串列式多级等温加热多效回热加湿除湿太阳能海水淡化机

技术领域

本发明涉及一种海水淡化机，具体涉及一种串列式多级等温加热多效回热加湿除湿太阳能海水淡化机，属于太阳能海水淡化和水处理技术领域。

背景技术

目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水的国家和地区，到2025年，这个数字将会增加到三分之二。解决淡水资源短缺的问题，最重要的途径之一是进行海水(苦咸水)淡化。然而，传统的海水(苦咸水)淡化技术需要消耗大量的常规能源，加剧了资源的消耗并带来环境污染。将太阳能技术与海水(苦咸水)淡化技术相结合，是解决经济和社会持续发展对已有淡水资源过度利用的有效措施之一。加湿除湿型海水淡化工艺将加热、蒸发和冷凝过程分开，这样可以采用有针对性的技术强化各个过程，提高每一过程的能量利用效率，同时它还具有控制简单、产水稳定、常压运行、耗能低、易于和可再生能源结合等优点。利用太阳能为除湿加湿型海水淡化技术提供充足的热能，既可以节省装置的投资成本，还可以减小对环境造成的污染。基于上述特点，加湿除湿型太阳能海水淡化系统被认为是高效利用太阳能生产淡水的最具有应用前景的方式。

申请号201010509740.X公开了一种喷雾蒸发空气加湿除湿式太阳能海水淡化装置，利用空气冷凝作用，但冷却效果差、海水没有预热且与热空气温差大以及需另外布置冷凝换热器导致装置结构复杂。

申请号201110304566.X公开了一种半干法气体加湿除湿式海水淡化系统及方法，其换热后湿空气直接排出装置导致热量损失、喷动床蒸发器中进海水量难控制易于在底部形成积水堵塞空气喷嘴、换热工质没有形成有效循环。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种串列式多级等温加热多效回热加湿除湿太阳能海水淡化机，能够充分利用除湿加湿型太阳能海水淡化装置中的蒸汽凝结潜热，提高单位集热面积产水量，降低太阳能海水淡化的单位体积淡水成本，提高在海水淡化装置中的太阳能利用率，可以用在缺乏淡水的偏远内陆地区和岛屿上，尤其是用在太阳辐照度高的地区。

一种串列式多级等温加热多效回热加湿除湿太阳能海水淡化机，该海水淡化机包括太阳能集热器、水泵、储热水箱、流量计、阀门、加湿塔、除湿塔和风机，其中加湿塔内部包括海水喷淋头、塑料小球、不锈钢盘和水位限流管，除湿塔内部包括冷凝器，储热水箱内部包括换热器a、换热器b，加湿塔分为第一效加湿塔、第二效加湿塔和第三效加湿塔，第一效加湿塔内还包括进海水喷淋头，除湿塔分为第一效除湿塔、第二效除湿塔和第三效除湿塔；

连接关系：第一效加湿塔、第二效加湿塔和第三效加湿塔三者竖直布置，第一效除湿塔、第二效除湿塔和第三效除湿塔三者也竖直布置，并分别与三个加湿塔分别位于同一水平高度；

第一效加湿塔、第二效加湿塔和第三效加湿塔三者内腔顶部分别设置有第一效海水喷淋头、第二效海水喷淋头和第三效海水喷淋头，进海水喷淋头也设置在第一效加湿塔内并位于第一效海水喷淋头下方，内腔中下部均设置有不锈钢盘，不锈钢盘上内设置盛置有塑料小球，第一效加湿塔和第二效加湿塔内腔底部均竖直设置有水位限流管；第一效除湿塔、第二效除湿塔和第三效除湿塔三者内腔分别设置有冷凝器a、冷凝器b和冷凝器c；

太阳能集热器的热水出口与储热水箱的进水口相连，储热水箱的出水口通过水泵与太阳能集热器的进水口相连；

第三效除湿塔内部的冷凝器c的一端通过进料海水管路串联水泵后与外部进料海水相连通，冷凝器c的另一端分成两路，一路串联阀门连接排出装置，另一路串联阀门与第二效除湿塔内部的冷凝器b的一端相连，冷凝器b的另一端也分成两路，一路依次串联阀门、流量计后与进海水喷淋头相连，另一路与第三效海水喷淋头相连；第一效加湿塔底部通过海水管路串联水泵与换热器b的进水口连接，换热器b的出水口与第一效海水喷淋头相连，第二效加湿塔底部通过海水管路串联水泵与第一效除湿塔中的冷凝器a的进水口相连，冷凝器a的出水口与换热器b的进水口相连，换热器b的出水口与第二效海水喷淋头相连；第三效加湿塔的底部连接外部浓海水收集器，第三效除湿塔的底部连接外部淡水收集器；三个加湿塔与三个除湿塔的底部与顶部均相互连通，且底部通道内设置有风机。

