本發(fā)明專利涉及冷凍海水淡化領(lǐng)域，尤其涉及一種利用微粒沉降方式的冰晶成核冷凍海水淡化裝置系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

淡水資源短缺使得海水冷凍淡化成為制備淡水的重要途徑。冰是單礦巖，不能和其他物質(zhì)共處，所以水在結(jié)晶過程中，會(huì)自動(dòng)排除雜質(zhì)，以保持其純凈，冷凍法海水淡化正是利用這一原理。冰晶經(jīng)過洗滌、分離、融化后即得到淡水。凍結(jié)海水時(shí)，鹽分被排除在冰晶以外，冰晶形成時(shí)間越長(zhǎng)，鹽分就越少，這是由于海水凍結(jié)的過程中會(huì)使一些鹽分以鹽胞的方式夾雜在冰晶之間，冰層中的“鹽胞”是海水冷凍法的成冰鹽度較高的直接原因。因此，如何抑制冰晶生長(zhǎng)過程中“鹽胞”的形成，是實(shí)現(xiàn)海水冷凍結(jié)晶脫鹽的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。

成核是指氣相(或液相)介質(zhì)中的某些組分一定機(jī)制作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?或液相)的過程，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)從氣相(或液相)向固相(或液相)的質(zhì)量遷移。同質(zhì)成核(或自身成核)的發(fā)生是由于過飽和體系中分子團(tuán)吸附氣體分子而使得自身尺度超過臨界成核尺度；異質(zhì)成核是由外部因素誘導(dǎo)形成，在體系的某些區(qū)域擇優(yōu)、不均勻地形成晶核。異質(zhì)形核一般是發(fā)生在容器、管道等表面或者懸浮雜質(zhì)的表面。在溶液實(shí)際結(jié)晶過程中，多數(shù)異質(zhì)成核發(fā)生時(shí)，過冷度明顯比同質(zhì)成核預(yù)測(cè)值小。溶液接觸的冷壁面或微小粒子等，在一定程度上為冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用。成核發(fā)生過程，晶核體積與面積的比值將增加，晶核固相與液相界面將部分被晶核與異質(zhì)界面代替。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在海水冷凍法成冰鹽度較高的問題，提出了一種利用異質(zhì)沉降結(jié)晶成核方式的冷凍海水淡化裝置系統(tǒng)，不僅能夠有效抑制冰晶生長(zhǎng)過程中“鹽胞”的形成，而且進(jìn)一步促進(jìn)海水中冰晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)海水冷凍結(jié)晶脫鹽。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種利用異質(zhì)沉降結(jié)晶成核方式的冷凍海水淡化裝置系統(tǒng)，包括制冷機(jī)構(gòu)，制冷機(jī)構(gòu)包括節(jié)流閥、輔助冷凝器、主冷凝器和壓縮機(jī)，壓縮機(jī)、主冷凝器、輔助冷凝器和節(jié)流閥依次連接，節(jié)流閥與海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置連通，其中，還包括微粒儲(chǔ)存器、海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置、廢海水微粒分離器和淡水微粒分離器；

所述海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置包括兩個(gè)制冷劑流動(dòng)換熱殼、冰晶傳送帶和冰晶刮刀，制冷劑流動(dòng)換熱殼的內(nèi)部設(shè)有凹槽，兩制冷劑流動(dòng)換熱殼沿其軸線方向?qū)ΨQ設(shè)置，冰晶傳送帶位于兩制冷劑流動(dòng)換熱殼之間，且沿制冷劑流動(dòng)換熱殼的軸向設(shè)置，制冷劑流動(dòng)換熱殼內(nèi)設(shè)有沿?fù)Q熱殼的軸線方向設(shè)置的冰晶刮刀，冰晶刮刀固定在冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸上，冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)置在制冷劑流動(dòng)換熱殼上，兩制冷劑流動(dòng)換熱殼內(nèi)的冰晶刮刀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，均向冰晶傳送帶方向轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述制冷劑流動(dòng)換熱殼的外側(cè)邊頂部設(shè)有數(shù)個(gè)沿軸向間隔設(shè)置的微粒添加口，制冷劑流動(dòng)換熱殼上還設(shè)有海水入口、冰晶排出口、制冷劑排出口、廢海水排出口Ⅱ和制冷劑入口，制冷劑入口與節(jié)流閥的出口連通；

廢海水排出口Ⅱ與廢海水微粒分離器的入口連通，廢海水微粒分離器上設(shè)有廢海水排出口Ⅰ和顆粒出口，顆粒出口與顆粒儲(chǔ)存器的入口連通；

冰晶排出口與主冷凝器的冰晶入口連通，主冷凝器的液體出口與淡水微粒分離器的入口連通，淡水微粒分離器上設(shè)有淡水排出口和顆粒出口，淡水微粒分離器的顆粒出口與顆粒儲(chǔ)存器的入口連通；

