专利名称：一种逆流闭式多级海水淡化系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种海水淡化系统及方法，特别是关于一种逆流闭式海水淡化系统及方法。
背景技术：
目前海水淡化的主要方法包括热分离法、膜法和化学方法等，其中热分离法对温度的要求较高；膜法是通过加压使得水分子通过半透膜来获取淡水，该方法对压力要求较高；化学方法则是利用离子交换或形成水合物等方式来分离出海水中的淡水，但电耗较高。 同样，利用空气与海水的热质交换过程及湿空气的冷凝过程析出淡水也是一种淡化海水的方法。在该方法中，一方面，空气与水(或盐溶液)直接接触时，由于温度不同会导致热量的传递，由于水蒸气分压力的不同会导致水分的传递，直至温度和水蒸气都达到平衡。另一方面，当空气降温达到饱和状态后继续被降温时，空气中的水蒸气就会发生相变，水蒸气凝结变为液态水析出。由于空气与水(或盐溶液)之间存在上述两方面的传递特点，就可以利用空气来实现水分的“搬运”——利用空气与水(或盐溶液)的直接接触来带走水分，再利用湿空气中的水蒸气凝结来得到水分。由于海水可以看作是具有较低浓度的盐溶液，也就可以利用空气与海水的直接接触和湿空气的冷凝来将海水中的水分“搬运”出来，即可以实现海水的淡化。利用空气“搬运”水分来进行海水淡化的装置已有出现，比如专利号为 ZL94216279. X的中国专利公开了一种低温海水淡化装置，其是利用被加热的空气与海水接触来使空气中水分含量增加，再将加湿后的空气冷凝来获得淡水。该装置对空气加热而不是对海水加热，会使空气与海水直接接触的热质交换过程受到限制，不能达到最优的热质交换效果。专利号为ZL200610111779.X的中国专利公开了一种温差式海水淡化器，其是根据不同温度下空气中饱和水蒸气分压力的不同设计出利用空气在高温环境下从海水中获得水分并在低温下析出纯水的装置。该装置的局限在于空气与海水直接接触的雾化室接触面积有限，空气与海水的热质交换过程无法充分进行。专利号为ZL200310107193. 2的中国专利公开了一种喷淋热交换式海水淡化机，其是利用热泵冷凝器加热海水，空气通过与高温海水接触后水分含量增加，湿空气再与热泵蒸发器侧接触析出淡水。这一装置的局限在于空气是开式循环，析出水分后的低温饱和空气未被利用。专利号为ZL200620078403. 9的中国专利公开了一种闭式太阳能或低温热源海水淡化装置(如图4所示)，空气与经过加热后的海水在喷淋装置中进行热质交换，被加湿后的空气进入冷凝装置析出淡水，空气为闭式循环。该装置中空气与高温海水喷淋过程中的接触形式为叉流流型，限制了空气与海水热质交换的效果。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种淡水回收效率高，能够在较大程度上实现空气与海水热质交换及换热过程的匹配的逆流闭式海水淡化系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于它包括换热管逐级串联的多级换热器，第一级所述换热器换热管的进口通过一海水泵连接海水进水管，最后一级所述换热器换热管连接一海水加热装置；所述海水加热装置通过管路连接一喷淋塔内顶部设置的若干喷淋头，所述喷淋塔内设置有多段填料形成连通的多级喷淋塔，各段所述填料上方的蒸发空间分别连接一蒸气管，每一所述蒸气管的另一端分别连接一相应的所述换热器的筒体顶部；每一级所述换热器的筒体底部分别通过管路并联连接一淡水收集管，每一级所述换热器的筒体底部还分别穿设一通气管，每一级所述通气管的进气端均高于该级筒体底部，且后一级所述换热器底部的所述通气管分别连通上一级所述换热器的筒体顶部，第一级换热器底部的通气管通过一回气管连接最后一级喷淋塔下部，所述最后一级喷淋塔的底部连接一喷淋海水排出管。在所述喷淋海水排出管与海水进水管之间设置一调节阀。所述海水加热装置为一太阳能集热装置。所述海水加热装置为热泵循环系统。