一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种海水淡化装置，尤其是一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置。

背景技术

俗话说，三分陆地，七分海洋，海洋之中蕴藏着广阔的能源。船舶远海航行，人员、设备均需要消耗大量淡水，而淡水供应一旦出现了问题，将导致整个船舶都陷入到危险当中。现阶段船舶航行除了携带淡水出行之外，另一种补给淡水的方式就是利用海水淡化装置产水。

针对于中小型船舶来说，船内空间紧张，携带淡水除了淡水储存占用大量有效空间，降低货舱容积，影响经济效益外，淡水储存时水质保持问题也往往需要合适的设备。因此船舶更倾向于采用海水淡化装置在进行远洋航行时提供新鲜的淡水。目前较为实用的海水淡化方法为渗透膜法和蒸馏法，其中渗透膜法因为其能耗低，成为海水淡化的主要技术，但渗透膜法也有其缺点，如其制出的淡水实质上低盐海水，仍然含有相当的可溶性盐，不是纯净的淡水，使其使用范围受限。蒸馏法可以提供纯净的淡水，但是由于蒸发能耗大，因此应用的不多，在岸上大型海水淡化厂中，有采用多效蒸发的工艺对蒸发废热进行循环利用，以提高能源利用效率，但多效蒸发意味着多个锅炉，其占地面积是中小船舶万万不能接受的。近几年兴起的蒸汽再蒸发技术可通过热泵原理将废热二次蒸汽重新变成高品质的生蒸汽重新用于蒸馏热源，高效节能且占地面积小。传统的蒸汽压缩再利用技术在初始启动时需要生蒸汽供应或电加热，在船上较难提供生蒸汽而有限的电力用于加热格外浪费。船用发动机正常工作时冷却水温度为80℃左右，该温度接近正常大气压的水的沸点。该部分热量大部分随冷却水或空气散失，没有有效的利用起来。此外海水蒸发结垢会影响换热效率。

发明内容

本发明提供了一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置，本发明采用蒸汽再压缩技术通过热泵循环，将二次蒸汽转化为生蒸汽用作蒸发的加热源。通过将高温的发动机冷却水引入热交换系统，省去了启动时的生蒸汽源和电加热设备，在正常运行时利用该部分热量可增大传热温差，减少传热面积，降低设备的占地和重量,提高了蒸发型海水淡化装置能源利用率，且使海水淡化装置具有更紧凑的体积，更适用于中小船舶狭小的舱室。通过有效的设计，使得定期清洗成为可能。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置，包括海水管路、第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、蒸发器、设于蒸发器内的蒸发器盘管、蒸汽管路、压缩机、淡水管路、发动机冷却水管路、浓盐水管路以及安全系统，所述海水管路依次连接第一级换热器的冷端、第二级换热器的冷端、第三级换热器的冷端和蒸发器，蒸发器、压缩机以及蒸发器盘管之间通过蒸汽管路连接，所述淡水管路依次连接蒸发器盘管、第三级换热器热端和第一级换热器热端，所述第二级换热器的热端与发动机冷却水管路连接，所述浓盐水管路与蒸发器底部的出口相连接，所述安全系统包括压力表、压力表接管和安全阀，所述压力表用于检测蒸汽压力，所述压缩机连接有转子电机。

进一步地优选，所述海水管路包括低温海水进水管、中低温海水进水管、中高温海水进水管和高温海水进水管，中低温海水进水管两端分别连接第一级换热器和第二级换热器，中高温海水进水管两端分别连接第二级换热器和第三级换热器，高温海水进水管两端分别连接第三级换热器和蒸发器。

进一步地优选，所述蒸汽管路包括低温蒸汽管和高温蒸汽管，所述低温蒸汽管一端连接蒸发器顶部，另一端连接压缩机进口，蒸发器与低温蒸汽管的连接处设有气液分离器，所述压缩机的出口与高温蒸汽管相连，高温蒸汽管与蒸发器盘管相连。

进一步地优选，所述淡水管路包括高温淡水进水管、中温淡水进水管和淡水出水管，高温淡水进水管两端分别连接蒸发器盘管和第三级换热器，中低温海水进水管两端分别连接第三级换热器和第一级换热器。

进一步地优选，所述发动机冷却水管路包括发动机冷却水进管和发动机冷却水出管。

进一步地优选，所述浓盐水管路包括浓盐水进水管和浓盐水出水管，浓盐水进水管与蒸发器底部连接，浓盐水进水管和浓盐水出水管之间连接有浓盐水泵。

进一步地优选，所述压力表包括第一压力表、第二压力表和第三压力表，压力表接管包括第一压力表接管、第二压力表接管和第三压力表接管，第一压力表通过第一压力表接管连接低温蒸汽管，第二压力表通过第二压力表接管连接蒸发器，第三压力表通过第三压力表接管连接高温蒸汽管，所述安全阀包括第一安全阀和第二安全阀，第一安全阀连接高温蒸汽管，第二安全阀连接蒸发器。

