真空抽气海水淡化方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于海水淡化领域的真空抽气海水淡化方法及装置。
背景技术
当今世界现有的海水淡化方法主要有反渗透法、多级闪蒸法和多种低温蒸馏法，还有个别利用全自然能源的方法，但现行方法及设备在具体生产实践中均各有较大缺陷，还不能低成本解决威胁人类的淡水紧缺问题。
【发明内容】
本发明公开一种真空抽气海水淡化方法及装置，该方法及装置成本低廉、构造简单、低能耗、易普及，既可单机操作，又可规模化生产，能够克服现有的海水淡化方法成本高、结构复杂、不易普及等缺陷，具体是：
类似托里拆利实验，一标准大气压下，将一端封闭一端开口并在开口处装有阀门且长度超过10.336米的密闭管内注满海水后，关闭开口端阀门不让管内海水流出，密闭管封闭端朝上将开口端及其阀门浸没在自然海水中，打开开口端阀门，当密闭管的露出海水水平面部分垂直高度超过10.336米时，密闭管内的海水在重力作用下下落，并在重力和大气压力共同作用下，维持密闭管内海水液面相对自然海水水平面的高度略低于10.336米，且保持这一高度。密闭管内具体液面高度因管内海水的密度不同及实际大气压的不同而略有不同。同时，因密闭管的露出海水水平面部分垂直高度超过10.336米而密闭管内海水液面的高度略低于10.336米，在密闭管内海水液面上方将出现含少量从密闭管内海水中溢出的气体如氧、二氧化碳等和水蒸汽的近真空空间。因从密闭管内海水中溢出的氧、二氧化碳等气体有限，相同温度下密闭管内海水液面上方近真空空间容积越大，由海水中溢出的氧、二氧化碳等气体在该近真空空间中密度越低而水蒸汽相对浓度越高。因密闭管内海水液面上方近真空空间中气压极低且主要由水蒸汽产生，如在保持密闭管密闭的前提下将其中水蒸汽和少量其他气体抽出，该近真空空间内气压会进一步降低，密闭管内海水液面处将有新的水蒸汽溢出。增大密闭管的管内海水液面之下某个高度与密闭管顶端之间部分的管径以增大管内海水液面面积和液面上方近真空空间容积，也就扩大了管内海水蒸发面面积和蒸发面上方的水蒸汽容纳空间容积。在密闭管的海水蒸发面处采取持续低温加热措施并在保持密闭管密闭的前提下将密闭管内近真空空间中的水蒸汽和少量其他气体不间断抽出，密闭管内的近真空空间将持续保持极低气压，因水的沸点随气压降低而降低，向密闭管内的海水蒸发面处持续供应少许能量就会使管内蒸发面处的海水持续沸腾。因密闭管内海水下端连通自然海水，在重力和大气压力共同作用下，密闭管内因不断蒸发而缺失的海水由密闭管下口自动汲取自然海水而得到零耗能补充。适当增大密闭管内海水柱处的管径，密闭管内海水蒸发面处的海水沸腾后管内海水中浓度增高的盐类及其他水溶物向下方自然海水中扩散或者向专设的海水供水池中扩散，密闭管内因大量水蒸汽蒸发而导致的盐类及其他水溶物析出和沉积的问题可得到缓解。