所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述最后一级所述换热器换热管出水口与第一级喷淋塔进水口之间的管路上，所述热泵循环系统的蒸发器，通过一节流阀设置在所述喷淋海水的排出管上，所述蒸发器至冷凝器之间的管路上设置有一压缩机，所述冷凝器至蒸发器之间的管路上设置有一膨胀阀。所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述最后一级所述换热器换热管出水口与第一级喷淋塔进水口之间的管路上，所述热泵循环系统的蒸发器设置在所述回气管上，且所述蒸发器底部通过一管路连接所述淡水收集管；所述蒸发器至冷凝器之间的管路上设置有一压缩机，所述冷凝器至蒸发器之间的管路上设置有一膨胀阀。一种采用上述装置的逆流闭式海水淡化方法，其特征在于设置多级海水与空气直接接触进行热质交换的喷淋塔和多级海水与空气不直接接触的换热器，高温海水与低温空气在喷淋塔内逆流进行热量和质量传递，空气经过热质交换温度、含湿量都升高后，再进入换热器中与海水进行逆流换热，空气中部分水蒸气凝结析出，得到淡水，换热后的空气重新进入喷淋塔，完成空气的闭式循环过程，海水流出换热器后，再被加热装置加热后进入喷淋塔喷淋。从所述喷淋塔流出的海水部分重新流入换热器，继续参与海水的循环淡化过程。利用太阳能作为海水加热装置。利用热泵循环系统的冷凝器加热海水，利用热泵循环系统的蒸发器冷却从喷淋塔流出的海水，或从换热器流出的低温饱和空气。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明空气与海水在喷淋塔和换热器中均采用逆流方式进行热质交换和换热，同时空气在系统中采用闭式循环过程，因此可以实现更优的热量、质量传递效果。2、由于本发明在循环过程中巧妙地设置多级喷淋塔和换热器，通过改变不同级换热器或喷淋塔中的空气流量来尽可能实现湿空气与海水之间的热容量匹配，比如当某级喷淋塔或换热器中的湿空气温度较高时，其等效比热容较大，空气的流量即可相应较小；当某级喷淋塔或换热器中的湿空气温度较低时，其等效比热容较小，空气的流量即可相应较大。3、由于本发明的这种多级且逐级改变空气流量的空气-海水喷淋塔和换热器的设置，能够尽可能实现空气与海水热质交换过程和换热过程的热容量匹配，因此本发明达到了较优的传热传质效果，有效地提高了海水淡化的产水量及
产水效率。
图1是本发明实施例1的结构示意2是本发明实施例2的结构示意3是本发明实施例3的结构示意4是已有技术结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明的设计原理体现在首先设置了多级独立的空气-海水喷淋塔(以下简称喷淋塔)和多级空气-海水换热器(以下简称换热器)，利用海水与空气在喷淋塔内的逆流热质交换过程及在换热器内的逆流换热过程来制备淡水。其次考虑到如果海水从喷淋塔入口喷出时温度较高(如80°C)，到换热器入口时温度较低(如20°C)，即水温变化较大，那么空气的温度变化范围也较大；而当空气温度变化较大时，海水的比热容变化不大，而湿热空气的等效比热容却会发生较大的变化，温度高时湿热空气的等效比热容较大，温度低时湿热空气的等效比热容较小；本发明利用循环过程中喷淋塔和换热器中的海水流量基本不变，而在不同级喷淋塔和换热器中空气流量却不同的原理，尽可能地实现空气与海水在热质交换过程及换热过程的热容量匹配，以获得更好的空气与海水热质交换或换热效果，进而提高海水淡化的效率。下面仅以设置有三级换热器和三级喷淋塔的系统为例加以说明， 而在实际的多级海水淡化系统中，换热器和喷淋塔的级数是可以有所变化的。实施例1 如图1所示，本实施例包括第一级换热器1、第二级换热器2和第三级换热器3，以及第一级喷淋塔4、第二级喷淋塔5和第三级喷淋塔6。三级换热器1、2、3的换热管串联， 第一级换热器1的换热管入口连接一海水进水管7，海水进水管7上设置有一海水泵8 ；第三级换热器3的换热管出口通过管路连接一太阳能集热装置9，太阳能集热装置9的出口通过管路连通第一级喷淋塔4内顶部设置的若干喷淋头10。三级喷淋塔4、5、6连通，每一级喷淋塔内设置有一段填料11，三段填料11上方分别留有蒸发空间，每一蒸发空间连接一蒸气管12。