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利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统.pdf

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利用 空气 作为 传热 介质 纳米 流体 海水 淡化 系统
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摘要
申请专利号:

CN201610394448.5

申请日:

2016.06.07

公开号:

CN106006801A

公开日:

2016.10.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C02F 1/04申请日:20160607|||公开
IPC分类号: C02F1/04; F25B39/04; F28F13/12; F28D1/04; C02F103/08(2006.01)N 主分类号: C02F1/04
申请人: 重庆大学
发明人: 刘玉东; 苏闯建; 刘佑骐; 耿世超; 王江情; 高?#35272;?
地址: 400045 重庆市沙坪坝区沙正街174号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 重庆市前沿专利事务所(普通合伙) 50211 代理人: 谭春艳
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610394448.5

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2019.03.01|||2016.11.09|||2016.10.12

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,空气经空气压缩机、空气分流器进入涡流管,涡流管的热端出口与首效海水蒸馏器相连,冷空气进入第二冷凝器,在海水池内海水与纳米粒子进行混合后进入纳米流体分流器,然后分别分到第一冷凝器、第二和第三预热器。所有预热器的纳米流体出口与首效海水蒸馏器的纳米流体进口相连。首效海水蒸馏器出来的热空气用作第三预热器的热源,上一效海水蒸馏器的水蒸汽用作下一效海水蒸馏器的热源,上一效海水蒸馏器的浓纳米流体流到下一效海水蒸馏器,最后一效海水蒸馏器出来的浓纳米流体以及水蒸汽分别用作第二预热器和第一预热器的热源,水蒸汽和淡水经第一冷凝器和第二冷凝器冷凝,高效节能。

权利要求书

1.一种利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,其特征在于:包
括空气压缩机(1)、空气分流器(2)、多个涡流管(3)、多效海水蒸馏器、真
空泵(10)、第一冷凝器(9)、第二冷凝器(11)和海水池(15),所述空气压
缩机(1)的压缩空气出口与空气分流器(2)的进口相连,所述空气分流器(2)
有多个出口,每个出口与一个涡流管(3)的喷嘴相连,所有涡流管(3)的热
端出口与首效海水蒸馏器(4)的换热管入口相连,所有涡流管(3)的冷端出
口与第二冷凝器(11)的冷空气进口相连,所述第二冷凝器(11)的空气出口
与空气压缩机(1)的冷却器相连,所有海水蒸馏器均采用减压蒸馏;
所述海水池(15)上设置海水进口,在海水池(15)内设置搅拌装置(14),
在所述海水池(15)内海水与用于?#26723;?#28023;水沸腾时的过热度、增加临界热流密
度、提高传热系数的纳米粒子进行混?#31995;?#21040;纳米流体,所述海水池(15)的纳
米流体出口与纳米流体分流器(17)相连,所述纳米流体分流器(17)其中一
个出口与第一冷凝器(9)的纳米流体进口相连,所述第一冷凝器(9)的纳米
流体出口与第一预热器(6)的纳米流体进口相连,所述纳米流体分流器(17)
另外两个出口分别与第二预热器(7)和第三预热器(8)的纳米流体进口相连,
所有预热器的纳米流体出口与首效海水蒸馏器(4)的纳米流体进口相连;
所述首效海水蒸馏器(4)的换热管出口与第三预热器(8)的热源进口相
连,上一效海水蒸馏器出来的水蒸汽用作下一效海水蒸馏器的热源,上一效海
水蒸馏器的浓纳米流体出口与下一效海水蒸馏器的纳米流体进口相连,最后一
效海水蒸馏器出来的浓纳米流体以及水蒸汽分别用作第二预热器(7)和第一预
热器(6)的热源对里面的纳米流体进行预热,所述第一预热器(6)出来的水
蒸汽和最后一效海水蒸馏器出来的淡水进行混合后进入第一冷凝器(9)进行冷
却,第一冷凝器(9)的淡水出口与第二冷凝器(11)的淡水进口相连。
2.根据权利要求1所述利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,
其特征在于:所述海水蒸馏器为两效,其中首效海水蒸馏器(4)出来的水蒸汽
用作第二效海水蒸馏器(5)的热源,首效海水蒸馏器(4)的浓纳米流体出口
与第二效海水蒸馏器(5)的纳米流体进口相连,第二效海水蒸馏器(5)出来
的浓纳米流体以及水蒸汽分别用作第二预热器(7)和第一预热器(6)的热源
对里面的纳米流体进行预热。
3.根据权利要求1或2所述利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系
统,其特征在于:所述海水池(15)的纳米流体出口与纳米流体分流器(17)
相连的管道上设置有增压泵(16)。
4.根据权利要求3所述利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,
其特征在于:所述搅拌装置(14)为超声搅拌装置。
5.根据权利要求1所述利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,
其特征在于:所述纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化铜、
纳米氧化铁、纳米氧化石墨烯。
6.根据权利要求2或5所述利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统,
其特征在于:真空泵(10)与第二效海水蒸馏器(5)相连,所述首效海水蒸馏
器(4)通过真空管与第二效海水蒸馏器(5)相连。

