利用低品位熱源的膜式熱動力循環(huán)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用低品味熱源的膜式熱動力循環(huán)裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在節(jié)能環(huán)保的大背景下，采用低品位熱源（<100°C )驅(qū)動的熱動力循環(huán)近年來得 到了越來越多的重視和應(yīng)用，但目前的動力循環(huán)幾乎都是采用蒸汽壓法，即為熱能-氣體 壓力能-功的能量傳遞過程，即使采用目前在有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電中常采用螺桿式膨脹 機(jī)，一般也很難利用80°C以下的熱源，更不可能在20°C~30°C溫差下正常、高效工作。
[0003] 另外一種熱動力循環(huán)是液體壓力能法，即將熱能轉(zhuǎn)換為液體壓力能來驅(qū)動液體渦 輪做功。用這種方式可以在較小的溫差條件下就獲得兆帕級的液體壓差，可以很容易地推 動液體渦輪，因此可較好地適用于低品位熱源。美國學(xué)者在上世紀(jì)70年代提出的利用滲 透壓結(jié)合熱力再生的動力循環(huán)裝置即是這種動力循環(huán)的一種具體形式，80年代初期又加入 了在反滲透裝置中常用的壓力能回收裝置來提高系統(tǒng)效率。專利申請（CN201310695691) 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種兩級滲透濃差做功裝置，采用有機(jī)工質(zhì)替代水溶液提高了驅(qū) 動溫差，并且提出兩級結(jié)構(gòu)來減少混合損失，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)表現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)更復(fù) 雜，另外它也具有這類采用滲透膜的動力循環(huán)系統(tǒng)的共同缺點(diǎn)，即需要采用昂貴的能量回 收裝置，而且長期使用容易因溶質(zhì)反滲透問題而影響使用效果。
[0004] 這樣，有必要對現(xiàn)有的液體壓力能熱動力裝置進(jìn)行改進(jìn)，簡化系統(tǒng)環(huán)節(jié)，提高技術(shù) 經(jīng)濟(jì)價(jià)值和可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱 動力循環(huán)裝置及方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán) 裝置，包括內(nèi)載工質(zhì)的增壓泵、蒸發(fā)器、膜接觸器、液體渦輪以及第一調(diào)節(jié)閥；其特征是：所 述增壓泵的液體出口連接蒸發(fā)器的液體進(jìn)口；所述蒸發(fā)器的氣體出口連接膜接觸器的氣體 進(jìn)口；所述膜接觸器的液體出口連接液體渦輪的液體進(jìn)口；所述液體渦輪的液體出口連接 第一調(diào)節(jié)閥后接至增壓泵的液體進(jìn)口。
[0007] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的改進(jìn)：所述膜 接觸器由高壓室和低壓室構(gòu)成；所述高壓室和低壓室之間通過半透膜相互隔離。
[0008] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)： 所述高壓室設(shè)置液體出口；所述低壓室設(shè)置氣體進(jìn)口。
[0009] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)： 所述膜接觸器的氣體出口通過氣體循環(huán)泵連接到蒸發(fā)器的氣體進(jìn)口；所述膜接觸器的液體 出口通過液體循環(huán)泵連接到膜接觸器的液體進(jìn)口。
[0010] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)： 所述高壓室分別設(shè)置液體出口和液體進(jìn)口；所述低壓室分別設(shè)置氣體出口和氣體進(jìn)口。
[0011] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)： 所述高壓室內(nèi)的冷卻管道通過第三調(diào)節(jié)閥外接外部冷卻水；所述蒸發(fā)器的加熱管道通過第 二調(diào)節(jié)閥外接外部熱源。
[0012] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)： 所述工質(zhì)為單組分有機(jī)工質(zhì)，其臨界點(diǎn)在低品位熱源溫度范圍內(nèi)。
[0013] 利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)方法，首先、外部熱源通過第二調(diào)節(jié)閥進(jìn) 入蒸發(fā)器的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器的液體進(jìn)口進(jìn)入的溶液，并將其升溫到蒸發(fā)器壓力所 對應(yīng)的飽和溫度，同時(shí)為蒸發(fā)器中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽從 氣體出口流出；從蒸發(fā)器的氣體出口流出的蒸汽進(jìn)入膜接觸器的低壓室，在半透膜兩側(cè)蒸 汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜進(jìn)入高壓室，逸度和溫度降低，放出熱量，成為高 壓室中的液體；其次、外部冷卻水通過第三調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高壓室的冷卻管道，吸收透過半透膜 的蒸汽放出的熱量，形成液體，溫度升高后流出冷卻管道；高壓室的液體從液體出口流出后 進(jìn)入液體渦輪，在液體渦輪中做功后，壓力降低，同時(shí)溫度也降低，再通過第一調(diào)節(jié)閥流入 增壓泵的液體進(jìn)口；最后、增壓泵將液體增壓到高于蒸發(fā)器的壓力后將液體輸送至蒸發(fā)器 的液體進(jìn)口。
