CN106673097B - 一种太阳能耦合热泵海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，包括压缩机、节流阀、冷凝器、太阳能集热器、集热循环泵、海水—水换热器、集热阀门、海水水箱、第一海水循环泵、第一三通调节阀、浓海水排放阀、浓海水排放泵、海水喷淋器、降膜蒸发器、浓海水采集器、第二三通调节阀、淡水排放阀、淡水采集器、翅片换热器、离心风机、第二海水循环泵、翅片式蒸发器；本发明的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，利用降膜蒸发器对空气增湿增焓，利用冷海水和热泵蒸发器对湿空气实现淡化处理，回收了冷凝潜热，同时提高了能源利用率，拓展了装置的可操作性，减少了能源的消耗，增加了单位耗电量下的产水量。

Description

一种太阳能耦合热泵海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种太阳能耦合热泵海水淡化装置。

背景技术

淡水是人类赖以生存的战略物资。随着社会的发展，人们对淡水的需求日益增加，由于环境污染和过度开采，全球可获得的淡水资源日益紧迫，海水淡化技术已成为对缓解供水压力行之有效的一种方法。

目前世界主流的海水淡化技术是反渗透法和多效蒸馏法，但常规的海水淡化技术在保证产水量的前提下均需消耗大量的电力和化石能源。随着我国海洋产业的发展，船舶、孤岛等尚未得到完全开发的场合同样也面临着对淡水的需求。但从目前中型或小型规模海水淡化技术的发展状况来看，已知单独的太阳能海水淡化装置对太阳能集热面积、天气等依赖较大，且产水量不稳定，夜间无法工作；单独的热泵海水淡化装置则多受热泵机组性能的影响，能源利用率低、能耗大。因此以太阳能为辅助热源来替代部分常规能源，结合热泵实现热量回收，用于海水淡化，可实现结构简单、能源利用率高的海水淡化过程。

中国专利CN 105645492A公开了一种带有蒸发装置的小型热泵式海水淡化系统，包括海水室、淡水室、海水蒸发室、海水蒸发装置，该装置主要利用海水在换热管表面蒸发，蒸发后形成的水蒸气在风机的作用下在蒸发器上强制冷凝，从而产生淡水。虽然该装置的蒸发装置可在一定程度上提高海水的蒸发效率，但蒸发后的高温浓海水直接排掉而未对其热量回收，造成了热浪费。同时冷凝完成后的低温空气，若其温度或含湿量高于环境则可进行循环利用，倘若低于环境则应切换为开式系统从空气中直接吸气，运行模式较为死板且产水量完全受热泵性能所限。中国专利CN 1724395A公开了一种太阳能热泵联合海水淡化装置，包括太阳能集热系统、热泵循环系统以及闪蒸系统，热泵经太阳能预热后提供60～65℃的高温海水，采用4～8效蒸馏器。虽然较高的海水温度在真空状态下的蒸发效率会有所提高，但是该装置对海水加热温度要求较高，同时闪蒸系统需要一定的真空度，系统结构复杂，部件较多，对环境条件、生产工艺要求较高，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太阳能耦合热泵海水淡化装置，利用降膜蒸发器对空气增湿增焓，利用冷海水和热泵蒸发器对湿空气实现淡化处理，回收了冷凝潜热，同时提高了能源利用率，拓展了装置的可操作性，减少了能源的消耗，增加了单位耗电量下的产水量。

发明内容

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开发一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，利用降膜蒸发器对空气增湿增焓，利用冷海水和热泵蒸发器对湿空气实现淡化处理，回收了冷凝潜热，同时提高了能源利用率，拓展了装置的可操作性，减少了能源的消耗，增加了单位耗电量下的产水量。

为实现上述目的，本发明提供了一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，包括压缩机、节流阀、冷凝器、太阳能集热器、集热循环泵、海水—水换热器、集热阀门、海水水箱、第一海水循环泵、第一三通调节阀、浓海水排放阀、浓海水排放泵、海水喷淋器、降膜蒸发器、浓海水采集器、第二三通调节阀、淡水排放阀、淡水采集器、翅片换热器、离心风机、第二海水循环泵、翅片式蒸发器；其中，