说明书

利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种海水淡化系统,特别涉及一种利用空气作为传热介质的纳
米流体海水淡化系统。

背景技术

人类的生存需要淡水,人类的发展更是需要大量的淡水,然而地球上淡水
资源含量不足3%且大部?#36136;?#38590;以被利用的。随着工业的飞速发展,能源和淡水
资源的消?#33041;?#26469;越快,世界上大部分地区已经出现不同程度的淡水不足的问题。
而人口的增长将使淡水短缺的现状更加严重。研究表明海水淡化是解决淡水资
源缺乏的有效途径。

海水淡化技术就是将盐分和水分分离的技术,目前有十多种方式,最主要
的包括蒸馏法、膜法等。蒸馏法主要有多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT-MED)、
压汽蒸馏(VC),膜法主要是反渗透(RO)。上述海水淡化方法都需要消耗大量化
石能源与电力,这加剧了地球温室效应和环境污?#38236;?#38382;题。因?#25628;?#25214;新的能源
对海水进行淡化迫在眉睫。

随着淡水的?#25214;?#30701;缺和能源问题的?#25214;?#31361;出,海水淡化设备热交换系统的传
热负荷和传热强?#28909;找?#22686;大,热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也?#25214;嬋量?
对热交换系统的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高,对强化传热技术提
出了新的更高的要求。因此需寻找热性能好的高效紧凑式热交换设备,满足高负
荷传热要求,满足特殊条件下的强化传热要求。以往强化传热技术的研究多从强
化换热表面、制造工艺以及外力辅助?#28909;?#25163;,要进一步提高热交换系统的传热
性能,此时换热工质的传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要
因素。要进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备,必
须从工质本身入手研制高效新型换热工质。

发明内容

针对现有的问题,本发明的目的在于提供一种利用空气作为传热介质的纳
米流体海水淡化系统,体积小、重量轻、传热性能好,结构紧凑、环保。

为了实现上述目的,本发明的技术方案为:一种利用空气作为传热介质的
纳米流体海水淡化系统,其特征在于:包括空气压缩机、空气分流器、多个涡
流管、多效海水蒸馏器、真空泵、第一冷凝器、第二冷凝器和海水池,所述空
气压缩机的压缩空气出口与空气分流器的进口相连,所述空气分流器有多个出
口,每个出口与一个涡流管的喷嘴相连,所有涡流管的热端出口与首效海水蒸
馏器的换热管入口相连,所有涡流管的冷端出口与第二冷凝器的冷空气进口相
连,所述第二冷凝器的空气出口与空气压缩机的冷却器相连,所有海水蒸馏器
均采用减压蒸馏;

所述海水池上设置海水进口,在海水池内设置搅拌装置,在所述海水池内
海水与纳米粒子进行混?#31995;?#21040;纳米流体,所述纳米粒子用于?#26723;?#28023;水沸腾时的
过热度、增加临界热流密度、提高传热系数,所述海水池的纳米流体出口与纳
米流体分流器相连,所述纳米流体分流器其中一个出口与第一冷凝器的纳米流
体进口相连,所述第一冷凝器的纳米流体出口与第一预热器的纳米流体进口相
连,所述纳米流体分流器另外两个出口分别与第二预热器和第三预热器的纳米
流体进口相连,所有预热器的纳米流体出口与首效海水蒸馏器的纳米流体进口
相连;

所述首效海水蒸馏器的换热管出口与第三预热器的热源进口相连,上一效
海水蒸馏器出来的水蒸汽用作下一效海水蒸馏器的热源,上一效海水蒸馏器的
浓纳米流体出口与下一效海水蒸馏器的纳米流体进口相连,最后一效海水蒸馏
器出来的浓纳米流体以及水蒸汽分别用作第二预热器和第一预热器的热源对里
面的纳米流体进行预热,所述第一预热器出来的水蒸汽和最后一效海水蒸馏器
出来的淡水进行混合后进入第一冷凝器进行冷却,第一冷凝器的淡水出口与第
二冷凝器的淡水进口相连。

