船舶余热梯级利用的增湿除湿海水淡化系统及其操作方法

本发明属于海水淡化，尤其涉及一种利用船舶余热和热泵耦合的增湿除湿海水淡化系统及其操作方法。

背景技术：

1、在海上航行期间，船舶需要大量淡水来满足船上人员的饮用、清洁、卫生清洁等生活和操作需求，因此确保船舶配备足够的淡水至关重要，特别是在长途航行或远离陆地供水源的情况下。通常情况下，船舶会配置淡水储存设备，以满足船员和船上设备的淡水需求。然而，船舶携带淡水的容量是有限的，难以进行长时间存储，这也会增加船舶的装载负担，导致续航能力下降。为了解决这一问题，船舶通常也会配备海水淡化装置，以利用丰富的海水资源来满足淡水需求。目前，常用的三种海水淡化技术包括低温多效蒸馏、多效闪蒸和反渗透膜技术。然而，低温多效蒸馏和多效闪蒸技术存在着设备较大、初始投资成本高以及需要大量热量驱动等问题，通常适用于陆地使用的大规模海水淡化厂，不适用于船舶使用。而反渗透膜技术则面临着膜组件易受到污染损坏、需要频繁更换以及对处理废水的浓度要求较高等问题，也难以满足船舶在使用过程中常常遇到的各种突发天气情况。因此，寻求更适用于船舶的海水淡化技术是迫切需要的。

2、近年来，用于满足分散和偏远地区小规模淡水需求的增湿除湿海水淡化技术取得了迅猛发展。这项技术具备设备简单、高能源利用率、广泛适用性以及高稳定性等优点，因此非常适合在船舶上使用。此外，该技术还能够充分利用低品位废热作为动力源，尤其是船舶在运行过程中产生的缸套冷却水等废热资源。缸套冷却水主要用于控制发动机的温度，防止过热引起损坏，温度一般在60℃至90℃之间。这个过程中，约有20％左右的燃油总发热量以废热的形式散失，造成能源资源的浪费。因此，通过利用缸套冷却水携带的废热来驱动增湿除湿海水淡化系统，不仅可以提高能源利用效率，还可以实现淡水供应。然而，缸套冷却水携带的热量和温度会根据船舶的运行需求而变化，往往不是固定的。在利用缸套冷却水驱动增湿除湿海水淡化系统时，需要考虑温度过高导致换热器结垢等不利影响的问题。

3、因此，亟需开发一种合理利用缸套冷却水驱动的增湿除湿海水淡化系统，以解决缸套冷却水余热的浪费和船舶淡水供应的问题。最理想的方法是根据温度需求逐级利用缸套冷却水，以最大程度地供应热源，同时确保满足海水淡化过程中的温度限制。此外，最佳方案还包括将能够同时回收低温热量和提供高温热源的热泵系统与之耦合利用，以进一步增强系统性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了船舶远洋航行过程中淡水短缺的问题，将船舶缸套冷却水余热梯级利用，并耦合热泵技术，提出了一种船舶余热梯级利用的增湿除湿海水淡化系统及其操作方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种船舶余热梯级利用的增湿除湿海水淡化系统，包括增湿除湿海水淡化系统、船舶余热梯级利用系统和压缩式热泵系统，所述增湿除湿海水淡化系统由：水泵1、除湿器2、第一换热器3、增湿器4、预热器5、蒸发器6、淡水罐7、冷凝器8、第一三通调节阀9、风机10、第二三通调节阀11、第二换热器12、第一截止阀14、第二截止阀15构成，并包含海水循环单元和空气循环单元；所述海水循环单元中的海水通过管路经水泵1和第一流量控制器18连接到除湿器2的溶液入口a1，除湿器2的溶液出口a2通过管路连接到第一换热器3的入口b1；所述第一换热器3的出口b2通过管路连接到增湿器4的入口c1，增湿器4的下端溶液出口通过管路接至预热器5的溶液入口d1，预热器5的溶液出口d2则经第一截止阀14通过管路接至后续排水设备；所述空气循环单元中的空气由增湿器4上端的空气出口通过管路经第二流量控制器19连接到除湿器2的上端空气入口，除湿器2的空气出口a3通过管路接至蒸发器6的空气入口e1，所述除湿器2的下端冷凝水出口和蒸发器6下端的冷凝水出口e2通过管路共同接至淡水罐7，淡水罐7中的冷凝水则通过管路经第二截止阀15供给用户使用；所述蒸发器6的空气出口e3通过管路接至预热器5的空气入口d3，预热器5的空气出口d4通过管路接至冷凝器8的空气入口f1，冷凝器8的空气出口f2通过管路接至第一三通调节阀9的入口g1；补给空气则通过第一三通调节阀9的入口g3进入循环，第一三通调节阀9的出口g2经风机10通过管路连接到第二三通调节阀11的入口h1后分两路，一路经出口h2通过管路连接至第二换热器12的空气入口j1，另一路则由出口h3流出系统；所述第二换热器12的空气出口j2通过管路连接至增湿器4的空气入口c2，完成空气循环；

4、所述船舶余热梯级利用系统由：第一换热器3、第二换热器12和第三截止阀16构成，缸套冷却水通过管路连接到第二换热器12的溶液入口j3，第二换热器12的溶液出口j4通过管路接至第一换热器3的溶液入口b3，第一溶液换热器的溶液出口b4则通过管路经第三截止阀16进入后续冷却水利用系统；