所述塑料小球的表面有亲水膜，且表面还分布有小孔。

在三个除湿塔与风机之间的通道内均设置有挡水板。

所述的不锈钢盘采用筛型不锈钢盘。

有益效果：

本发明利用多级等温喷淋系统、亲水多孔塑料小球、水位限流管等提高了进料海水与空气的传热、传质系数，以及湿空气的含湿量，增大了海水与空气的接触面积，利用多效回热方法，对进料海水进行了预热，降低了湿空气与冷源间的热阻，有效多次地利用了蒸汽的凝结潜热，减小了进料海水与设定启动加热温度的温差，缩短了装置的启动时间，降低了浓海水排温，有效地对排浓海域的生态环境进行了保护，具体优点如下：

（1）本发明将传统除湿加湿型太阳能海水淡化系统进行了改进，实现了多级等温加热，各效在热能利用方面，通过将塔底浓海水等温加热后喷淋来产生湿空气，各效充分利用各效所获得的热能，这样装置中各效热能利用率比较均衡；

（2）本发明充分利用了湿空气的凝结潜热，各效所产淡水量和排浓海水量基本一致，无需在水泵配置上进行流量调整；

（3）本发明直接将进料海水在储热水箱中加热后喷入加湿塔内，减少了冗长的换热管路和换热器，减小了热损失；

（4）本发明的装置效数可以按照所需淡水产量进行增加，只需增加中间几效就可以，第一和最后一效不需要改动；且装置各效运行互不干涉，便于检测、调试，如果出现渗漏，不需要全部拆分检修。

附图说明

图1为本发明三效海水淡化机的原理图。

图2为本发明二效海水淡化机的原理图。

图3为本发明四效海水淡化机的原理图。

其中，1-太阳能集热系统；2-水泵；3-储热水箱；4a、4b、4c、4d-换热器；5-第一效海水喷淋头；6a、6b、6c、6d-加湿塔；7-塑料小球；8-进海水喷淋头；9-不锈钢盘；10-第二效海水喷淋头；11a、11c-水位限流管；12-第三效海水喷淋头；13-风机；14-挡水板；15-湿空气；16-除湿塔；17-流量计；18-阀门；冷凝器a-19、冷凝器b-20、冷凝器c-21、冷凝器d-22。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种串列式多级等温加热多效回热加湿除湿太阳能海水淡化机，该海水淡化机将多个除湿加湿型海水淡化装置串列起来，进料海水是通过串联竖直排列方式进入装置参与淡化过程，组成一个多效太阳能除湿加湿型海水淡化装置，实现多级的加湿除湿过程；利用太阳能集热器对进料海水进行加热升温，然后经海水喷淋头喷入各效加湿塔内，实现对海水等温加热的过程；与空气进行热湿交换形成湿饱和蒸汽，在各效蒸汽管道中的风机驱动下进入对应的除湿塔内，实现了加湿除湿的过程；高温高湿的蒸汽与冷凝器内部的进料海水进行换热、冷凝，生成淡水，同时对进料海水进行预热，实现了多效回热的过程，提高了太阳能的热利用效率。

如附图1所示，该海水淡化机包括太阳能集热器1、水泵2、储热水箱3、换热器4a、4b、第一效海水喷淋头5、第一效加湿塔6a、塑料小球7、进海水喷淋头8、不锈钢盘9、第二效海水喷淋头10、水位限流管11、第三效海水喷淋头12、风机13、挡水板14、第一效除湿塔16a、流量计17、阀门18、冷凝器a19、冷凝器b20、冷凝器c21、第二效加湿塔6b、第二效除湿塔16b、第三效加湿塔6c和第三效除湿塔16c；