优选:所述海水蒸馏器为两效,其中首效海水蒸馏器出来的水蒸汽用作第
二效海水蒸馏器的热源,首效海水蒸馏器的浓纳米流体出口与第二效海水蒸馏
器的纳米流体进口相连,第二效海水蒸馏器出来的浓纳米流体以及水蒸汽分别
用作第二预热器和第一预热器的热源对里面的纳米流体进行预热。这样保证蒸
馏效率的前提下,充分利用热能。

采用上述方案,周围环境空气进入空气压缩机压缩后形成高压气流,高压
气流在空气分流器进行分流。分流后的高压气流经涡流管的喷嘴进入涡流发生
室,高压空气在涡流管的涡流发生室内形成涡流并产生冷热分离。分离后的冷
空气从冷端出口排出后进入第二冷凝器吸热,由于吸热后的冷流体温?#28909;?#28982;较
低,被用于冷却空气压缩机。分离后的热空气从热端出口排出后进入首效海水
蒸馏器加热纳米流体,首效海水蒸馏器流出的热空气在第三预热器中进一步放
热后排出。海水在海水泵作用下进入海水池,在搅拌装置的作用下,纳米粒子
被均匀分散在海水池海水?#26800;?#21040;纳米流体。纳米粒子?#26723;?#28023;水沸腾时的过热度,
增加临界热流密度,提高传热系数。纳米流体进入纳米流体分流器分流。分流
后的纳米流体进入第一冷凝器、第二预热器、第三预热器吸热。第一冷凝器出
来的纳米流体在第一预热器进一步吸热后与从第二、第三预热器出来的纳米流
体汇流后进入首效海水蒸馏器。纳米流体在首效海水蒸馏器吸热后部分低温蒸
发,产生的水蒸汽在压差作用下流入第二效海水蒸馏器,未蒸发纳米流体在重
力和压差的作用下流入第二效海水蒸馏器。第二效海水蒸馏器中纳米流体吸收
水蒸汽凝结热量后部分蒸发,未蒸发部分在第二预热器中放热后经浓海水泵排
出。第二效海水蒸馏器中产生的水蒸汽在第一预热器中凝结放热后与第二效海
水蒸馏器产生的淡水(换热管出来的经冷却的水蒸气)汇流,汇流后的淡水在
第一冷凝器和第二冷凝器进一步放热后经淡水泵排出。

在上述方案中:所述海水池的纳米流体出口与纳米流体分流器相连的管道
上设置有增压泵。

在上述方案中,所述搅拌装置为超声搅拌装置。有利于纳米粒子的均匀分
散。

优选的:所述纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化铜、
纳米氧化铁、纳米氧化石墨烯。

在上述方案中,真空泵与第二效海水蒸馏器相连,所述首效海水蒸馏器通
过真空管与第二效海水蒸馏器相连。这样,从首效海水蒸馏器到第二效海水蒸
馏器的真空度?#26723;停?#39318;效海水蒸馏器的温度?#31995;?#20108;效海水蒸馏器的温度高,保
证了海水、水蒸气的稳定流动和不同温度的高品位热源梯度利用。

本发明的有益效果是:

1、本发明通过设置空气压缩机,获得高压空气,海水淡化所需热量来自热
空气。相当于采用少量的电能作为辅助,从低品味热源(空气)中获得热量来
驱动海水淡化系统。

2、本发明通过设置涡流管提高空气温度。涡流管将空气压缩机排出的高压
空气在Ranque–Hilsch效应作用下分为冷热两部分,温度更高的热流体进入首效
海水蒸馏器中,提供纳米流体部分蒸发的热量。同时温度更低的流体在第二冷
凝器吸收少许热量后用于冷却空气压缩机,保证了空气压缩机的稳定安全高效
运行。涡流管的使用提升了高压空气的供热温度,同时本发明采用涡流管并联
的方式,既能适合热能的利用,也能适合冷能的利用。

3、本发明通过设置超声波搅拌器将纳米颗粒均匀分散在海水?#26800;?#21040;纳米流
体,将纳米流体这一高效传热技术应用于海水淡化系统。纳米流体导热系数高、
传热性能好,?#19978;?#33879;提高换热器的传热性能,减小换热器的尺寸?#32479;?#25237;资,同
时可大大?#26723;?#28909;量传递过程中的能耗,对节能和环保意义重大。纳米流体作为一
种新型强化传热工质,对于提高海水淡化系统的经济性、可靠性和高效紧凑化
也有重要意义,在海水淡化领域具有广阔的应用前景和潜在的巨大经?#30473;?#20540;。

