本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种两级加湿热泵海水淡化装置。
背景技术：
中国是一个海洋大国，利用海水淡化技术制取淡水是解决我国严重缺乏淡水资源问题的最现实选择。目前海水淡化的传统方法主要是蒸馏法(包括多级闪蒸、多效蒸发、压气蒸馏等)和反渗透法，但这些方法存在投资大、运行费用高、维护困难等缺点，阻碍了它们的进一步发展。
相对于传统的海水淡化方法而言，增湿除湿海水淡化方法是目前公认的比较有发展潜力的一种热处理海水淡化方法，其具有投资成本低、结构简单、常压工作、结垢倾向小、汽化温和等优点。但从目前的研究现状来看，一般的增湿除湿海水淡化装置仅与太阳能耦合来进行“免费”的加热加湿，其太阳能不稳定性等因素仍然限制了此类装置连续高效的生产；常规的热泵增湿除湿海水淡化技术则多以蒸发冷凝形式为主，但增加了冷凝器结垢的速率，从而导致加热加湿效率的持续下降。因此以热泵作为基础冷、热源，以高效加湿器作为空气的加热增湿介质，可实现结构简单、热量回收利用率高、操作模式灵活的海水淡化过程。
中国专利CN103043735A公开了一种热泵式小型海水淡化装置，包括压缩机、冷凝器、主蒸发器、喷气抽气器和射水抽气器等，该装置主要利用热泵冷凝器来完成海水的蒸发，形成的水蒸气则在主蒸发器表面凝结产生淡水。虽然该装置利用射水抽气器来维持蒸发腔的真空度以提高海水的蒸发效率，但直接接触式喷淋蒸发仍不可避免会带来较为严重的结垢，同时仍然面临着提高蒸发温度和降低冷凝温度的矛盾，能量梯度利用率较差。中国专利CN105439232A公开了一种带梯级预热的热泵式海水淡化装置及其控制方法，包括蒸发式冷凝器、翅片蒸发器、滚动转子压缩机、轴流风机、初级预热器和次级预热器等部件，虽然该装置设置有两级预热器，但初级预热器内的淡水温度较低，其冷凝潜热主要被蒸发器吸收，因此和海水原料的换热驱动力较小。同时，该系统还包括了一套压力平衡系统，而且蒸发式冷凝器的结垢问题较为严重，系统结构复杂、部件较多、对稳定运行的操作较为严格，不适合用于小型海水淡化装置。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种两级加湿热泵海水淡化装置，提高系统的热量回收利用率，增加系统的产水率，简化设备规模，降低设备结垢倾向，并能应用于不同的场合。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何改进增湿除湿海水淡化方法，提高系统的热量回收利用率，增加系统的产水率，简化设备规模，降低设备结垢倾向，并能应用于不同的场合。
为实现上述目的，本发明提供了一种两级加湿热泵海水淡化装置，包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、辅助换热器、热海水循环泵、冷却海水循环泵、冷却海水三通调节阀、一级海水喷淋器、一级加湿器、一级浓海水采集器、二级海水喷淋器、二级加湿器、二级浓海水采集器、一级预冷器、一级淡水采集器、二级预冷器、二级淡水采集器、三级淡水采集器、分流三通、合流三通和离心风机；其中，所述压缩机的排气出口与所述冷凝器的入口连接，所述节流阀的入口与所述冷凝器的出口连接，所述蒸发器的入口与所述节流阀的出口连接，所述压缩机的吸气入口与所述蒸发器的出口连接，所述三级淡水采集器被设置于所述蒸发器正下方，形成一个热泵循环；所述冷凝器的海水入口与所述热海水循环泵出口连接，所述冷凝器的海水出口与所述辅助换热器入口连接，所述辅助换热器出口连接到所述一级海水喷淋器的入口，所述一级海水喷淋器被均匀地布置于所述一级加湿器的正上方，所述一级浓海水采集器被设置于所述一级加湿器的正下方，所述一级浓海水采集器上游出口与所述热海水循环泵入口连接，形成一个热海水循环；所述冷却海水循环泵入口与大海相连，所述冷却海水三通调节阀入口与所述冷却海水循环泵出口连接，所述一级预冷器入口与所述冷却海水三通调节阀右侧出口连接