CN102705190A

CN102705190A - 渗透压发动机

Info

Publication number: CN102705190A
Application number: CN2012102069002A
Authority: CN
Inventors: 范海东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明提供的渗透压发动机，有海水室32和淡水室31，两室之间安装渗透膜组件19，海水室和淡水室各有进出水通道，海水室中的海水与能量吸收装置接触，能量吸收装置包括活塞或叶轮23，即按能量吸收装置的不同分别组成活塞式渗透压发动机和叶轮式渗透压发动机两种。与现有技术相比，本发明实现了对渗透压差的作用进行了机械能利用，提出了一种基于渗透压的发动机，提出了一种新的再造能源利用途径。

Description

渗透压发动机

技术领域

本发明涉及的是一种渗透压发动机，具体涉及一种利用海水和淡水具有的渗透压差做功的装置。

背景技术

目前，人类社会的发展高度依赖各种能源，而以石油、煤炭、天然气为代表的传统能源在未来几十年内都有可能枯竭，以核能、风能、太阳能为代表的新能源又存在着安全性或持续性等问题，可以说能源安全是人类21世纪面临的一大难题。我们知道，若将海水和淡水分别置于半透膜两侧，由于渗透压的不同，淡水将透过半透膜进入海水一侧，使海水一侧的液面高度高于淡水一侧，直到两侧的渗透压相等为止。以标准浓度的海水为例，两侧的渗透压高达2.5~2.8MPa，相当于可以在1平方米面积上产生2500000~2800000牛顿的压力。但目前为止，还未见对这种蕴藏于自然界的能量进行利用的技术公开。

发明内容

针对上述不足，本发明就是要提供一种利用海水与淡水之间存在的渗透压差做功的渗透压发动机。

本发明提供的渗透压发动机，有海水室和淡水室，两室之间安装渗透膜组件，海水室和淡水室各有进出水通道，海水室中的海水与能量吸收装置接触，能量吸收装置包括活塞或叶轮，即按能量吸收装置的不同分别组成活塞式渗透压发动机和叶轮式渗透压发动机两种。

本发明提供的活塞式渗透压发动机，有筒形缸体和缸体内的活塞，缸体顶盖为渗透膜组件，渗透膜组件外为淡水室，渗透膜组件与活塞之间的缸内腔体为海水室，海水室缸壁上有海水进口和海水出口，海水进口和海水出口上都安装有控制阀。由控制阀控制标准浓度的海水进入海水室同时海水出口处于关闭状态，随后使海水进口也处于关闭状态，则在渗透压差的作用下淡水不断进入海水室，海水体积增大而推动活塞向外移动；由控制阀控制被稀释的海水排出海水室同时使海水进口处于关闭状态，则海水室内海水体积缩小，活塞可以回移。依此循环将渗透压差转化为机械能。

对活塞式渗透压发动机作进一步具体描述：活塞式渗透压发动机包含所说缸体活塞装置至少两套，还配置有海水、淡水提取装置、海水、淡水处理装置和海水增压装置，当缸体活塞有四套以上时无需海水增压装置；各缸体、活塞并列安装，活塞通过各自连杆连接到发动机主曲轴上。其中缸体顶盖为法兰盘结构，盖体为半透膜组件；淡水室连接在法兰盘上，并设置有淡水进水阀、淡水出水阀，缸体顶端各有海水进水阀、海水排水阀。以上缸体、活塞、连杆、曲轴安装与同数量缸活塞式内燃机类似，所有阀采用与内燃机气门同样的结构，以保证其连续工作时的可靠性。所说海水、淡水提取装置可以向装置提供一定压强的海水和淡水，所说海水、淡水处理装置为淡水、海水净化装置。因半透膜正向渗透所以对水净化的要求远低于反渗透海水淡化，所说海水增压装置为可以向进水阀提供一定压强海水的装置（当缸体数大于四个时，可以利用大气压强自动吸入海水，不需要安装海水增压装置），做功之后的低浓度海水由缸体顶部海水排水阀排出。

本发明提供的叶轮式渗透压发动机，有壳体，壳体外有隔套，其中壳体内为海水室，隔套部分是淡水室，壳体为一长筒型结构，壳体在隔套内部分上安装渗透膜组件，壳体一端为海水进口，另一端为海水出口，在海水出口上安装叶轮，叶轮包括轴流式和冲击式。海水在外部压力作用下从进口进入壳体内，受渗透压差作用，淡水室内的淡水进入海水室，使海水室内海水体积增加，从而使从海水出口排出的海水量增加，海水进出量的差值向系统外做功，该功由叶轮吸收转换为机械能。

