一种利用温度差驱动的海水淡化装置及其复合系统的制作方法

本实用新型涉及反渗透海水淡化技术领域，具体涉及一种利用温度差驱动的海水淡化装置及其复合系统。

背景技术：

反渗透海水淡化是目前海水淡化的主流技术之一，传统的反渗透海水淡化是通过高压水泵提升进水压力(约5.8～6.8MPa)以克服水的渗透压，反渗透膜排出的浓盐水余压高达5.5～6.5MPa，再通过能量回收装置对浓盐水所具有的余压能量进行回收，把能量回收变成进水能量，降低反渗透海水淡化的能耗，这样的海水淡化过程需要消耗大量的电能，在电力匮乏且电量供应不足的欠发达地区，限制了反渗透海水淡化的应用。

在世界上的有些地区，电力供应不足，但由于气候炎热，具备低温热源。由于低温热源发电效率低，通过低温热源进行发电，再通过电泵进行反渗透海水淡化就非常不经济。

技术实现要素：

本实用新型针对具有低温热源的国家或地区进行低成本海水反渗透淡化的问题，提供了一种利用温度差驱动的海水淡化装置及其复合系统，充分利用低温热源，解决海水反渗透淡化项目中能耗成本高的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一方面，本实用新型提供了一种利用温度差驱动的海水淡化装置，所述装置包括反渗透膜系统、第一压力保持系统和驱动系统，所述驱动系统包括相连通的第一相变缸和第一驱动缸，所述第一相变缸中设有相变工质和用于调节所述相变工质发生相变的温度调节系统；所述第一驱动缸上设有第一海水进口和第一海水出口，其缸体内设有驱动活塞，所述第一海水进口与海水原水连通，所述第一海水出口和所述第一压力保持系统分别与所述反渗透膜系统的进水口相连接；

所述温度调节系统通过调节所述第一相变缸内温度使所述相变工质发生相变，所述相变工质驱动所述驱动活塞运动，所述驱动活塞驱动进入所述第一驱动缸中的海水原水增压后由所述第一海水出口进入所述反渗透膜系统进行海水淡化。

优选地，所述装置中还设有能量回收系统，所述能量回收系统包括相连通的第二相变缸和第二驱动缸，所述第二相变缸中设有一浓盐水缸，位于所述浓盐水缸外周位置的所述第二相变缸内设有相变工质，所述相变工质中设有用于使所述相变工质发生相变的所述温度调节系统；

所述浓盐水缸中设有第一活塞，所述第二驱动缸中设有第二活塞，所述第一活塞与所述第二活塞通过活塞连杆固定连接；

所述浓盐水缸上设有浓盐水进口和浓盐水出口，所述第二驱动缸上设有第二海水进口和第二海水出口；

所述反渗透膜系统中设有浓盐水排放口和淡水出口，所述浓盐水缸上的所述浓盐水进口与所述反渗透膜系统中的浓盐水排放口相连接，所述第二海水出口与所述反渗透膜系统的进水口相连接。

经海水反渗透膜系统淡化后的带有余压的浓盐水进入所述浓盐水缸中，并驱动所述第一活塞运动，通过所述第一活塞带动所述第二活塞运动，所述第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，把淡化前的海水原水初步加压，再通过所述温度调节系统调节所述第二相变缸中相变工质的温度，使所述相变工质发生相变并驱动所述第二活塞运动，所述第二活塞驱动进入所述第二驱动缸中的海水原水增压后由所述第二海水出口排出并进入所述反渗透膜系统进行淡化处理。

所述温度调节系统包括加热系统和冷却系统，所述相变工质的液-气相变温度低于所述浓盐水缸中的浓盐水温度及所述加热系统的加热温度，所述相变工质的气-液相变温度高于所述冷却系统的冷却温度。

所述浓盐水缸的腔壁由导热良好的材料制成，或者可以在浓盐水缸第一活塞的行程之外设热管，用于浓盐水与相变工质之间的快速热交换。

进一步优选地，所述第二驱动缸上还设有与其连通的第二压力保持系统，所述第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，并对通过所述第二海水进口进入所述第二驱动缸中的海水原水进行初步加压，通过所述第二压力保持系统调整容积并保持所述第二驱动缸内的初步加压压力。

