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1、(10)申请公布号 CN 102408139 A (43)申请公布日 2012.04.11 C N 1 0 2 4 0 8 1 3 9 A *CN102408139A* (21)申请号 201110342210.5 (22)申请日 2011.11.02 C02F 1/14(2006.01) C02F 103/08(2006.01) (71)申请人上海海事大学 地址 200135 上海市浦东新区浦东大道 1550号 (72)发明人阚安康 夏平 韩厚德 (74)专利代理机构上海天翔知识产权代理有限 公司 31224 代理人孙景宜 (54) 发明名称 太阳能磁制冷海水淡化装置及其海水淡化方 法 (5。
2、7) 摘要 本发明公开了太阳能磁制冷海水淡化装置及 其海水淡化方法，所述装置包括蒸汽生成系统和 磁制冷捕水器；利用太阳能的辐射热加热海水， 使海水达到一个较高的温度，然后再经过喷淋室 喷淋，一部分的高温海水气化，这样就会得到水蒸 汽，水蒸汽被冷凝可得到淡水。所述装置包括蒸汽 生成系统和磁制冷捕水器。本发明的有益效果在 于：利用太阳能加热海水，而不是消耗石油，天然 气，煤炭等常规能源，绿色环保无污染，同时不需 要很多的动力设备，只需要一些水泵而已，节能效 果好。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页 。
3、CN 102408142 A 1/2页 2 1.太阳能磁制冷海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括蒸汽生成系统和磁制冷捕 水器； 所述蒸汽生成系统包括太阳能集热板、喷淋室、第一换热器和第二换热器；喷淋室的顶 部设置有喷头和蒸汽出口，喷淋室的底部设置有第一压力阀门； 所述磁制冷捕水器的外部设置有海水导入管和海水导出管；磁制冷捕水器的内部设置 有储液罐、储气罐、上三通电磁阀、下三通电磁阀和磁制冷装置；磁制冷捕水器的底部设置 有集水槽； 所述海水导入管通过储液罐连接下三通电磁阀的第一接口，下三通电磁阀的第二接口 连接磁制冷装置；所述磁制冷装置的另一端连接上三通电磁阀的第一接口，下三通电磁阀 的第三接。
4、口连接集水槽；所述集水槽的底部设置有外接淡水排出管的第二压力阀门，集水 槽的顶部外侧设置有与喷淋室连通的蒸汽回流口；上三通电磁阀的第二接口连接海水导出 管； 所述海水导出管依次连接第一换热器、太阳能集热板、第二换热器；第二换热器通过管 路与喷淋室顶部的喷头连接；喷淋室底部的压力阀门通过管路连接第一换热器；所述第一 换热器还设置有海水排出口； 喷淋室顶部的蒸汽出口连接第二换热器，第二换热器的一个接口连接磁制冷捕水器内 部的储气罐，储气罐的出口端连接上三通电磁阀的第三接口。 2.根据权利要求1所述的太阳能磁制冷海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能集热 板为槽式太阳能集热板。 3.根据权利要求1所述。
5、的太阳能磁制冷海水淡化装置，其特征在于，所述海水导入管 上设置有第一驱动水泵，第一换热器和太阳能集热板之间设置有第二驱动水泵；海水排出 口通过管路连接有第三驱动水泵。 4.根据权利要求1所述的太阳能磁制冷海水淡化装置，其特征在于，所述第一压力阀 门的设定开启压力小于第一压力阀门的设定开启压力。 5.太阳能磁制冷海水淡化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 1)给水：首先关闭上三通电磁阀的第三接口和下三通电磁阀的第三接口，启动第一驱 动水泵导入海水，由磁制冷装置加热后经海水导出管到达第一换热器，经过热交换后海水 流进太阳能集热板； 2)加热：太阳的辐射热能被太阳能集热器吸收后，太阳能集热器对。