对叶轮式渗透压发动机作进一步描述：叶轮式渗透压发动机有大型长筒型壳体，两端分别安装有进水口和出水口，除进出水口外部分置于淡水室中，在淡水室中的壳体壁经支撑架包覆有半透膜组件，出水口安装做功叶轮（轴流式的涡轮或侧向冲击的叶轮）。另外还配置有海水、淡水预处理装置，并在进水口安装供水装置。所说供水装置简单的如压水涡轮向壳体内海水室提供一定压强的海水，做功叶轮利用出水口流出的具有一定压强的海水做功并输出。所说海水、淡水处理装置为淡水、海水净化装置，同活塞式渗透压发动机一样，因半透膜正向渗透所以对水净化的要求远低于反渗透海水淡化。

本发明提供的渗透压发动机，所用原理是在渗透压差的作用下，淡水会通过渗透膜向海水一侧渗透以图达到两侧盐度平衡，而淡水的渗透过程是海水侧体积扩大的过程，体积的扩大则可以向外提供机械能。因此如果在海水一侧安装一活塞，那么渗透压就可以推动活塞做功。随着淡水不断通过半透膜进入海水，海水浓度不断减小，半透膜两侧渗透压随之逐渐减小，做功亦随之停止。而设计一种循环，使膜一侧海水可以得到不断更新，活塞通过往复运动把渗透压所做的功通过曲轴输出，那么就可实现活塞式渗透压发动机。如果使海水得到不断补充以维持一定浓度，淡水不断进入海水，使得相同压强下输出海水的体积大于输入海水的体积，由输出海水推动叶轮做功，当输出海水与输入海水之比大于系统总效率之倒数时，系统可以对外做功，则可以实现叶轮式渗透压发动机。

与现有技术相比，本发明实现了对渗透压差的作用进行了机械能利用，提出了一种基于渗透压的发动机，提出了一种新的再造能源利用途径。

附图说明

图1是本发明一实施例的轴向剖视图，图中：1、2-缸体，3、4-活塞，5、6-连杆，7、8-缸体顶盖，9、10-淡水进水阀，11、12-淡水出水阀，13、14-海水进水阀，15、16-海水出水阀，24、25-渗透膜组件（半透膜），26、27-淡水室，28、29-海水室，30-曲轴；

图2是本发明另一实施例的轴向剖视图，图中：17-壳体，18-隔套，19-半透膜组件，20-进水口，21-压水涡轮，22-出水口，23-做功涡轮，31-淡水室，32-海水室。

具体实施方式

1、一双缸两冲程活塞式渗透压发动机，一冲程为进水和做功冲程，二冲程为排水冲程，两个活塞在同一时刻总是处于相反的运动方向，进行不同的冲程。结构如图1所示，有两套缸体1、2、活塞3、4连杆5、6组成的发动机主体并列安装，两连杆连接在同一曲轴30上按相差180°分布的偏心短轴上。两个缸体的缸体顶盖7、8为法兰结构而盖体是渗透膜组件24、25，渗透膜组件中的膜是半透膜。膜外是淡水室26、27，淡水室上有淡水进水阀9、10和淡水出水阀11、12，膜内到活塞之间的空腔为海水室28、29，即海水室是变容的，缸体顶端侧壁上安装有海水进水阀13、14和海水出水阀15、16。

工作过程：在开始时刻，阀9、10、11、12、14、15关闭，阀13、16开启，活塞3在冲程最高点，活塞4在冲程最低点（本文所说冲程最高点、最低点是相对于图上位置而言，下同），海水室29内充满低浓度海水，海水在外部增压装置作用下经海水进水阀13进入海水室28，推动活塞3向下运动并推动曲轴30转动，曲轴带动活塞4向上运动，低浓度海水由海水出水阀16排出海水室29外。此时装置消耗外部能量，这部分能量大部分通过曲轴再次输出，小部分用来带动活塞运动，此为吸水过程。当活塞3运动到总行程的一部分时（具体位置与选用的工作压强有关，一般可以选择总行程的三分之一到四分之一左右，出于对总效率的考虑，不会大于二分之一），阀13关闭，阀9、11开启，淡水流过淡水室26，并通过半透膜24以渗透压推动活塞3继续向下运动，直到行程结束。做功过程开始时活塞3所受压强渗透压约等于海水渗透压，随着淡水不断通过半透膜进入活塞不断下移，缸体内海水浓度不断减小，活塞3所受压强也不断减小，一直到活塞3到达冲程最低点，做功过程结束。吸水过程和做功过程构成一个完整的吸水和做功冲程，整个过程中活塞4到达行程最高点，完成排水冲程。下一个过程原理相同，活塞4向下运动，完成吸水和做功冲程，活塞3向上运动，完成排水冲程。依此一直循环下去，则装置可以连续向外做功。只有在活塞处于做功过程时，才打开淡水进水阀和淡水出水阀，使半透膜处于渗透状态，可以有效地延长半透膜的使用寿命。

