CN105174330B - 基于热泵驱动和负压低温沸腾制备蒸馏水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水高效节能制备装置。本装置以热泵的冷凝器作为驱动热源，为发生罐中的水提供加热量，处在负压条件下的水发生低温沸腾，产生的水蒸气大部分由热泵的蒸发器冷却凝结，剩余的少量水蒸气由空气冷却凝结，从而制得蒸馏水。真空泵间歇工作，以产生装置开始运行所需的负压环境。相较于常压蒸馏方法，本装置无需高品位的高温热源。与一般的负压蒸馏相比，本装置结合了热泵技术，充分利用制冷剂在冷凝器中以相对高温的状态向外放热、在蒸发器中以相对低温的状态从外吸热的特点，因此装置具有能效比高的显著优点，可大幅降低制取蒸馏水的运行成本。

Description

基于热泵驱动和负压低温沸腾制备蒸馏水的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种蒸馏水制备装置，具体涉及一种在负压条件以热泵的冷凝器作为蒸汽发生热源的蒸馏水低温制备装置，同时，热泵的蒸发器为水蒸气凝结提供主要的冷量。

背景技术

蒸馏水的制备过程主要包括水沸腾和水蒸气凝结两个步骤。通常该过程都是在常压下进行的，对应水的饱和温度为100℃，因此需要高品位的热源。而负压条件下，水在较低温度下即可沸腾，因而可以采用比较容易获得的低品位热源，如废/余热、太阳能等。然而，在负压条件下，水蒸气的凝结也需要在相应更低温度下才能完成，这就对冷源提出了较高要求。

发明内容

在本发明中，本发明人在其已授权专利201010034147.4的基础上，提出了结合热泵技术的蒸馏水低温制备装置，其中，利用真空泵建立负压环境，使得蒸馏过程可以在较低温度下进行。考虑到热泵通常都有4以上的制热效率，即输入1W的压缩机功，能获得至少4W的制热量和3W的制冷量，本发明人将低温蒸馏与热泵技术合理结合在一起，利用热泵的冷凝器作为蒸汽发生热源以提供水沸腾所需的加热量，同时，热泵的蒸发器则是一个处在更低温度下的冷源，为水蒸气的凝结提供冷量。由于热泵系统中冷凝器的放热量大于蒸发器的吸热量，系统需要额外的冷量才能使水蒸气完全凝结，因此在水系统中并联一个风冷式冷凝器，与外界环境之间进行换热，以处理这部分剩余的凝结热。整个过程只周期消耗真空泵功、少量连续的压缩机功，能效比高，节能效果显著。

本发明的目的在于提供一种结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，利用热泵的冷凝器和蒸发器分别作为水蒸气发生热源和凝结冷源，在负压条件下实现以低品位热能和较低能耗制备蒸馏水。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置包括：热泵系统，其包括压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器；水系统，其包括发生罐、蒸发器、凝水罐、真空泵、抽气阀、进料阀、余料阀、蒸馏水收集阀、风冷式冷凝器；制冷剂在所述热泵系统中经压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程完成一个蒸汽压缩式制冷循环，其间，制冷剂在冷凝器中放热，在蒸发器中吸热；发生罐中的负压水被冷凝器加热后沸腾，产生水蒸气，再由蒸发器和风冷式冷凝器冷却凝结，从而制得蒸馏水。

根据本发明的一个实施例，所述热泵系统包括：压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器，四个主要部件通过金属管连接构成密闭回路，制冷剂蒸汽被压缩机压缩而升压升温，进入冷凝器冷凝成液态(或气液两相)，同时向外放出热量，制冷剂随后被热力膨胀阀节流而降压降温，进入蒸发器，吸收外部热量而蒸发成气态，回到压缩机，完成一个蒸汽压缩式制冷循环。