所述的第一压力保持系统和第二压力保持系统分别各自包括压力腔、位于所述压力腔中的第三活塞和弹性势能调整机构，所述第二压力保持系统的压力腔与所述第二驱动缸保持连通，所述第一压力保持系统的压力腔与所述反渗透膜系统保持连通；所述弹性势能调整机构与所述第三活塞形成联动。

所述弹性势能调整机构可以是固定在所述压力腔末端的弹簧、水柱或满足具体工作要求的压缩气体。

另一方面，本实用新型还提供了一种利用温度差驱动的海水淡化复合系统，其与反渗透膜系统连接，所述复合系统还包括控制装置及多个所述的能量回收系统，各所述能量回收系统中的所述浓盐水进口和浓盐水出口处分别设有一控制阀，各所述浓盐水进口分别与一浓盐水进水管连接，所述浓盐水进水管与所述反渗透膜系统中的浓盐水排放口连接；各所述浓盐水出口分别与一无压浓盐水排水管连接，所述控制装置分别与各所述控制阀和温度调节系统电性连接；各所述第二驱动缸中的第二海水进口和第二海水出口处分别设有单向控制阀，各所述第二海水进口分别与一进水管路连接，各所述第二海水出口通过排水管路与所述反渗透膜系统连接。

各所述能量回收系统中的其一所述能量回收系统中的所述第二相变缸与另一所述能量回收系统中的所述第二驱动缸通过连接管路形成串联。

各所述浓盐水缸的高压端位置和/或各所述第二驱动缸中的高压端位置分别设有一用于检测所述第一活塞和第二活塞位置的位置传感器，各所述位置传感器与所述控制装置电性连接。

所述浓盐水出口可以与所述冷却系统连接，被吸收热量后的浓盐水可以用作所述冷却系统的冷能来源。

所述复合系统中还设有多个驱动系统，各所述驱动系统按多级并联设置，通过多级吸热驱动，使得加热系统中所蕴含的热能或冷却系统中所吸收的热能可以被充分地吸收、转化和利用；各所述驱动系统中的所述第一海水出口分别与一进水总管连接，所述进水总管的一端与所述反渗透膜系统连接，其另一端与所述第一压力保持系统连接，所述的排水管路与所述进水总管连接。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

A.本实用新型通过温度差驱动泵进水，并对海水输送和加压，由第一压力保持系统保持反渗透膜系统压力的相对稳定，通过反渗透膜系统进行海水淡化，由于本实用新型中的温度调节系统可以采用自然界及人类生产生活过程中的中低温热源热流体或冷流体，解决了海水反渗透淡化中能耗成本高的问题。

B.本实用新型还在装置中加入了能量回收系统，所提供的能量回收系统装置是利用温度差驱动和余压驱动相结合，回收海水反渗透膜系统淡化后的具有余压的高压浓盐水中的能量，相变工质通过吸收浓盐水中的热能，同时还吸收一部分活塞运动过程中因摩擦而产生的热能，通过吸收热能，将所吸收的热能转化为推动活塞运动的动能，大大降低了回收损耗，从而达到高效能量回收的目的，在其吸收并转化的有用功大于运行损耗功的情况下，其能量回收效率在理论上可以达到100％以上。

C.本实用新型为了提升复合系统的吸热效果，保证相变工质的吸热时间，使相变工质充分吸热浓盐水中的热量，通过将其中一个能量回收系统中的相变驱动升压作用于另外一个结合温度差驱动的海水淡化能量回收系统的第二驱动缸中，从而使复合系统的行程时间比直接作用在自身第二驱动缸进行升压的驱动过程稍微滞后，通过多个能量回收系统的组合，合理调整相变过程所作用的能量回收系统，使相变驱动吸热更充分，把相变驱动升压的时间与余压驱动的时间相统筹，使其作用时间紧密衔接，升压的作用时间更加迅速，提升了复合系统的工作效率，通过利用热能势能的转换，完成海水淡化过程。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的图。

