阅读说明：本技术 一种海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统 (Seawater source trans-critical carbon dioxide heat pump circulation multi-effect seawater desalination system ) 是由 赵庆军 刘智远 赵巍 周小勇 项效镕 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统,整个系统应用于海水淡化领域。主要设备包括太阳能集热器、多效海水蒸馏器、膨胀箱、导热油-海水换热器、熔融盐-导热油换热器、高温熔融盐储罐、低温熔融盐储罐、二氧化碳蒸发器、二氧化碳压缩机组、二氧化碳膨胀机组、凝汽器等部件。本发明通过设置熔融盐蓄热模块,克服了太阳能的昼夜间歇性,使得系统可连续工作；通过设置二氧化碳热泵单元,利用压缩机将二氧化碳压缩至密度大的超临界二氧化碳,热泵循环的设备体积小；利用海水源跨临界二氧化碳热泵系统吸收海水热量,再通过海水蒸馏器对海水进行多效淡化,从而实现高效海水淡化。(The invention discloses a seawater source trans-critical carbon dioxide heat pump circulation multi-effect seawater desalination system, and the whole system is applied to the field of seawater desalination. The main equipment comprises a solar heat collector, a multi-effect seawater distiller, an expansion tank, a heat conduction oil-seawater heat exchanger, a fused salt-heat conduction oil heat exchanger, a high-temperature fused salt storage tank, a low-temperature fused salt storage tank, a carbon dioxide evaporator, a carbon dioxide compressor unit, a carbon dioxide expansion unit, a condenser and the like. By arranging the molten salt heat storage module, the day and night intermittence of solar energy is overcome, so that the system can continuously work; by arranging the carbon dioxide heat pump unit, the carbon dioxide is compressed to the supercritical carbon dioxide with high density by using the compressor, and the volume of equipment for circulating the heat pump is small; the seawater source trans-critical carbon dioxide heat pump system is used for absorbing seawater heat, and then the seawater is desalted in a multi-effect mode through the seawater distiller, so that efficient seawater desalination is achieved.)

一种海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统

技术领域

本发明属于太阳能利用以及海水淡化领域，涉及热泵海水淡化技术，特别涉及一种太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统技术。

背景技术

淡水是人类来意生存和发展的物质之一。当前淡水资源匮乏日益严重，已成为全球性的环境问题。而全球水资源总量中近97.5％的水为海水等咸水资源。研究高效环保的海水淡化技术对于解决水资源匮乏问题意义重大。现有利用太阳能进行海水淡化的技术已非常成熟，与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保、不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等诸多优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术，对于淡水资源紧缺、环保要求高的地区有着巨大应用潜力。现有的海水淡化技术中，在太阳能的基础上，耦合利用风能、地热、工业废热或者其他能量来源的方式也较为常见。

然而，就目前的太阳能海水淡化技术状况而言，单纯的太阳能海水淡化效率偏低，而单纯的热泵海水淡化成本偏高，传统热泵采用的有机工质会造成温室效应和臭氧层空洞。目前的太阳能海水淡化设备普遍体积较大、淡化能耗高、设备易腐蚀、整体成本较高。此外，太阳能本身具有不稳定性和昼夜间歇性，导致太阳能海水淡化系统工作不连续，一定程度上也影响了太阳能海水淡化系统的能效和造水比，增加了海水淡化的成本。

发明内容

针对现有太阳能海水淡化技术所存在的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵综合能源系统实现高效海水淡化，该系统利用了太阳能对海水进行预热，结合跨临界二氧化碳热泵循环降低淡化成本。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统，包括太阳能集热储热单元、跨临界二氧化碳热泵单元和海水淡化单元，其特征在于，