本例的扩展，缸数可以增加了三、四甚至更多。采用三缸配置时，三个连杆在曲轴上分别相差120°分布，此时并不能保证其中一个活塞处于吸水过程时必有一个活塞处于做功过程，所以三缸活塞式渗透压发动机仍需要配置海水增压装置。当采用四缸配置时，四个连杆在曲轴上呈相差90°分布（更多缸配置时，与其他多缸机一样，将各连杆围绕曲轴均布），依靠处于做功位置的活塞做功推动曲轴转动，带动处于冲程最高点的活塞向下运动，依靠大气压吸入海水，整套装置将不再需要海水增压装置。由于活塞处于行程最高点和行程最低点时，对曲轴几乎没有力矩输出，所以双缸活塞式渗透压发动机只能在理论上可以连续工作，实际上为保证装置在任一时刻都有力矩输出，至少需要三缸配置，最好四缸配置。四缸以上配置时可以不需要外来能源通过海水增压装置对海水进行加压，其他附属设备可以依靠设备本身的输出功率来带动。

2、一种涡轮式渗透压发动机如图2所示，以大型圆筒形耐压容器为壳体17，壳体两端分别设置进水口20和出水口22，壳体外设置隔套18，隔套内为淡水室31，壳体内为海水室32，壳体在隔套内的壁是以支撑构件支撑下的渗透膜组件19，膜为半渗透膜。在进水口内安装压水涡轮21，出水口内安装做功涡轮23。

工作过程及原理：压水涡轮向进水口20按照一定的压强压入经过预处理的海水，出于对系统总体效率的考虑，压强应不大于海水渗透压的二分之一，一般可以考虑三分之一或四分之一。下文以取海水渗透压的四分之一（相当于至少60米高水柱产生的压强，大于大多数中小水电站的落差）为例。任意时间段内压水涡轮所做的功为压水压强乘以经过进水口20的海水的体积，此为系统消耗的主要外来功率。由于壳体17内外压强差小于其内部海水与外部淡水的渗透压差，淡水室31中的淡水通过半透膜不断进入海水室32。当内外渗透压接近平衡时，内部经过稀释的海水的渗透压应等于压水涡轮21的压水压强。因为容器内海水的总盐分没有变化，那么总水量要接近原压入海水量的4倍才能使渗透压降到接近于压水涡轮21的压水压强。也就是说有约三倍于进水口压入海水体积的淡水经半透膜进入容器17。此时保持同样压强的经过稀释的海水通过做功涡轮23排除容器17，理论上其所做的功应等于出水口22处的压强乘以流出出水口22的水的体积。得出做功涡轮输出的功为压水涡轮消耗的功的近四倍。考虑到整个过程是一个连续的过程，可以得出做功涡轮23的输出功率是压水涡轮20消耗功率的近四倍，而涡轮20消耗的功率占了系统消耗外部功率的绝大部分，所以整个系统可以向外做正功。实际上因为涡轮效率、半透膜的渗透压降、海水淡水预处理的消耗等各种因素，做功涡轮23的输出功率肯定达不到系统消耗外部能源的四倍。当系统正常运转后，可以用做功涡轮23的输出功率带动压水涡轮21和其他辅助设备，使系统在不消耗外部功率的情况下对外做功。

以上输入海水室的海水和输入淡水室的淡水都经过预处理装置进行净化处理，以降低膜因淤结而减少工作面积的速度，减少停机冲洗次数。

本发明可以有效地把分布于淡水河口等处的海洋渗透能转化为可供利用的机械能。由于半透膜正向渗透，且淡水在膜外循环流动，不易发生结垢等问题，所以装置对半透膜的要求要比反渗透海水淡化低的多，对海水和淡水的预处理也没有特别高的要求。装置在常温下工作，且工作压力相对没有剧烈的变化，对材料要求不高，装置可以做的较大型化。渗透能相对于其他一次能源的显著特点是绿色环保、取之不尽用之不竭，开发成本低，受气候、季节等的影响小。

Claims

1.一种渗透压发动机，其特征是有海水室和淡水室，两室之间安装渗透膜组件，海水室和淡水室各有进出水通道，海水室中的海水与能量吸收装置接触，能量吸收装置包括活塞或叶轮，即按能量吸收装置的不同分别组成活塞式渗透压发动机和叶轮式渗透压发动机两种。

2.如权利要求1所述的渗透压发动机，其特征是所说的活塞式渗透压发动机有筒形缸体和缸体内的活塞，缸体顶盖为渗透膜组件，渗透膜组件外为淡水室，渗透膜组件与活塞之间的缸内腔体为海水室，海水室缸壁上有海水进口和海水出口，海水进口和海水出口上都安装有控制阀。

3.如权利要求1所述的渗透压发动机，其特征是所说的叶轮式渗透压发动机有壳体，壳体外有隔套，其中壳体内为海水室，隔套部分是淡水室，壳体为一长筒型结构，壳体在隔套内部分上安装渗透膜组件，壳体一端为海水进口，另一端为海水出口，在海水出口上安装叶轮，叶轮包括轴流式和冲击式。