6、海水进行加热，然 后加热的海水经过第二个换热器继续被加热为高温海水； 3)蒸发：高温海水在喷淋室进行喷淋，一部分的海水变成了水蒸汽，所述水蒸汽积聚 在喷淋室顶部，液态的海水留在喷淋室底部； 4)冷却：积聚在喷淋室顶部的水蒸汽在自身的扩散作用下，以及由于喷淋室内部的空 间不断减小而增强的压力作用下，经过喷淋室的水蒸汽出口，通过水蒸汽管道在第二个换 热器与在太阳能集热器被加热的海水进行热交换，水蒸汽被冷却很少的一部分，然后水蒸 汽和液态水混合物经过磁制冷捕水器被冷却，冷凝后的冷凝水被收集在集水槽中； 5)排出冷凝水：当集水槽中的冷凝水水位达到一定的高度时，集水槽的阀门打开，冷 凝水被排出； 6)集。
7、水槽中的剩余水蒸汽的排出：通过集水槽底部的压力阀控制淡水水位，当淡水水 权 利 要 求 书CN 102408139 A CN 102408142 A 2/2页 3 位到达一定高度时，空间变小，压强增大，推动水蒸汽通过管道进入喷淋室中； 7)排出喷淋室浓海水：当喷淋室中浓海水的水位高度达到一定时，喷淋室底部的压力 阀打开，浓海水被引进第一个换热器中，经过换热器后被直接排到海里。 6.根据权利要求5所述的太阳能磁制冷海水淡化方法，其特征在于，所述方法包括预 热过程，所述预热过程为让一部分海水在所述太阳能磁制冷海水淡化装置进行循环，使得 第一换热器内存储有高温海水，第二换热器内存储有高温水蒸汽。 权。
8、 利 要 求 书CN 102408139 A CN 102408142 A 1/5页 4 太阳能磁制冷海水淡化装置及其海水淡化方法 技术领域 0001 本发明涉及海水淡化领域，特别涉及到太阳能磁制冷海水淡化装置及其海水淡化 方法。 背景技术 0002 随着社会的快速发展，人口数量的急剧膨胀，有报道说2011的今年世界人口将达 到前所未有的70亿，造成用水量在急剧的增长，但是可以利用的淡水资源却在不断的减 少，在不远的将来有水危机的危险。特别是我国，水资源短缺的问题越来越严重。而且据有 关资料显示，我国的人均占有水量只有世界平均水平的1/4，被列为世界13个缺水国家之 一。所以可见，水资源的匮乏。
9、已经严重影响到我国的可持续发展，已经到了不得不重视的地 步。目前有许多措施在进行中，比如南水北调，废水利用等，但是这些措施都是有能耗大，见 效慢等不足。因此，海水淡化是未来解决淡水资源缺乏的最有效措施之一。我们知道地球表 面70多是被广阔的海洋所覆盖的，其中水的储量约为13.7亿立方米，占到地球总的储水 量的95，占到地表水总量的98。，而我们赖以生存的淡水却只有全球总水量的2.53， 人类能直接使用的淡水只有总淡水量的0.266，所以从海水中取得淡水，发展海水淡化技 术是我们解决水资源及其重要的措施。 0003 磁制冷是指利用一些磁性材料的磁热效应来制冷的技术，与传统利用氟利昂作 为制冷工质。
10、的蒸气压缩式制冷技术有着本质的区别。蒸气压缩式制冷所采用的制冷工 质-氟利昂，能破坏地球的保护层-臭氧层，同时氟利昂本身也是造成温室效应的气体， 对地球的生态环境都造成了极大的破坏，因此各国政府都在积极采取措施，加快淘汰不环 保的制冷剂氟利昂。而且利用氟利昂作为制冷剂的蒸气压缩式制冷循环的效率只是卡洛 循环的5-10，但是利用磁性材料磁热效应的磁制冷循环的效率可以达到卡洛循环的 30-60，因此具有更好的节能效果。磁制冷的制冷工质是固态的磁性材料，它的GWP(全 球变暖潜能值，ODP(破坏臭氧层潜能值)都是为零的，所以磁制冷是完全安全可靠的无污 染，节能环保的制冷技术。磁制冷的磁热效应(MCE。
