使用低级热能的脱盐制造技术

本发明专利技术描述一种在通过气压头建立和保持的天然真空条件下运行的低温、可自持的脱盐工艺。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用低级热能的脱盐相关申请的交叉引用本申请要求由Nagamany Nirmalakhandan等于2007年7月16日提交的标题为 “使用低级热能的脱盐(Desalination using Low-Grade ThermalEnergy) ”的美国临时申 请序列号60/950，076的优先权和权益，并且该美国临时申请的说明书的全部内容通过引 用结合在此。
技术介绍
专利
(
)本专利技术涉及用于脱盐的设备和方法。相关技术描沭在低级热源的使用和废热回收方面的兴趣由于升高的能量成本和减少的能源而 日益增加。低级能源的实例包括太阳能和由化石燃料基发电厂、空调/制冷系统和工业过 程排出的热。作为热力学定律的结果，热系统必须向环境排出大量的低级热能。例如，现代 联合循环发电厂的排热率几乎等于它们的输出。利用废热制造附加值产品或服务的途径可 以保存有限的能源，减少不利的环境影响，并且将总成本最小化。本专利技术利用低级热来运行新的脱盐工艺。常规脱盐工艺例如反渗透、电渗析、机械 蒸汽压缩和多效闪蒸需要得自不可再生来源的电能，其成本在过去20年中增加了 10倍。近 来，提出了新的脱盐工艺，其具有仅使用在约50°C的低级热源运行的可能。本专利技术是对该工 艺的更改，从而其可以使用热能储存(thermal energy storage) (TES)系统昼夜不停地运 行，所述热能储存(TES)系统使得可以在对电网功率最小依赖的情况下将废热源和可再生 能源用于驱动该工艺。TES管理随时间变化的能量需求，是连续的热源，并且具有较低的用 于脱盐的比能。与上述工艺不同，本专利技术使得太阳能聚集器和光电板能够提供能量来驱动 工艺。TES系统可以使用来自任何可用来源的低级废热维持在所需温度。专利技术简述下面描述本专利技术的优选实施方案。该实施方案是包含下列各项的脱盐系统脱盐 单元、用于为脱盐单元供能的低级热源，和用于储存低级热源并且维持特定温度范围的热 能储存系统。该系统能够在约40-50°C之间的特定温度范围内连续运行。低级热源至少部 分由吸收制冷单元供应，其将热能储存制冷单元保持在特定温度范围。吸收制冷单元在约 1.4至15. 75kPa之间的压力范围运行。脱盐单元包含蒸发室、冷凝器、热交换器和一个或多个塔。所述塔包括咸水(saline water)塔、盐水提取塔(brine withdrawal column)和脱盐水塔。向蒸发室的热 输入由热能储存系统提供。除了初始启动泵以外，脱盐系统没有泵。此外，该系统没有任何其它运动部件。本专利技术的另一个实施方案是一种脱盐的方法，所述方法包括下列步骤运行脱盐 单元，使用低级热源为脱盐单元供能，将低级热源储存在热能储存单元中，和保持低级热源 的特定温度范围。脱盐单元可以连续运行并且包括在约40-50°C的温度范围将咸水脱盐。 该方法还可以包括至少部分地由吸收制冷单元供给低级热源。吸收制冷单元还可以提供冷却负荷。热能储存单元在吸收制冷单元内保持在特定温度范围。最后，吸收制冷单元在约1. 4至15. 75kPa之间的压力范围运行。本专利技术的适用性的其它范围部分地将在下面连同附图进行的详细描述中陈述，部 分地将通过下列内容的研究而对本领域技术人员变得明显，或可以通过本专利技术的实践而获 知。本专利技术的目的和优点可以通过在后附权利要求中特别指出的手段和组合而实现和得 到。附图的若干视图的简述结合到说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出本专利技术的一个或多个实施 方案，并且与描述一同起到解释本专利技术的原理的作用。附图仅为了示出本专利技术的一个或多 个优选实施方案的目的并且不应理解为限制本专利技术。