本發(fā)明涉及海水淡化領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置。

背景技術(shù)：

淡水是人類賴以生存的戰(zhàn)略物資。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)淡水的需求日益增加，由于環(huán)境污染和過度開采，全球可獲得的淡水資源日益緊迫，海水淡化技術(shù)已成為對(duì)緩解供水壓力行之有效的一種方法。

目前世界主流的海水淡化技術(shù)是反滲透法和多效蒸餾法，但常規(guī)的海水淡化技術(shù)在保證產(chǎn)水量的前提下均需消耗大量的電力和化石能源。隨著我國海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，船舶、孤島等尚未得到完全開發(fā)的場合同樣也面臨著對(duì)淡水的需求。但從目前中型或小型規(guī)模海水淡化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，已知單獨(dú)的太陽能海水淡化裝置對(duì)太陽能集熱面積、天氣等依賴較大，且產(chǎn)水量不穩(wěn)定，夜間無法工作；單獨(dú)的熱泵海水淡化裝置則多受熱泵機(jī)組性能的影響，能源利用率低、能耗大。因此以太陽能為輔助熱源來替代部分常規(guī)能源，結(jié)合熱泵實(shí)現(xiàn)熱量回收，用于海水淡化，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、能源利用率高的海水淡化過程。

中國專利CN 105645492A公開了一種帶有蒸發(fā)裝置的小型熱泵式海水淡化系統(tǒng)，包括海水室、淡水室、海水蒸發(fā)室、海水蒸發(fā)裝置，該裝置主要利用海水在換熱管表面蒸發(fā)，蒸發(fā)后形成的水蒸氣在風(fēng)機(jī)的作用下在蒸發(fā)器上強(qiáng)制冷凝，從而產(chǎn)生淡水。雖然該裝置的蒸發(fā)裝置可在一定程度上提高海水的蒸發(fā)效率，但蒸發(fā)后的高溫濃海水直接排掉而未對(duì)其熱量回收，造成了熱浪費(fèi)。同時(shí)冷凝完成后的低溫空氣，若其溫度或含濕量高于環(huán)境則可進(jìn)行循環(huán)利用，倘若低于環(huán)境則應(yīng)切換為開式系統(tǒng)從空氣中直接吸氣，運(yùn)行模式較為死板且產(chǎn)水量完全受熱泵性能所限。中國專利CN 1724395A公開了一種太陽能熱泵聯(lián)合海水淡化裝置，包括太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵循環(huán)系統(tǒng)以及閃蒸系統(tǒng)，熱泵經(jīng)太陽能預(yù)熱后提供60～65℃的高溫海水，采用4～8效蒸餾器。雖然較高的海水溫度在真空狀態(tài)下的蒸發(fā)效率會(huì)有所提高，但是該裝置對(duì)海水加熱溫度要求較高，同時(shí)閃蒸系統(tǒng)需要一定的真空度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件較多，對(duì)環(huán)境條件、生產(chǎn)工藝要求較高，不適合用于小型海水淡化裝置。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，利用降膜蒸發(fā)器對(duì)空氣增濕增焓，利用冷海水和熱泵蒸發(fā)器對(duì)濕空氣實(shí)現(xiàn)淡化處理，回收了冷凝潛熱，同時(shí)提高了能源利用率，拓展了裝置的可操作性，減少了能源的消耗，增加了單位耗電量下的產(chǎn)水量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是開發(fā)一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，利用降膜蒸發(fā)器對(duì)空氣增濕增焓，利用冷海水和熱泵蒸發(fā)器對(duì)濕空氣實(shí)現(xiàn)淡化處理，回收了冷凝潛熱，同時(shí)提高了能源利用率，拓展了裝置的可操作性，減少了能源的消耗，增加了單位耗電量下的產(chǎn)水量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，包括壓縮機(jī)、節(jié)流閥、冷凝器、太陽能集熱器、集熱循環(huán)泵、海水—水換熱器、集熱閥門、海水水箱、第一海水循環(huán)泵、第一三通調(diào)節(jié)閥、濃海水排放閥、濃海水排放泵、海水噴淋器、降膜蒸發(fā)器、濃海水采集器、第二三通調(diào)節(jié)閥、淡水排放閥、淡水采集器、翅片換熱器、離心風(fēng)機(jī)、第二海水循環(huán)泵、翅片式蒸發(fā)器；其中，