压缩机的循环工质的进口通过冷凝器与节流阀相连接，节流阀的另一端与翅片式蒸发器的一端相连接，翅片式蒸发器的另一端与所压缩机的循环工质的出口相连接；

冷凝器的进口与海水水箱的一端连接，海水水箱的另一端与第一海水循环泵连接，冷凝器的出口与海水—水换热器连接，海水—水换热器通过太阳能集热器和集热循环泵连接，再通过集热阀门连接到海水—水换热器的一端形成一个循环；

海水—水换热器连接海水喷淋器，降膜蒸发器被设置于海水喷淋器下方，浓海水采集器被设置于降膜蒸发器下方，并且浓海水采集器第一端口通过第一三通调节阀与第一海水循环泵连接，浓海水采集器的第二端口通过浓海水排放泵连接浓海水排放阀；

第一三通调节阀的第2端口与第二三通调节阀的第3端口连接，第二三通调节阀的第2端口与翅片式换热器的循环工质的出口相连接，与翅片式换热器与第二海水循环泵的出口相连接；淡水采集器被设置于翅片式换热器的下方，并与淡水排放阀相连；

降膜蒸发器、翅片式换热器、翅片式蒸发器与离心风机相连，组成一个矩形循环风道。

进一步地，太阳能集热器被设置为真空管集热器或平板集热器中的一种。

进一步地，海水—水换热器被设置为固定管板式换热器、板式换热器、套管式换热器中的一种。

进一步地，降膜蒸发器被设置为采用纸质蜂窝填料结构、蒸发效率为90％—99％的叉流蒸发器。

进一步地，降膜蒸发器被设置为可以以加湿装置代替。

进一步地，包括有热泵运行模式和无热泵运行模式，并且有热泵运行模式和无热泵运行模式可以相互切换。

进一步地，翅片式蒸发器与翅片式换热器之间被设置为不保留间隔，翅片式换热器与降膜蒸发器之间被设置为保留间隔，间隔距离被设置为30mm。

进一步地，翅片式蒸发器的翅片被设置为由耐海水腐蚀的材料制成，翅片式换热器的翅片被设置为由耐海水腐蚀的材料制成。

进一步地，第一三通调节阀被设置为可自由调节预热后的海水和浓海水的混合比例。

进一步地，第二三通调节阀被设置为可自由调节预热海水进入第一三通调节阀的比例。

在本发明的另一较佳实施方式中，一种太阳能耦合热泵海水淡化装置仅有热泵运行模式。

技术效果

本发明的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，利用降膜蒸发器对空气增湿增焓，利用冷海水和热泵蒸发器对湿空气实现淡化处理，回收了冷凝潜热，同时提高了能源利用率，拓展了装置的可操作性，减少了能源的消耗，增加了单位耗电量下的产水量。

本发明利用太阳能辅助热泵技术，以热泵冷凝器和太阳能集热器加热升温后的高温海水喷淋至降膜蒸发器作为蒸发过程的热源，利用冷海水和热泵蒸发器完成海水淡化的同时回收了冷凝潜热，蒸发后的高温浓海水和一定比例的预热海水混合回收了部分显热，提高了热效率，降低了系统的能耗。以上过程均为常压下的传热传质，简化了设备生产工艺，降低了装置运行条件，较好的实现了太阳能与热泵技术通过增湿除湿过程完成海水淡化的有机结合。

利用以上装置，亦可实现有热泵和无热泵系统运行模式的切换。当天气较好进入热泵冷凝器的海水温度高于40℃时，即可选择无热泵运行模式：海水的升温完全依靠太阳能以及热量的回收来完成，热泵机组处于停机状态，以冷海水作为冷却水完成淡水的产生。当天气较差或夜间太阳能不在良好工作状态时，即可选择有热泵运行模式：海水的升温需要热泵冷凝器和太阳能集热器以及热量的回收来共同承担。两种运行模式的相互切换在保证稳定产水量的前提下，可很大程度减少对电量的消耗。本发明的太阳能耦合热泵海水淡化装置效率高，运行稳定，便于在孤岛，特别是白天用电紧张的地区使用。