所述顆粒儲(chǔ)存器的出口與海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置的顆粒添加口連通；

所述制冷劑排出口與壓縮機(jī)的進(jìn)氣口連通。

所述制冷劑流動(dòng)換熱殼沿其軸向呈傾斜設(shè)置，其外側(cè)邊高于內(nèi)側(cè)邊。目的是便于將冰晶刮至傳送帶上。

所述制冷劑流動(dòng)換熱殼呈圓弧形，制冷劑流動(dòng)換熱殼內(nèi)的凹槽為弧形槽。

所述顆?？梢圆捎梦⒚准?jí)銅顆粒、微米級(jí)金顆?；蛘呶⒚准?jí)銀顆粒。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)采用獨(dú)特的冷凍海水淡化裝置，不僅能使微粒與海水充分混合沉降結(jié)晶，而且完成冰晶與廢海水的有效分離：海水與微粒注入海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置中，通過與外殼中制冷劑換熱結(jié)晶，利用冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)把冰晶推至傳送帶，使得冰晶與廢海水分離。

(2)裝置中異質(zhì)沉降成核冷凍海水結(jié)晶方式的應(yīng)用，不僅能夠有效抑制冰晶生長(zhǎng)過程中“鹽胞”的形成，而且進(jìn)一步促進(jìn)海水中冰晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)海水冷凍結(jié)晶脫鹽。

(3)整體循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)制冰，增加淡水產(chǎn)量。通過水路循環(huán)與制冷循環(huán)，以及微粒分離與供給裝置的組合，使得整體循環(huán)裝置能夠連續(xù)生成淡水。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置的主視圖；

圖3是海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置的左視圖；

圖4是海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置的俯視圖；

圖5是圖4的A-A向剖視圖。

圖中：1微粒儲(chǔ)存器；2海水入口；3廢海水排出口Ⅰ；4廢海水微粒分離器；5海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置；6節(jié)流閥；7輔助冷凝器；8主冷凝器；9壓縮機(jī)；10淡水微粒分離器；11淡水排出口；12冰晶排出口；13制冷劑排出口；15微粒添加口；16冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸；17冰晶傳送帶；18制冷劑流動(dòng)換熱殼；19廢海水排出口Ⅱ；20制冷劑入口；21冰晶刮刀；22微粒；23帶有微粒的冰晶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，利用異質(zhì)沉降結(jié)晶成核方式的冷凍海水淡化裝置系統(tǒng)包括微粒儲(chǔ)存器1、海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5、廢海水微粒分離器4、淡水微粒分離器10和制冷機(jī)構(gòu)。制冷機(jī)構(gòu)包括節(jié)流閥6、輔助冷凝器7、主冷凝器8和壓縮機(jī)9，壓縮機(jī)9、主冷凝器8、輔助冷凝器7和節(jié)流閥6依次連接，節(jié)流閥6與海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5連通，形成制冷循環(huán)，通過制冷劑換熱為海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5中的海水結(jié)晶提供冷量。

如圖2至圖5所示，海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5包括兩個(gè)制冷劑流動(dòng)換熱殼18、冰晶傳送帶17和冰晶刮刀21。本實(shí)施例中，制冷劑流動(dòng)換熱殼18呈半圓柱形，其內(nèi)部設(shè)有半圓形凹槽，兩制冷劑流動(dòng)換熱殼18沿其軸線方向?qū)ΨQ設(shè)置。冰晶傳送帶17位于兩制冷劑流動(dòng)換熱殼18之間，且沿制冷劑流動(dòng)換熱殼18的軸向設(shè)置。制冷劑流動(dòng)換熱殼18沿其軸向呈傾斜設(shè)置，其外側(cè)邊高于內(nèi)側(cè)邊，目的是便于將冰晶刮至傳送帶17上。制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)設(shè)有沿?fù)Q熱殼的軸線方向設(shè)置的冰晶刮刀21，冰晶刮刀21固定在冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸16上，冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸16的兩端分別設(shè)置在制冷劑流動(dòng)換熱殼18上。兩冰晶刮刀21的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，均向冰晶傳送帶17方向轉(zhuǎn)動(dòng)。冰晶刮刀旋轉(zhuǎn)軸16旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)冰晶刮刀21旋轉(zhuǎn)，通過冰晶冰刀21刮取冰晶23，使得冰晶23移至冰晶傳送帶17。當(dāng)冰晶刮刀21將帶有微粒的冰晶23刮至傳送帶17的過程中，可以不斷地向制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)通入顆粒和海水，當(dāng)冰晶刮刀21將冰晶掛送至傳送帶17上后并且繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，顆粒和海水在低溫作用下結(jié)晶，當(dāng)冰晶刮刀21再次轉(zhuǎn)動(dòng)至制冷劑流動(dòng)換熱殼18的底部時(shí)，則可繼續(xù)將結(jié)晶后形成的冰晶刮至輸送帶上。

