空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置及其使用方法
2023-05-28 16:59:21
專利名稱：空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣加溼、溶液吸溼與太陽能、廢熱綜合利用的淡水提取技術，屬於海水淡化及可再生能源利用技術領域。
背景技術：
淡水資源的缺乏已經成為全世界範圍內亟待解決的問題，一些沿海地區人均水資源佔有量極低，處於極度缺水狀態。發展海水淡化技術能夠在很大程度上緩解淡水資源短缺的危機，一些較成熟的技術已經給社會的發展帶來了巨大利益。現有的海水淡化技術主要有蒸餾法、膜法、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。其中蒸餾法和膜法兩類方法應用最為廣泛，是目前為止淡化累積產量最多的兩類方法。蒸餾法分為多級閃蒸法、多效蒸發法和壓汽蒸餾法，該類方法需要消耗大量的能源，因此通常需要與火力發電站聯合建設與運行，適合於大型和超大型海水淡化設備；膜法海水淡化技術主要分為反滲透法和電滲析法，該類方法對膜的製造工藝要求高、水處理技術較複雜、對電能的依賴程度也較高，出於成本考慮，這類淡化技術也只適用於大規模的應用。常規海水淡化方式普遍存在的問題是以較大的能源換取了較少的水源，將太陽能應用於海水淡化領域，在一定程度上可以解決能源與水資源之間的矛盾，是近些年海水淡化技術的重要研究趨勢之一。太陽能技術應用到海水淡化領域主要有兩種方式:一種是用太陽能間接利用技術，太陽能作為輔助能源與其它海水淡化方法相結合，以削弱這些方法所受熱能和電能的限制；另一種是太陽能直接利用技術，太陽輻射能直接加熱蒸發海水，水蒸汽冷凝後得到淡水。兩種方式中太陽能直接利用技術所需設備較少、操作較簡單、對其它熱能和電能的依賴程度較小，因此在中小型規模的海水淡化過程中應用更為廣泛。但是，太陽能直接利用海水淡化技術多以太陽能蒸餾器為基礎，其淡水獲取過程存在著蒸發時間長、凝結速度慢、回熱效果差等 問題。對於缺水的島嶼、電力不足的沿海非城鎮地區、內陸偏遠的苦鹹水地區來說，淡水需求量並不是特別大而且較分散。這些地區一般能源和電力較缺乏，基礎設施差，不適於建立應用蒸餾法和膜法的大型海水淡化設備，而應用設備簡單的太陽能直接利用技術時又存在淡水製取量太小、速度太慢等問題。類似的情況也出現在船舶的遠洋運輸途中所進行的海水淡化過程中。因此，開發太陽能直接利用的中小型海水淡化設備，提高其製取淡水的效率，具有一定的經濟和實用價值。
發明內容
技術問題:本發明的目的是提供一種利用太陽能、工業餘熱或生活廢熱等中低位熱源的，以空氣和吸溼溶液為載體的中小型淡水製取及海水淡化裝置，以解決缺水的島嶼、電力不足的沿海非城鎮地區、內陸偏遠的苦鹹水地區以及船舶中淡水製取問題。技術方案:本發明的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置，主要由蒸發加溼器、溶液吸溼器、蒸發器和冷凝器組成，包括海水循環系統、空氣循環系統、溶液循環系統及蒸汽循環冷凝系統。