利用异质沉降结晶成核方式的冷冻海水淡化装置系统的制作方法

本发明专利涉及冷冻海水淡化领域，尤其涉及一种利用微粒沉降方式的冰晶成核冷冻海水淡化装置系统。

背景技术：

淡水资源短缺使得海水冷冻淡化成为制备淡水的重要途径。冰是单矿岩，不能和其他物质共处，所以水在结晶过程中，会自动排除杂质，以保持其纯净，冷冻法海水淡化正是利用这一原理。冰晶经过洗涤、分离、融化后即得到淡水。冻结海水时，盐分被排除在冰晶以外，冰晶形成时间越长，盐分就越少，这是由于海水冻结的过程中会使一些盐分以盐胞的方式夹杂在冰晶之间，冰层中的“盐胞”是海水冷冻法的成冰盐度较高的直接原因。因此，如何抑制冰晶生长过程中“盐胞”的形成，是实现海水冷冻结晶脱盐的一项关键问题。

成核是指气相(或液相)介质中的某些组分一定机制作用下转变为固相(或液相)的过程，实现介质从气相(或液相)向固相(或液相)的质量迁移。同质成核(或自身成核)的发生是由于过饱和体系中分子团吸附气体分子而使得自身尺度超过临界成核尺度；异质成核是由外部因素诱导形成，在体系的某些区域择优、不均匀地形成晶核。异质形核一般是发生在容器、管道等表面或者悬浮杂质的表面。在溶液实际结晶过程中，多数异质成核发生时，过冷度明显比同质成核预测值小。溶液接触的冷壁面或微小粒子等，在一定程度上为冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用。成核发生过程，晶核体积与面积的比值将增加，晶核固相与液相界面将部分被晶核与异质界面代替。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在海水冷冻法成冰盐度较高的问题，提出了一种利用异质沉降结晶成核方式的冷冻海水淡化装置系统，不仅能够有效抑制冰晶生长过程中“盐胞”的形成，而且进一步促进海水中冰晶的生长，实现海水冷冻结晶脱盐。

本发明的技术方案是：一种利用异质沉降结晶成核方式的冷冻海水淡化装置系统，包括制冷机构，制冷机构包括节流阀、辅助冷凝器、主冷凝器和压缩机，压缩机、主冷凝器、辅助冷凝器和节流阀依次连接，节流阀与海水冷冻结晶冰水分离装置连通，其中，还包括微粒储存器、海水冷冻结晶冰水分离装置、废海水微粒分离器和淡水微粒分离器；

所述海水冷冻结晶冰水分离装置包括两个制冷剂流动换热壳、冰晶传送带和冰晶刮刀，制冷剂流动换热壳的内部设有凹槽，两制冷剂流动换热壳沿其轴线方向对称设置，冰晶传送带位于两制冷剂流动换热壳之间，且沿制冷剂流动换热壳的轴向设置，制冷剂流动换热壳内设有沿换热壳的轴线方向设置的冰晶刮刀，冰晶刮刀固定在冰晶刮刀旋转轴上，冰晶刮刀旋转轴的两端分别设置在制冷剂流动换热壳上，两制冷剂流动换热壳内的冰晶刮刀的转动方向相反，均向冰晶传送带方向转动；

所述制冷剂流动换热壳的外侧边顶部设有数个沿轴向间隔设置的微粒添加口，制冷剂流动换热壳上还设有海水入口、冰晶排出口、制冷剂排出口、废海水排出口Ⅱ和制冷剂入口，制冷剂入口与节流阀的出口连通；

废海水排出口Ⅱ与废海水微粒分离器的入口连通，废海水微粒分离器上设有废海水排出口Ⅰ和颗粒出口，颗粒出口与颗粒储存器的入口连通；

冰晶排出口与主冷凝器的冰晶入口连通，主冷凝器的液体出口与淡水微粒分离器的入口连通，淡水微粒分离器上设有淡水排出口和颗粒出口，淡水微粒分离器的颗粒出口与颗粒储存器的入口连通；