据此，可制造一端封闭一端开口并在开口端装有阀门且垂直高度超过10.336米的密闭管，在密闭管的开口端安装滤网以便使用时滤去海水中的大颗粒杂质及海洋生物。将密闭管开口端朝下垂直插入自然海水中并将开口端及其阀门完全浸没在海水中且使密闭管的露出海水水平面的部分相对于自然海水水平面的垂直高度超过10.336米，密闭管的露出海水水平面的部分相对于海水水平面的垂直高度应尽量多超出10.336米一些，以便设备工作时形成的近真空空间更大些。将密闭管倾斜插入海水也可，只是倾斜插入时密闭管的长度需更大些。将密闭管的相对于海水水平面的垂直高度大于9米部分的管径扩大以扩大密闭管内该部分的容积，改动后的密闭管下文中简称密闭系统。密闭系统下段管径较小的部分长度超过10.336米，工作时用于向密闭系统内供应海水，下文中简称海水供水管，海水供水管下口处的阀门下文中简称海水供水管阀门。适当扩大海水供水管管径使设备工作时浓度增高的盐类及其他水溶物向下方自然海水中扩散或向专设的海水池中扩散。密闭系统上部扩大了管径这部分在整套设备工作时，底部用于海水的低温蒸发，下文中简称低温蒸发室，上部用于形成容纳水蒸汽的近真空空间，下文中简称近真空蒸汽室，也就是说，低温蒸发室和近真空蒸汽室共用密闭系统上部管径较大的部分。在低温蒸发室内设均匀密布的防冻盘管，防冻盘管与低温蒸发室底面基本平行且拉直时长度较大，防冻盘管的两开口端连接低温蒸发室外的加热驱动箱，防冻盘管与低温蒸发室外的加热驱动箱共同构成屏蔽外环境的密闭循环管，密闭循环管内充满热交换速度较快的气体或液体，当加热驱动箱工作时密闭循环管内的气体或液体被加热驱动箱内的加热器加热并被加热驱动箱内的驱动器送入低温蒸发室内地防冻盘管中，防冻盘管中温度较低的气体或液体回流到加热驱动箱内，气体或液体在密闭循环管内循环流动并向低温蒸发室内持续低温供热以促进海水蒸发和防止海水结冰，防冻盘管和加热驱动箱共同组成防结冰设备。低温蒸发室外表面浸泡在淡水加热箱内的淡水中，淡水加热箱底壁和侧壁分别与低温蒸发室底壁和侧壁基本平行且适当间距，淡水加热箱的出水口在淡水加热箱的侧壁上且淡水加热箱的出水口高于设备工作时低温蒸发室内海水液面，淡水加热箱出水口连接下行的淡水导流管，淡水加热箱箱壁由保温性能较好的材料制成，低温蒸发室底壁和侧壁由热交换性能较好的材料制成。低温蒸发室下端的海水供水管从淡水加热箱底壁穿过并保持淡水加热箱底壁的封闭性能，淡水加热箱是本装置的液化集水和排气部分，也是本装置的供热部分之一。在近真空蒸汽室顶端设注水阀门，近真空蒸汽室的内顶壁主体为平面，在近真空蒸汽室内顶壁的主体平面上设数个均匀分布并向下方开口且上端封闭的小管，小管嵌入近真空蒸汽室内顶壁的主体平面中且有一定的深度，形状近似于人体的盲肠，下文中简称盲管，近真空蒸汽室内设数个抽气支导管，抽气支导管的数量与盲管数量相同，各个抽气支导管的抽气口一一探入盲管中，因盲管嵌入近真空蒸汽室内顶壁，密闭系统中注满海水时海水不会进入抽气支导管，各个抽气支导管出气口共同连接近真空蒸汽室内的抽气导管，近真空蒸汽室内的抽气导管再连接均匀密布在低温蒸发室中拉直时长度较大的抽气导管盘管的进气口，抽气导管盘管基本平行于低温蒸发室底壁且热交换性能较好，抽气导管盘管的出气口连接低温蒸发室外面的抽气导管并保持低温蒸发室的密闭性能，低温蒸发室外面的抽气导管下文中简称外段抽气导管，外段抽气导管连接抽气设备进气口，外段抽气导管与抽气设备的连接处设抽气导管阀门，近真空蒸汽室内的抽气导管、低温蒸发室内的抽气导管盘管、外段抽气导管并称为抽气导管，抽气设备的出气口连接水蒸汽导流管，水蒸汽导流管穿过淡水加热箱底壁或侧壁并保持淡水加热箱的防漏性能，水蒸汽导流管进入淡水加热箱后，连接多个均匀分布在低温蒸发室底壁下方且浸没在淡水加热箱内淡水中的水蒸汽支导流管，水蒸汽支导流管的管壁上都均匀分布多个水蒸汽出气小孔。