11、)，也叫磁卡效应是指在磁性材料的励磁， 去磁的过程中，会伴随着磁性材料放出热量和吸收热量的现象。当给磁性材料加一个外部 磁场的时候，磁性材料被磁化，磁性材料的磁熵变小，温度上升。当外部磁场消失时，磁性材 料去磁，它的磁熵变大，温度下降。如果在磁性材料励磁，去磁过程中利用传热介质进行热 交换，形成一个热力循环，就可以达到制冷效果了。目前比较常见的磁制冷循环是：磁卡洛 循环，磁斯特林循环，磁埃里克森循环，磁布雷顿循环。这些磁制冷循环都有自己适用的温 度范围，比如磁卡洛循环适用于低于20K的低温区。而磁埃里克森循环可以适用于室温范 围，因此本发明装置利用的磁制冷是采用磁埃里克森循环。 0004 磁制。
12、冷与太阳能联合的海水淡化装置，其实是利用了太阳能蒸馏法的原理，利用 太阳能的辐射热能加热海水，使海水能达到一个较高的温度，然后再经过喷淋室喷淋，会有 一部分的高温海水气化，这样就会得到水蒸汽，水蒸汽被冷凝就得到了淡水。利用太阳能进 行海水淡化与其他的方式进行的海水淡化相比，有着自己巨大的优势。首先是利用太阳能 说 明 书CN 102408139 A CN 102408142 A 2/5页 5 加热海水，而不是消耗石油，天然气，煤炭等常规能源，无污染，然后太阳能海水淡化不需要 很多的动力设备，只需要一些水泵而已，因此节能效果好。 0005 由于目前各国都比较关注海水淡化的研究，因此有很多的海水淡。
13、化方法和装置。 如：(1)蒸馏法，将海水加热蒸发，再使蒸汽冷凝得到淡水。分为多效蒸发(MED)，闪蒸 (flash)，压气蒸馏(VC)。(2)反渗透(RO)，以压力差为动力，使淡水透过选择性渗透膜。 (3)电渗析法，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除水中离子从而使海 水淡化。 发明内容 0006 本发明的目的是提供太阳能磁制冷海水淡化装置及其海水淡化方法，特别是涉及 到近年来各国大力发展的磁制冷技术来冷却水蒸汽的装置，以及利用太阳能进行海水淡化 的方法。利用太阳能作为加热海水的热源，舍去了专门的加热设备，达到节能环保的目的， 同时利用磁制冷冷却技术不会产生温室气体和破坏臭氧层的。
14、气体。 0007 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现： 0008 太阳能磁制冷海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括蒸汽生成系统和磁制冷 捕水器； 0009 所述蒸汽生成系统包括太阳能集热板、喷淋室、第一换热器和第二换热器；喷淋室 的顶部设置有喷头和蒸汽出口，喷淋室的底部设置有第一压力阀门； 0010 所述磁制冷捕水器的外部设置有海水导入管和海水导出管；磁制冷捕水器的内部 设置有储液罐、储气罐、上三通电磁阀、下三通电磁阀和磁制冷装置；磁制冷捕水器的底部 设置有集水槽； 0011 所述海水导入管通过储液罐连接下三通电磁阀的第一接口，下三通电磁阀的第二 接口连接磁制冷装置；所述磁制冷。