，所述一级淡水采集器被设置于一级预冷器正下方，所述二级预冷器入口与所述冷却海水三通调节阀上侧出口连接，所述二级淡水采集器被设置于二级预冷器正下方，所述分流三通下侧入口与所述一级预冷器出口连接，所述分流三通右侧出口与所述一级浓海水采集器入口连接，所述分流三通左侧出口与所述合流三通右侧入口连接，所述合流三通下侧入口与所述二级预冷器出口连接，所述二级海水喷淋器入口与所述合流三通出口连接，所述二级海水喷淋器布置于所述二级加湿器正上方，所述二级浓海水采集器被设置于所述二级加湿器正下方，形成一个冷却海水循环；所述一级加湿器、所述一级预冷器、所述二级预冷器、所述蒸发器、所述离心风机与所述二级加湿器相连，形成一个循环风道。
进一步地，还包括进风三通调节阀和出风三通调节阀，所述二级加湿器出风口通过所述进风三通调节阀与所述一级加湿器进风口连接，所述离心风机出风口通过所述出风三通调节阀与所述二级加湿器进风口连接，所述进风三通调节阀、出风三通调节阀可根据环境温湿度自由调节循环风量。
进一步地，还包括单向阀，所述单向阀被设置于所述分流三通左侧出口与所述合流三通右侧入口之间，仅允许海水从所述分流三通出口流入所述合流三通入口。
进一步地，还包括设置于所述一级浓海水采集器内的浮球阀，所述浮球阀被设置为可在所述一级浓海水采集器液位达到设定高度时关闭所述分流三通右侧出口的补水，使预热海水可通过所述分流三通左侧出口全部进入所述二级海水喷淋器。
进一步地，还包括设置于所述一级浓海水采集器下游出口处的一级浓海水排放阀，所述一级浓海水排放阀被设置为定时排放。
进一步地，所述冷却海水三通调节阀被设置为可自由调节进入所述一级预冷器与所述二级预冷器的海水流量。
进一步地，所述一级加湿器和所述二级加湿器被设置为采用填料结构的蒸发器，其填料型式为蜂窝填料纸或多面空心填料球；加湿器也可以是其他形式的加湿装置。
进一步地，所述冷却海水循环泵被设置为三档可调循环泵，可根据不同需求调节冷却海水流量。
进一步地，所述一级加湿器和所述二级加湿器沿风道两侧尺寸被设置为超出所述一级海水喷淋器和所述二级海水喷淋器。
进一步地，所述冷凝器为内螺纹套管式换热器，所述辅助换热器为板式换热器，可灵活地接入不同形式的辅助热源，所述一级预冷器、所述二级预冷器和所述蒸发器均为翅片管式换热器。
在本发明的较佳实施方式中，两级加湿热泵海水淡化装置的一级浓海水排放阀定时排放的时间间隔设置为30min；一级加湿器、二级加湿器沿风道两侧尺寸被设置为多出一级海水喷淋器、二级海水喷淋器10mm；预冷器和蒸发器的翅片间距被设置为3.0mm，一级预冷器与一级加湿器之间设置30mm的缓冲区，设备管道布置于该缓冲区；一级预冷器的管排数被设置于2排以内，海水流量被设置于100kg/h以内。该装置包括有辅助热源和无辅助热源运行模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种两级加湿热泵海水淡化装置，利用两级加湿器完成对循环空气的加热增湿，利用两级预冷器和热泵蒸发器完成对循环空气中湿分的冷凝以析出淡水，利用对冷凝潜热的回收再利用完成对系统的补水及循环空气的预加热增湿，提高了系统的热量回收利用率，增加了系统的产水率。
本发明利用热泵技术作为基础冷、热源，利用冷海水作为该系统的辅助冷源，同时又耦合不同形式的辅助热源。海水经过冷凝器升温后，在存在辅助热源的前提下可进一步完成对海水的加热升温，产生的热海水经喷淋器均匀喷淋至加湿器上，循环空气流过一级加湿器加热增湿变成高温高湿空气。利用一级预冷器、二级预冷器以及蒸发器完成对湿空气中湿分的冷凝并析出淡水，一级预冷器预热后的热海水一部分作为补充海水维持热海水环路保持在较高温度，另一部分则通过单向阀流入合流三通与经二级预冷器预热后流入合流三通的热海水混合，共同流入二级海水喷淋器。因此，完成了对系统全部冷凝潜热的回收再利用，提高了系统热回收效率，较高程度上实现了能量的阶梯利用，降低了系统常规电能的消耗。同时，以上热质传递过程均在常压下进行，简化了设备规模，降低了设备的结垢倾向，较好的实现了热泵技术与两级增湿除湿海水淡化技术的有机结合。