进一步地优选，所述蒸发器的上盖板上设有支架，第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、压缩机以及转子电机均设于该支架上。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

对比直接蒸发法制取淡水，本发明能耗低，对于多效蒸发制取淡水，本发明结构紧凑占地小，对于常规机械蒸汽在压缩技术，本发明引入了发动机冷却水和真空蒸发降低海水沸点，省去了启动时对生蒸汽和电加热的需求，进一步降低了能耗和紧凑了结构，在紧凑结构之余，还具有易拆洗的特点。通过合理设置各级换热器及其热源，在不增加能耗的基础上提高传热温差，降低传热面积，进一步紧凑结构。

附图说明

图1是本发明海水淡化装置的流程示意图

图2是本发明海水淡化装置的结构示意图

图3是图2中的半剖图

图中：1—外置便携容器，2—第一压力表接管，3—第二压力表接管，4—第三压力表接管，5—蒸发器，6—浓盐水出水管，7—中低温海水进水管，8—浓盐水进水管，9—发动机冷却水出管，10—发动机冷却水进管，11—第二级换热器，12—支架，13—浓盐水泵，14—中高温海水进水管，15—低温蒸汽管，16—转子电机，17—压缩机，18—高温蒸汽管，19—第三级换热器，20—高温海水进水管，21—中温淡水进水管，22—第一级换热器，23—第一压力表，24—第二压力表，25—第三压力表，26—低温海水进水管，27—淡水出水管，28—上盖板，29—第一阀门，30—气液分离器，31—第一安全阀，32—第二安全阀，33—高温淡水进水管，34—蒸发器盘管，35—盘管支架，36—第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置，包括海水管路、第一级换热器22、第二级换热器11、第三级换热器19、蒸发器5、设于蒸发器5内的蒸发器盘管34、蒸汽管路、压缩机17、淡水管路、发动机冷却水管路、浓盐水管路以及安全系统，所述海水管路依次连接第一级换热器22的冷端、第二级换热器11的冷端、第三级换热器19的冷端和蒸发器5，蒸发器5、压缩机17以及蒸发器盘管34之间通过蒸汽管路连接，所述淡水管路依次连接蒸发器盘管34、第三级换热器19热端和第一级换热器22热端，所述第二级换热器11的热端与发动机冷却水管路连接，所述浓盐水管路与蒸发器5底部的出口相连接，所述安全系统包括压力表、压力表接管和安全阀，所述压缩机17连接有转子电机16，转子电机为压缩机提供动力。

海水管路包括低温海水进水管26、中低温海水进水管7、中高温海水进水管14和高温海水进水管20，中低温海水进水管7两端分别连接第一级换热器22和第二级换热器11，中高温海水进水管14两端分别连接第二级换热器11和第三级换热器19，高温海水进水管20两端分别连接第三级换热器19和蒸发器5。低温海水进水管26连接第一级换热器22冷端进口，第一级换热器22冷端出口连接中低温海水进水管7，中低温海水进水管7另一端连接第二级换热器11冷端进口，第二级换热器11冷端出口连接中高温海水进水管7，中高温海水进水管7另一端连接第三级换热器19冷端进口，第三级换热器19冷端出口连接高温海水进水管20，高温海水进水管20另一端连接蒸发器5。

启动时压缩机17启动，在蒸发器5内形成真空环境，真空由进气管路传递到海水吸入口，海水自低温海水进水管26处流入海水进水管路。所述进水管路内海水流动具体如下：在持续工作时海水在低温海水进水管26流入第一级换热器22并在第一级换热器22中进行预热，随后流入中低温海水进水管7，再流入第二级换热器11与发动机冷却系统提供的发动机冷却水进行换热，之后流出第二级换热器11后流入中高温海水进水管14，流入第三级换热器19与流入其内的高温淡水进行换热，换热之后由高温海水进水管20流出并随后流入蒸发器5进行蒸发。在启动时由于蒸发器5内并无高温水蒸气产生，因此第一级换热器22和第三级换热器19内并无高温流体，换热仅通过第二级换热器11进行。