所有阀门都关闭时，海水供水管、低温蒸发室、近真空蒸汽室共同构成屏蔽外界环境的密闭系统，该密闭系统是本装置工作时的海水供水和蒸发部分，抽气支导管、抽气导管、抽气设备、水蒸汽导流管、水蒸汽支导流管共同构成一个水蒸汽通道，该水蒸汽通道是本装置工作时的抽气和水蒸汽导流并初步液化部分，抽气支导管、抽气导管、抽气设备、水蒸气导流管共同构成一个屏蔽管外环境的水蒸汽通道，抽气导管盘管、淡水加热箱、防结冰设备共同构成本装置的供热部分，海水供水管及其阀门、低温蒸发室、防冻盘管和加热驱动箱共同组成的防结冰设备、近真空蒸汽室、注水阀门、盲管、抽气支导管、抽气导管及其阀门、抽气设备、水蒸汽导流管、水蒸汽支导流管、淡水加热箱、淡水导流管共同构成海水供水及蒸发部分、抽气部分、集水部分相互结合的真空抽气海水淡化装置。
使用真空抽气海水淡化装置具体操做时，把淡水加热箱装满淡水，将海水供水管开口端朝下插入自然海水中并使海水供水管管口及阀门浸没在海水中，关闭海水供水管阀门和抽气导管阀门，打开密闭系统顶端的注水阀门向密闭系统中注入海水，当密闭系统中海水液面与近真空蒸汽室的内顶壁持平时即刻停止注水，因各个抽气支导管的抽气口一一探入嵌在近真空蒸汽室内顶壁中的盲管内，密闭系统内的海水不会进入抽气支导管，关闭注水阀门，打开海水供水管阀门后密闭系统内的海水在重力作用下下落，调整装置的高度使密闭系统内海水液面维持在低温蒸发室内，因密闭系统内注满海水时盲管、抽气支导管、抽气导管中存有少量空气，海水下落后低温蒸发室上方是含少量空气的近真空蒸汽室，开启抽气设备和防结冰设备并打开抽气导管阀门，当抽气设备出口处的水蒸汽射流压大于水蒸汽支导流管上水蒸汽出气小孔处水压与外界大气压之和时，近真空蒸汽室内夹杂少量空气的水蒸汽经抽气口、抽气支导管、抽气导管、抽气设备、水蒸汽导流管、水蒸汽支导流管、水蒸汽支导流管管壁上的水蒸汽出气小孔进入淡水加热箱中。抽气设备工作时，近真空蒸汽室内水蒸汽被不断抽入水蒸汽通道，因水蒸汽通道较长且水蒸汽通道中最长的部分是浸泡在低温蒸发室内海水中的抽气导管盘管，在抽气管道内流动的水蒸汽中一部分已遇冷液化，抽入抽气设备的是淡水、水蒸汽、少量空气的气水混合物。因水蒸汽液化放热且抽气导管管盘热交换性能较好管壁较薄，气水混合物不断流经抽气导管盘管时部分水蒸汽液化放热向低温蒸发室内持续低温供热促进海水蒸发并防止海水结冰。气水混合物经抽气设备、水蒸汽导流管、均匀分布在淡水加热箱中的多个水蒸汽支导流管进入淡水加热箱后，从水蒸汽支导流管管壁上均匀分布的水蒸汽出气小孔进入淡水加热箱内的淡水中，气水混合物中的空气从淡水加热箱内的淡水液面逸出，气水混合物中尚未液化的水蒸汽在淡水加热箱内的淡水中液化并与气水混合物中已液化的水共同融入淡水加热箱内的淡水中，因低温蒸发室浸泡在淡水加热箱中且低温蒸发室底壁和侧壁热交换性能较好，淡水加热箱内水蒸汽不断液化放热向低温蒸发室内持续低温供热促进海水蒸发并防止海水结冰。