利用以上装置，可实现有辅助热源和无辅助热源运行模式的切换。当外界辅助热源可稳定持续提供高于40℃热海水且淡水需求较小时，即可进入有辅助热源(无热泵)运行模式：循环热海水的热源完全依靠外界辅助热源，通过一级预冷器与二级预冷器完成淡水的析出，同时以回收的冷凝潜热分别作为补充海水以及二级加湿器的热源。当对淡水需求较多时，即可进入热泵耦合辅助热源联合运行模式，进一步提高系统的产水量。当外界辅助热源不能稳定工作时，可进入无辅助热源(有热泵)运行模式：冷凝器则作为唯一热源，在保证蒸发端与冷凝端热量平衡的前提下开启一级预冷器以提供补充海水和二级加湿器的热海水。上述两种运行模式在保证稳定产水量的前提下可为不同的应用场合提供可选性，本发明的两级加湿热泵海水淡化装置热回收效率高，便于在太阳资源丰富、有“废热”的场合使用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的两级加湿热泵海水淡化装置的结构示意图。
其中，1-压缩机，2-节流阀，3-冷凝器，4-单向阀，5-二级浓海水采集器，6-二级海水喷淋器，7-二级加湿器，8-辅助换热器，9-热海水循环泵，10-进风三通调节阀，11-一级海水喷淋器，12-一级加湿器，13-一级浓海水排放阀，14-一级浓海水采集器，15-浮球阀，16-分流三通，17-一级预冷器，18-一级淡水采集器，19-合流三通，20-二级预冷器，21-二级淡水采集器，22-冷却海水三通调节阀，23-冷却海水循环泵，24-三级淡水采集器，25-蒸发器，26-离心风机，27-出风三通调节阀。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种两级加湿热泵海水淡化装置，包括压缩机1、节流阀2、冷凝器3、单向阀4、二级浓海水采集器5、二级海水喷淋器6、二级加湿器7、辅助换热器8、热海水循环泵9、进风三通调节阀10、一级海水喷淋器11、一级加湿器12、一级浓海水排放阀13、一级浓海水采集器14、浮球阀15、分流三通16、一级预冷器17、一级淡水采集器18、合流三通19、二级预冷器20、二级淡水采集器21、冷却海水三通调节阀22、冷却海水循环泵23、三级淡水采集器24、蒸发器25、离心风机26、出风三通调节阀27。
其中，压缩机1的排气出口与冷凝器3的入口连接，节流阀2的入口与冷凝器3的出口连接，蒸发器25的入口与节流阀2的出口连接，蒸发器25的出口与压缩机1的吸气入口连接，三级淡水采集器24被设置于蒸发器25的正下方，形成一个完整的热泵循环。
冷凝器3的海水入口与热海水循环泵9的出口连接，辅助换热器8的入口与冷凝器3的出口连接，一级海水喷淋器11的入口与辅助换热器8的出口连接，辅助换热器8位于一级加湿器12的正上方，一级浓海水采集器14被设置于一级加湿器12的正下方，一级浓海水采集器14的上游出口与热海水循环泵9的入口连接，一级浓海水采集器14的下游出口与一级浓海水排放阀13的入口连接，形成一个完整的热海水循环。
分流三通16包括下侧入口、左侧和右侧出口，合流三通19包括下侧和右侧入口、上侧出口；冷却海水循环泵23的入口与大海连接，冷却海水三通调节阀22的入口与冷却海水循环泵23的出口连接，二级预冷器20的入口与冷却海水三通调节阀22的上侧出口连接，二级淡水采集器21被设置于二级预冷器20的正下方，一级预冷器17的入口与冷却海水三通调节阀22的右侧出口连接，一级淡水采集器18被设置于一级预冷器17的正下方，合流三通19的下侧入口与二级预冷器20的出口连接，分流三通16的下侧入口与一级预冷器17的出口连接，浮球阀15的入口与分流三通16的右侧出口连接，单向阀4入口与分流三通16左侧出口连接，合流三通19右侧入口与单向阀4出口连接，二级海水喷淋器6入口与合流三通19的出口连接，二级海水喷淋器6布置于二级加湿器7的正上方，二级浓海水采集器5被设置于二级加湿器7正下方，形成一个冷却海水循环。
