专利名称：一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统和方法，属于能源与动力领域。
背景技术：
在水资源日趋紧缺的今天，开发利用海水资源，发展海水淡化技术，已成解决局部地区淡水紧张的途径之一。海水淡化技术经过多年的发展，其技术已经较为成熟。常见的海水淡化方法主要有1、多级闪蒸法。是指将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行 蒸发，将蒸汽冷凝得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家采用。多级闪蒸除了消耗加热蒸汽外，要消耗电能4 5kWh / m3淡水，用于海水循环和流体输送。因此降低单位电力消耗，提高传热效率是其主要的发展趋势。2、低温多效蒸馏法。将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。低温多效蒸馏淡化技术除了要消耗加热蒸汽外，要耗电能1. 8kWh / m3用于流体输送。因此该技术仍存在能耗高的不足。3、反渗透法。该法主要是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。但其操作压力和流量较高，直接得到的淡水味道不佳，还需要深加工。4、冷冻法。即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法难以克服的弊端在于会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而所得到的淡水并不多。此外，得到的淡水味道也不佳，难以使用。比较以上各种海水淡化技术，其中反渗透法和冷冻法得到的淡水却存在品质较差的不足，而蒸馏法和闪蒸法得到的淡水品质较高，但其能耗较高。分析蒸馏法或者闪蒸法的特点，可见蒸发海水中淡水并对其冷凝是保持淡水品质的一个关键，而蒸发潜热巨大且回收利用率低是导致其能耗高的关键。热泵循环的蒸发器和冷凝器存在大量负荷。如果能够利用热泵循环的工质冷凝器为热泵循环提供热量用于初始海水蒸发，并利用热泵循环的工质蒸发器回收利用蒸发淡水的潜热，则该系统可以得到高品质的淡水。蒸发器和冷凝器械均为双侧相变换热器，其换热系数高，可以选择结构紧凑的小温差换热器，系统的能耗也不高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于实现低温、低能耗的间歇式小温差热泵低温海水淡化系统和方法。一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统，其特征在于该系统由以下结构组成自然海水经过第一球形阀与初始海水储罐相连，初始海水储罐出口经过海水循环泵与工质冷凝器冷侧入口相连，工质冷凝器冷侧出口分为两路一路经过第二球形阀与初始海水储罐入口相连,另一路与气液分离器入口相连；气液分离器包括气相出口和液体相出口 液相出口通过第七球形阀与浓海水储罐入口相连，气相出口通过第四球形阀与工质冷凝器热侧入口相连。工质冷凝器热侧出口通过第六球形阀与淡水储罐入口相连，淡水储罐包括一个真空泵出口和两个物料出口三个出口 第一物料出口通过第八球形阀与外界环境相连，第二物料出口通过淡水循环泵，经过第五球形阀与工质蒸发器热侧入口相连；浓海水储罐包括一个真空泵出口和一个物料出口 物料出口通过第九球形阀与外界环境相连；淡水储罐的真空泵出口与浓海水储罐的真空泵出口同时通过第十球形阀与真空泵相连；淡水储罐 与浓海水储罐之间具有导热结构；压缩机出口经过油分离器与工质冷凝器热侧入口相连，工质冷凝器热侧出口依次与工质储罐、节流阀、干燥器和工质蒸发器冷侧入口相连，工质蒸发器冷侧出口与压缩机入口相连。所述的间歇式小温差热泵低温海水淡化系统的海水淡化方法，其特征在于包括以下过程
一、抽真空过程
关闭第一球形阀、第八球形阀和第九球形阀，打开其他球形阀；然后启动真空泵待其绝对压力不低于7. 4kPa，关闭第十球形阀、第一球形阀和第五球形阀(19)；