壓縮機(jī)的循環(huán)工質(zhì)的進(jìn)口通過冷凝器與節(jié)流閥相連接，節(jié)流閥的另一端與翅片式蒸發(fā)器的一端相連接，翅片式蒸發(fā)器的另一端與所壓縮機(jī)的循環(huán)工質(zhì)的出口相連接；

冷凝器的進(jìn)口與海水水箱的一端連接，海水水箱的另一端與第一海水循環(huán)泵連接，冷凝器的出口與海水—水換熱器連接，海水—水換熱器通過太陽能集熱器和集熱循環(huán)泵連接，再通過集熱閥門連接到海水—水換熱器的一端形成一個(gè)循環(huán)；

海水—水換熱器連接海水噴淋器，降膜蒸發(fā)器被設(shè)置于海水噴淋器下方，濃海水采集器被設(shè)置于降膜蒸發(fā)器下方，并且濃海水采集器第一端口通過第一三通調(diào)節(jié)閥與第一海水循環(huán)泵連接，濃海水采集器的第二端口通過濃海水排放泵連接濃海水排放閥；

第一三通調(diào)節(jié)閥的第2端口與第二三通調(diào)節(jié)閥的第3端口連接，第二三通調(diào)節(jié)閥的第2端口與翅片式換熱器的循環(huán)工質(zhì)的出口相連接，與翅片式換熱器與第二海水循環(huán)泵的出口相連接；淡水采集器被設(shè)置于翅片式換熱器的下方，并與淡水排放閥相連；

降膜蒸發(fā)器、翅片式換熱器、翅片式蒸發(fā)器與離心風(fēng)機(jī)相連，組成一個(gè)矩形循環(huán)風(fēng)道。

進(jìn)一步地，太陽能集熱器被設(shè)置為真空管集熱器或平板集熱器中的一種。

進(jìn)一步地，海水—水換熱器被設(shè)置為固定管板式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器中的一種。

進(jìn)一步地，降膜蒸發(fā)器被設(shè)置為采用紙質(zhì)蜂窩填料結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)效率為90％—99％的叉流蒸發(fā)器。

進(jìn)一步地，降膜蒸發(fā)器被設(shè)置為可以以加濕裝置代替。

進(jìn)一步地，包括有熱泵運(yùn)行模式和無熱泵運(yùn)行模式，并且有熱泵運(yùn)行模式和無熱泵運(yùn)行模式可以相互切換。

進(jìn)一步地，翅片式蒸發(fā)器與翅片式換熱器之間被設(shè)置為不保留間隔，翅片式換熱器與降膜蒸發(fā)器之間被設(shè)置為保留間隔，間隔距離被設(shè)置為30mm。

進(jìn)一步地，翅片式蒸發(fā)器的翅片被設(shè)置為由耐海水腐蝕的材料制成，翅片式換熱器的翅片被設(shè)置為由耐海水腐蝕的材料制成。

進(jìn)一步地，第一三通調(diào)節(jié)閥被設(shè)置為可自由調(diào)節(jié)預(yù)熱后的海水和濃海水的混合比例。

進(jìn)一步地，第二三通調(diào)節(jié)閥被設(shè)置為可自由調(diào)節(jié)預(yù)熱海水進(jìn)入第一三通調(diào)節(jié)閥的比例。

在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置僅有熱泵運(yùn)行模式。

技術(shù)效果

本發(fā)明的一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，利用降膜蒸發(fā)器對(duì)空氣增濕增焓，利用冷海水和熱泵蒸發(fā)器對(duì)濕空氣實(shí)現(xiàn)淡化處理，回收了冷凝潛熱，同時(shí)提高了能源利用率，拓展了裝置的可操作性，減少了能源的消耗，增加了單位耗電量下的產(chǎn)水量。

本發(fā)明利用太陽能輔助熱泵技術(shù)，以熱泵冷凝器和太陽能集熱器加熱升溫后的高溫海水噴淋至降膜蒸發(fā)器作為蒸發(fā)過程的熱源，利用冷海水和熱泵蒸發(fā)器完成海水淡化的同時(shí)回收了冷凝潛熱，蒸發(fā)后的高溫濃海水和一定比例的預(yù)熱海水混合回收了部分顯熱，提高了熱效率，降低了系統(tǒng)的能耗。以上過程均為常壓下的傳熱傳質(zhì)，簡化了設(shè)備生產(chǎn)工藝，降低了裝置運(yùn)行條件，較好的實(shí)現(xiàn)了太陽能與熱泵技術(shù)通過增濕除濕過程完成海水淡化的有機(jī)結(jié)合。