--所述太阳能集热储热单元，至少包括太阳能集热器、导热油-二氧化碳换热器的高温侧、熔融盐-导热油换热器的导热油换热侧，其中，

所述太阳能集热器、导热油-二氧化碳换热器的高温侧、熔融盐-导热油换热器的导热油换热侧通过管路依次连通形成一封闭的导热油循环回路；

所述太阳能集热器的进口与出口之间设置一旁通管路，所述旁通管路上设置一旁路阀门，所述太阳能集热器的进口处设置一主路阀门；

所述熔融盐-导热油换热器的熔融盐换热侧的一端开口通过管路与一低温熔融盐储罐连通，另一端开口通过管路与一高温熔融盐储罐连通；

--所述跨临界二氧化碳热泵单元，至少包括二氧化碳蒸发器的冷侧、二氧化碳压缩机组、二氧化碳膨胀机组、第一效海水蒸馏器中的加热管路，所述二氧化碳蒸发器的冷侧、二氧化碳压缩机组、第一效海水蒸馏器中的加热管路、二氧化碳膨胀机组通过管路依次连通，形成一封闭的二氧化碳循环回路；

--所述海水淡化单元，至少包括第一效海水蒸馏器、第二效海水蒸馏器、凝汽器、导热油-二氧化碳换热器的低温侧、海水分流三通调节阀、海水盐水三通混合阀，其中，

所述海水分流三通调节阀的进口形成为未经淡化的新海水进口，所述海水分流三通调节阀的第一出口通过管路依次经所述凝汽器的低温侧、所述导热油-二氧化碳换热器的低温侧后分别与所述第一效海水蒸馏器、第二效海水蒸馏器顶部的新海水进口连通，且所述第一效海水蒸馏器、第二效海水蒸馏器顶部的新海水进口管路上均设有压力调节阀；

所述第一效海水蒸馏器、第二效海水蒸馏器顶部或靠近顶部的位置均设有淡水蒸汽出口、底部均设有浓盐水出口，所述第一效海水蒸馏器的淡水蒸汽出口通过管路与设置在所述第二效海水蒸馏器中的加热管路的进口连通，所述第二效海水蒸馏器中的加热管路的出口、所述第二效海水蒸馏器的淡水蒸汽出口分别通过管路与所述凝汽器的高温侧进口连通，所述凝汽器的高温侧出口形成为淡化水排出口；所述第一效海水蒸馏器的浓盐水出口通过管路通入所述第二效海水蒸馏器内，所述第二效海水蒸馏器的浓盐水出口分为两条支路，其中第一支路将浓盐水直接排出，且在该第一支路上设有调节阀，第二支路与所述海水盐水三通混合阀的第一进口连通，所述海水盐水三通混合阀的第二进口通过管路与所述海水分流三通调节阀的第二出口，所述海水盐水三通混合阀的出口通过管路与所述二氧化碳蒸发器的热侧进口连通，所述二氧化碳蒸发器的热侧出口形成为海水排出口。

优选地，所述跨临界二氧化碳热泵单元中，所述二氧化碳膨胀机组将通入其中的二氧化碳膨胀至亚临界状态，亚临界二氧化碳通入所述二氧化碳蒸发器的冷侧进行吸热，再经所述压缩机组压缩后达到超临界状态。

优选地，所述太阳能集热储热单元还包括一导热油泵，所述导热油泵设置在所述导热油循环回路上，用以驱动所述循环回路中的导热油在各部件之间循环流动。

进一步地，所述导热油泵设置在所述太阳能集热器的进口管路和/或出口管路上。

优选地，所述导热油循环回路中还设置一膨胀箱，所述膨胀箱用以适应导热油受热而体积增大以及在导热油不足时进行补充。

进一步地，所述膨胀箱设置在所述太阳能集热器与导热油-二氧化碳换热器的高温侧之间的连通管路上。

进一步地，所述膨胀箱上还设有带阀门的导热油补充管路、带阀门的导热油排放管路，需要更换导热油时，打开所述导热油排放管路上的阀门，放掉旧导热油；需要添加导热油时，打开所述导热油补充管路上的阀门。