三个加湿塔和除湿塔均为圆柱形腔体，多个加湿塔和除湿塔均通过串列方式连接，第一效塔的底壳作为第二效塔的顶壳，第二效塔的底壳作为第三效塔的顶壳。

塑料小球7表面有亲水膜且表面还分布有孔。

整体连接关系：第一效加湿塔6a内腔顶部安装第一效海水喷淋头5和进海水喷淋头8，进海水喷淋头8位于第一效海水喷淋头5下方，内腔中部焊接有筛型不锈钢盘9，不锈钢盘9采用筛型不锈钢盘，海水可以从不锈钢盘9上漏下，不锈钢盘9上盛置有塑料小球7，内腔底部安装有水位限流管11，第一效除湿塔16内腔设置有冷凝器19a。

第二效加湿塔6b内腔顶部安装第二效海水喷淋头10，内腔中部焊接有不锈钢盘，不锈钢盘上也设置有塑料小球，内腔底部安装有水位限流管，第二效除湿塔16b内腔设置有冷凝器b20，第二效除湿塔16b底部连通出水管路，且出水管路上设置有阀门18。

第三效加湿塔6c内腔顶部安装第三效海水喷淋头12，内腔中部焊接有不锈钢盘，不锈钢盘上也设置有塑料小球，第三效除湿塔16c内腔设置有冷凝器c21，第三效加湿塔6c底部连接浓海水收集器，第三效除湿塔16c底部连接淡水收集器，第三效除湿塔16c底部还连通进料海水管路，管路上还设置有水泵。

太阳能集热器1的热水出口与储热水箱3的进水口相连，储热水箱3的出水口通过水泵2与太阳能集热器1的进水口相连；

第三效除湿塔16c内部的冷凝器c21的一端通过管路串联水泵后与外部进料海水相连通，冷凝器c21的另一端分成两路，一路串联阀门18连接排出装置，另一路串联阀门与第二效除湿塔16b内部的冷凝器b20的一端，冷凝器b20的另一端也分成两路，一路依次串联阀门、流量计17后与进海水喷淋头8相连，另一路与第三效海水喷淋头12相连；

第一效加湿塔6a底部通过海水管路串联水泵与换热器4b的进水口连接，换热器4b的出水口与第一效海水喷淋头5相连，第二效加湿塔6b底部通过海水管路串联水泵与第一效除湿塔16a中的冷凝器19a的进水口相连，冷凝器19a的出水口与换热器4b的进水口相连，换热器4b的出水口与第二效海水喷淋头10相连；

每一效加湿塔与除湿塔的顶部和底部均相连通，且底部通道内分别设置有风机13，在三个除湿塔与风机之间的通道内均设置有挡水板14，防止风机凝结的浓海水污染除湿塔内的淡水。

工作原理：进料海水通过进料海水管路由水泵首先抽入第三效除湿塔16c内的冷凝器c21中，在进入第二效除湿塔16b中冷凝器之前，从阀门18排出部分海水，最后一效的蒸汽温度比较低，需要大量海水来冷却产生淡水，但是这么多海水如果被全部送到上一效冷凝器中，则产生的温升较小，不利于海水最后进入加湿塔进行喷淋蒸发，故排出部分海水；剩余海水进入第二效除湿塔16b中的冷凝器b21中，经过与冷凝器外的湿空气换热后，这部分海水分为两路分别进入到第三效加湿塔6c和第一效加湿塔6a内，进入第三效加湿塔6c内的海水经第三效喷淋头12淋到多层亲水多孔塑料小球上，第三效加湿塔6c底部的浓海水通过管路排出装置外；

进入第一效加湿塔6a内的海水经进海水喷淋头8喷淋到多层亲水多孔塑料小球7上，小球上亲水膜和孔可以形成面积很大的海水膜，空气在风机13a驱动下从下往上流动并与海水膜热湿交换形成热湿空气15进入到第一效除湿塔16a中，未被蒸发的浓海水经筛孔型承重盘9上的小孔流到第一效加湿塔6a底部，第一效加湿塔6a内的水位限流管保证塔底部保留设定体积的浓海水，当上部喷淋海水流入塔底的量超过了水位限流管的高度，海水就会通过该效水位限流管流到下一效的多层亲水多孔塑料小球上，其中第一效加湿塔6a底部的浓海水被水泵抽到储热水箱3的换热器4中受热升温后经第一效喷淋头5再次喷入第一效加湿塔6a内，第二效加湿塔6b底部的浓海水经水泵抽到第一效除湿塔内16a冷凝器中进行换热，然后进入到储热水箱3中的换热器4a中受热升温，经第二效海水喷淋头10喷到第二效加湿塔6b内生成湿空气，太阳能集热器1给储热水箱3中的海水加热。