利用以上裝置，亦可實(shí)現(xiàn)有熱泵和無熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換。當(dāng)天氣較好進(jìn)入熱泵冷凝器的海水溫度高于40℃時(shí)，即可選擇無熱泵運(yùn)行模式：海水的升溫完全依靠太陽能以及熱量的回收來完成，熱泵機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，以冷海水作為冷卻水完成淡水的產(chǎn)生。當(dāng)天氣較差或夜間太陽能不在良好工作狀態(tài)時(shí)，即可選擇有熱泵運(yùn)行模式：海水的升溫需要熱泵冷凝器和太陽能集熱器以及熱量的回收來共同承擔(dān)。兩種運(yùn)行模式的相互切換在保證穩(wěn)定產(chǎn)水量的前提下，可很大程度減少對(duì)電量的消耗。本發(fā)明的太陽能耦合熱泵海水淡化裝置效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，便于在孤島，特別是白天用電緊張的地區(qū)使用。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一較佳實(shí)施例提供了一種太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，包括壓縮機(jī)1、節(jié)流閥2、冷凝器3、太陽能集熱器4、集熱循環(huán)泵5、海水—水換熱器6、集熱閥門7、海水水箱8、第一海水循環(huán)泵9、第一三通調(diào)節(jié)閥10、濃海水排放閥11、濃海水排放泵12、海水噴淋器13、降膜蒸發(fā)器14、濃海水采集器15、第二三通調(diào)節(jié)閥16、淡水排放閥17、淡水采集器18、翅片換熱器19、離心風(fēng)機(jī)20、第二海水循環(huán)泵21、翅片式蒸發(fā)器22；其中，

壓縮機(jī)1的循環(huán)工質(zhì)的進(jìn)口通過冷凝器3與節(jié)流閥2相連接，節(jié)流閥2的另一端與翅片式蒸發(fā)器22的一端相連接，翅片式蒸發(fā)器22的另一端與所壓縮機(jī)1的循環(huán)工質(zhì)的出口相連接；

冷凝器3的進(jìn)口與海水水箱8的一端連接，海水水箱8的另一端與第一海水循環(huán)泵9連接，冷凝器3的出口與海水—水換熱器6連接，海水—水換熱器6通過太陽能集熱器4和集熱循環(huán)泵5連接，再通過集熱閥門7連接到海水—水換熱器6的一端形成一個(gè)循環(huán)；

海水—水換熱器6連接海水噴淋器13，降膜蒸發(fā)器14被設(shè)置于海水噴淋器13下方，濃海水采集器15被設(shè)置于降膜蒸發(fā)器14下方，并且濃海水采集器15第一端口通過第一三通調(diào)節(jié)閥10與第一海水循環(huán)泵9連接，濃海水采集器15的第二端口通過濃海水排放泵12連接濃海水排放閥11；

第一三通調(diào)節(jié)閥10包括第1端口、第2端口和第3端口；第二三通調(diào)節(jié)閥16包括第1端口、第2端口和第3端口；

第一三通調(diào)節(jié)閥10的第2端口與第二三通調(diào)節(jié)閥16的第3端口連接，第二三通調(diào)節(jié)閥16的第2端口與翅片式換熱器19的循環(huán)工質(zhì)的出口相連接，與翅片式換熱器19與第二海水循環(huán)泵21的出口相連接；淡水采集器18被設(shè)置于翅片式換熱器19的下方，并與淡水排放閥17相連；

降膜蒸發(fā)器14、翅片式換熱器19、翅片式蒸發(fā)器22與離心風(fēng)機(jī)20相連，組成一個(gè)矩形循環(huán)風(fēng)道。

本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，降膜蒸發(fā)器14被設(shè)置為具有蒸發(fā)比表面積大、蒸發(fā)效率高的叉流蒸發(fā)器，采用紙質(zhì)蜂窩填料結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣增濕增焓。海水依次經(jīng)冷凝器3、太陽能集熱器4加熱升溫后經(jīng)海水噴淋器13均勻噴淋在降膜蒸發(fā)器14的蜂窩填料上方，在重力作用下海水沿填料壁形成高溫液膜，低溫干空氣或低溫飽和濕空氣與高溫液膜充分接觸形成高溫飽和濕空氣。