优选地，新海水依次流过所述凝汽器、导热油-二氧化碳换热器后温度升高，再进入第一效海水蒸馏器和第二效海水蒸馏器中进行分效淡化，其中所述第一效海水蒸馏器内的工作压力高于所述第二效海水蒸馏器。

优选地，所述第二效海水蒸馏器排出的浓盐水与经过所述海水分流三通调节阀分流的新海水在所述海水盐水三通混合阀中以一定比例混合后作为所述二氧化碳蒸发器的热源，提高了二氧化碳热泵单元的平均吸热温度。

优选地，所述海水淡化单元还包括一海水排水泵、一浓盐水泵和一淡化水泵，其中，所述海水排水泵设置在所述二氧化碳蒸发器的海水排出管路上，所述浓盐水泵设置在所述第二效海水蒸馏器的浓盐水出口管路上，所述淡化水泵设置在所述凝汽器的高温侧出口管路上。

优选地，所述系统至少包括储热与热泵淡化模式、放热与热泵淡化模式、储热与闪蒸淡化模式、以及放热与闪蒸淡化模式。

进一步地，当太阳能充足时，启动储热与热泵淡化模式，此时所述太阳能集热储热单元中的旁路阀门关闭，主路阀门打开，所述导热油循环回路中的导热油被输送至所述太阳能集热器中，加热后的高温导热油通入所述熔融盐-导热油换热器的导热油换热侧，所述低温熔融盐储罐中的低温熔融盐被输送至所述熔融盐-导热油换热器的熔融盐换热侧而被导热油换热侧中的高温导热油加热至储热温度后，通入所述高温熔融盐储罐中；在储热与热泵淡化模式下，所述二氧化碳热泵单元中，通入所述二氧化碳蒸发器冷侧的二氧化碳吸热之后形成为10-20℃的过热气体，过热二氧化碳再经所述二氧化碳压缩机组压缩之后达到超临界状态，且温度达到100-120℃的高温，之后高温超临界二氧化碳进入所述第一效海水蒸馏器的加热管路对其中的海水进行加热，经过放热后的二氧化碳再经过所述二氧化碳膨胀机组膨胀后将能量转化为机械能，变成低温低压的二氧化碳气液混合物，最终该二氧化碳气液混合物通入所述蒸发器的冷侧后重新变成二氧化碳过热气体，完成二氧化碳工质循环；在储热与热泵淡化模式下，通入所述导热油-二氧化碳换热器低温侧的新海水被加热至约40℃后分别被输送至所述第一效海水蒸馏器、第二效海水蒸馏器内，新海水与所述第二效海水蒸馏器产生的浓盐水在所述海水盐水三通混合阀中直接混合后通入所述二氧化碳蒸发器的热侧，作为所述二氧化碳蒸发器的热源。

进一步地，当太阳能充足但电能不足时，启动所述放热与热泵淡化模式，此时所述太阳能集热器的主路阀门关闭，旁路阀门打开，所述高温熔融盐储罐中的高温熔融盐流入所述熔融盐-导热油换热器的熔融盐换热侧，对所述导热油循环回路中的导热油进行加热而温度降低后，再通入所述低温熔融盐储罐，此时所述二氧化碳热泵循环单元、海水淡化单元的工作过程，与所述储热与热泵淡化模式下相同。

进一步地，当太阳能充足时，启动储热与闪蒸淡化模式，此时所述太阳能集热储热单元的工作过程，与储热与热泵淡化模式下相同；此时所述二氧化碳热泵循环单元停止工作，新海水在所述海水分流三通调节阀的作用下全部流入所述凝汽器的低温侧，经过凝气预热之后再流入所述导热油-海水换热器的低温侧，加热至闪蒸温度；所述第一效海水蒸馏器顶部的压力调节阀关闭，所述第二效海水蒸馏器顶部的压力调节阀打开，通入所述第二效海水蒸馏器中的新海水在压力调节阀的作用下压力降低至闪蒸压力，并在所述第二效海水蒸馏器中完成闪蒸，闪蒸后的蒸汽流入所述凝汽器的高温侧后得到凝结，所述第二效海水蒸馏器中产生的浓盐水直接排出。