图1是本实用新型所提供的利用温度差驱动进行海水淡化的装置结构示意图；

图2是在图1基础上增加能量回收系统的结构示意图；

图3是本实用新型所提供海水淡化复合系统的结构示意图。

图中标识如下：

1-反渗透膜系统

11-浓盐水排放口，12-淡水出口

2-第一压力保持系统；

3-驱动系统，

31-第一相变缸

32-第一驱动缸

321-第一海水进口，322-第一海水出口，323-驱动活塞

4-相变工质

5-温度调节系统

51-加热系统，52-冷却系统

6-能量回收系统

61-第二相变缸，62-第二驱动缸，

621-第二海水进口，622-第二海水出口

63-浓盐水缸，

631-浓盐水进口，632-浓盐水出口

64-第一活塞，65-第二活塞，66-活塞连杆

7-第二压力保持系统

A1-压力腔，A2-第三活塞，A3-弹性势能调整机构

8-控制阀；9-浓盐水进水管；10-无压浓盐水排水管；20-单向控制阀

30-进水管路；40-排水管路；50-进水总管；60-连接管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种利用温度差驱动的海水淡化装置，包括反渗透膜系统1、第一压力保持系统2和驱动系统3，驱动系统3包括相连通的第一相变缸31和第一驱动缸32，第一相变缸31中设有相变工质4和用于调节相变工质4发生相变的温度调节系统5，同时，在第一驱动缸32上设有第一海水进口321和第一海水出口322，其缸体内设有驱动活塞323，第一海水进口321与海水原水连通，由第一海水进口321可以泵入至第一驱动缸32中，第一海水出口322和第一压力保持系统2分别与反渗透膜系统1的进水口相连接。温度调节系统5通过调节第一相变缸31内温度使相变工质4发生液-气相变，相变工质由于容积增大而驱使相变工质4驱动驱动活塞323运动，驱动活塞323驱动进入第一驱动缸32中的海水原水增压后由第一海水出口322进入反渗透膜系统1进行海水淡化；温度调节系统降低相变工质的温度，使气态的相变工质变为液态，从而使驱动活塞回落，然后再在第一驱动缸中泵入海水原水，再进行加压泵出。通过温度调节系统调节相变工质的温度实现对海水原水的加压淡化过程，大大降低了对海水原水的淡化处理成本。

如图2所示，为了实现浓盐水所含余压及所含热能的充分利用与转化，本实用新型中还在淡化装置中设置了能量回收系统，能量回收系统6包括相连通的第二相变缸61和第二驱动缸62，第二相变缸61中设有一浓盐水缸63，位于浓盐水缸63外周位置的第二相变缸61内设有相变工质4，相变工质4中设有用于使相变工质4发生相变的温度调节系统5；在浓盐水缸63中设有第一活塞64，在第二驱动缸62中设有第二活塞65，第一活塞64与第二活塞65通过活塞连杆66固定连接，从而实现第一活塞64与第二活塞65的联动；在浓盐水缸63上设有浓盐水进口631和浓盐水出口632，第二驱动缸62上设有第二海水进口621和第二海水出口622，同时在反渗透膜系统1中设有浓盐水排放口11和淡水出口12，浓盐水缸63上的浓盐水进口631与浓盐水排放口11相连接，第二海水出口622与反渗透膜系统1的进水口相连接。其中第二相变缸61中的相变工质与第一相变缸31中的相变工质可以采用同一种工质，也可以采用不同的工质。

经海水反渗透膜系统1淡化后的带有余压的浓盐水进入浓盐水缸63中，并驱动第一活塞64运动，通过第一活塞64带动第二活塞65运动，第二活塞65把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，把淡化前的海水原水初步加压，再通过温度调节系统5调节第二相变缸61中相变工质的温度，使相变工质发生相变并驱动第二活塞65运动，第二活塞65驱动进入第二驱动缸62中的海水原水增压后由第二海水出口622排出并进入反渗透膜系统1进行淡化处理。

其中的温度调节系统5包括加热系统51和冷却系统52，相变工质4的液-气相变温度低于浓盐水缸63中的浓盐水温度及加热系统51的加热温度，相变工质4的气-液相变温度高于冷却系统52的冷却温度。本实用新型中的加热系统可以采用自然界及人类生产生活过程中的中低温热源热流体，也可以采用热管、或采用电加热，本实用新型中的冷却系统可以采用低于所采用的工质的气-液相变温度的冷流体，或热管或蒸发器；相变工质在加热系统中所提供的最高温度中液-气相变所产生的压力应大于正常反渗透所需要的压力。