一级加湿器12、一级预冷器17、二级预冷器20、蒸发器25、离心风机26与二级加湿器7相连，二级加湿器7的出风口通过进风三通调节阀10与一级加湿器12进风口连接，离心机26的出风口通过出风三通调节阀27与二级加湿器7的进风口连接，形成一个可调循环风道。
本实施例中，冷凝器3选用内螺纹套管式换热器，辅助换热器8选用高效板式换热器，可灵活的接入不同形式的辅助热源。一级加湿器12和二级加湿器7被设置为具有蒸发比表面积大、汽化温和的加湿器，可选用纸质蜂窝填料或多面空心球结构，实现对空气的加热增湿。一级加湿器12、二级加湿器7沿风道方向两侧尺寸比一级海水喷淋器11、二级海水喷淋器6多出10mm。一级预冷器17、二级预冷器20和蒸发器25均为翅片管式换热器，翅片间距为3.0mm，一级预冷器17与一级加湿器12之间保留30mm作为缓冲区，设备管道布置于该缓冲区内。一级预冷器17的管排数设置为2排以内，海水流量设置为100kg/h以内。浮球阀15设置在一级浓海水采集器14内，可在一级浓海水采集器14液位达到一定高度时关闭分流三通16右侧出口的补水，使预热海水可通过分流三通16左侧出口全部进入二级海水喷淋器6。单向阀设置在分流三通16左侧出口与合流三通19右侧入口之间，仅允许海水从分流三通16出口流入合流三通19入口。一级浓海水排放阀13设置成定时排放，时间间隔为30min。进风三通调节阀10、出风三通调节阀27可根据环境温湿度自由调节循环风量。冷却海水循环泵23选用三档可调循环泵，可根据不同需求调节冷却海水的流量，且冷却海水三通调节阀22可自由调节进入一级预冷器17与二级预冷器20的海水流量。
本实施例的两级加湿热泵海水淡化装置制取淡水的步骤如下：
冷却海水经一级预冷器17和二级预冷器20预热后经二级海水喷淋器6均匀喷淋至二级加湿器7上，从蒸发器25出来的低温饱和湿空气在离心风机26的驱动下流过二级加湿器7完成对低温饱和湿空气的第一次加热增湿；热海水依次流经冷凝器3、辅助换热器8加热升温后经一级海水喷淋器11被均匀喷淋在一级加湿器12的上方，经过二级加湿器7初步加热增湿后的湿空气流过一级加湿器12形成高温饱和湿空气。
一级预冷器17作为第一个与经过一级加湿器12加热增湿后的高温饱和湿空气接触的预冷器，其与高温饱和湿空气较高的温差作为传热传质的驱动力，实现对高温饱和湿空气的第一次冷凝并析出淡水，同时回收的冷凝潜热又可以将冷却海水的温度加热至尽可能高，预热后的海水分为两部分：一部分作为补充海水流至一级浓海水采集器14以避免热海水温度出现下降，另外一部分则通过单向阀4打入合流三通19。
二级预冷器20仍以冷海水作为冷却水，继续完成对经第一次预冷后的湿空气的第二次冷凝并析出淡水，同时回收冷凝潜热。被二级预冷器20预热后的海水经合流三通19与经从单向阀4打入来自于一级预冷器17的另一部分海水混合作为二级加湿器7的喷淋水。
蒸发器25以制冷剂为冷却工质，完成对经二级预冷器20第二次冷凝后湿空气的第三次冷凝并析出淡水，同时吸收的冷凝潜热则作为热泵的热源。
本实施例的两级加湿热泵海水淡化装置可实现有辅助热源和无辅助热源运行模式的切换，其工作原理分别如下：
当外界辅助热源可稳定持续提供高于40℃热海水时，本实施例中的海水淡化装置进入有辅助热源模式：启动时，冷却海水循环泵23、冷海水三通调节阀22以及离心风机26被设置为延时5min启动，冷却海水循环泵23流量被设置为大流量3档，同时热泵机组被设置为停机状态。冷海水由热海水循环泵9经冷凝器3进入辅助换热器8完成对冷海水的加热升温，被加热的海水由一级海水喷淋器11均匀喷淋至一级加湿器12上，尚未蒸发的海水由于仍保持较高的温度则被设置于正下方的一级浓海水采集器14收集，然后经上游出口由热海水循环泵9重新打入辅助换热器8进行再次加热。当热海水循环温度达到稳定时，即可开启冷海水循环泵23、冷海水三通调节阀22以及离心风机26，并调节进风三通调节阀10与出风三通调节阀27使循环空气进入闭式循环。