CN103437840A - 一种渗透增压热功转换循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗透增压热功转换循环装置，该循环装置以半透膜取代传统有机朗肯循环的泵，对工质进行增压。膨胀机的工质出口通过管道连通着冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口连通着半透膜组件一侧，半透膜组件另一侧连通着发生器的工质入口，发生器的工质出口通过管道连通着膨胀机入口，冷凝器内设置有冷却盘管，发生器内设置有加热盘管。本发明的循环工质可以是氨或氟里昂，发生器中的溶液可以是氨-硝酸锂或氨-硫酸氢钠或二氟一氯甲烷-二甲苯或二氟一氯甲烷-三甲苯或二氟一氯甲烷-N，N-二甲基乙酰胺。本发明半透膜的孔径可根据溶液组分进行调整，溶液组分和浓度可根据不同热源和冷源温度调整。

Description

一种渗透增压热功转换循环装置

技术领域

本发明属于工程热物理及动力工程技术领域，具体涉及工程热物理及动力工程中的新型动力循环装置。

背景技术

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）是目前最有应用前景的中低温热能利用技术之一。在传统的ORC系统中，泵是实现工质增压的必需部件。与水蒸汽朗肯循环的水泵不同，工质泵对ORC系统尤其小型系统的影响会很大，主要原因在于小型有机工质泵具有技术难度大、效率低、易气蚀、成本高等缺点。

因此，解决与工质泵相关的技术问题对于提高小型ORC效率及应用潜力具有重要意义。本发明基于半透膜技术，通过渗透作用代替泵对工质进行增压，进而实现热功转换。其技术可行性在于：1）利用溶液的浓度差获得高的渗透压已得到了论证[1]。其基本原理为在海河交界处采用半透膜（水分能透过，绝大部分盐分不能透过），由于海水与淡水盐度差别很大，半透膜淡水侧的水会向海水一侧渗透，直到海水侧压力升高到某一值时才能达到输运平衡，这个值即为该浓度下海水的渗透压。对于盐分浓度为3.5%的海水，20oC时的渗透压2.48MPa。也就是说，当海水侧的压力低于2.48MPa时，淡水将自发向海水渗透；当压力高于2.48MPa时，水分由海水向淡水侧渗透（此法为目前已商业化应用的反渗透海水淡化方法）。2.48MPa对应的水头差约为240m，可利用该落差推动水轮机发电。2）半透膜组件技术目前已很成熟。半透膜组件主要由半透膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成。市场上销售的半透膜组件有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维式等。按照膜孔径，半透膜可分为微滤（大于50nm）、超滤（3到50nm）、纳滤(1到3nm)、反渗透膜（0.1到3nm）等。这些半透膜组件在有色金属冶炼、海水淡化、污水回用等领域的应用日益广泛。目前全球各类半透膜组件产品中，反渗透膜占膜市场的比重约为45%，主要用于海水脱盐及超纯水的制造，而超滤与纳滤合占20%左右，主要用于污水、废水处理及回用、给水净化以及海水淡化预处理等领域。3）本发明可采用的工质广泛。以氨工质为例，氨与水相似之处颇多。氨分子量为17，水分子量为18。两种分子直径相当（约0.4nm），都有很强的极性，对半透膜的穿透性相似。实际上，目前很难利用半透膜将液态水和氨分离[2，3]。也就是说，一般水分子能透过的膜，氨分子也能透过，反之一般氨分子能透过的膜，水分子也能透过。如果利用液氨作为溶剂，盐分为溶质制成溶液，如目前广泛应用吸收制冷领域的氨-硝酸锂 、氨-硫氰酸钠溶液，那么在半透膜的作用下，氨溶液与纯液氨之间同样能产生高的渗透压差，驱动液氨向高压氨溶液的输运。除了氨，二氟一氯甲烷（R22）等氟利昂物质也可作为本发明的循环工质，溶液可选二氟一氯甲烷-三甲苯（R22- C₉H₁₂）。R22的分子直径为0.38nm，沸点为-40.8℃，三甲苯分子直径0.81nm，沸点为165℃。现有的半透膜技术及组件可很好地应用于本发明中。

由此可见，本发明将半透膜应用于中低温热功转换，这一方案具有很强的可行性。

发明内容

半透膜在有色金属冶炼、污水回用、海水淡化等应用范围不断扩大。本发明基于目前半透膜技术的快速发展，以及目前ORC工质泵存在的技术难度大、效率低、易气蚀和单位功率成本高等问题，提出了一种渗透增压热功转换循环装置。 