因淡水加热箱侧壁上淡水出水口的高度大于低温蒸发室内海水液面的高度，淡水加热箱内不断融入而多出的淡水由淡水加热箱出水口经淡水导流管不断导出并保持淡水加热箱内淡水液面的高度，低温蒸发室内因不断蒸发而缺失的海水由海水供水管不断汲取自然海水得到零耗能补充。真空抽气海水淡化装置的抽气设备稳定工作时，低温蒸发室内海水的蒸发量与抽气管道及淡水加热箱内水蒸汽的液化量持平，低温蒸发室内的海水蒸发时吸收的热量与抽气管道及淡水加热箱内的水蒸汽液化时放出的热量也持平，如不计能量损耗且热传导达到100％的能量转移率，则不开启防结冰设备本装置也能正常工作，但能量损耗不可避免，热传导也不可能达到100％的能量转移率，如不开启防结冰设备，持续的蒸发会导致低温蒸发室内海水结冰从而最终导致抽气设备做无用功，因此开启抽气设备并打开抽气导管阀门后应再开启防结冰设备，用抽气设备不断抽出近真空蒸汽室中的水蒸汽，并利用抽出的水蒸汽液化时释放的热能和防结冰设备持续供应的辅助热能向低温蒸发室持续供热促进低温蒸发室内海水蒸发并防止低温蒸发室内海水结冰。本装置工作时装置只有抽气设备和加热驱动箱是耗能设备。
使用真空抽气海水淡化装置实际操作时，因使用前将密闭系统内注满海水比较麻烦而且也需要耗能，如设备较小，密闭系统容积不大，可不安装注水阀门和海水供水管阀门，使用前不用将密闭系统内注满海水，将淡水加热箱装满淡水，，将海水供水管管口浸没在自然海水中，直接开启抽气设备，打开抽气导管阀门密闭系统内空气被抽出而气压逐渐降低，海水供水管内水位随之逐渐升高，密闭系统内液面高度稳定后，调节海水供水管浸没在自然海水中的深度，使密闭系统内海水液面保持在低温蒸发室内，开启防结冰设备，由抽气设备抽出的气水混合物中水和水蒸汽融合在淡水加热箱内的淡水中而抽出的空气在淡水加热箱中的淡水液面处逸出，持续抽气抽出的气水混合物中水蒸汽不断液化释放的能量和防结冰设备持续供应的能量共同通过热传导输入低温蒸发室促进低温蒸发室内海水蒸发并防止低温蒸发室内海水结冰，在大气压力和重力共同作用下低温蒸发室内因蒸发而缺失的海水由自然海水补充，本装置进入正常工作状态，在自然海水中即插即用。调节淡水导流管长度和方向可便于人们在低于淡水加热箱出水口的各种不同高度位置的实际应用。
使用真空抽气海水淡化装置规模化生产时，可多套设备在同一场地的同一高度空间内集中作业，也可在同一场地内为不同高度的操作空间配备相应高度的海水供水池，以实现在同一场地内的多个不同高度空间均有多套设备同时集中作业，换言之，可用建造海水淡化楼并为不同高度的楼层配备相应高度的海水供水池使各个楼层均有多套设备同时作业这一方式来实现规模化生产，规模化生产时同一楼层的多个单套设备可共用一个海水总供水管及其阀门，海水总供水管经分供水管连接各个单套设备的低温蒸发室，多个单套设备的外段抽气导管可连接一个共用的抽气管，共用的抽气管连接一个共用的抽气设备，共用的抽气设备连接一个共用的水蒸汽总导流管，水蒸气总导流管探入一个共用的淡水加热箱，在淡水加热箱内水蒸汽总导流管连接多个水蒸汽支导流管，水蒸汽支导流管均匀分布在共用的淡水加热箱中，各个单套设备的低温蒸发室浸泡在共用的淡水加热箱中，共用的淡水加热箱设一个淡水加热箱出水口和一个淡水导流管。