海水循環系統中，蒸發加溼器中的噴淋管路進口通過流量調節閥與增壓循環水泵的出口相連接，蒸發加溼器的海水出口與冷凝器的冷卻盤管進口相連接，冷凝器的冷卻水盤管出口連接至海水儲存器的進口，海水儲存器的出口與增壓循環泵的進口相連接；空氣循環系統中，風道依次連接第一風機、蒸發加溼器、進氣風閥與溶液吸溼器；溶液循環泵帶動溶液循環，溶液吸溼器的溶液出口經過溶液預熱器後與蒸發器底部的溶液進口相通，蒸發器的溶液出口與溶液循環泵的進口相連，溶液循環泵的出口連接溶液冷卻器的進口，溶液冷卻器的出口與溶液吸溼器的進口相連；第二風機通過風道連接蒸發器、冷凝器帶動蒸汽循環，蒸發器的頂部裝有太陽能集熱板，蒸汽在冷凝器中冷凝成凝結水後排入淡水儲存器。實現太陽能、工業餘熱或生活廢熱等中低位熱源在海水淡化設備中的高效利用，同時結合蒸發冷卻、溶液吸溼再生技術以降低裝置的能耗，提高淡水的製取效率。上述技術方案所述的冷凝器中冷卻盤管所使用的冷卻水為蒸發加溼器製取的冷卻海水，經冷凝器加熱後的海水儲存在海水儲存器中，隨後熱海水繼續輸送至蒸發加溼器中對幹空氣進行加溼。上述技術方案所述的冷凝器的蒸汽出口設置收水器，收水器的形式可以為紙質、有機或金屬波紋板、也可以為靜電裝置、或者是由聚丙烯網組成的回收冷凝水裝置。本發明的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置中，海水被送入蒸發加溼器中進行噴淋，在填料中海水與空氣進行傳熱傳質，海水中的水分進入空氣中，空氣被加溼至飽和狀態，飽和狀態的空氣隨後進入溶液吸溼器中，空氣中的絕大多數水分被吸溼溶液帶走。由於在蒸發加溼器中海水始終接觸到的是含溼量很低的幹空氣，因此水分從海水到空氣的傳遞量很大，並且使用的循環海水是經過冷凝器加熱的，根據熱質交換原理，大量的從海水到空氣的潛熱傳遞導致空氣的焓值增加而海水的溫度明顯下降。蒸發加溼器與溶液吸溼器聯合運行，空氣在連接兩者之間的風道內在風機的驅動下循環流動，實現了水分從海水到空氣再到溶液的搬運過程，同時製取的冷卻海水用作冷凝器的冷卻水。上述技術方案所述的蒸發加溼器中的海水在填料上噴淋降膜，所用填料為氧化鋁(Al2O3)泡沫陶瓷填料；蒸發加溼器所使用的循環空氣為經溶液吸溼器吸溼後的幹空氣。由於海水的流量大、含有 雜質多，對填料的可塑性和挺溼性要求更高。氧化鋁(Al2O3)泡沫陶瓷填料相對於一般的紙質、有機填料的可塑性和挺溼性更強，能夠經受大量海水的噴淋和有效的過濾海水中的雜質，同時其耐腐蝕性比金屬填料高,成本又比金屬填料低,將其應用於海水淡化裝置優勢明顯。本發明的溶液吸溼器中使用的溶液是溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣或者是其中幾種的混合溶液，這些溶液不含雜質並且使用量較海水要小很多，考慮到成本因素，溶液吸溼器中使用的填料可以選用一般的紙質或有機填料。本發明的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置中，蒸發器和冷凝器是能源利用的關鍵部位。蒸發器的頂部裝有太陽能集熱板用於吸收太陽輻射熱量，前部裝有溶液預熱器用於吸收利用工業餘熱和生活廢熱；冷凝器內裝有大面積冷卻盤管，蒸汽出口處設有收水器，下部淡水出口連接至淡水儲存器；蒸發器和冷凝器的蒸汽進出口通過蒸汽管道進行連接，第二風機用於帶動蒸汽循環。吸收了大量水分的稀溶液從溶液吸溼器中出來後首先經過溶液預熱器預熱，升溫後的溶液輸送到蒸發器內，在工業餘熱或生活廢熱預熱、太陽能直接加熱後蒸發出水蒸汽，水蒸汽隨後進入冷凝器經過冷卻盤管冷凝，冷凝出來的淡水則送入淡水儲存器內儲存，而溶液的水分被蒸發後濃度得到恢復，經過溶液冷卻器冷卻後送回溶液吸溼器中繼續吸收飽和空氣中的水分。