循环风道中的低温干空气在离心风机26的驱动下流过一级加湿器12加热增湿变成高温饱和湿空气。利用一级预冷器17完成对高温饱和湿空气的第一次冷凝并析出淡水，被预热之后的冷却海水其中一部分作为补充海水经浮球阀15流入一级浓海水采集器14。与此同时经第一次冷凝后的湿空气则继续流经二级预冷器20完成第二次冷凝并析出淡水，被二级预冷器20预热之后的海水则与被一级预冷器17预热之后另外一部分经单向阀4流入合流三通19的预热海水混合并流入二级海水喷淋器6。经二次冷凝后的低温饱和湿空气此时作为回风，流经二级加湿器7完成初次加热增湿，尚未蒸发的海水则由二级浓海水采集器5直接排放，初次加热增湿后的湿空气被再次送至一级加湿器12的入口进行加热增湿，以此往复循环。当淡水需求较大时，即可同时开启热泵机组，热海水在进入辅助换热器8之前先由冷凝器3对海水完成第一阶段的升温，这样再经过辅助换热器8之后可达到更高温度，在湿空气完成第二次冷凝后，继续流过蒸发器25完成第三次冷凝并析出淡水。
当外界无法保证稳定热源时，本实施例中的海水淡化装置进入无辅助热源运行模式：启动时，冷海水循环泵23、冷却海水三通调节阀22、离心风机26与热泵机组被设置为同时启动，冷却海水三通调节阀22被设置为仅开启右侧出口的状态，冷却海水循环泵23被设置为小流量1档，调节进风三通调节阀10与出风三通调节阀27使循环空气进入闭式循环。冷海水由热海水循环泵9打入冷凝器3完成对冷海水的加热升温，热海水由一级海水喷淋器11均匀喷淋至一级加湿器12上，尚未蒸发的海水由于仍保持较高的温度则被设置于正下方的一级浓海水采集器14收集，然后重新由热海水循环泵9打入冷凝器3进行再次加热。循环风道中的低温干空气在离心风机26的驱动下流过一级加湿器12加热增湿变成高温饱和湿空气。利用一级预冷器17完成对高温饱和湿空气的第一次冷凝并析出淡水，被预热之后的冷却海水其中一部分作为补充海水经浮球阀15流入一级浓海水采集器14，另外一部分则经单向阀4与合流三通19最终流入二级海水喷淋器6，经第一次冷凝后的湿空气则继续流经蒸发器25完成第二次冷凝并析出淡水。经二次冷凝后的低温饱和湿空气此时作为回风，流经二级加湿器7初次加热增湿，尚未蒸发的海水则被二级浓海水采集器5直接排放，初次加热增湿后的湿空气则被再次送至一级加湿器12的入口进行加热增湿，以此往复循环。
利用以上装置，可实现有辅助热源和无辅助热源运行模式的切换。当外界辅助热源可稳定持续提供高于40℃热海水且淡水需求较小时，即可进入有辅助热源(无热泵)运行模式：循环热海水的热源完全依靠外界辅助热源，通过一级预冷器17与二级预冷器20完成淡水的析出，同时以回收的冷凝潜热分别作为补充海水以及二级加湿器7的热源。当对淡水需求较多时，即可进入热泵耦合辅助热源联合运行模式，进一步提高系统的产水量。当外界辅助热源不能稳定工作时，可进入无辅助热源(有热泵)运行模式：冷凝器3则作为唯一热源，在保证蒸发端与冷凝端热量平衡的前提下开启一级预冷器17以提供补充海水和二级加湿器7的热海水。上述两种运行模式在保证稳定产水量的前提下可为不同的应用场合提供可选性，本实施例的两级加湿热泵海水淡化装置热回收效率高，便于在太阳资源丰富、有“废热”的场合使用。
通过上述两级加湿热泵海水淡化装置，实现了热泵技术、增湿除湿技术以及余热回收技术的有机结合。以冷海水作为冷却介质的一级预冷器17、二级预冷器20和以制冷工质作为冷却介质的蒸发器25完成了对湿空气的冷凝并析出淡水，同时一级预冷器17回收冷凝潜热以保证较高的预热海水出口温度，一部分作为补充海水经浮球阀15流入一级浓海水采集器14，另外一部分则和回收冷凝潜热之后二级预冷器20的预热海水混合，同样可在一定程度上提高二级预冷器20预热海水的出口温度从而提高二级加湿器7的加热增湿效果。因此，系统热回收效率的提高可以进一步降低系统的能耗。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。