综上所述真空抽气海水淡化方法的特征在于：
A)用抽气设备不断抽出近真空蒸汽室中的水蒸汽并利用抽出的水蒸汽液化时释放的热能和持续供应的少量外来辅助热能向低温蒸发室持续供热促进低温蒸发室内海水蒸发并防止低温蒸发室内海水结冰，抽出的水蒸汽经导管导入淡水中与淡水融合得到淡化水，夹杂在水蒸汽中的少量空气在淡水中逸出；
B)可用建造海水淡化楼并为不同高度的楼层配备相应高度的海水供水池使各个楼层均有多套本装置同时作业这一方式来实现规模化生产。
本发明适用于地球上任何非冰冻地区的海水淡化和苦咸水淡化，应用范围广泛，小至家庭操作，大至规模化生产均可使用。既可用于解决舰船、海岛的淡水供应问题，又可解决沿海大型城市及邻海国家或地区的淡水紧缺问题，也可与其他水处理方法结合应用于污水处理领域。
本发明的优点和积极效果是：构造简单、低成本、低耗能、易维护、易普及，适用范围广泛，可单机操作小规模生产，也可多机联用组成大型设备规模化立体化生产。
【附图说明】
该附图是真空抽气海水淡化装置的结构示意图；
1.海水供水管阀门，2.自然海水水平面，3.海水供水管，4.抽气设备，5.抽气导管阀门，6.水蒸汽导流管，7.外段抽气导管，8.低温蒸发室，9.抽气导管，10.盲管，11.注水阀门，12.抽气支导管，13.抽气口，14.低温蒸发室内海水液面，15.近真空蒸汽室，16.淡水出水口，17.抽气导管盘管，18.水蒸汽出气小孔，19.水蒸汽支导流管，20.淡水加热箱，21.淡水导流管，22.防冻盘管和加热驱动箱共同组成的防结冰设备，23.防冻盘管，24.加热驱动箱。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
真空抽气海水淡化装置如附图所示，包括：一个海水供水管3；一个海水供水管阀门1；一个低温蒸发室8；一个防冻盘管23和加热驱动箱24共同组成的防结冰设备22；一个近真空蒸汽室15；一个注水阀门11；多个盲管10；多个抽气支导管12；一个抽气导管9；一个抽气导管阀门5；一个抽气设备4；一个水蒸汽导流管6；多个水蒸汽支导流管19；一个淡水加热箱20；一个淡水导流管21；在低温蒸发室内设均匀密布的防冻盘管23，防冻盘管的两开口端连接低温蒸发室8外的加热驱动箱24，防冻盘管23、加热驱动箱24共同构成屏蔽外环境的密闭循环管，密闭循环管内充满热交换速度较快的气体或液体，当加热驱动箱24工作时密闭循环管内的气体或液体被加热驱动箱内的加热器加热并被加热驱动箱内的驱动器送入低温蒸发室内的防冻盘管23中，防冻盘管中温度较低的气体或液体回流到加热驱动箱24内，气体或液体在密闭循环管内循环流动并向低温蒸发室内持续低温8供热，防冻盘管23、加热驱动箱24统称为防结冰设备22。