4、本发明中海水在第一冷凝器和第一预热器中吸收淡水和水蒸汽冷凝热
量,在第二预热器中吸收浓海水热量,在第三预热器中吸收热空气热量,提高
系统热量的利用效率。

附图说明:

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述:

实施例1

如图1所示,利用空气作为传热介质的纳米流体海水淡化系统由空气压缩
机1、空气分流器2、涡流管3、首效海水蒸馏器4、第二效海水蒸馏器5、第一
预热器6、第二预热器7、第三预热器8、第一冷凝器9、真空泵10、第二冷凝
器11、淡水泵12、海水泵13、超声波搅拌器14、海水池15、增压泵16、纳米
流体分流器17、浓海水泵18等部件组成

空气压缩机1的压缩空气出口与空气分流器2的进口相连,空气分流器2
有多个出口,每个出口与一个涡流管3的喷嘴相连,在此处,空气分流器2有
四个出口,涡流管3也为四个。涡流管3的结构为现有技术,包括喷嘴、涡流
发生室、冷端出口和热端出口。

所有涡流管3的热端出口与首效海水蒸馏器4的换热管入口相连,所有涡
流管3的冷端出口与第二冷凝器11的冷空气进口相连,第二冷凝器11的空气
出口与空气压缩机1的冷却器相连,该冷空气在第二冷凝器11与淡水进行热交
换后,再到空气压缩机的冷却器对空气压缩机1进行冷却。所有海水蒸馏器均
在用减压蒸馏,具体的:真空泵10与第二效海水蒸馏器5相连,首效海水蒸馏
器4通过真空管与第二效海水蒸馏器5相连。这样由于第二效海水蒸馏器5的
温度较首效海水蒸馏器4的温度低,真空?#28909;?#36739;高,保证了海水、水蒸气的稳
定流动和不同温度的高品位热源梯度利用。

海水池15上设置海水进口,海水泵13与海水进口相连,海水泵13将海水
抽到海水池15内。在海水池15内设置搅拌装置14,优选为超声搅拌装置,有
利于纳米粒子在海水中的均匀分散。在海水池15内海水与纳米粒子进行混?#31995;?br />到纳米流体,优选纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化铜、
纳米氧化铁、纳米氧化石墨烯等。纳米粒子用于?#26723;?#28023;水沸腾时的过热度,增
加临界热流密度,提高传热系数。海水池15的纳米流体出口与纳米流体分流器
17相连,海水池15的纳米流体出口与纳米流体分流器17相连的管道上设置有
增压泵16。纳米流体分流器17具有三个出口,其中一个出口与第一冷凝器9的
纳米流体进口相连,第一冷凝器9的纳米流体出口与第一预热器6的纳米流体
进口相连,纳米流体分流器17其余出口分别与第二预热器7和第三预热器8的
纳米流体进口相连,所有预热器的纳米流体出口与首效海水蒸馏器4的纳米流
体进口相连。

首效海水蒸馏器4的换热管出口与第三预热器8的热源进口相连,首效海
水蒸馏器4出来的热空气用作第三预热器8的热源,对里面的纳米流体进行预
热,上一效海水蒸馏器出来的水蒸汽用作下一效海水蒸馏器的热源,上一效海
水蒸馏器的浓纳米流体出口与下一效海水蒸馏器的纳米流体进口相连,最后一
效海水蒸馏器出来的浓纳米流体以及水蒸汽分别用作第二预热器7和第一预热
器6的热源对里面的纳米流体进行预热。在这里海水蒸馏器为两效,其中首效
海水蒸馏器4出来的水蒸汽用作第二效海水蒸馏器5的热源,首效海水蒸馏器4
的浓纳米流体出口与第二效海水蒸馏器5的纳米流体进口相连,第二效海水蒸
馏器5出来的浓纳米流体用作第二预热器7的热源,第二效海水蒸馏器5出来
的用作第一预热器6的热源对里面的纳米流体进行预热,第二预热器7出来的
高浓海水经浓海水泵18抽走。

第一预热器6出来的水蒸汽和最后一效海水蒸馏器(第二效海水蒸馏器5)
出来的淡水(换热管里被冷却的水蒸气)进行混合后进入第一冷凝器9进行冷
却,第一冷凝器9的淡水出口与第二冷凝器11的淡水进口相连。淡水?#26469;?#32463;过
第一冷凝器9和第二冷凝器11进行冷凝后,通过淡水泵12抽出。在第一冷凝
器9中,冷凝介质为纳米流体,在第二冷凝器11中,冷凝介质为涡流管3出来
的冷空气。

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?#24065;?#26412;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。

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