15、装置的另一端连接上三通电磁阀的第一接口，下三通电 磁阀的第三接口连接集水槽；所述集水槽的底部设置有外接淡水排出管的第二压力阀门， 集水槽的顶部外侧设置有与喷淋室连通的蒸汽回流口；上三通电磁阀的第二接口连接海水 导出管； 0012 所述海水导出管依次连接第一换热器、太阳能集热板、第二换热器；第二换热器通 过管路与喷淋室顶部的喷头连接；喷淋室底部的压力阀门通过管路连接第一换热器；所述 第一换热器还设置有海水排出口； 0013 喷淋室顶部的蒸汽出口连接第二换热器，第二换热器的一个接口连接磁制冷捕水 器内部的储气罐，储气罐的出口端连接上三通电磁阀的第三接口。 0014 在本发明的一个实施例中，所述太阳。
16、能集热板为槽式太阳能集热板。 0015 在本发明的一个实施例中，所述海水导入管上设置有第一驱动水泵，第一换热器 和太阳能集热板之间设置有第二驱动水泵；海水排出口通过管路连接有第三驱动水泵。 0016 在本发明的一个实施例中，所述第一压力阀门的设定开启压力小于第一压力阀门 的设定开启压力。 0017 太阳能磁制冷海水淡化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 0018 1)给水：首先关闭上三通电磁阀的第三接口和下三通电磁阀的第三接口，启动第 一驱动水泵导入海水，由磁制冷装置加热后经海水导出管到达第一换热器，经过热交换后 说 明 书CN 102408139 A CN 102408142 A 3/。
17、5页 6 海水流进太阳能集热板； 0019 2)加热：太阳的辐射热能被太阳能集热器吸收后，太阳能集热器对海水进行加 热，然后加热的海水经过第二个换热器继续被加热为高温海水； 0020 3)蒸发：高温海水在喷淋室进行喷淋，一部分的海水变成了水蒸汽，所述水蒸汽 积聚在喷淋室顶部，液态的海水留在喷淋室底部； 0021 4)冷却：积聚在喷淋室顶部的水蒸汽在自身的扩散作用下，以及由于喷淋室内部 的空间不断减小而增强的压力作用下，经过喷淋室的水蒸汽出口，通过水蒸汽管道在第二 个换热器与在太阳能集热器被加热的海水进行热交换，水蒸汽被冷却很少的一部分，然后 水蒸汽和液态水混合物经过磁制冷捕水器被冷却，冷凝后的。
18、冷凝水被收集在集水槽中； 0022 5)排出冷凝水：当集水槽中的冷凝水水位达到一定的高度时，集水槽的阀门打 开，冷凝水被排出； 0023 6)集水槽中的剩余水蒸汽的排出：通过集水槽底部的压力阀控制淡水水位，当淡 水水位到达一定高度时，空间变小，压强增大，推动水蒸汽通过管道进入喷淋室中； 0024 7)排出喷淋室浓海水：当喷淋室中浓海水的水位高度达到一定时，喷淋室底部的 压力阀打开，浓海水被引进第一个换热器中，经过换热器后被直接排到海里。 0025 在本发明的一个实施例中，所述方法包括预热过程，所述预热过程为让一部分海 水在所述太阳能磁制冷海水淡化装置进行循环，使得第一换热器内存储有高温海水，第。
19、二 换热器内存储有高温水蒸汽。 0026 本发明的有益效果在于：利用太阳能加热海水，而不是消耗石油，天然气，煤炭等 常规能源，绿色环保无污染，同时不需要很多的动力设备，只需要一些水泵而已，节能效果 好。 附图说明 0027 图1为本发明所述的太阳能磁制冷海水淡化装置的系统结构图。 0028 图2为本发明所述的磁制冷捕水器的系统结构图。 具体实施方式 0029 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。 0030 如图1和图2所示，本发明所述的太阳能磁制冷海水淡化装置，所述装置包括蒸汽 生成系统和磁制冷捕水器200； 0031 所述蒸。