本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，翅片式換熱器19是以冷海水作為冷卻水，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫飽和濕空氣冷凝，在產(chǎn)生淡水的同時(shí)又完成對(duì)冷海水的預(yù)熱，翅片采用具有耐腐蝕的材料制成。

本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，翅片式蒸發(fā)器22是以制冷劑作為冷卻工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)翅片式換熱器19冷凝后濕空氣的第二階段冷凝產(chǎn)生淡水，翅片采用具有耐腐蝕的材料制成。冷凝器3采用套管式低翅片管換熱器。太陽能集熱器4為真空管集熱器或平板式集熱器。

本實(shí)施例的太陽能耦合熱泵海水淡化裝置可實(shí)現(xiàn)有熱泵和無熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換，其工作原理如下：

1、當(dāng)進(jìn)入冷凝器3的海水溫度低于40℃時(shí)，本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中的海水淡化裝置進(jìn)入有熱泵模式：

啟動(dòng)時(shí)，第一三通調(diào)節(jié)閥10完全處于2—3端口位置，第二三通調(diào)節(jié)閥16完全處于2—3端口位置，冷海水由第二海水循環(huán)泵21送至翅片式換熱器19完成冷海水預(yù)熱，依次經(jīng)第一三通調(diào)節(jié)閥10、第二三通調(diào)節(jié)閥16，由第一海水循環(huán)泵9送至海水水箱8。當(dāng)海水水箱8中水位升至指定位置時(shí)，調(diào)節(jié)第二三通調(diào)節(jié)閥16，使海水流經(jīng)1—3端口位置的流量滿足熱泵循環(huán)所需，其余從1—2端口位置排出。海水經(jīng)海水水箱8流至冷凝器3完成海水的第一階段升溫，之后流經(jīng)海水—水換熱器6完成第二階段升溫形成高溫海水，其中，太陽能集熱器4吸收太陽能，循環(huán)工質(zhì)經(jīng)集熱循環(huán)泵5，通過海水—水換熱器6將采集得到的熱量交換給海水。高溫海水經(jīng)海水噴淋器13均勻噴淋至降膜蒸發(fā)器14形成高溫液膜，未蒸發(fā)的高溫海水積存于濃海水采集器15。當(dāng)濃海水采集器15中濃海水液位升至指定位置時(shí)，調(diào)節(jié)第一三通調(diào)節(jié)閥10，使?jié)夂Ｋ鹘?jīng)1—3端口位置和預(yù)熱海水流經(jīng)2—3端口位置的總流量滿足熱泵循環(huán)所需，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。由冷凝器3、壓縮機(jī)1、翅片式蒸發(fā)器22和節(jié)流閥2構(gòu)成了熱泵系統(tǒng)，利用冷凝器3完成對(duì)海水的第一階段升溫，利用翅片式蒸發(fā)器22完成對(duì)濕空氣的第二階段冷凝。循環(huán)風(fēng)道中的干空氣或低溫飽和濕空氣，在離心風(fēng)機(jī)20的驅(qū)動(dòng)下被迫流經(jīng)降膜蒸發(fā)器14完成增焓增濕。高溫飽和濕空氣流經(jīng)翅片式換熱器19，空氣中的水蒸氣在翅片式換熱器19表面凝結(jié)為淡水滴至淡水采集器18完成第一階段冷凝。處理后的空氣繼續(xù)流經(jīng)翅片式蒸發(fā)器22，空氣中殘余的水蒸氣在翅片式蒸發(fā)器22表面凝結(jié)為淡水滴至淡水采集器18完成第二階段冷凝。處理完畢之后的低溫飽和濕空氣作為回風(fēng)重新送至離心風(fēng)機(jī)20的入口完成空氣的循環(huán)。