本發明的蒸發器頂部的太陽能集熱板也可以為普通的玻璃蓋板，利用太陽能的直接照射使溶液蒸發；蒸發器前部溶液預熱器中的熱源可以為工業餘熱和生活廢熱，該裝置應用到船舶的遠洋運輸時輔助熱源還可以是機房的鍋爐餘熱或其它機械生活廢熱；蒸發器內的水蒸汽不直接在太陽能集熱板底部或玻璃蓋板上冷凝，而是在風機和蒸發器與冷凝器的壓差驅動下進入冷凝器，蒸汽最終在冷凝器內轉化為淡水。冷凝器內冷卻盤管中使用的冷卻水是由蒸發加溼器製取的冷卻海水，冷卻海水的溫度越低冷卻盤管冷凝蒸汽的效果就越好，冷卻水經冷卻盤管後溫度明顯升高這樣又有利於海水在蒸發加溼器中向對空氣進行加溼。冷凝器的蒸汽循環出口處設有收水器，進一步促進蒸汽冷凝防止其帶走水滴，收水器的形式可以為紙質、有機或金屬波紋板、也可以為靜電裝置、或者是由聚丙烯網組成的回收冷凝水裝置。本發明的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置，隨著裝置的不斷運行，海水中的淡水被提出後，輸送到蒸發加溼器中的海水量逐漸減少、濃度變濃，這將不利於向空氣中繼續輸送水分，需通過向海水儲存器中補充海水實現對海水量和濃度的調節。同時通過進氣風閥不斷補充自然環境的空氣，將環境空氣中的水分提取的吸溼溶液中，充分利用環境空氣中水分增加整個裝置的淡水產量。採用了上述技術方案後，本發明的有益效果為:1、是一種將蒸發冷卻技術、溶液吸溼再生技術、可再生能源綜合利用技術相結合的中小型淡水製取裝置，提供了新的海水淡化模式，淡水的獲取速度快，淡水產量較同等規模的海水淡化裝置更多。2、本發明的海水 淡化裝置同時提取自然環境空氣和海水中的水分，相對於現有的空氣凝水和常規中小型海水直接淡化裝置，淡水產量得到了提高。3、蒸發加溼器中海水接觸到的始終是經過溶液吸溼器處理後的含溼量很低的幹空氣，水分從海水到空氣中的遷移量多、潛熱傳遞量大、製取的冷卻海水溫度低；蒸發加溼器中製取的冷卻海水的溫度比常規蒸汽冷凝海水淡化裝置所使用的冷卻水溫度更低，導致冷凝器內蒸汽冷凝的速率更快；整個裝置不需要額外的冷卻水供給設備，設備的利用率得到了提高。4、蒸發器內空氣的強制流動可以促進溶液中水分的蒸發，冷凝器內冷卻盤管冷卻海水的進水溫度低、水蒸汽的凝結速度快、蒸發器與冷凝器中的壓差大，這些因素都有利於提高淡水製取速率；蒸發過程的強化使得蒸發器內溶液蒸發所利用的低品位的太陽能和工業餘熱或生活廢熱量更少，蒸發溫度要求更低。本發明相對於常規太陽能直接蒸餾裝置淡水的速率更快，相同的熱量輸入條件下淡水產量更大。
為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1是本發明的結構示意圖；圖1中有:蒸發加溼器1，溶液吸溼器2，進氣風閥3，第一風機4，流量調節閥5，增壓循環水泵6，海水儲存器7，蒸發器8，太陽能集熱板9，溶液預熱器10，溶液循環泵11，溶液冷卻器12，冷凝器13，收水器14，第二風機15，淡水儲存器16。
具體實施例方式結合附圖1進一步說明本發明的具體實施方式
。本發明的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置主要由海水循環系統、空氣循環系統、溶液循環系統及蒸汽循環冷凝系統組成，包括蒸發加溼器1、溶液吸溼器2、進氣風閥