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一种太阳能耦合热泵海水淡化装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一较佳实施例提供了一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，包括压缩机1、节流阀2、冷凝器3、太阳能集热器4、集热循环泵5、海水—水换热器6、集热阀门7、海水水箱8、第一海水循环泵9、第一三通调节阀10、浓海水排放阀11、浓海水排放泵12、海水喷淋器13、降膜蒸发器14、浓海水采集器15、第二三通调节阀16、淡水排放阀17、淡水采集器18、翅片换热器19、离心风机20、第二海水循环泵21、翅片式蒸发器22；其中，

压缩机1的循环工质的进口通过冷凝器3与节流阀2相连接，节流阀2的另一端与翅片式蒸发器22的一端相连接，翅片式蒸发器22的另一端与所压缩机1的循环工质的出口相连接；

冷凝器3的进口与海水水箱8的一端连接，海水水箱8的另一端与第一海水循环泵9连接，冷凝器3的出口与海水—水换热器6连接，海水—水换热器6通过太阳能集热器4和集热循环泵5连接，再通过集热阀门7连接到海水—水换热器6的一端形成一个循环；

海水—水换热器6连接海水喷淋器13，降膜蒸发器14被设置于海水喷淋器13下方，浓海水采集器15被设置于降膜蒸发器14下方，并且浓海水采集器15第一端口通过第一三通调节阀10与第一海水循环泵9连接，浓海水采集器15的第二端口通过浓海水排放泵12连接浓海水排放阀11；

第一三通调节阀10包括第1端口、第2端口和第3端口；第二三通调节阀16包括第1端口、第2端口和第3端口；

第一三通调节阀10的第2端口与第二三通调节阀16的第3端口连接，第二三通调节阀16的第2端口与翅片式换热器19的循环工质的出口相连接，与翅片式换热器19与第二海水循环泵21的出口相连接；淡水采集器18被设置于翅片式换热器19的下方，并与淡水排放阀17相连；

降膜蒸发器14、翅片式换热器19、翅片式蒸发器22与离心风机20相连，组成一个矩形循环风道。

本发明的一较佳实施例中，降膜蒸发器14被设置为具有蒸发比表面积大、蒸发效率高的叉流蒸发器，采用纸质蜂窝填料结构，能够实现对空气增湿增焓。海水依次经冷凝器3、太阳能集热器4加热升温后经海水喷淋器13均匀喷淋在降膜蒸发器14的蜂窝填料上方，在重力作用下海水沿填料壁形成高温液膜，低温干空气或低温饱和湿空气与高温液膜充分接触形成高温饱和湿空气。

本发明的一较佳实施例中，翅片式换热器19是以冷海水作为冷却水，实现对高温饱和湿空气冷凝，在产生淡水的同时又完成对冷海水的预热，翅片采用具有耐腐蚀的材料制成。

本发明的一较佳实施例中，翅片式蒸发器22是以制冷剂作为冷却工质，实现对经翅片式换热器19冷凝后湿空气的第二阶段冷凝产生淡水，翅片采用具有耐腐蚀的材料制成。冷凝器3采用套管式低翅片管换热器。太阳能集热器4为真空管集热器或平板式集热器。