本装置通过温度差驱动泵进行海水输送和加压，由压力保持系统保持反渗透膜系统压力的相对稳定，通过反渗透膜系统进行海水淡化，并通过结合温度差驱动泵的能量回收装置进行能量回收，从而通过利用热能势能的转换，完成海水淡化过程。

浓盐水缸63的腔壁由导热良好的材料制成，更优选地，可以在浓盐水缸第一活塞的行程之外设热管，用于浓盐水与相变工质之间的快速热交换(图中未示出)。

本实用新型为了更好地解决不可压缩的海水在第二驱动缸中和浓盐水缸中容积变化和压力调整的问题，在第二驱动缸上设置了与其连通的第二压力保持系统7，第二活塞65把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，并对通过第二海水进口621进入第二驱动缸62中的海水原水进行初步加压，通过第二压力保持系统7调整容积并保持第二驱动缸62内的初步加压压力。

其中的第一压力保持系统2和第二压力保持系统7所采用的结构相同，其组成结构如图1所示，包括压力腔A1、位于压力腔A1中的第三活塞A2和弹性势能调整机构A3，第二压力保持系统7的压力腔A1与第二驱动缸62保持连通，第一压力保持系统2的压力腔A1与反渗透膜系统1保持连通；弹性势能调整机构A3与第三活塞A2形成联动。其中的弹性势能调整机构A3可以是固定在压力腔A1末端的弹簧、水柱或满足具体工作要求的压缩气体，本实用新型中的弹性势能调整机构A3优选采用弹簧。

如图3所示，本实用新型还提供了一种利用温度差驱动的海水淡化复合系统，其与反渗透膜系统1连接，复合系统还包括控制装置及多个能量回收系统6，各能量回收系统6中的浓盐水进口631和浓盐水出口632处分别设有一控制阀8，各浓盐水进口631分别与一浓盐水进水管9连接，浓盐水进水管9与反渗透膜系统1中的浓盐水排放口11连接；各浓盐水出口632分别与一无压浓盐水排水管10连接，控制装置分别与各控制阀8和温度调节系统5电性连接；各第二驱动缸62中的第二海水进口621和第二海水出口622处分别设有单向控制阀20，各第二海水进口621分别与一进水管路30连接，各第二海水出口622通过排水管路40与反渗透膜系统1连接。各能量回收系统中的相变工质采用相同的工质和相同的相变温度，或者采用不同的工质和互不相同的相变温度。各驱动系统按多级并联设置，通过多级吸热驱动，使得加热系统中所蕴含的热能或冷却系统中所吸收的热能可以被充分地吸收、转化和利用。

本实用新型通过把利用温度差驱动和利用余压驱动相结合，回收海水反渗透膜系统中具有余压的高压浓盐水中的能量，并吸收一部分浓盐水中具有的热能，以及吸收一部分活塞运动过程中因摩擦而产生的热能，通过吸收热能降低回收损耗，从而达到高效能量回收的目的。在其吸收并转化的有用功大于运行损耗功的情况下，其能量回收效率在理论上可以达到100％以上。

为了提升吸热效果，优选地，本实用新型为了提升复合系统的吸热效果，保证相变工质的吸热时间，使相变工质充分吸热浓盐水中的热量，如图3所示，通过将其中一个能量回收系统中的相变驱动升压作用于另外一个结合温度差驱动的海水淡化能量回收系统的第二驱动缸中，也就是说，能量回收系统中第二活塞的驱动是依靠相邻回收系统中的相变工质来驱动的，从而使复合系统的行程时间比直接作用在自身第二驱动缸进行升压的驱动过程稍微滞后，通过多个能量回收系统的组合，合理调整相变过程所作用的能量回收系统，使相变驱动吸热更充分，把相变驱动升压的时间与余压驱动的时间相统筹，使其作用时间紧密衔接，升压的作用时间更加迅速，提升了复合系统的工作效率。