3、第一風機4、流量調節閥5、增壓循環水泵6、海水儲存器7、蒸發器8、太陽能集熱板9、溶液預熱器10、溶液循環泵11、溶液冷卻器12、冷凝器13、收水器14、第二風機15、淡水儲存器16，以及連接各裝置之間的風道、水管路、溶液管路與蒸汽管路。海水循環系統中，蒸發加溼器I中的噴淋管路進口通過流量調節閥5與增壓循環水泵6的出口相連接，蒸發加溼器I的海水出口與冷凝器13的冷卻盤管進口相連接，冷凝器13的冷卻水盤管出口連接至海水儲存器7的進口，海水儲存器7的出口與增壓循環泵6的進口相連接；空氣循環系統中，風道依次連接第一風機4、蒸發加溼器1、進氣風閥3與溶液吸溼器2 ;溶液循環泵11帶動溶液循環，溶液吸溼器2的溶液出口經過溶液預熱器10後與蒸發器8底部的溶液進口相通，蒸發器8的溶液出口與溶液循環泵11的進口相連，溶液循環泵11的出口連接溶液冷卻器12的進口，溶液冷卻器12的出口與溶液吸溼器2的進口相連；第二風機15通過風道連接蒸發器8、冷凝器13帶動蒸汽循環，蒸發器8的頂部裝有太陽能集熱板9，蒸汽在冷凝器13中冷凝成凝結水後排入淡水儲存器16，冷凝器13中冷卻盤管所使用的冷卻水為蒸發加溼器I製取的冷卻海水，經冷凝器13加熱後的海水儲存在海水儲存器7中，隨後熱海水繼續輸送至蒸發加溼器I中對幹空氣進行加溼。冷凝器13的蒸汽出口設置收水器14，收水器14的形式可以為紙質、有機或金屬波紋板、也可以為靜電裝置、或者是由聚丙烯網組成的回收冷凝水裝置。蒸發加溼器I中的海水在填料上噴淋降膜，所用填料為氧化鋁(Al2O3)泡沫陶瓷填料；蒸發加溼器I所使用的循環空氣為經溶液吸溼器2吸溼後的幹空氣。本發明的工作原理為:海水和自然環境中的空氣首先分別通過海水儲存器7和進氣風閥3輸送到系統中，開啟第一風機4、增壓循環水泵6和溶液循環泵11，運行蒸發加溼器I和溶液吸溼器3。自然環境中的空氣進入系統後經過溶液除溼器2時，空氣中的水分被吸溼溶液所吸收，幹空氣在第一風機4的驅動下進入蒸發加溼器I。同時，海水儲存器7中的海水經增壓循環水泵6輸送進蒸發加溼器I。幹空氣與海水在填料中接觸後，水分從海水中傳入空氣，溼空氣又進入溶液吸溼器2中將水分傳遞給吸溼溶液；海水溫度降低後作為冷卻水送入到冷凝器13的冷卻盤管中，海水在冷卻盤管中被加熱後又輸送回海水儲存器。在海水循環和空氣循環運行的同時，空氣和海水中的水分被不斷的轉移到溶液吸溼器2中的吸溼溶液中。吸收了大量水分的稀釋吸溼溶液從溶液吸溼器2流出後首先經過溶液預熱器10進行預熱。溶液預熱器中的低位熱源可以為工業餘熱和生活廢熱，該裝置應用到船舶的遠洋運輸時輔助熱源還可以是船上的各種機械廢熱。溶液預熱後進入蒸發器8的底部，在太陽輻射熱能的作用下蒸發釋放出水蒸汽，此時溶液重新變濃，恢復了吸溼能力的濃溶液經溶液冷卻器12冷卻，隨後再次進入溶液吸溼器中吸收空氣中的水分。溶液冷卻器12中的冷卻介質可以是自然空氣也可以是自然條件下的海水。蒸發器內產生水蒸 汽後開啟第二風機15，水蒸汽在流動空氣和蒸發器8與冷凝器13的壓力差的驅動下進入冷凝器13，熱的水蒸汽被冷凝器13中的冷卻盤管冷卻後凝結，凝結水排入淡水儲存器16中儲存。空氣中殘留的水蒸汽通過收水器14進一步收集，提高淡水的製取效率。空氣的強制流動可以促進溶液中水分的蒸發，冷卻盤管內冷卻海水的溫度越低水蒸汽的凝結速度越快、蒸發器8與冷凝器13中的壓差越大，這些因素都有利於提高本裝置的淡水製取速率。