所述颗粒储存器的出口与海水冷冻结晶冰水分离装置的颗粒添加口连通；

所述制冷剂排出口与压缩机的进气口连通。

所述制冷剂流动换热壳沿其轴向呈倾斜设置，其外侧边高于内侧边。目的是便于将冰晶刮至传送带上。

所述制冷剂流动换热壳呈圆弧形，制冷剂流动换热壳内的凹槽为弧形槽。

所述颗粒可以采用微米级铜颗粒、微米级金颗粒或者微米级银颗粒。

本发明的有益效果是：

(1)采用独特的冷冻海水淡化装置，不仅能使微粒与海水充分混合沉降结晶，而且完成冰晶与废海水的有效分离：海水与微粒注入海水冷冻结晶冰水分离装置中，通过与外壳中制冷剂换热结晶，利用冰晶刮刀旋转把冰晶推至传送带，使得冰晶与废海水分离。

(2)装置中异质沉降成核冷冻海水结晶方式的应用，不仅能够有效抑制冰晶生长过程中“盐胞”的形成，而且进一步促进海水中冰晶的生长，实现海水冷冻结晶脱盐。

(3)整体循环系统连续制冰，增加淡水产量。通过水路循环与制冷循环，以及微粒分离与供给装置的组合，使得整体循环装置能够连续生成淡水。

附图说明

图1是本发明的连接结构示意图；

图2是海水冷冻结晶冰水分离装置的主视图；

图3是海水冷冻结晶冰水分离装置的左视图；

图4是海水冷冻结晶冰水分离装置的俯视图；

图5是图4的A-A向剖视图。

图中：1微粒储存器；2海水入口；3废海水排出口Ⅰ；4废海水微粒分离器；5海水冷冻结晶冰水分离装置；6节流阀；7辅助冷凝器；8主冷凝器；9压缩机；10淡水微粒分离器；11淡水排出口；12冰晶排出口；13制冷剂排出口；15微粒添加口；16冰晶刮刀旋转轴；17冰晶传送带；18制冷剂流动换热壳；19废海水排出口Ⅱ；20制冷剂入口；21冰晶刮刀；22微粒；23带有微粒的冰晶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，利用异质沉降结晶成核方式的冷冻海水淡化装置系统包括微粒储存器1、海水冷冻结晶冰水分离装置5、废海水微粒分离器4、淡水微粒分离器10和制冷机构。制冷机构包括节流阀6、辅助冷凝器7、主冷凝器8和压缩机9，压缩机9、主冷凝器8、辅助冷凝器7和节流阀6依次连接，节流阀6与海水冷冻结晶冰水分离装置5连通，形成制冷循环，通过制冷剂换热为海水冷冻结晶冰水分离装置5中的海水结晶提供冷量。

如图2至图5所示，海水冷冻结晶冰水分离装置5包括两个制冷剂流动换热壳18、冰晶传送带17和冰晶刮刀21。本实施例中，制冷剂流动换热壳18呈半圆柱形，其内部设有半圆形凹槽，两制冷剂流动换热壳18沿其轴线方向对称设置。冰晶传送带17位于两制冷剂流动换热壳18之间，且沿制冷剂流动换热壳18的轴向设置。制冷剂流动换热壳18沿其轴向呈倾斜设置，其外侧边高于内侧边，目的是便于将冰晶刮至传送带17上。制冷剂流动换热壳18内设有沿换热壳的轴线方向设置的冰晶刮刀21，冰晶刮刀21固定在冰晶刮刀旋转轴16上，冰晶刮刀旋转轴16的两端分别设置在制冷剂流动换热壳18上。两冰晶刮刀21的转动方向相反，均向冰晶传送带17方向转动。冰晶刮刀旋转轴16旋转，带动冰晶刮刀21旋转，通过冰晶冰刀21刮取冰晶23，使得冰晶23移至冰晶传送带17。当冰晶刮刀21将带有微粒的冰晶23刮至传送带17的过程中，可以不断地向制冷剂流动换热壳18内通入颗粒和海水，当冰晶刮刀21将冰晶挂送至传送带17上后并且继续转动的过程中，颗粒和海水在低温作用下结晶，当冰晶刮刀21再次转动至制冷剂流动换热壳18的底部时，则可继续将结晶后形成的冰晶刮至输送带上。