20、汽生成系统包括太阳能集热板110、喷淋室100、第一换热器210和第二换 热器220；喷淋室100的顶部设置有喷头和蒸汽出口，喷淋室100的底部设置有第一压力阀 门111； 0032 所述磁制冷捕水器200的外部设置有海水导入管和海水导出管；磁制冷捕水器 200的内部设置有储液罐330、储气罐340、上三通电磁阀310、下三通电磁阀320和磁制冷 装置300；磁制冷捕水器200的底部设置有集水槽150； 0033 所述海水导入管通过储液罐330连接下三通电磁阀320的第一接口，下三通电磁 阀320的第二接口连接磁制冷装置300；所述磁制冷装置300的另一端连接上三通电磁阀 说 明 书CN 10。
21、2408139 A CN 102408142 A 4/5页 7 310的第一接口，下三通电磁阀320的第三接口连接集水槽150；所述集水槽150的底部设 置有外接淡水排出管的第二压力阀门，集水槽150的顶部外侧设置有与喷淋室100连通的 蒸汽回流口；上三通电磁阀310的第二接口连接海水导出管； 0034 所述海水导出管依次连接第一换热器210、太阳能集热板110、第二换热器220；第 二换热器220通过管路与喷淋室100顶部的喷头连接；喷淋室100底部的第一压力阀门111 通过管路连接第一换热器210；所述第一换热器210还设置有海水排出口； 0035 喷淋室100顶部的蒸汽出口连接第二换热器。
22、220，第二换热器220的一个接口连接 磁制冷捕水器200内部的储气罐340，储气罐340的出口端连接上三通电磁阀310的第三接 口。 0036 所述海水导入管上设置有第一驱动水泵140，第一换热器210和太阳能集热板110 之间设置有第二驱动水泵120；海水排出口通过管路连接有第三驱动水泵130。 0037 所述太阳能集热器是槽式太阳能集热器，因为槽式结构接受太阳能的辐射热能比 一般的结构形式要多，这样会是加热的海水温度能更高一些。 0038 本发明的工作方法如下： 0039 在经过磁制冷捕水器加热的加热海水，在进入太阳能集热器之前，要经过一个换 热器与从喷淋室出来的高温浓海水进行热交换，温。
23、度进一步升高，变成中温海水。中温海水 经过水泵的提升，被引进到太阳能集热器中，太阳能集热器吸收太阳的辐射热能后继续加 热海水，海水温度继续上升，变成高温海水。流出太阳能集热器的高温海水在第二个换热器 与从喷淋室出来的水蒸汽进行换热，温度达到最高。与高温海水换热后，水蒸汽中一小部分 会被冷凝成淡水。最高温度的海水然后进入喷淋室，在喷淋室进行喷淋，会有大量的海水蒸 发变成水蒸汽在喷淋室的顶部积聚，没有蒸发的海水变成浓海水留在喷淋室的底部。在喷 淋室的底部，有一个由压力控制压力阀，当喷淋室的浓海水水位达到一定的高度时，在该浓 海水的压力的作用下，压力阀门打开，浓海水流出喷淋室，与加热海水在换热器进行。
24、换热， 最后被排出到海里。由于浓海水在喷淋室里的水位不断的上升，喷淋室的空间越来越小，所 以压强变得越来越大，会推动喷淋室顶部的水蒸汽不断的流出喷淋室，进去蒸汽管道中。水 蒸汽在第二个换热器中与高温海水进行换热后被冷却，其中一小部分的水蒸汽会直接被冷 却成淡水。这样管道中的水蒸汽和淡水混合物接着进入到磁制冷换热器中继续被冷却，此 时混合物中大部分的水蒸汽都会直接被冷却成淡水，但是还是有很少的一部分水蒸汽依然 没有被冷却成淡水，然后淡水和水蒸汽的混合物进入到集水槽中，这部分水蒸汽通过集水 槽顶部的出口，通过管道流到喷淋室中，大量的淡水在集水槽底部积聚。在集水槽底部，设 置一个由压力控制的压力阀，。