三级喷淋塔4、5、6的三根蒸气管12的另一端分别连接与其相应排列位置的换热器3、2、1的筒体顶部。三级换热器1、2、3的筒体底部分别通过一管路并联连接一淡水收集管13，淡水收集管13连接淡水收集容器(图中未示出)。三级换热器1、2、3的筒体底部分别穿设有一通气管，每一通气管的进气端分别凸出于该级筒体底部一定高度，以便仅有气体能够进入，淡化水不能进入。第三、第二级换热器3、2底部的通气管分别连通下一级换热器2、1的筒体顶部，第一级换热器1底部的通气管通过一回气管14连接第三级喷淋塔6下部，第三级喷淋塔6的底部连接一喷淋海水排出管15。上述实施例中，由于进入本发明系统中的海水需要进行一些前期处理，为了节省前期处理的成本，可以将一部分流出喷淋海水排出管15的海水通过一调节阀16再送回到海水进水管7内继续参与淡化提取的循环过程，具体进入系统循环的海水量可以根据需要进行调节。另外，本发明的填料选用常见的规整型填料，填料可以被从喷淋头10喷出的高温海水润湿，有效增加低温饱和空气与高温海水的传热传质面积。本实施例工作时，通过海水泵8进入海水进水管7的低温海水，经串联连接的三级换热器1、2、3的换热管向上流动进入太阳能集热装置9，同时与进入各级换热器1、2、3筒体内向下运动的湿热空气进行逆流换热；进入太阳能集热装置9的海水被加热成为高温海水，通过第一级喷淋塔4内顶部设置的各喷淋头10喷出，依次经过三级喷淋塔4、5、6，从第三级喷淋塔6底部的喷淋海排出管15流出，同时高温海水与从三级喷淋塔6、5、4下部向上流动的低温饱和空气进行逆流传热传质交换；热蒸气通过各蒸气管12进入相应的换热器 3、2、1的筒体内，与换热管中的海水换热后凝结成淡水，通过环路进入淡水收集管13后流入淡水收集容器中。而第三、二级换热器3、2中没有凝结成水的蒸气则通过通气管依次进入下一集换热器2、1，最后从第一级换热器1的底部流入回气管14回到第三级喷淋塔6中， 继续在系统中进行封闭循环。从喷淋海水排出管15流出的喷淋海水中的一部分可以通过调节阀16回到海水进水管7继续在系统中循环。实施例2 如图2所示，本实施例与实施例1的基本设置相同，其不同之处在于海水加热装置不同，其设置了一套常规的热泵循环系统20以取代太阳能加热系统9。该热泵循环系统 20包括设置在第三级换热器3换热管出水口、与第一级喷淋塔4进水口之间管路上的一冷凝器21，设置在喷淋海水排出管15上的一蒸发器22，在蒸发器21至冷凝器23之间的管路上设置有一压缩机22，在冷凝器21至蒸发器22之间的管路上设置有一膨胀阀M。本实施例工作时，两个逆流换热过程与实施例1相同，其不同之处在于从第三级换热器3换热管出水口流出的海水是进入冷凝器21，通过冷凝器21内的制冷工质放热进行加热，然后进入第一级喷淋器4的喷淋头10 ；同时，从第三级喷淋器6流出的喷淋水通过一节流阀(图中未示出)一部分经由管路直接排出，另一部分海水则流过蒸发器22，通过蒸发器22内的制冷工质吸热进行冷却后，通过喷淋海水排出管15、调节阀16再进入海水进水管 7参加系统循环。实施例3 如图3所示，本实施例与实施例2基本相同，也设置了一套常规的热泵循环系统 20，其与实施例2不同之处在于蒸发器22不是设置在喷淋海水排出管15上，而是设置在第一级换热器1底部与第三级喷淋塔6下部之间的回气管14上，且在蒸发器22底部通过管路并联至淡水收集管13。本实施例工作时，与实施例2的不同仅在于蒸发器22吸收的是从第一级换热器1 进入第三级喷淋塔6内的低温湿热空气中的热量。由上述三个实施例可以看出实施例1是利用太阳能作为海水加热装置，其比较适合于太阳能供应充足的场合。而实施例2、3则是利用常规的热泵循环系统中的冷凝器作为海水加热装置，其比较适合于太阳能供应不够充足，而有工业余热可以利用的场合，从而为本发明的实施提供了多种可能的方式，当然本发明不排除还有其它可以实施的方式，这些方式的提出不应排除在本发明的保护范围之外。