制冷剂流动换热壳18的外侧边顶部设有多个微粒添加口15，微粒添加口15沿换热壳的轴向间隔设置，微粒22通过微粒添加口15进入制冷剂流动换热壳18内。同时制冷剂流动换热壳18上还设有海水入口2、冰晶排出口12、制冷剂排出口13、废海水排出口Ⅱ19和制冷剂入口20。海水通过海水入口2进入制冷剂流动换热壳18内，制冷剂入口20与节流阀6的出口连通，制冷剂通过制冷剂入口20进入制冷剂流动换热壳18内，制冷结束后，制冷剂通过制冷剂排出口13排出。海水和颗粒22在制冷剂流动换热壳18内混合，同时在制冷剂的降温作用下，通过异质沉降成核方式进行结晶，在冰晶生长过程中，针状冰晶谷底盐浓度高于海水主体浓度，盐分的传质效率较低，使得谷底不易结晶，利用微粒沉降至冰晶谷底排出高浓度盐水，并通过微粒表面为冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用，不仅能够有效抑制冰晶生长过程中“盐胞”的形成，而且进一步促进海水中冰晶的生长，实现了海水冷冻结晶脱盐方式。结晶过程结束后，带有颗粒的冰晶23通过冰晶排出口12排出，剩余的海水通过废海水排出口19排出。

海水冷冻结晶冰水分离装置5的废海水排出口Ⅱ19与废海水微粒分离器4的入口连通，废海水微粒分离器4上设有废海水排出口Ⅰ3和颗粒出口，颗粒出口与颗粒储存器1的入口连通，经废海水微粒分离器4分离后得到的海水通过废海水排出口Ⅰ3排出，颗粒则直接进入颗粒储存器1内。

海水冷冻结晶冰水分离装置5的冰晶排出口12与主冷凝器8的冰晶入口连通，主冷凝器8的液体出口与淡水微粒分离器10的入口连通，淡水微粒分离器10上设有淡水排出口11和颗粒出口，淡水微粒分离器10的颗粒出口与颗粒储存器1的入口连通。带有颗粒的冰晶23沿冰晶排出口12流出，进入主冷凝器8内，主冷凝器8的工作过程中会放热，带有颗粒的冰晶23吸热融化，并和颗粒一起从主冷凝器8流出，并进入淡水颗粒分离器10内，经淡水颗粒分离器10分离后的淡水沿淡水排出口11排出，颗粒则进入颗粒储存器1内。

本发明中，颗粒储存器1的出口与海水冷冻结晶冰水分离装置5的颗粒添加口15连通，从而实现了颗粒在整个系统中的循环使用。本发明中的颗粒为微米级、可沉降、可分离、可异质成核的颗粒，一般可以采用微米级铜颗粒、微米级金颗粒或者微米级银颗粒等。

制冷剂流动换热壳18的制冷剂排出口13与压缩机9的进气口连通，从而实现了制冷剂在该系统内的循环使用。

本发明的工作过程如下所述：将颗粒16和海水注入制冷剂流动换热壳18内，在制冷机构的制冷作用下通过异质沉降成核方式进行结晶，在冰晶的生长过程中，利用微粒沉降至冰晶谷底排出高浓度盐水，并通过微粒表面为冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用，不仅能够有效抑制冰晶生长过程中“盐胞”的形成，而且进一步促进海水中冰晶的生长，实现了海水冷冻结晶脱盐方式。结晶过程结束后，带有颗粒的冰晶23通过冰晶排出口12排出，经过主冷凝器9的加热和淡水微粒分离器10的分离，回收淡水，剩余的颗粒回收至微粒储存器1内；剩余的海水和颗粒通过废海水排出口Ⅱ19排出，经废海水微粒分离器4分离后，废海水被排出，剩余的颗粒回收至微粒储存器1内；剩余的制冷剂则被输送至压缩机9内，继续参与循环制冷。