本实施例的太阳能耦合热泵海水淡化装置可实现有热泵和无热泵系统运行模式的切换，其工作原理如下：

1、当进入冷凝器3的海水温度低于40℃时，本发明的一较佳实施例中的海水淡化装置进入有热泵模式：

启动时，第一三通调节阀10完全处于2—3端口位置，第二三通调节阀16完全处于2—3端口位置，冷海水由第二海水循环泵21送至翅片式换热器19完成冷海水预热，依次经第一三通调节阀10、第二三通调节阀16，由第一海水循环泵9送至海水水箱8。当海水水箱8中水位升至指定位置时，调节第二三通调节阀16，使海水流经1—3端口位置的流量满足热泵循环所需，其余从1—2端口位置排出。海水经海水水箱8流至冷凝器3完成海水的第一阶段升温，之后流经海水—水换热器6完成第二阶段升温形成高温海水，其中，太阳能集热器4吸收太阳能，循环工质经集热循环泵5，通过海水—水换热器6将采集得到的热量交换给海水。高温海水经海水喷淋器13均匀喷淋至降膜蒸发器14形成高温液膜，未蒸发的高温海水积存于浓海水采集器15。当浓海水采集器15中浓海水液位升至指定位置时，调节第一三通调节阀10，使浓海水流经1—3端口位置和预热海水流经2—3端口位置的总流量满足热泵循环所需，此时进入稳定运行状态。由冷凝器3、压缩机1、翅片式蒸发器22和节流阀2构成了热泵系统，利用冷凝器3完成对海水的第一阶段升温，利用翅片式蒸发器22完成对湿空气的第二阶段冷凝。循环风道中的干空气或低温饱和湿空气，在离心风机20的驱动下被迫流经降膜蒸发器14完成增焓增湿。高温饱和湿空气流经翅片式换热器19，空气中的水蒸气在翅片式换热器19表面凝结为淡水滴至淡水采集器18完成第一阶段冷凝。处理后的空气继续流经翅片式蒸发器22，空气中残余的水蒸气在翅片式蒸发器22表面凝结为淡水滴至淡水采集器18完成第二阶段冷凝。处理完毕之后的低温饱和湿空气作为回风重新送至离心风机20的入口完成空气的循环。

2、当进入冷凝器3的海水温度高于40℃时，海水淡化装置进入无热泵模式：

当太阳能耦合热泵海水淡化装置稳定运行后，进入冷凝器3的海水温度高于40℃时，此时热泵机组选择进入停机模式，主要原因一是冷凝器3进水温度过高，影响热泵机组的稳定运行，二是此温度下的海水不经热泵第一阶段升温，亦可保证一定的产水量，同时又节省了相当部分的能耗。热泵机组停机后，海水经海水水箱8通过冷凝器3后流经海水—水换热器6完成海水的升温，其中，太阳能集热器4吸收太阳能，循环工质经集热循环泵5，通过海水—水换热器6将采集得到的热量交换给海水。高温海水经海水喷淋器13均匀喷淋至降膜蒸发器14形成高温液膜，未蒸发的高温海水积存于浓海水采集器15。冷海水由第二海水循环泵21流经翅片式换热器19完成冷海水预热同时完成对湿空气的冷凝。循环风道中的干空气或低温饱和湿空气，在离心风机20的驱动下被迫流经降膜蒸发器14完成增焓增湿。高温饱和湿空气流经翅片式换热器19，空气中的水蒸气在翅片式换热器19表面凝结为淡水滴至淡水采集器18完成冷凝。处理后的空气继续流经翅片式蒸发器22，作为回风重新送至离心风机20的入口完成空气的循环。

本发明的另一较佳实施例中，将预热海水作为补充水，而将高温浓海水全部排掉。

本发明的又一较佳实施例中，以增湿为目的的降膜蒸发器装置被设置为可以使用其他类型的加湿装置，并不局限于降膜蒸发器。

通过以上太阳能耦合热泵海水淡化装置，实现了将太阳能集热器、热泵机组和增湿除湿技术的有机结合。以冷海水作为冷却水完成第一阶段湿空气冷凝同时回收了冷凝潜热，而冷凝后的海水和未蒸发的浓海水混合回收了部分显热，热泵蒸发器完成第二阶段湿空气冷凝同时回收了冷凝潜热，提供了热效率，降低了系统的能耗。且在上述过程中，仅存在传热传质现象，系统常压运行，设备制造工艺简单。同时，结合本装置的特点，亦可实现不同气候条件的两种运行模式，最大化的利用了太阳能资源。

本发明利用太阳能辅助热泵技术，以热泵冷凝器和太阳能集热器加热升温后的高温海水喷淋至降膜蒸发器作为蒸发过程的热源，利用冷海水和热泵蒸发器完成海水淡化的同时回收了冷凝潜热，蒸发后的高温浓海水和一定比例的预热海水混合回收了部分显热，提高了热效率，降低了系统的能耗。以上过程均为常压下的传热传质，简化了设备生产工艺，降低了装置运行条件，较好的实现了太阳能与热泵技术通过增湿除湿过程完成海水淡化的有机结合。