低温蒸发室8外部安装淡水加热箱20，淡水加热箱出水口16高于工作时低温蒸发室内海水液面14的高度，低温蒸发室8下端连接海水供水管3，海水供水管3在淡水加热箱20中穿过，海水供水管3下口安装海水供水管阀门1，低温蒸发室8上方是近真空蒸汽室15，近真空蒸汽室15顶端安装注水阀门11，近真空蒸汽室15顶壁主体为平面，近真空蒸汽室15顶壁上均匀分布多个盲管10，抽气支导管12的抽气口13探入盲管10中，各个抽气支导管13的出气口共同连接近真空蒸汽室15内的抽气导管9，近真空蒸汽室15内的抽气导管9再连接均匀密布在低温蒸发室8中且长度较大的抽气导管盘管17的进气口，抽气导管盘管17基本平行于低温蒸发室8底壁且热交换性能较好，抽气导管盘管17的出气口连接低温蒸发室外面的外段抽气导管7，外段抽气导管7与抽气设备4的连接处设抽气导管阀门5，近真空蒸汽室15内的抽气导管9、低温蒸发室8内的抽气导管盘管17、外段抽气导管7并称为抽气导管，抽气设备4的出气口连接水蒸汽导流管6，水蒸汽导流管穿过淡水加热箱20底壁或侧壁并保持淡水加热箱的防漏性能，水蒸汽导流管6进入淡水加热箱20后，连接多个均匀分布在低温蒸发室8底壁下方且浸没在淡水加热箱内淡水中的水蒸汽支导流管19，水蒸汽支导流管的管壁上都均匀分布多个水蒸汽出气小孔18。使用真空抽气海水淡化装置具体操做时，把淡水加热箱20装满淡水，将海水供水管3管口及阀门1浸没在海水中，关闭海水供水管阀门1和抽气导管阀门5，打开注水阀门11将密闭系统中注满海水，因盲管10开口向下且嵌入近真空蒸汽室15内顶壁较深，密闭系统内充满海水时各个盲管10内只有空气，关闭注水阀门11，打开海水供水管阀门1后密闭系统内的海水在重力作用下下落，调整装置的高度使密闭系统内海水液面维持在低温蒸发室8内，因各个盲管10容积较小，低温蒸发室8上方是含少量空气的近真空蒸汽室15，开启抽气设备4和防结冰设备22并打开抽气导管阀门5，近真空蒸汽室15内夹杂少量空气的水蒸汽经抽气口13、抽气支导管12、抽气导管9、抽气导管盘管17、外段抽气导管7、抽气设备4、水蒸汽导流管6、水蒸汽支导流管19、水蒸汽支导流管管壁上的水蒸气出气小孔18进入淡水加热箱20中。抽气设备4工作时，因抽气管道较长且抽气管道中最长的部分是浸泡在低温蒸发室8内海水中的抽气导管盘管17，在抽气管道内流动的水蒸汽中一部分已遇冷液化，抽入抽气设备4的是淡水、水蒸汽、少量空气的气水混合物。因水蒸汽液化放热且抽气导管盘管17热交换性能较好，气水混合物流经抽气导管盘管17时一部分水蒸汽液化放热使低温蒸发室8内的海水被低温加热。气水混合物经抽气设备4、水蒸汽导流管6、均匀分布的多个水蒸汽支导流管19进入淡水加热箱20后，由水蒸汽支导流管19管壁上均匀分布的水蒸汽出气小孔18进入淡水加热箱20内的淡水中，气水混合物中的空气从淡水加热箱20内的淡水液面逸出，气水混合物中尚未液化的水蒸汽在淡水加热箱20内的淡水中液化并与气水混合物中已液化的水共同融入淡水加热箱20内的淡水中，淡水加热箱20内的淡水因其中不断有水蒸汽液化而温度渐高，因低温蒸发室8浸泡在淡水加热箱20中且低温蒸发室8底壁侧壁热交换性能较好，淡水加热箱20对低温蒸发室8内海水进一步加热。因淡水加热箱20侧壁上淡水出水口16的高度大于低温蒸发室内海水液面14的高度，淡水加热箱20内不断融入而多出的淡水由淡水加热箱出水口16经淡水导流管21不断导出并保持淡水加热箱内淡水液面的高度，低温蒸发室8内因不断蒸发而缺失的海水由海水供水管3不断汲取自然海水得到零耗能补充。