二、海水淡化过程
关闭第二球形阀，关闭第二球形阀、关闭第五球形阀和淡水循环泵，打开第一球形阀，在内外压力差驱动下，自然海水吸入初始海水储罐。然后关闭第一球形阀，初始海水储罐中海水通过循环泵进入工质蒸发器冷侧，自然海水在工质蒸发器中部分蒸发，并通过第三球形阀进入气液分离器，得到的浓海水通过第七球形阀进入浓海水储罐，得到的水蒸气通过第四球形阀进入工质蒸发器热侧，被冷凝后通过第六球形阀进入淡水储罐；
三、自然过冷海水预热过程
开启第一球形阀，自然过冷海水在系统内外压差作用下，进入自然过冷海水储罐，关闭第一球形阀；
关闭第四球形阀，打开第二球形阀，打开第五球形阀和第六球形阀，启动鲜海水循环泵和淡水循环泵，自然海水进入工质冷凝器冷侧吸收热量后，又通过海水循环泵进入初始海水储罐，海水温度不断提高；
淡水通过淡水循环泵和第五球形阀进入工质蒸发器热侧释放热量，然后通过第六球形阀进入淡水储罐，淡水储罐中淡水温度不断下降；浓海水储罐中的高温浓海水通过高导热界面向淡水储罐中淡水释放热量，温度不断下降；
四、热泵蒸发冷凝过程
有机工质经过压缩机升压升温后，再经过油分离器进入工质冷凝器热侧，加热自然海水促使其蒸发，同时自身被冷凝，进入工质储液罐，工质储液罐出口的有机工质经过节流阀后，温度降低，压力降低，然后再经过干燥器后进入工质蒸发器冷侧，吸收蒸汽冷凝潜热，有机工质被加热蒸发，从工质蒸发器冷侧出来的气相有机工质再进入压缩机升压后开始下轮热泵循环；上述自然海水预热过程和饱和海水淡化过程间隔分时运行，海水淡化过程持续到初始海水储罐中海水完全蒸发；自然海水预热过程持续到初始海水储罐中海水接近温度饱和；上述热泵蒸发冷凝过程持续运行。上述淡水储罐与浓海水储罐可以为融合式结构，所述换热结构即为设于淡水储罐与浓海水储罐之间的通过自然对流方式换热的高效导热材料界面。上述淡水储罐与浓海水储罐也可以为分体式结构，所述换热结构即为设于淡水储罐与浓海水储罐之间的通过强制对流方式实现换热的换热器。·由于自然海水过冷度较高，上述间歇式海水淡化子系统初次运行时，尽管可以借助热泵循环子系统，利用工质冷凝器负荷高于工质蒸发器负荷的特点，实现对自然海水的预热，但仍不足以将自然过冷海水预热至近饱和状态。上述间歇式小温差热泵低温海水淡化系统中，自然海水预热过程和饱和海水淡化过程间隔分时运行，自然海水预热过程持续到初始海水储罐中海水接近温度饱和，然后海水淡化过程开始，海水淡化过程持续到初始海水储罐中海水完全蒸发。从系统整体进出料特点来看，系统处于间歇运行状态。上述间歇式小温差热泵低温海水淡化系统中，且热泵循环子的工质冷凝器和工质蒸发器，分别作为海水淡化过程的海水蒸发器和淡水冷凝器，以上两换热器内均发生的是双侧相变换热，复合换热系数不低。因此制冷剂的蒸发冷凝温差小，可选择为3飞。C，热泵循环的能效比(COP )高达30-40。上述间歇式小温差热泵低温海水淡化系统中，其对自然海水采用两种预热方式，首次启动时，由于没有其他热源对过冷自然海水进行预热，可采用电加热或者其他方式预热至40°C (接近饱和);首次启动后，由于融合式淡水浓海水储罐中有温度约为40°C的淡水和浓水，相对于过冷度较高的自然海水，具有大量显热，可以借助COP高于I的热泵循环子系统，实现高温淡水和浓水对低温自然海水预热，并实现间歇式进出料。上述间歇式小温差热泵低温海水淡化系统中，由于海水淡化子系统采用真空操作，因此间歇式海水淡化子系统的进料控制方法简单，仅需要关闭第三球形阀，开启第一球形阀，在外界环境和初始储罐的压差作用下，自然海水即可吸入初始海水储罐中，直至达到要求的液面位置，然后关闭第一球形阀。不需要消耗外功即可实现自然进料。上述间歇式小温差热泵低温海水淡化系统中，由于海水淡化子系统采用真空操作，其出料方式与常压系统或者开式系统不同。在系统完成一个海水淡化过程后，需要关闭第六球形阀和第七球形阀，打开第十球形阀，直至淡水储罐和浓海水储罐中压力升至外界环境压力，然后打开第八球形阀和第九球形阀，在自然重力作用下实现出料。待出料完成后关闭第八球形阀和第九球形阀。