为了更好地对各控制阀进行自动启闭控制，在浓盐水缸63的高压端位置和/或各第二驱动缸62中的高压端位置分别设有一用于检测第一活塞64和第二活塞65位置的位置传感器，控制装置与各位置传感器电性连接。

具体控制过程如下步骤：

步骤一、控制装置关闭第一相变缸31中的加热系统，开启冷却系统，相变工质冷却液化，驱动活塞323回落，用低压泵入海水到第一驱动缸中；

步骤二、控制装置关闭冷却系统，开启加热系统，相变工质吸热汽化膨胀，产生足够的压力顶起驱动活塞，将海水压入到反渗透膜系统高压管道中；第一压力保持系统2在一定时间内维持水压力处于反渗透所需要的压力范围之内。反渗透膜系统进行海水淡化，产生淡水，并由淡水出口12排出。

步骤三、带有余压的浓盐水中的压力能及部分热能被能量回收系统回收利用，转化为海水进水能量。

重复步骤一至步骤三，进行下一个循环。

具体的能量回收系统的运行如下：

步骤1、控制装置控制浓盐水出口632的控制阀8打开，通过开启冷却系统52对第二相变缸61中的相变工质4进行冷却，使相变工质4发生气-液相变后形成液态，在第二驱动缸62中利用低压泵将海水原水泵入，第二驱动缸62中的第二活塞65和余压浓盐水缸63中的第一活塞64处于初始位置；

步骤2、关闭浓盐水出口632的控制阀8，打开余压浓盐水进口631处的控制阀8，先利用高压浓盐水余压把第二驱动缸62中的海水初步加压到浓盐水具有的压力水平，第二压力保持系统7提供高压海水进入空间，并保持压力；

步骤3、通过加热系统51对第二相变缸61中的相变工质4进行加热，同时相变工质4吸收浓盐水中的部分热量，相变工质4吸收到足够的热量时，相变工质4发生相变汽化使第二相变缸61中压力进一步升高，在和浓盐水余压的共同驱动下，把第二驱动缸62中的海水挤压进带有单向控制阀20的反渗透高压排水管路40中，达到同时利用余压和吸收浓盐水中的热量进行能量回收的目的。

步骤4、本实用新型通过活塞位置传感器进行检测，当第二驱动缸62中第二活塞64到达高压端海水输水行程末端时，关闭余压浓盐水进口631控制阀8，打开浓盐水出口632控制阀8，排出完成压力传递的浓盐水，冷却第二相变缸61中的相变工质4为液态，第二压力保持系统7中的第三活塞A2复位，用低压泵把海水泵入第二驱动缸62中，第二驱动缸62中的第二活塞65和余压浓盐水缸63中的第一活塞64回到初始位置。

可以进一步利用冷却后的热源，将浓盐水出口632与冷却系统52连接，被吸收热量后的浓盐水可以用作冷却系统52的冷能来源。

为了进一步提高海水淡化能量的利用率，在复合系统中还设有多个驱动系统3，各驱动系统3呈并联设置，各驱动系统3中的第一海水出口322分别与一进水总管50连接，进水总管50的一端与反渗透膜系统1连接，其另一端与第一压力保持系统2连接，排水管路40与进水总管50连接。各驱动系统3中的加热系统可通过流体换热管形成串接，各第一相变缸中的相变工质的液-气相变温度沿着加热流体流动方向依次降低。各驱动系统按多级并联设置，通过多级吸热驱动，使得加热系统中所蕴含的热能或冷却系统中所吸收的热能可以被充分地吸收、转化和利用，

本实用新型中在压力保持系统的管路上设置单向控制阀，比如止回阀，能量回收系统通过止回阀与第二压力保持系统通过管道连通，第一压力保持系统与反渗透膜系统连通，温度差驱动泵输水加压系统通过相变驱动将海水的压力升高到反渗透淡化所需要压力要求水平，并由第一压力保持系统保持反渗透系统压力的相对稳定，能量回收系统通过结合温度差驱动泵的能量回收装置将反渗透浓盐水的余压及浓盐水的部分热量吸收利用，将海水补充到反渗透系统之中。

当然用于加热或冷却的流体，在其热量被吸收后，也可用于以制备空调冷气或用于其他合适的冷能需求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。