蒸汽管路包括低温蒸汽管15和高温蒸汽管18，所述低温蒸汽管15一端连接蒸发器5顶部，另一端连接压缩机17进口，蒸发器5与低温蒸汽管15的连接处设有气液分离器30，所述压缩机17的出口与高温蒸汽管18相连，高温蒸汽管18与蒸发器盘管34相连。蒸发器盘管34安装于盘管支架35上。所述蒸汽管路内蒸汽流动具体如下：在持续工作阶段高温海水在蒸发器5内与蒸发器盘管34内的高温蒸汽进行换热蒸发，所蒸发的蒸汽经过气液分离器30排除水蒸气中的液沫后由低温蒸汽管15进入压缩机17，在压缩机17内进行压缩成为高压高温蒸汽，紧接着高温水蒸气经高温蒸汽管18排入到蒸发器盘管34，蒸发器盘管34内的高温蒸汽与蒸发器5内的高温海水进行换热并冷凝成高温淡水。在启动工作阶段由于只有第二级换热器11工作，所以高温海水温度没有达到沸点，但此时由于压缩机持续工作，蒸发器5内的气体被压缩机吸走，而蒸发器5内的液体由于没达到沸点无法蒸发补充吸走的气体，蒸发器5内的气压将持续下降，由于气压下降，海水的沸点也持续降低，当沸点降低到高温海水的温度时，高温海水沸腾，开始产生高温蒸汽和之后的高温淡水，第一级换热器22、第三级换热器19开始有了热源，此时将进入之前描述的持续工作阶段。

淡水管路包括高温淡水进水管33、中温淡水进水管21和淡水出水管27，高温淡水进水管33两端分别连接蒸发器盘管34和第三级换热器19，中低温海水进水管21两端分别连接第三级换热器19和第一级换热器22。所述淡水管路内淡水具体流动如下：蒸发器盘管34内冷凝的高温淡水自高温淡水进水管33流入第三级换热器19对第三级换热器19内的中温海水进加热，从第三级换热器19流出后流入中温淡水出水管21，随后流入第一级换热器22对之前流入第一级换热器22的海水进行预热，并将自身温度降为常温随后流入淡水出水管27并由外置便携容器1收集。

发动机冷却水管路包括发动机冷却水进管10和发动机冷却水出管9。所述发动机冷却水管路内冷却水具体流动如下：发动机冷却水进管10内的发动机冷却水从第二级换热器热11热端进口流入，并与第二级换热器11内的中低温海水进行换热，从第二级换热器11热端出口流出，流入发动机冷却水出管9。

浓盐水管路包括浓盐水进水管8和浓盐水出水管6，浓盐水进水管8与蒸发器5底部连接，浓盐水进水管8和浓盐水出水管6之间连接有浓盐水泵13。所述浓盐水管路内浓盐水具体流动如下：蒸发器5内高温海水蒸发后剩下的浓盐水，在浓盐水泵13的作用下进入浓盐水进管8，经过浓盐水泵13，再进入浓盐水出管6并排出。

所述压力表用于检测蒸汽压力，压力表包括第一压力表23、第二压力表24和第三压力表25，压力表接管包括第一压力表接管2、第二压力表接管3和第三压力表接管4，第一压力表23通过第一压力表接管2连接低温蒸汽管15，第二压力表24通过第二压力表接管3连接蒸发器5，第三压力表25通过第三压力表接管4连接高温蒸汽管18，所述安全阀包括第一安全阀31和第二安全阀32，第一安全阀31连接高温蒸汽管18，第二安全阀32连接蒸发器5。所述压力表23与压力表接管2连接低温蒸汽管14以便检测其管内蒸汽压力。所述压力表24与压力表接管3连接蒸发器5顶部以便检测其蒸发器5内的蒸汽压力。所述压力表25与压力表接管4连接高温蒸汽管18以便检测其管内蒸汽压力。所述安全阀31，32分别用来防止高温蒸汽管18、蒸发器5内压力过高。

蒸发器5的上盖板上设有支架12，第一级换热器22、第二级换热器11、第三级换热器19、压缩机17以及转子电机16均设于该支架12上。可掀开上盖板对蒸发器5内壁进行清洗，尤其是蒸发器盘管34可随上盖板一起取出，盘管具有规则的形状，有足够的空间进行机械式除垢。在船舶出海结束后的休整期可对该海水淡化装置进行清洗除垢，使其工作在高效卫生的区间范围内。

发动机冷却水进管10连接有第一阀门29，淡水出水管27连接有第二阀门36。

本发明一种基于蒸汽再压缩和发动机余热利用的节能型船用海水淡化装置操作步骤如下：

步骤一：启动第一阀门29，将发动机冷却水输入第二换热器11。

步骤二：打开第二阀门36，启动转子电机16，带动压缩机17工作，蒸发器5内形成负压，并沿管路和换热器传导至低温海水进水管26，自此系统吸入海水。将海水顺着低温海水进水管26输入该装置，在第一级换热器22、第二级换热器11、第三级换热器19作用下升温输入蒸发器5中进行蒸发，蒸发后的蒸汽进入压缩机17内压缩升温，再在蒸发器5、第三级换热器19、第一级换热器22作用下降温为淡水排出到外置便携容器1。启动浓盐水泵13，将浓盐水排出。

步骤三：停止通入海水后，关闭第一阀门29，关闭转子电机16，待不再有淡水流出，关闭第二阀门36，待不在有浓盐水流出，关闭浓盐水泵13。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。