图1是间歇式小温差热泵海水淡化系统；
图中标号名称1、初始海水储罐，2、工质冷凝器，3、气液分离器4、工质蒸发器，5、淡水储罐6、浓水罐，7、真空泵，8、干燥器，9、节流阀，10、油分离器，11、工质储罐，12、压缩机，13、淡水循环泵，14、海水循环泵，15、第一球形阀，16、第二球形阀，17、第三球形阀，18、第四球形阀，19、第五球形阀，20、第六球形阀，21、第七球形阀，22、第八球形阀，23、第九球形阀，24、第十球形阀,25,导热界面。
具体实施例方式下面参照图1说明该热泵海水淡化系统运行过程。首次启动该系统时，需要进行抽真空操作。主要操作步骤如下关闭第一球形阀15、第八球形阀22和第九球形阀23，保持其他阀在开启状态，然后启动真空泵7，将整个闭式系统抽真空至饱和海水温度为40°C对应的真空度后，关闭第十球形阀24。在首次启动时，由于自然海水过冷度较高，因此在自然海水进入初始海水储罐前，需要利用电加热等方法将自然海水预热至约为40°C近饱和温 度，之后运行过程不再利用该方式进行预热。其次，打开第一球形阀15，自然海水借助内外压差进入初始海水储罐I。然后，关闭第二球形阀16和第五球形阀19，启动热泵系统，之后通过热泵循环子系统的工质蒸发器4和工质冷凝器2连续提供负荷，初始海水在工质冷凝器2中部分蒸发，淡水在工质蒸发器4中冷凝；待初始海水储罐I海水全部蒸发，打开第一球形阀15，给初始海水罐I中冲入过冷度自然海水后，关闭第一球形阀15。打开第二球形阀16和第五球形阀19，关闭第三阀17、第四球形阀18和第七球形阀21。之后，温度约为40°C保温温度的淡水和浓水借助采用融合式换热结构，通过热泵循环子系统，将待初始海水罐I中定过冷自然海水预热至接近饱和后，关闭第五球形阀19、第六球形阀20和第七球形阀21。打开第十球形阀24，待储液管系统升压至常压后，关闭第十球形阀24 ;最后，打开第八球形阀22和第九球形阀23，从淡水储罐5释放淡水和从浓海水储罐6浓海水后，关闭第八球形阀22和第九球形阀23。至此，该间歇式小温差热泵海水淡化系统实现一次进出料。关闭第一球形阀15、第八球形阀22和第九球形阀23，开启其他球形阀，启动真空泵7再次抽真空后，重复上述步骤。整个系统关闭过程如下首先，关闭热泵子系统；然后打开第二-7球形阀(16-21)和第十球形阀(24)，待海水淡化子系统内操作压力恢复至外界环境一致，关闭第十球形阀24，打开第一球形阀15、第八球形阀22和第九球形阀23。待系统所有液体全部排出后，最后关闭第一球形阀15、第八球形阀22和第九球形阀23。
权利要求
1.一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统，其特征在于该系统由以下结构组成 自然海水经过第一球形阀(15)与初始海水储罐(I)相连，初始海水储罐(I)出口经过海水循环泵(14)与工质冷凝器(2)冷侧入口相连，工质冷凝器(2)冷侧出口分为两路一路经过第二球形阀(16)与初始海水储罐(I)入口相连，另一路与气液分离器(3)入口相连；气液分离器(3)包括气相出口和液体相出口 液相出口通过第七球形阀(21)与浓海水储罐(6)入口相连，气相出口通过第四球形阀(18)与工质冷凝器(4)热侧入口相连；工质冷凝器热侧出口通过第六球形阀(20)与淡水储罐(5)入口相连，淡水储罐(5)包括一个真空泵出口和两个物料出口三个出口 第一物料出口通过第八球形阀与外界环境相连，第二物料出口通过淡水循环泵(13)，经过第五球形阀(19)与工质蒸发器(4)热侧入口相连； 浓海水储罐(6)包括一个真空泵出口和一个物料出口 物料出口通过第九球形阀(23)与外界环境相连； 淡水储罐(5)的真空泵出口与浓海水储罐(6)的真空泵出口同时通过第十球形阀(24)与真空泵(24)相连； 淡水储罐(5)与浓海水储罐(6)之间具有导热结构(25)； 压缩机(12)出口经过油分离器(10)与工质冷凝器(2)热侧入口相连，工质冷凝器(2)热侧出口依次与工质储罐(11)、节流阀(9)、干燥器(8)和工质蒸发器(4)冷侧入口相连，工质蒸发器(4 )冷侧出口与压缩机(12 )入口相连。