其中，所述冷凝器为管翅式结构，蒸发器为板式结构。

根据本发明的一个实施例，所述水系统包括：发生罐、蒸发器、凝水罐、真空泵、抽气阀、进料阀、余料阀、蒸馏水收集阀，真空泵为系统提供负压环境，抽气时打开抽气阀；原料水从进料阀被吸入发生罐；蒸馏过程中所有阀门关闭；发生罐中的负压水被冷凝器加热至沸腾，产生的水蒸气大部分进入蒸发器的水蒸气侧被冷却，凝结成液态水，另一部分水蒸气凝水罐进入风冷式冷凝器，向环境散热凝结成液态水，由此完成水蒸气的完全凝结，得到的蒸馏水暂时储存在凝水罐中；蒸馏过程完成后，打开蒸馏水收集阀，取出制取的蒸馏水，打开余料阀，放出余料水，防止发生罐内部硬化水积聚而结垢。

其中，所述风冷式冷凝器为管翅式结构。

根据本发明的一个实施例，所述蒸馏过程为间歇工作模式，一个工作流程完成之后，需要重新抽气、进料。

根据本发明的一个实施例，所述热泵系统和水系统之间通过冷凝器和蒸发器进行热量交换，冷凝器预埋在发生罐中，留出接口与热泵系统其他部件相连。

根据本发明的一个方面，提供了一种结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于包括：

热泵系统，

水系统，

其中所述热泵系统与水系统之间通过冷凝器和蒸发器进行热量交换。

根据本发明的一个进一步的方面，上述蒸馏水低温制备装置的特征在于：

所述热泵系统包括：

压缩机，用于压缩气态制冷剂，

冷凝器，用于压缩后升压升温的气态制冷剂进行冷凝，

热力膨胀阀，用于对冷凝后的制冷剂进行节流，

蒸发器，

所述水系统包括：

所述蒸发器，

真空泵，用于对发生罐抽真空，形成负压，

发生罐，用于盛放原料水，并使原料水与流经所述冷凝器的制冷剂进行热交换，使原料水在负压下闪蒸，生成水蒸气，生成的水蒸气被送去与蒸发器进行热交换并放热，形成冷凝水，

凝水罐，用于收集和储存冷凝水。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施方式的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式具体说明本发明的技术方案。

如图1所示，根据本发明的一个具体实施例包括：热泵系统A、水系统B。在图1所示的实施例中，热泵系统A与水系统B之间通过冷凝器2和蒸发器4进行热量交换，工作时，两个系统均处在密闭环境。

如图1所示，根据本发明的一个具体实施方式，热泵系统A包括压缩机1、预埋在发生罐5中的冷凝器2、热力膨胀阀3、蒸发器4。

如图1所示，根据本发明的一个具体实施方式，水系统B包括蒸发器4、发生罐5、凝水罐6、真空泵7、安装在发生罐5的顶部的抽气阀8、安装在发生罐5中部的进料阀9、安装在发生罐5底部的余料阀10、安装在凝水罐6底部的蒸馏水收集阀11、风冷式冷凝器12。

蒸馏工作开始之前，抽气阀8打开，真空泵7将水系统B抽至负压状态，关闭抽气阀8。打开进料阀9，将原料水吸入发生罐5，原料水在发生罐5的低压环境下闪蒸，水蒸气逐渐充满水系统B。待发生罐5中的原料水不再在常温下沸腾时，进料工作完成，此时启动压缩机1，气态制冷剂经压缩后升压升温，进入冷凝器2冷凝，然后经热力膨胀阀3节流，压力降低，温度下降。与此同时，发生罐5中的水吸收冷凝器2释放出的冷凝热，在负压条件下发生低温沸腾，产生的水蒸气大部分进入蒸发器4的水蒸气侧，剩余部分进入风冷式冷凝器12的水蒸气侧。在蒸发器4中水蒸气与节流后的低温制冷剂进行换热，凝结成液态水，而制冷剂则蒸发成气态并回到压缩机，完成一个蒸汽压缩式制冷循环。热泵系统A中，冷凝器2的放热量大于蒸发器4的吸热量，因此，水蒸气在蒸发器4的水蒸气侧没有完全凝结凝水罐，剩余少量的水蒸气在风冷式冷凝器12中与外界环境进行换热，凝结成液态水，流入凝水罐6。