5、所述压缩式热泵系统由：压缩机13、冷凝器8、节流阀17以及蒸发器6构成；压缩机13的出口通过管路接至冷凝器8的制冷剂入口f3，冷凝器8的制冷剂出口f4通过管路经节流阀17接至蒸发器6的制冷剂入口e4，蒸发器6的制冷剂出口e5通过管路接至压缩机13的入口。

6、进一步，所述除湿器2海水入口a1管路上设置有第一流量控制器18、上端空气入口管路上设置有第二流量控制器19，所述第一流量控制器18和第二流量控制器19的控制信号通过导线共同连接到水泵1。

7、进一步，所述第一换热器3的溶液入口b3处设置有第一温度控制器20，所述第一温度控制器20的控制信号通过导线分别连接到第一三通调节阀9、风机10以及第二三通调节阀11。

8、进一步，所述蒸发器6的空气出口e3设置有第二温度控制器21，所述第二温度控制器21的控制信号通过导线连接到压缩机13。

9、进一步，所述缸套冷却水的进水温度为80～90℃，在第二换热器12内加热空气后温度降至60～70℃，再进入第一换热器3内加热海水。

10、为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

11、一种船舶余热梯级利用的增湿除湿海水淡化系统的操作方法，包括船舶余热梯级利用系统操作方法、压缩式热泵系统操作方法和增湿除湿海水淡化系统操作方法，

12、一、船舶余热梯级利用的操作方法：当存在待冷却处理的高温缸套冷却水时，则打开第三截止阀16，缸套冷却水通过管路进入第二换热器12加热空气后，通过管路进入第一换热器3中继续对海水进行加热，然后通过管路经第三截止阀16进入后续冷却水利用系统；

13、二、压缩式热泵系统操作方法：通电启动压缩机13，压缩机13将制冷剂压缩为高温高压气体，该气体通过管路进入冷凝器8，放热冷凝加热海水，液体制冷剂经过节流阀17节流后进入蒸发器6内吸热蒸发，蒸发器6流出的制冷剂气体再次进入压缩机13压缩后进行下一步循环；

14、三、增湿除湿水处理系统操作方法：海水由水泵1经除湿器2泵入第一换热器3，被缸套冷却水加热后喷淋在增湿器4中，与底部进入的循环空气进行热质交换，部分原料海水以水蒸汽的形式由循环空气携带进入后续除湿系统，剩余部分则由增湿器底部浓溶液出口流出，进入预热器5内释放热量后通过第一截止阀14排出系统。

15、由增湿器4顶部流出的具有高温度和高湿度的热湿空气进入除湿器2，与进料海水进行换热，预热进料海水并产生部分冷凝水后，进入蒸发器6内进行深度除湿产生更多的冷凝水；经过深度除湿后的冷空气依次经过预热器5和冷凝器8，分别由未完全除湿的湿空气、未蒸发的浓溶液以及高温制冷剂气体进行复温，再经第一三通调节阀9、风机10以及第二三通调节阀11进行协同调节流量后进入第二换热器12被加热，然后由增湿器4底部入口c2进入进行热质交换，充当水蒸气的载体；除湿器2和蒸发器6冷凝产生的淡水进入淡水罐7中储存，以备后续使用。

16、进一步，所述水泵1受第一流量控制器18和第二流量控制器19的流量的联合控制，通过控制水泵1的运行频率，以维持系统内循环空气流量和循环海水流量处于最佳的匹配关系。

17、进一步，所述风机10的频率、第一三通调节阀9和第二三通调节阀11的阀门开关及开度受第一温度控制器20的温度控制，根据第一换热器3的入口b3处缸套冷却水的温度，对第一三通调节阀9的入口g3以及第二三通调节阀11的出口h3的开关选项及开度进行调节，并同时控制风机10的运行频率。

18、进一步，所述压缩机13为变频压缩机，其受第二温度控制器21的温度控制，压缩机13的频率与蒸发器6的出口e3处空气温度成正比例调节关系。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点和技术效果：

19、通过充分利用船舶缸套冷却水的余热，驱动除湿海水淡化系统，可以有效缓解航行过程中淡水短缺的问题。将高温的船舶缸套冷却水逐级利用，先加热空气后加热海水，不仅可以满足加热海水温度的限制，还最大限度地提升进入增湿器的空气和海水温度，促进传质过程的强化。热湿空气经过除湿器和热泵蒸发器的二级除湿，可以最大限度的提升淡水产量。同时又经过预热器、冷凝器以及缸套冷却水的逐级升温，又可以强化增湿过程。此外，根据需要灵活调节循环空气和海水的流量，这不仅可以应对缸套冷却水温度和流量的不稳定性，还能够维持最佳的流量匹配关系，最大限度地提高增湿除湿性能。耦合能够同时回收低温热量和提供高温热源的热泵系统，则进一步提升了系统的稳定性和淡水的产量。以缸套冷却水的平均温度为80℃和流量为2000kg/h为例，驱动增湿除湿海水淡化系统的淡水产量可达60kg/h，淡水的生产能耗仅为35kwh/m3，为船舶提供了重要的淡水来源。