进一步地，当太阳能不足同时电能也不足时，启动所述放热与闪蒸淡化模式，此时所述太阳能集热器的主路阀门关闭，旁路阀门打开，所述高温熔融盐储罐中的高温熔融盐流入所述熔融盐-导热油换热器的熔融盐换热侧，加热导热油循环回路中的导热油而温度降低后，再通入低温熔融盐储罐，此时所述海水淡化单元的工作过程，与储热与闪蒸淡化模式下相同。

优选地，当没有电能输入给所述二氧化碳压缩机组时，通过调节所述第二效海水蒸馏器顶部的压力调节阀实现闪蒸制取淡化水。

进一步地，所述系统还可以将所述二氧化碳压缩机组用风力透平带动，升级为风力制取淡化水系统，不用从电网获取电能，有利于孤岛的运行。

同现有技术相比，本发明的太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统，具有显著的技术优点：(1)在海水淡化系统中，具体地是在太阳能集热储热单元增加了熔融盐蓄热模块，克服了太阳能昼夜间歇性的特点，使得海水淡化系统可连续工作；(2)在海水淡化系统中，设置二氧化碳热泵单元，二氧化碳临界点温度与环境温度接近，通过压缩机将二氧化碳压缩至较为常见的超临界二氧化碳，由于超临界二氧化碳密度大，因此热泵循环的设备体积小，便于制造，降低成本；(3)采用负压低温多效海水淡化技术，低温可以有效减轻设备腐蚀，而负压又可降低海水蒸馏所需温度减少了淡化能耗；(4)该系统利用了太阳能对海水进行预热，结合跨临界二氧化碳热泵循环降低了海水淡化成本。

附图说明

图1为本发明的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统，由海水排水泵1、二氧化碳蒸发器2、二氧化碳压缩机3、二氧化碳膨胀机4、第一效海水蒸馏器5、第二效海水蒸馏器6、浓盐水泵7、淡化水泵8、凝汽器9、太阳能集热器10、膨胀箱11、导热油-海水换热器12、熔融盐-导热油换热器13、低温熔融盐储罐14、高温熔融盐储罐15、导热油泵16、调节阀V1、V2、V5、V6、V7、V8、V9、混合阀V3、三向调节阀V4以及必要的管路等多个部件组成。具体地，本发明的太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统，包括太阳能集热储热单元、跨临界二氧化碳热泵单元和海水淡化单元。

太阳能集热储热单元，至少包括太阳能集热器10、导热油-二氧化碳换热器12的高温侧、熔融盐-导热油换热器13的导热油换热侧，其中，太阳能集热器10、导热油-二氧化碳换热器12的高温侧、熔融盐-导热油换热器13的导热油换热侧通过管路依次连通形成一封闭的导热油循环回路；太阳能集热器10的进口与出口之间设置一旁通管路，旁通管路上设置一旁路阀门V8，太阳能集热器10的进口处设置一主路阀门V7；熔融盐-导热油换热器13的熔融盐换热侧的一端开口通过管路与一低温熔融盐储罐14连通，另一端开口通过管路与一高温熔融盐储罐15连通。导热油循环回路中还设置一导热油泵16，具体地，导热油泵16可以设置在太阳能集热器10的进口管路和/或出口管路上，导热油泵16用以驱动导热油循环回路中的导热油在各部件之间循环流动。导热油循环回路中还设置一膨胀箱11，具体地，膨胀箱11可以设置在太阳能集热器10与导热油-二氧化碳换热器12的高温侧之间的连通管路上，在导热油循环回路中设置膨胀箱11，其目的是适应导热油受热而体积增大以及在导热油不足时进行补充的作用。进一步地，膨胀箱11上还设有带阀门V5的导热油补充管路、带阀门V6的导热油排放管路，需要更换导热油时，阀门V6打开，放掉旧导热油，新的导热油从阀门V5处添加。