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于它包括换热管逐级串联的多级换热器， 第一级所述换热器换热管的进口通过一海水泵连接海水进水管，最后一级所述换热器换热管连接一海水加热装置；所述海水加热装置通过管路连接一喷淋塔内顶部设置的若干喷淋头，所述喷淋塔内设置有多段填料形成连通的多级喷淋塔，各段所述填料上方的蒸发空间分别连接一蒸气管，每一所述蒸气管的另一端分别连接一相应的所述换热器的筒体顶部； 每一级所述换热器的筒体底部分别通过管路并联连接一淡水收集管，每一级所述换热器的筒体底部还分别穿设一通气管，每一级所述通气管的进气端均高于该级筒体底部，且后一级所述换热器底部的所述通气管分别连通上一级所述换热器的筒体顶部，第一级换热器底部的通气管通过一回气管连接最后一级喷淋塔下部，所述最后一级喷淋塔的底部连接一喷淋海水排出管。
2.如权利要求1所述的一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于在所述喷淋海水排出管与海水进水管之间设置一调节阀。
3.如权利要求1或2所述的一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于所述海水加热装置为一太阳能集热装置。
4.如权利要求1或2所述的一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于所述海水加热装置为热泵循环系统。
5.如权利要求4所述的一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述最后一级所述换热器换热管出水口与第一级喷淋塔进水口之间的管路上，所述热泵循环系统的蒸发器，通过一节流阀设置在所述喷淋海水的排出管上，所述蒸发器至冷凝器之间的管路上设置有一压缩机，所述冷凝器至蒸发器之间的管路上设置有一膨胀阀。
6.如权利要求4所述的一种逆流闭式海水淡化系统，其特征在于所述热泵循环系统的冷凝器设置在所述最后一级所述换热器换热管出水口与第一级喷淋塔进水口之间的管路上，所述热泵循环系统的蒸发器设置在所述回气管上，且所述蒸发器底部通过一管路连接所述淡水收集管；所述蒸发器至冷凝器之间的管路上设置有一压缩机，所述冷凝器至蒸发器之间的管路上设置有一膨胀阀。
7.采用如权利要求1 6所述任一种装置的一种逆流闭式海水淡化方法，其特征在于 设置多级海水与空气直接接触进行热质交换的喷淋塔和多级海水与空气不直接接触的换热器，高温海水与低温空气在喷淋塔内逆流进行热量和质量传递，空气经过热质交换温度、 含湿量都升高后，再进入换热器中与海水进行逆流换热，空气中部分水蒸气凝结析出，得到淡水，换热后的空气重新进入喷淋塔，完成空气的闭式循环过程，海水流出换热器后，再被加热装置加热后进入喷淋塔喷淋。
8.如权利要求7所述的一种逆流闭式海水淡化方法，其特征在于从所述喷淋塔流出的海水部分重新流入换热器，继续参与海水的循环淡化过程。
9.如权利要求7或8所述的一种逆流闭式多级海水淡化方法，其特征在于利用太阳能作为海水加热装置。
10.如权利要求7或8所述的一种逆流闭式多级海水淡化方法，其特征在于利用热泵循环系统的冷凝器加热海水，利用热泵循环系统的蒸发器冷却从喷淋塔流出的海水，或从换热器流出的低温饱和空气。
全文摘要
本发明涉及一种逆流闭式多级海水淡化系统及方法，其特征在于它包括换热管逐级串联的多级换热器，第一级换热器换热管的进口通过一海水泵连接海水进水管，最后一级换热器换热管连接一海水加热装置；海水加热装置通过连接一喷淋塔内顶部设置的若干喷淋头，喷淋塔内设置有多段填料形成连通的多级喷淋塔，各段填料上方的蒸发空间分别通过一蒸气管的另一端连接相应的换热器的筒体顶部；每一级换热器的筒体底部分别通过管路并联连接一淡水收集管，每一级换热器的筒体底部还分别穿设一通气管，后一级换热器底部的通气管分别连通前一级换热器的筒体顶部，第一级换热器底部的通气管通过一回气管连接最后一级喷淋塔下部，最后一级喷淋塔的底部连接一喷淋海水排出管。本发明有效地提高了海水淡化的产水量及产水效率。
文档编号C02F1/12GK102205993SQ201110066208
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者刘晓华, 张涛, 江亿, 魏庆芃 申请人:清华大学