结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置采用的是间歇式工作模式，蒸馏过程进行一段时间后，发生罐5中的原料水逐渐减少，且硬度逐渐增加。而且，水系统B负压条件可能会有所变差。此时，关停压缩机1，装置停止工作，打开余料阀10，放出余料水，打开蒸馏水收集阀11，取出蒸馏水。重新抽气、进料，开始新的工作流程。

本发明的蒸馏水制备装置和方法，具有高效、节能的显著优点。与膜法相比，制得水品质高、得水率高(废水很少)，而且无需定期更换膜材料，使用成本低。与常规常压沸腾蒸馏法相比，节电效果非常明显，而且无结垢问题。本装置在制取蒸馏水的同时，可以根据需要，在室温范围内灵活控制所制蒸馏水的温度而不显著增加能耗。本发明可以用于受重金属污染水的净化、桶装或管道直饮纯净水的制备等众多领域。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于包括：

热泵系统(A)，

水系统(B)，

其中所述热泵系统(A)与水系统(B)之间通过冷凝器(2)和蒸发器(4)进行热量交换，

其中：

所述热泵系统(A)包括：

压缩机(1)，用于压缩气态制冷剂，

冷凝器(2)，用于压缩后升压升温的气态制冷剂进行冷凝，

热力膨胀阀(3)，用于对冷凝后的制冷剂进行节流，

蒸发器(4)，

所述水系统(B)包括：

所述蒸发器(4)，

真空泵(7)，用于对发生罐(5)抽真空，形成负压，

发生罐(5)，用于盛放原料水，并使原料水与流经所述冷凝器(2)的制冷剂进行热交换，使原料水在负压下闪蒸，生成水蒸气，生成的水蒸气被送去与蒸发器(4)进行热交换并放热，形成冷凝水，

凝水罐(6)，用于收集和储存冷凝水，

所述蒸馏水低温制备装置进一步包括：

抽气阀(8)，真空泵(7)提供抽气阀(8)对发生罐(5)抽真空，

进料阀(9)，原料水通过进料阀(9)被吸入发生罐(5)，

余料阀(10)，用于放出发生罐(5)中的余料水，

蒸馏水收集阀(11)，用于取出凝水罐(6)中储存的蒸馏水，

风冷式冷凝器(12)，发生罐(5)中生成的水蒸气中未进入蒸发器(4)的部分进入风冷式冷凝器(12)的水蒸气侧，与外界环境进行换热，凝结成液态水，流入凝水罐(6)。

2.根据权利要求1所述的结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于，压缩机(1)、冷凝器(2)、热力膨胀阀(3)、蒸发器(4)通过金属管连接成密闭回路，制冷剂依次流经各部件，先后经过压缩、冷凝、节流、蒸发过程，完成一个蒸汽压缩式制冷循环。

3.根据权利要求1所述的结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温 制备装置，其特征在于，热泵系统的冷凝器(2)预埋在发生罐(5)内部，被水浸泡，在发生罐(5)外侧留出接口与热泵系统(A)相连；冷凝器(2)为管翅式结构，制冷剂在管内流动。

4.根据权利要求1所述的结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于，热泵系统的蒸发器(4)为板式结构，分为制冷剂侧和水蒸气侧，制冷剂侧连至热泵系统(A)，水蒸气侧连至水系统(B)。

5.根据权利要求1所述的结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于，发生罐(5)、蒸发器(4)、风冷式冷凝器(12)、凝水罐(6)通过管路连接成密闭系统，其中蒸发器(4)与风冷式冷凝器(12)并联；真空泵(7)经由抽气阀(8)连接至发生罐(5)顶部，为水系统(B)提供负压环境；进料阀(9)安装在发生罐(5)中部；余料阀(10)安装在发生罐(5)底部；蒸馏水收集阀(11)安装在凝水罐(6)底部；风冷式冷凝器(12)安装在发生罐与凝水罐(6)之间，与蒸发器(4)并联。

6.根据权利要求1所述的结合热泵技术和负压低温沸腾技术的蒸馏水低温制备装置，其特征在于，风冷式冷凝器(12)为管翅式结构，分为水蒸气侧与空气侧，水蒸气侧连至水系统(B)，空气侧连至环境。