跨临界二氧化碳热泵单元，至少包括二氧化碳蒸发器2的冷侧、二氧化碳压缩机组3、二氧化碳膨胀机组4、第一效海水蒸馏器5中的加热管路，二氧化碳蒸发器2的冷侧、二氧化碳压缩机组3、第一效海水蒸馏器5中的加热管路、二氧化碳膨胀机组4通过管路依次连通，形成一封闭的二氧化碳循环回路。跨临界二氧化碳热泵单元，使用二氧化碳作为循环工质，二氧化碳膨胀机组4将二氧化碳膨胀至亚临界状态，亚临界二氧化碳经二氧化碳蒸发器2吸热，再经二氧化碳压缩机组3压缩后达到超临界状态。

海水淡化单元，至少包括第一效海水蒸馏器5、第二效海水蒸馏器6、凝汽器9、导热油-二氧化碳换热器12的低温侧、海水分流三通调节阀V4、海水盐水三通混合阀V3，其中，海水分流三通调节阀V4的进口形成为未经淡化的新海水进口，海水分流三通调节阀V4的第一出口通过管路依次经凝汽器9的低温侧、导热油-二氧化碳换热器12的低温侧后分别与第一效海水蒸馏器5、第二效海水蒸馏器6顶部的新海水进口连通，且第一效海水蒸馏器5、第二效海水蒸馏器6顶部的新海水进口管路上分别设有压力调节阀V1、V2；第一效海水蒸馏器5、第二效海水蒸馏器6顶部或靠近顶部的位置均设有淡水蒸汽出口、底部均设有浓盐水出口，第一效海水蒸馏器5的淡水蒸汽出口通过管路与设置在第二效海水蒸馏器6中的加热管路的进口连通，第二效海水蒸馏器6中的加热管路的出口、第二效海水蒸馏器6的淡水蒸汽出口分别通过管路与凝汽器9的高温侧进口连通，凝汽器9的高温侧出口形成为淡化水排出口；第一效海水蒸馏器5的浓盐水出口通过管路通入第二效海水蒸馏器6内，第二效海水蒸馏器6的浓盐水出口分为两条支路，其中第一支路将浓盐水直接排出，且在该第一支路上设有调节阀V9，第二支路与海水盐水三通混合阀V3的第一进口连通，海水盐水三通混合阀V3的第二进口通过管路与海水分流三通调节阀V4的第二出口，海水盐水三通混合阀V3的出口通过管路与二氧化碳蒸发器2的热侧进口连通，二氧化碳蒸发器2的热侧出口形成为海水排出口，浓盐水与新海水在海水盐水三通混合阀V3中以一定比例混合后作为二氧化碳蒸发器2的热源，提高了二氧化碳热泵单元的平均吸热温度。

海水淡化单元中，新海水依次流过凝汽器9和导热油-二氧化碳换热器12后温度升高，再进入第一效海水蒸馏器5和第二效海水蒸馏器6中进行分效淡化。其中第一效海水蒸馏器5内压力高于第二效海水蒸馏器6。优选地，第一效海水蒸馏器5的浓盐水出口通过管路通入第二效海水蒸馏器6的底部。进一步地，海水淡化单元还包括一海水排水泵1、一浓盐水泵7和一淡化水泵8，其中，海水排水泵1设置在二氧化碳蒸发器2的海水排出管路上，浓盐水泵7设置在第二效海水蒸馏器6的浓盐水出口管路上，淡化水泵8设置在凝汽器9的高温侧出口管路上。

本发明的太阳能辅助的海水源跨临界二氧化碳热泵循环多效海水淡化系统，至少包括储热与热泵淡化模式、放热与热泵淡化模式、储热与闪蒸淡化模式、放热与闪蒸淡化模式等四种海水淡化模式。