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原 則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置，其特徵在於:該裝置包括海水循環系統、空氣循環系統、溶液循環系統及蒸汽循環冷凝系統；海水循環系統中，蒸發加溼器(I)中的噴淋管路進口通過流量調節閥(5 )與增壓循環水泵(6 )的出口相連接，蒸發加溼器(I)的海水出口與冷凝器(13)的冷卻盤管進口相連接，冷凝器(13)的冷卻水盤管出口連接至海水儲存器(7)的進口，海水儲存器(7)的出口與增壓循環泵(6)的進口相連接；空氣循環系統中，風道依次連接第一風機(4)、蒸發加溼器(I)、進氣風閥(3)與溶液吸溼器(2);溶液循環泵(11)帶動溶液循環，溶液吸溼器(2)的溶液出口經過溶液預熱器(10)後與蒸發器(8)底部的溶液進口相通，蒸發器(8)的溶液出口與溶液循環泵(11)的進口相連，溶液循環泵(11)的出口連接溶液冷卻器(12 )的進口，溶液冷卻器(12 )的出口與溶液吸溼器(2 )的進口相連；第二風機(15)通過風道連接蒸發器(8)、冷凝器(13)帶動蒸汽循環，蒸發器(8)的頂部裝有太陽能集熱板(9 )，蒸汽在冷凝器(13 )中冷凝成凝結水後排入淡水儲存器(16 )。
2.根據權利要求1所述的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置，其特徵在於:冷凝器(13)的蒸汽出口設置收水器(14)，收水器(14)的形式可以為紙質、有機或金屬波紋板、也可以為靜電裝置、或者是由聚丙烯網組成的回收冷凝水裝置。
3.根據權利要求2所述的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置的使用方法，其特徵在於:蒸發加溼器(I)中的海水在填料上噴淋降膜，所用填料為氧化鋁泡沫陶瓷填料；蒸發加溼器(I)所使用的循環空氣為經溶液吸溼器(2 )吸溼後的幹空氣。
4.根據權利要求3所述的空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置的使用方法，其特徵在於:冷凝器(13)中冷卻盤管所使用的冷卻水為蒸發加溼器(I)製取的冷卻海水，經冷凝器(13)加熱後的海水儲存在海水儲存器(7)中，隨後熱海水繼續輸送至蒸發加溼器(I)中對幹空氣進行加溼。
全文摘要
本發明公開一種空氣增溼溶液吸溼太陽能淡水製取裝置及其使用方法，包括海水循環系統、空氣循環系統、溶液循環系統及蒸汽循環冷凝系統，主要由蒸發加溼器、溶液吸溼器、蒸發器和冷凝器組成，實現了水分從海水傳遞到空氣、空氣中的水分再轉移到吸溼溶液、最後從吸溼溶液中進行淡水提取的過程。整個裝置有效的利用了太陽能、工業餘熱或生活廢熱等低位熱源，對電能的依賴程度小，具有海水製取速度快、製取量較大、設備緊湊、成本低、能量利用效率高等特點，適用於缺水的島嶼、電力不足的沿海非城鎮地區、內陸偏遠的苦鹹水地區、船舶的遠洋運輸等缺少建立大型海水淡化設備條件的地區和場合。
文檔編號F24J2/05GK103073083SQ201310037889
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者陳瑤, 張小松, 殷勇高 申請人:東南大學常州研究院