利用以上装置，亦可实现有热泵和无热泵系统运行模式的切换。当天气较好进入热泵冷凝器的海水温度高于40℃时，即可选择无热泵运行模式：海水的升温完全依靠太阳能以及热量的回收来完成，热泵机组处于停机状态，以冷海水作为冷却水完成淡水的产生。当天气较差或夜间太阳能不在良好工作状态时，即可选择有热泵运行模式：海水的升温需要热泵冷凝器和太阳能集热器以及热量的回收来共同承担。两种运行模式的相互切换在保证稳定产水量的前提下，可很大程度减少对电量的消耗。本发明的太阳能耦合热泵海水淡化装置效率高，运行稳定，便于在孤岛，特别是白天用电紧张的地区使用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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。

Claims (10)

1.一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，包括压缩机、节流阀、冷凝器、太阳能集热器、集热循环泵、海水—水换热器、集热阀门、海水水箱、第一海水循环泵、第一三通调节阀、浓海水排放阀、浓海水排放泵、海水喷淋器、降膜蒸发器、浓海水采集器、第二三通调节阀、淡水排放阀、淡水采集器、翅片换热器、离心风机、第二海水循环泵、翅片式蒸发器；其中，

所述压缩机的循环工质的进口通过所述冷凝器与所述节流阀相连接，所述节流阀的另一端与所述翅片式蒸发器的一端相连接，所述翅片式蒸发器的另一端与所压缩机的循环工质的出口相连接；

所述冷凝器的进口与所述海水水箱的一端连接，所述海水水箱的另一端与所述第一海水循环泵连接，所述冷凝器的出口与所述海水—水换热器连接，所述海水—水换热器通过所述太阳能集热器和所述集热循环泵连接，再通过所述集热阀门连接到所述海水—水换热器的一端形成一个循环；

所述海水—水换热器连接所述海水喷淋器，所述降膜蒸发器被设置于所述海水喷淋器下方，所述浓海水采集器被设置于所述降膜蒸发器下方，并且所述浓海水采集器第一端口通过第一三通调节阀与所述第一海水循环泵连接，所述浓海水采集器的第二端口通过所述浓海水排放泵连接所述浓海水排放阀；

所述第一三通调节阀的第2端口与第二三通调节阀的第3端口连接，所述第二三通调节阀的第2端口与所述翅片式换热器的循环工质的出口相连接，所述翅片式换热器与所述第二海水循环泵的出口相连接；所述淡水采集器被设置于所述翅片式换热器的下方，并与所述淡水排放阀相连；

所述降膜蒸发器、所述翅片式换热器、所述翅片式蒸发器与离心风机相连，组成一个矩形循环风道。

2.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能集热器被设置为真空管集热器或平板集热器中的一种。

3.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述海水—水换热器被设置为固定管板式换热器、板式换热器、套管式换热器中的一种。

4.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述降膜蒸发器被设置为采用纸质蜂窝填料结构、蒸发效率为90％—99％的叉流蒸发器。

5.如权利要求4所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述降膜蒸发器被设置为使用加湿装置。

6.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，包括有热泵运行模式和无热泵运行模式，并且所述有热泵运行模式和所述无热泵运行模式可以相互切换。

7.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述翅片式蒸发器与所述翅片式换热器之间被设置为不保留间隔，所述翅片式换热器与所述降膜蒸发器之间被设置为保留间隔，所述间隔距离被设置为30mm。

8.如权利要求7所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述翅片式蒸发器的翅片被设置为由耐海水腐蚀的材料制成，所述翅片式换热器的翅片被设置为由耐海水腐蚀的材料制成。

9.如权利要求1所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述第一三通调节阀被设置为可自由调节预热后的海水和浓海水的混合比例。

10.如权利要求9所述的一种太阳能耦合热泵海水淡化装置，其特征在于，所述第二三通调节阀被设置为可自由调节预热海水进入所述第一三通调节阀的比例。