制冷劑流動(dòng)換熱殼18的外側(cè)邊頂部設(shè)有多個(gè)微粒添加口15，微粒添加口15沿?fù)Q熱殼的軸向間隔設(shè)置，微粒22通過微粒添加口15進(jìn)入制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)。同時(shí)制冷劑流動(dòng)換熱殼18上還設(shè)有海水入口2、冰晶排出口12、制冷劑排出口13、廢海水排出口Ⅱ19和制冷劑入口20。海水通過海水入口2進(jìn)入制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)，制冷劑入口20與節(jié)流閥6的出口連通，制冷劑通過制冷劑入口20進(jìn)入制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)，制冷結(jié)束后，制冷劑通過制冷劑排出口13排出。海水和顆粒22在制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)混合，同時(shí)在制冷劑的降溫作用下，通過異質(zhì)沉降成核方式進(jìn)行結(jié)晶，在冰晶生長(zhǎng)過程中，針狀冰晶谷底鹽濃度高于海水主體濃度，鹽分的傳質(zhì)效率較低，使得谷底不易結(jié)晶，利用微粒沉降至冰晶谷底排出高濃度鹽水，并通過微粒表面為冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用，不僅能夠有效抑制冰晶生長(zhǎng)過程中“鹽胞”的形成，而且進(jìn)一步促進(jìn)海水中冰晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了海水冷凍結(jié)晶脫鹽方式。結(jié)晶過程結(jié)束后，帶有顆粒的冰晶23通過冰晶排出口12排出，剩余的海水通過廢海水排出口19排出。

海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5的廢海水排出口Ⅱ19與廢海水微粒分離器4的入口連通，廢海水微粒分離器4上設(shè)有廢海水排出口Ⅰ3和顆粒出口，顆粒出口與顆粒儲(chǔ)存器1的入口連通，經(jīng)廢海水微粒分離器4分離后得到的海水通過廢海水排出口Ⅰ3排出，顆粒則直接進(jìn)入顆粒儲(chǔ)存器1內(nèi)。

海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5的冰晶排出口12與主冷凝器8的冰晶入口連通，主冷凝器8的液體出口與淡水微粒分離器10的入口連通，淡水微粒分離器10上設(shè)有淡水排出口11和顆粒出口，淡水微粒分離器10的顆粒出口與顆粒儲(chǔ)存器1的入口連通。帶有顆粒的冰晶23沿冰晶排出口12流出，進(jìn)入主冷凝器8內(nèi)，主冷凝器8的工作過程中會(huì)放熱，帶有顆粒的冰晶23吸熱融化，并和顆粒一起從主冷凝器8流出，并進(jìn)入淡水顆粒分離器10內(nèi)，經(jīng)淡水顆粒分離器10分離后的淡水沿淡水排出口11排出，顆粒則進(jìn)入顆粒儲(chǔ)存器1內(nèi)。

本發(fā)明中，顆粒儲(chǔ)存器1的出口與海水冷凍結(jié)晶冰水分離裝置5的顆粒添加口15連通，從而實(shí)現(xiàn)了顆粒在整個(gè)系統(tǒng)中的循環(huán)使用。本發(fā)明中的顆粒為微米級(jí)、可沉降、可分離、可異質(zhì)成核的顆粒，一般可以采用微米級(jí)銅顆粒、微米級(jí)金顆?；蛘呶⒚准?jí)銀顆粒等。

制冷劑流動(dòng)換熱殼18的制冷劑排出口13與壓縮機(jī)9的進(jìn)氣口連通，從而實(shí)現(xiàn)了制冷劑在該系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)使用。

本發(fā)明的工作過程如下所述：將顆粒16和海水注入制冷劑流動(dòng)換熱殼18內(nèi)，在制冷機(jī)構(gòu)的制冷作用下通過異質(zhì)沉降成核方式進(jìn)行結(jié)晶，在冰晶的生長(zhǎng)過程中，利用微粒沉降至冰晶谷底排出高濃度鹽水，并通過微粒表面為冰晶成核提供了必需的晶核表面，起到催化成核的作用，不僅能夠有效抑制冰晶生長(zhǎng)過程中“鹽胞”的形成，而且進(jìn)一步促進(jìn)海水中冰晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了海水冷凍結(jié)晶脫鹽方式。結(jié)晶過程結(jié)束后，帶有顆粒的冰晶23通過冰晶排出口12排出，經(jīng)過主冷凝器9的加熱和淡水微粒分離器10的分離，回收淡水，剩余的顆粒回收至微粒儲(chǔ)存器1內(nèi)；剩余的海水和顆粒通過廢海水排出口Ⅱ19排出，經(jīng)廢海水微粒分離器4分離后，廢海水被排出，剩余的顆?；厥罩廖⒘?chǔ)存器1內(nèi)；剩余的制冷劑則被輸送至壓縮機(jī)9內(nèi)，繼續(xù)參與循環(huán)制冷。