[0014] 利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)方法：首先、外部熱源通過第二調(diào)節(jié)閥進(jìn) 入蒸發(fā)器的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器的液體進(jìn)口進(jìn)入的溶液，并將其升溫到蒸發(fā)器壓力所 對應(yīng)的飽和溫度，同時(shí)為蒸發(fā)器中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽從 氣體出口流出；從蒸發(fā)器的氣體出口流出的蒸汽從膜接觸器的氣體進(jìn)口進(jìn)入低壓室，并分 為兩路：其中一路在半透膜兩側(cè)蒸汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜進(jìn)入高壓室， 逸度和溫度降低，放出熱量，成為高壓室中的液體；另外一路從氣體出口流出，經(jīng)氣體循環(huán) 泵增壓到蒸發(fā)器的壓力后從蒸發(fā)器的氣體進(jìn)口流入；其次、外部冷卻水通過第三調(diào)節(jié)閥進(jìn) 入高壓室的冷卻管道，吸收透過半透膜的蒸汽放出的熱量，形成液體，溫度升高后流出冷卻 管道；高壓室的液體從液體出口流出后分為兩路：一路進(jìn)入液體渦輪，在液體渦輪中做功 后，壓力降低，同時(shí)溫度也降低，再通過第一調(diào)節(jié)閥流入增壓泵的液體進(jìn)口；另外一路經(jīng)液 體循環(huán)泵增壓到高壓室的壓力后從液體進(jìn)口流入高壓室；最后、增壓泵將液體增壓到高于 蒸發(fā)器的壓力后將液體輸送至蒸發(fā)器的液體進(jìn)口。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有低品位熱源驅(qū)動的做功裝置相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1)與蒸汽壓法的做功裝置相比，本發(fā)明將熱能轉(zhuǎn)換為液體壓力能輸出功，可以在 20°C的溫差范圍內(nèi)獲得有效的驅(qū)動壓差。
[0017] 2)與采用滲透膜的動力裝置相比，省去了壓力能回收裝置和復(fù)雜的熱再生環(huán)節(jié)， 系統(tǒng)更簡單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件更好。
【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019] 圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明的另外一種結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例1、圖1給出了一種利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置，包括內(nèi)載 工質(zhì)的增壓泵1、蒸發(fā)器2、膜接觸器3、液體渦輪4以及第一調(diào)節(jié)閥5 ;其中，增壓泵1的液 體出口連接蒸發(fā)器2的液體進(jìn)口；蒸發(fā)器2的氣體出口連接膜接觸器3的氣體進(jìn)口；膜接觸 器3的液體出口連接液體渦輪4的液體進(jìn)口；液體渦輪4的液體出口連接第一調(diào)節(jié)閥5后 接至增壓泵1的液體進(jìn)口。
[0022] 以上所述的膜接觸器3由高壓室31和低壓室32構(gòu)成；高壓室31和低壓室32之 間通過半透膜33相互隔離。該半透膜33能通過有機(jī)工質(zhì)蒸汽，同時(shí)能阻止液相有機(jī)工質(zhì) 在膜內(nèi)的傳遞。以上所述的高壓室31設(shè)置液體出口；低壓室32設(shè)置氣體進(jìn)口。
[0023] 高壓室31內(nèi)的冷卻管道通過第三調(diào)節(jié)閥7外接外部冷卻水；蒸發(fā)器2的加熱管道 通過第二調(diào)節(jié)閥6外接外部熱源。本發(fā)明內(nèi)使用的工質(zhì)為單組分有機(jī)工質(zhì)（如R134a)，其 臨界點(diǎn)靠近低品位熱源溫度范圍（如40°C~KKTC )。且具有較小的汽液密度差和較小的 汽化潛熱。
[0024] 本發(fā)明在使用的時(shí)候，步驟如下：
[0025] 1. 1、外部熱源通過第二調(diào)節(jié)閥6進(jìn)入蒸發(fā)器2的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器2的液 體進(jìn)口進(jìn)入的液體（即本發(fā)明所述的工質(zhì)），并將該液體升溫到蒸發(fā)器2壓力所對應(yīng)的飽和 溫度，同時(shí)為蒸發(fā)器2中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器2中產(chǎn)生的蒸汽從蒸發(fā)器2 的氣體出口流出；
[0026] 1. 2、從蒸發(fā)器2的氣體出口流出的蒸汽進(jìn)入膜接觸器3的低壓室32,在半透膜33 兩側(cè)蒸汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜33進(jìn)入高壓室31，逸度和溫度降低，放出 熱量，在高壓室31中成為液體（即步驟1. 3);
[0027] 1. 3、外部冷卻水通過第三調(diào)節(jié)閥7進(jìn)入膜接觸器3中高壓室31的冷卻管道，吸收 透過半透膜33的蒸汽（步驟1中產(chǎn)生的蒸汽）放出的熱量，形成液體，而冷卻水的溫度升 高后流出冷卻管道；
[0028] 1. 4、膜接觸器3中高壓室31的液體從膜接觸器3的液體出口流出后進(jìn)入液體渦 輪4,在液體渦輪4中做功后，壓力降低，同時(shí)溫度也降低，再通過第一調(diào)節(jié)閥5流入增壓泵 1的液體進(jìn)口；
[0029] 1. 5、增壓泵1將液體增壓到高于蒸發(fā)器2的壓力后，將其輸送至蒸發(fā)器2的液體 進(jìn)口，并重新循環(huán)步驟1。
[0030] 實(shí)施例2、圖2給出了一種利用低品位熱源驅(qū)動的膜式熱動力循環(huán)裝置，包括內(nèi)載 工質(zhì)的增壓泵1、蒸發(fā)器2、膜接觸器3、液體渦輪4以及第一調(diào)節(jié)閥5 ;其中，增壓泵1的液 體出口連接蒸發(fā)器2的液體進(jìn)口；蒸發(fā)器2的氣體出口連接膜接觸器3的氣體進(jìn)口；膜接觸 器3的液體出口連接液體渦輪4的液體進(jìn)口；液體渦輪4的液體出口連接第一調(diào)節(jié)閥5后 接至增壓泵1的液體進(jìn)口。膜接觸器3的氣體出口通過氣體循環(huán)泵9連接到蒸發(fā)器2的氣 體進(jìn)口；膜接觸器3的液體出口通過液體循環(huán)泵8連接到膜接觸器3的