25、只有当集水槽中的淡水水位达到一定的高度时，这个压力阀 门才会打开，排出淡水。这里要先考虑到喷淋室与集水槽的压力大小问题了，如果喷淋室的 压强比集水槽要大的话，则集水槽中的水蒸汽不会通过喷淋室与集水槽之间的管道回到喷 淋室中，所以必须要保证集水槽中的压强要比喷淋室中的大。本发明就是通过二个不同的 压力阀来控制喷淋室和集水槽中的压强大小的。设置集水槽的淡水水位上升的高度比喷淋 室的浓海水水位上升的高度高到一个合理的距离，这样就可以保证集水槽的压强比喷淋室 大，从而集水槽中的部分蒸汽可以回到喷淋室中再经过冷凝过程，变成淡水。本发明磁制冷 太阳能海水淡化装置的蒸汽产生部分系统，利用太阳能，使用了通过压。
26、力控制的压力阀，只 需要一台提升海水的水泵，消耗的常规能源是非常少的，具有节能环保显著特点。相比其它 说 明 书CN 102408139 A CN 102408142 A 5/5页 8 不仅需要消耗大量常规能源，而且造成了环境污染的海水淡化装置和方法而言，磁制冷太 阳能海水淡化装置具有十分明显的商业优势。 0040 磁制冷是利用磁性材料的磁热效应，本发明磁制冷太阳能海水淡化装置采用了磁 埃里克森循环，它包括二个等温过程和二个等磁场过程。在磁制冷捕水器中有二个三通电 磁阀，当海水被吸进管道中，位于上面的三通电磁阀其中的水蒸汽和淡水混合物管道被关 闭，下面的三通电磁阀水蒸汽和液态水管道也被关闭了，。
27、海水进入到磁制冷捕水器中。此时 电磁体磁场逐渐加强，由磁热效应知道，布置在二个三通电磁阀之间的一段公用管道上的 磁性材料在被磁化，它的磁熵逐渐变小，温度不变，向外界散热，通过海水与磁性材料的热 交换，带走了磁性材料磁化时产生的热量，这就是磁埃里克森第一个等温磁化的过程。接着 电磁体和磁性材料一起向下运动，保持磁场强度不变，磁性材料继续与海水进行热交换，这 就是等磁场过程。被加热的海水再经过蒸汽产生装置(蒸汽产生装置上面已经详细的说明 过，这里就不再说明)变成了水蒸汽和液态水混合物。此时，二个三通电磁阀海水管道一起 被关闭，水蒸汽与液态水混合物管道一起被开启。水蒸汽和液态水混合物进入到磁制冷捕 。
28、水器中，这时电磁体和磁性材料一起运动到底部了。接着，电磁体的磁场强度开始慢慢的减 弱，由于磁疗材料的磁热效应，磁性材料去磁磁熵增加，温度不变，要从外界吸收热量。水蒸 汽与液态水混合物中的水蒸汽与磁性材料进行热交换，被冷凝成淡水，这是一个等温去磁 过程。然后电磁体保持磁场强度不变，和磁性材料一起向上运动，在这个等磁场过程中，磁 性材料继续与水蒸汽与液态水混合物中的水蒸汽进行热交换，进一步冷却水蒸汽成淡水， 最后大量的淡水和少量的水蒸汽一起进入到集水器中。在整个磁制冷过程中，只有电磁体 是需要电力驱动的，其它的没有消耗任何能源，同时与传统冷却器需要使用对环境造成极 大破坏的氟利昂制冷机相比而言，磁。
29、性材料不会对环境造成任何的破坏，是真正的节能环 保的冷却器。在磁制冷捕水器的系统中，设置一个海水的储液罐和水蒸汽和液态水的储气 罐，这些容器是用于在三通电磁阀不同管道开启与关闭过程中，储存管道中过多的流体。 0041 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都在要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等 效物界定。 说 明 书CN 102408139 A CN 102408142 A 1/1页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102408139 A 。