4、海水蒸气排至冷凝器（160）内，经冷凝器（160）冷凝后排出，副蒸发器（130）内的换热管（114）内的核废水通过隔离罩（140）内的独立空腔排至废水管（141）内，然后由废水管（141）排出。