第一、第二和第三效加湿塔内的热湿空气经风机驱动进入到对应的除湿塔内进行冷凝，湿空气在冷凝器19上凝结成淡水并释放出的汽化潜热预热海水，淡水会顺着管路流到除湿塔的下部排出并进入到淡水收集器中。

图2是两效除湿加湿型太阳能海水淡化机的实施例图。运行原理解释如下：

将三效除湿加湿型太阳能海水淡化机改为两效除湿加湿型太阳能海水淡化机，进料海水从第二效除湿塔16b中的冷凝器b20出来后，分成两路，一路通过阀门18排出一部分海水，另一端进入第一效除湿塔16a中的冷凝器a19的一端，冷凝器a19的另一端分为两路，一路依次串联阀门、流量计17后经过进海水喷淋头8喷淋入第一效加湿塔6a内，另一路经第二效海水喷淋头10淋入第二加湿塔6b，第一效加湿塔6a底部浓海水被水泵抽到储热水箱2的换热器4d中，受热升温后经第一效海水喷淋头5喷入第一效加湿塔6a内，装置运行简单，储热水箱容积小，占地面积小，便于各部件集成，适用于需要较少淡水量的用户。

图3是四效除湿加湿型太阳能海水淡化机的实施例图。运行原理解释如下：

将三效除湿加湿型太阳能海水淡化机增加为四效除湿加湿型太阳能海水淡化机，在三效装置中的第三效加湿塔和除湿塔下增加第四效加湿塔和除湿塔，进料海水由水泵首先抽入第四效除湿塔16d内的冷凝器d22中，在进入第三效除湿塔16c中冷凝器之前，经阀门18排出部分海水，剩余海水进入第三效除湿塔中16c的冷凝器c21中，经过与冷凝器外的湿空气换热后，这部分海水分为两路分别进入到第四效加湿塔6d和第一效加湿塔6a内，进入第四效加湿塔6d内的海水经第四效海水喷淋头20喷淋到多层亲水多孔塑料小球上，第四效加湿塔6d底部的浓海水通过管路排出装置外；

进入第一效加湿塔6a内的海水经进海水喷淋头8喷淋到多层亲水多孔塑料小球7上，小球特殊的结构可以形成面积很大的海水膜，空气在风机13a驱动下从下往上流动并与海水膜热湿交换形成热湿空气15进入到除湿塔16a中，未被蒸发的浓海水经筛型不锈钢盘9上的小孔流到加湿塔6a底部，水位限流管11a保证塔底部保留设定体积的浓海水，当上部喷淋海水流入塔底的量超过了水位限流管11a的高度，海水就会通过水位限流管11a流到下一效的多层亲水多孔塑料小球7上，其中第一效加湿塔6a底部的浓海水被水泵抽到处于储热水箱3的换热器4c中受热升温后经第一效喷淋头5再次喷入第一效加湿塔6a内，第二效加湿塔6b底部的浓海水经水泵抽到第一效除湿塔内16a冷凝器中进行换热，然后进入到储热水箱3中的换热器4a中受热升温，经第二效海水喷淋头10喷到第二效加湿塔6b内生成湿空气；第三效加湿塔6c底部的浓海水经水泵抽到第二效除湿塔内16b冷凝器中进行换热，然后进入到储热水箱3中的换热器4b中受热升温，经第三效海水喷淋头12喷到第三效加湿塔6c内生成湿空气；太阳能集热器1给储热水箱3加热。

第一、第二、第三和第四效加湿塔内的湿空气经风机驱动进入到对应的除湿塔内进行冷凝，湿空气在冷凝器19上凝结成淡水并放出的汽化潜热预热海水，淡水会顺着管路流到除湿塔的下部排出并进入到淡水收集器中。

四效除湿加湿塔的应用增加了装置的淡水产水量，适用于需要较多淡水量的用户。

本发明利用了进料海水温度低的特点，在除湿塔内提高了湿空气和进料海水的换热系数，对湿空气进行冷凝的效果会更明显，凝结潜热利用率会更高，装置结构更简单，维护更方便，且还利用多级等温加热方式，提高了喷淋海水温度，增加了各效湿空气的含湿量，加之最后一效对浓海水所含的热能作了进一步的利用，降低了浓海水排温，提高了太阳能的利用效率和单位集热面积的产水量。

本发明的系统在常压下就可以运行，即使运行温度较低(﹤50℃)也能产水，而且产水稳定可靠。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。