当太阳能充足时，启动储热与热泵淡化模式，此时太阳能集热储热单元中的旁路阀门V8关闭，打开主路阀门V7，导热油循环回路中的导热油在导热油泵16的驱动下进入太阳能集热器10中，加热后的高温导热油流入熔融盐-导热油换热器13的高温侧，低温熔融盐储罐14中的低温熔融盐被输送至熔融盐-导热油换热器13的熔融盐换热侧而被高温导热油加热至储热温度后，通入高温熔融盐储罐15中。

继续参考图1，在储热与热泵淡化模式下，此时二氧化碳热泵单元中经过二氧化碳蒸发器2的冷侧吸热之后的二氧化碳过热气体，温度为10-20℃。过热二氧化碳气体再经二氧化碳压缩机组3压缩之后达到超临界状态，温度可达100-120℃的高温。高温超临界二氧化碳进入第一效海水蒸馏器5的加热管路对其中的海水进行加热。经过放热后的二氧化碳再经过二氧化碳膨胀机组4回收其中的能量将其转化为机械能，变成低温低压的二氧化碳气液混合物。最终该二氧化碳气液混合物经过蒸发器2的冷侧后重新变成二氧化碳过热气体，完成二氧化碳工质循环。

继续参考图1，在储热与热泵淡化模式下，海水淡化回路中新海水分为两条支路，其中第一条新海水支路依次流过凝汽器9的低温侧、导热油-二氧化碳换热器12的低温侧吸收热量后进入第一效海水蒸馏器5，以减少第一效海水蒸馏器5中的传热不可逆损失。第二条新海水支路与第二效海水蒸馏器6产生的浓盐水在混合阀V3处直接混合后通入二氧化碳蒸发器2的热侧，作为二氧化碳蒸发器2的热源。而淡水蒸汽和浓盐水逐级自流进入第二效海水蒸馏器6加热更低压力的海水，最终第一效海水蒸馏器5和第二效海水蒸馏器6的淡水蒸汽在凝汽器9中得到液化，而浓盐水从第二效海水蒸馏器6的底部排出后与第二条支路的新海水在混合阀V3完成混合。

参考图1，当太阳能充足但电能不足时，启动放热与热泵淡化模式，此时太阳能集热器10的主路阀门V7关闭，其旁路阀门V8打开。高温熔融盐储罐15中的高温熔融盐流入熔融盐-导热油换热器13的熔融盐换热侧，对导热油循环回路中的导热油进行加热而温度降低后，再通入低温熔融盐储罐14。此时二氧化碳热泵循环单元和海水淡化单元的工作过程，与储热与热泵淡化模式下相同。

参考图1，当太阳能充足时，启动储热与闪蒸淡化模式，此时太阳能集热储热单元的工作过程，与储热与热泵淡化模式下相同。此时二氧化碳热泵循环单元停止工作，新海水在海水分流三通调节阀V4的作用下全部流入凝汽器9的低温侧，在经过凝气预热之后再流入导热油-海水换热器12的低温侧，加热至闪蒸温度。节流阀V1关闭，海水在节流阀V2的作用下压力降低至闪蒸压力，并在第二效海水蒸馏器6中完成闪蒸。闪蒸后的蒸汽流入凝汽器9的高温侧后得到凝结，第二效海水蒸馏器6中产生的浓盐水通过阀门V9直接排出，混合阀V3关闭。

参考图1，当太阳能不足同时电能也不足时，启动放热与闪蒸淡化模式，此时太阳能集热器10的主路阀门V7关闭，其旁路阀门V8打开。高温熔融盐储罐15中的高温熔融盐流入熔融盐-导热油换热器13的熔融盐换热侧，加热导热油循环回路中的导热油而温度降低后，再通入低温熔融盐储罐14。此时，海水淡化单元的工作流程，与储热与闪蒸淡化模式下相同。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。