在附图中附图说明图1是本专利技术的脱盐系统的一个优选实施方案的示意图；图2是在一个优选实施方案的质能平衡(mass and energy balances)的实例模 拟中使用的模型参数的表；图3是显示对于本专利技术的脱盐系统在24小时内的传热和效率的图；图4是显示对于本专利技术的脱盐系统在24小时内脱盐水温度和咸水温度相对于环 境温度的变化的图；图5是在典型吸收制冷系统中和在优选实施方案中的参数的比较；图6是显示对于典型的热能储存和在优选实施方案中在24小时中环境温度相对 于热能储存温度的图；图7是优选实施方案与多级闪蒸方法的比较；图8是显示对于典型的吸收制冷系统和在优选实施方案中太阳能分数(solar fraction)和最佳太阳能板面积的图；图9是显示对于典型的吸收制冷系统和在优选实施方案中对于不同的冷却负荷 和太阳能板面积的脱盐速率的图；图10是显示对于本专利技术的脱盐系统，提取速率对脱盐效率和咸水温度的影响的 图；图11是显示对于本专利技术的脱盐系统，提取速率对浓度和脱盐效率的影响的图；图12A是显示对于本专利技术的脱盐系统，在不同提取率(withdrawals)的太阳能板 面积相对于脱盐速率的图；和图12B是显示对于本专利技术的脱盐系统，在不同提取率的冷却负荷相对于脱盐速率 的图。专利技术详述本专利技术涉及采用低级热能的新的脱盐工艺的可行性。该工艺在通过被动手段产生 的近真空压力下运行。这允许该工艺在低温下以较高效率运行。该工艺采用由吸收制冷系 统(ARS)排出的低级热能。ARS的冷凝器排出在约55°C的低级热能，其被回收并且储存于 低温热能储存(TES)罐中。热能储存罐通过将源温度保持在约50-70°C而最好地起到管理 脱盐工艺的能量需求的作用，因为脱盐系统的能量需求依赖于环境温度。此可行性研究的结果显示，由冷却能力为约3. 25kff(0. 975吨的制冷)的ARS排出 的热能连同约208kJ/kg的脱盐水的额外能量输入适宜于以约4. 5kg/hr的平均速率产生脱盐水。对于此工艺的能量需求可与沿用已久的多级闪蒸工艺竞争。提出的方法的整体工艺 模型和性能曲线提供在下面。工艺参数如提取速率的影响也提供在下面。本专利技术的脱盐系统的优选实施方案示意性地显示在图1中。本专利技术包括脱盐单元 10、吸收制冷系统12和热能储存器14。脱盐单元10包含蒸发室16、冷凝器18、一个或多个 热交换器20、22和塔24、26和28 (例如，在约IO-Ilm高之间，等于当地气压头(barometric head))。这三个塔是咸水塔24、盐水提取塔26和脱盐水塔28，各自分别具有其自身的恒定 水平贮存罐，即咸水罐30、盐水罐32和脱盐水罐34。向蒸发室16的热输入由热能储存器 14提供，其被吸收制冷系统12保持在特定温度或范围(例如，在约50-70°C之间)，优选由 太阳能供能。 贮存罐，即咸水罐30、盐水罐32和脱盐水罐34安装在地平面上，而蒸发室16安 装在三个塔24、26、28的顶上，在贮存罐30、32、34中的自由液面上方的气压高度(例如，在 约IO-Ilm之间，等于当地气压头)处，以在三个塔24、26、28的顶部空间中建立天然真空。 此构造使得脱盐工艺可以优选在没有任何机械泵送的情况下进行。还优选除了用于启动 系统的泵以外，不需要其它运动部件。与约15-35°C的脱盐水塔的顶部空间的温度相比，进 料水塔的顶部空间的温度保持得略微较高，约45-65°C。因为顶部空间处于近真空水平压 力，因此温度差(例如，在约10-25°C之间)适宜于从进料水侧蒸发水并且在脱盐水侧冷凝。 以此方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脱盐系统，所述脱盐系统包括：脱盐单元；低级热源，所述低级热源用于为所述脱盐单元供能；和热能储存系统，所述热能储存系统用于储存所述低级热源和维持特定温度范围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳加玛尼尼尔马拉卡丹，威拉格纳斯瓦居德，
申请(专利权)人：箭头中心公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]