2.根据权利要求1所述的间歇式小温差热泵低温海水淡化系统，其特征在于上述淡水储罐(5)与浓海水储罐(6)为融合式结构，所述换热结构即为设于淡水储罐(5)与浓海水储罐(6 )之间的通过自然对流方式换热的高效导热材料界面(25 )。
3.根据权利要求1所述的间歇式小温差热泵低温海水淡化系统，其特征在于上述淡水储罐(5)与浓海水储罐(6)为分体式结构，所述换热结构即为设于淡水储罐(5)与浓海水储罐(6)之间的通过强制对流方式实现换热的换热器。
4.根据权利要求1所述的间歇式小温差热泵低温海水淡化系统的海水淡化方法，其特征在于包括以下过程 一、抽真空过程 关闭第一球形阀(15)、第八球形阀(22)和第九球形阀(23)，打开其他球形阀；然后启动真空泵(7)待其绝对压力不低于7. 4kPa，关闭第十球形阀(24)、第一球形阀(15)和第五球形阀(19)； 二、海水淡化过程 关闭第二球形阀(16)，关闭第二球形阀(16)、关闭第五球形阀(19)和淡水循环泵(13)，打开第一球形阀(15)，在内外压力差驱动下，自然海水吸入初始海水储罐(I);然后关闭第一球形阀(15)，初始海水储罐(I)中海水通过循环泵(14)进入工质蒸发器(I)冷侧，自然海水在工质蒸发器(I)中部分蒸发，并通过第三球形阀(17 )进入气液分离器(3 )，得到的浓海水通过第七球形阀(21)进入浓海水储罐(6)，得到的水蒸气通过第四球形阀(18)进入工质蒸发器(4 )热侧，被冷凝后通过第六球形阀(20 )进入淡水储罐(5 ); 三、自然过冷海水预热过程 开启第一球形阀(15)，自然过冷海水在系统内外压差作用下，进入自然过冷海水储罐(1)，关闭第一球形阀(15)；关闭第四球形阀(18)，打开第二球形阀(16)，打开第五球形阀(19)和第六球形阀(20)，启动鲜海水循环泵(14)和淡水循环泵(13)，自然海水进入工质冷凝器(2)冷侧吸收热量后，又通过海水循环泵(14)进入初始海水储罐(I )，海水温度不断提高； 淡水通过淡水循环泵(13)和第五球形阀(19)进入工质蒸发器(4)热侧释放热量，然后通过第六球形阀(20)进入淡水储罐(5)，淡水储罐(5)中淡水温度不断下降；浓海水储罐(6)中的高温浓海水通过高导热界面(25)向淡水储罐(5)中淡水释放热量，温度不断下降； 四、热泵蒸发冷凝过程 有机工质经过压缩机(12)升压升温后，再经过油分离器(10)进入工质冷凝器(2)热侦牝加热自然海水促使其蒸发，同时自身被冷凝，进入工质储液罐(11)，工质储液罐(11)出口的有机工质经过节流阀(9)后，温度降低，压力降低，然后再经过干燥器(8)后进入工质蒸发器(4)冷侧，吸收蒸汽冷凝潜热，有机工质被加热蒸发，从工质蒸发器(4)冷侧出来的气相有机工质再进入压缩机(12)升压后开始下轮热泵循环； 上述自然海水预热过程和饱和海水淡化过程间隔分时运行，海水淡化过程持续到初始海水储罐(I)中海水完全蒸发；自然海水预热过程持续到初始海水储罐(I)中海水接近温度饱和；上述热泵蒸发冷凝过程持续运行。
全文摘要
一种间歇式小温差热泵低温海水淡化系统和方法，属于能源与动力领域。该系统启动前需要采用真空泵(7)将海水淡化系统抽真空。该系统海水淡化过程的特点在于，热泵循环的工质蒸发器(4)和工质冷凝器(2)，分别为海水蒸发和蒸汽冷凝提供高换热系数的双侧相变换热条件，COP达30-40。该系统海水淡化过程与自然海水预热过程间隔进行，自然过冷海水预热的特点在于借助淡水储罐(5)和浓海水储罐(6)间的高导热界面(25)，将高温淡水和高温浓海水的显热传递给热泵循环的工质蒸发器(4)。借助热泵循环的工质冷凝器(2)预热淡水储罐(1)中的自然过冷淡水。通过热泵循环，利用高温海水淡化产物实现对自然过冷海水的预热。
文档编号C02F103/08GK102992422SQ201210424389
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者韩东, 彭涛, 刘晗月 申请人:南京紫晶藤节能科技有限公司