2、當(dāng)進(jìn)入冷凝器3的海水溫度高于40℃時(shí)，海水淡化裝置進(jìn)入無熱泵模式：

當(dāng)太陽能耦合熱泵海水淡化裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，進(jìn)入冷凝器3的海水溫度高于40℃時(shí)，此時(shí)熱泵機(jī)組選擇進(jìn)入停機(jī)模式，主要原因一是冷凝器3進(jìn)水溫度過高，影響熱泵機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，二是此溫度下的海水不經(jīng)熱泵第一階段升溫，亦可保證一定的產(chǎn)水量，同時(shí)又節(jié)省了相當(dāng)部分的能耗。熱泵機(jī)組停機(jī)后，海水經(jīng)海水水箱8通過冷凝器3后流經(jīng)海水—水換熱器6完成海水的升溫，其中，太陽能集熱器4吸收太陽能，循環(huán)工質(zhì)經(jīng)集熱循環(huán)泵5，通過海水—水換熱器6將采集得到的熱量交換給海水。高溫海水經(jīng)海水噴淋器13均勻噴淋至降膜蒸發(fā)器14形成高溫液膜，未蒸發(fā)的高溫海水積存于濃海水采集器15。冷海水由第二海水循環(huán)泵21流經(jīng)翅片式換熱器19完成冷海水預(yù)熱同時(shí)完成對(duì)濕空氣的冷凝。循環(huán)風(fēng)道中的干空氣或低溫飽和濕空氣，在離心風(fēng)機(jī)20的驅(qū)動(dòng)下被迫流經(jīng)降膜蒸發(fā)器14完成增焓增濕。高溫飽和濕空氣流經(jīng)翅片式換熱器19，空氣中的水蒸氣在翅片式換熱器19表面凝結(jié)為淡水滴至淡水采集器18完成冷凝。處理后的空氣繼續(xù)流經(jīng)翅片式蒸發(fā)器22，作為回風(fēng)重新送至離心風(fēng)機(jī)20的入口完成空氣的循環(huán)。

本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，將預(yù)熱海水作為補(bǔ)充水，而將高溫濃海水全部排掉。

本發(fā)明的又一較佳實(shí)施例中，以增濕為目的的降膜蒸發(fā)器裝置被設(shè)置為可以使用其他類型的加濕裝置，并不局限于降膜蒸發(fā)器。

通過以上太陽能耦合熱泵海水淡化裝置，實(shí)現(xiàn)了將太陽能集熱器、熱泵機(jī)組和增濕除濕技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。以冷海水作為冷卻水完成第一階段濕空氣冷凝同時(shí)回收了冷凝潛熱，而冷凝后的海水和未蒸發(fā)的濃海水混合回收了部分顯熱，熱泵蒸發(fā)器完成第二階段濕空氣冷凝同時(shí)回收了冷凝潛熱，提供了熱效率，降低了系統(tǒng)的能耗。且在上述過程中，僅存在傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，系統(tǒng)常壓運(yùn)行，設(shè)備制造工藝簡單。同時(shí)，結(jié)合本裝置的特點(diǎn)，亦可實(shí)現(xiàn)不同氣候條件的兩種運(yùn)行模式，最大化的利用了太陽能資源。

本發(fā)明利用太陽能輔助熱泵技術(shù)，以熱泵冷凝器和太陽能集熱器加熱升溫后的高溫海水噴淋至降膜蒸發(fā)器作為蒸發(fā)過程的熱源，利用冷海水和熱泵蒸發(fā)器完成海水淡化的同時(shí)回收了冷凝潛熱，蒸發(fā)后的高溫濃海水和一定比例的預(yù)熱海水混合回收了部分顯熱，提高了熱效率，降低了系統(tǒng)的能耗。以上過程均為常壓下的傳熱傳質(zhì)，簡化了設(shè)備生產(chǎn)工藝，降低了裝置運(yùn)行條件，較好的實(shí)現(xiàn)了太陽能與熱泵技術(shù)通過增濕除濕過程完成海水淡化的有機(jī)結(jié)合。

利用以上裝置，亦可實(shí)現(xiàn)有熱泵和無熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換。當(dāng)天氣較好進(jìn)入熱泵冷凝器的海水溫度高于40℃時(shí)，即可選擇無熱泵運(yùn)行模式：海水的升溫完全依靠太陽能以及熱量的回收來完成，熱泵機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，以冷海水作為冷卻水完成淡水的產(chǎn)生。當(dāng)天氣較差或夜間太陽能不在良好工作狀態(tài)時(shí)，即可選擇有熱泵運(yùn)行模式：海水的升溫需要熱泵冷凝器和太陽能集熱器以及熱量的回收來共同承擔(dān)。兩種運(yùn)行模式的相互切換在保證穩(wěn)定產(chǎn)水量的前提下，可很大程度減少對(duì)電量的消耗。本發(fā)明的太陽能耦合熱泵海水淡化裝置效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，便于在孤島，特別是白天用電緊張的地區(qū)使用。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。