本发明的具体结构设计方案如下：

一种渗透增压热功转换循环装置包括膨胀机1、冷凝器2、半透膜组件3和发生器4；

所述膨胀机1的工质出口通过管道连通着冷凝器2的工质入口，冷凝器2的工质出口连通着半透膜组件3一侧，半透膜组件3另一侧连通着发生器4的工质入口，发生器4的工质出口通过管道连通着膨胀机1入口，冷凝器2内设置有冷却盘管5，发生器4内设置有加热盘管6；

所述冷却盘管5的一端口为冷却水进口51，另一端口为冷却水出口52，且冷却水进口51和冷却水出口52均位于冷凝器2外部；加热盘管6的一端口为热流体进口61，另一端口为热流体出口62，且热流体进口61和热流体出口62均位于发生器4外部；

所述冷凝器2内有低浓度溶液，发生器4内有高浓度溶液；所述低浓度溶液的溶剂和高浓度溶液的溶剂均为相同的循环工质，所述低浓度溶液的溶质和高浓度溶液的溶质均为相同的非挥发性物质；所述循环工质为低沸点有机物，循环工质与冷凝器2内的冷却盘管5进行热交换，循环工质与发生器4内的加热盘管6进行热交换；

所述循环工质从冷凝器2到发生器4的增压过程通过半透膜组件3的渗透作用实现；

所述低浓度溶液的浓度为1%～50%，所述高浓度溶液的浓度为10%～80%，且冷凝器2内低浓度溶液的浓度始终低于发生器4内高浓度溶液的浓度。

所述循环工质为氨（NH₃）或二氟一氯甲烷（R22），所述低浓度溶液、高浓度溶液为氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)或氨-硝酸锂(NH₃-LiNO₃)或二氟一氯甲烷-二甲苯（R22-C₈H₁₀）或二氟一氯甲烷-三甲苯（R22- C₉H₁₂）或二氟一氯甲烷-N，N-二甲基乙酰胺（R22-DMA）。

所述半透膜组件3的膜孔径为0.4nm～50nm。

本发明创新性及与现有技术相比的有益技术效果：

本发明创新性可从两个方面加以体现：1）在传统的有机朗肯循环中，工质的热力过程主要由定压吸热、绝热膨胀、定压放热、绝热压缩4个过程组成，泵是实现工质的绝热压缩的特征设备。而本发明利用不同浓度溶液的渗透压差对循环工质进行增压，避免了泵的使用。2）目前的半透膜技术主要用于有色金属冶炼、污水回用、海水淡化等领域，尚未见将半透膜用于给工质增压，进而形成高压蒸汽推动膨胀机做功的相关技术或专利。因此，本发明将半透膜技术与热功转换循环相结合，具有显著的技术创新性。

与现有技术相比，本发明的技术适合于小型热功转换领域，可有效避免低功率泵存在的技术难度大、效率低、易气蚀和单位功率成本高等问题，具有效率和经济性两方面优点。同时本发明的技术方案中，冷凝器2和发生器4溶液的溶质浓度可以调整，进而改变冷凝器2和发生器4中循环工质的饱和压力，满足不同场合的工作温度和压力需求。

本发明的工作原理如下：

下面以氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)为例对本发明的工作原理进行阐述，其中溶剂为氨（NH₃），溶质为硫酸氢钠（NaSCN），氨（NH₃）为循环工质。

一、一种渗透增压热功转换循环装置整体工作原理

 如图1所示，高压气态NH₃通过膨胀机1膨胀做功，膨胀机1出口的低压气态NH₃进入冷凝器2中冷凝成液体，冷凝热量被冷却盘管5中的冷却水带走，从而维持冷凝器2处于较低的温度状态。冷凝器2内可以是纯NH₃，也可以是低溶质浓度的NH₃-NaSCN溶液。液态NH₃在渗透压作用下，通过半透膜组件3进入发生器4。发生器4中的NH₃-NaSCN溶液通过加热盘管6获得热量，由于NH₃与NaSCN的沸点相差很大，如0.1MPa条件下，NH₃的沸点为-33℃，NaSCN的沸点为315℃，因此NH₃首先从溶液中气化。不同温度条件下NH₃-NaSCN溶液的NH₃饱和压力，如图2所示。高温高压的气态NH₃进入膨胀机1，完成一次循环。发生器4内循环工质吸热气化原理与传统吸收制冷循环发生器内循环工质吸热气化原理相似。

二、渗透增压工作原理

半透膜是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同粒子具有选择性。一般而言半透膜可以让小分子物质透过而大分子物质不能通过。小分子和大分子的界定依据膜种类的不同而划分范围不同。按照膜孔径，半透膜可分为微滤（大于50nm）、超滤（3到50nm）、纳滤(1到3nm)、反渗透膜（0.1到3nm）等。半透膜只允许小于其孔径的离子通过。例如，当采用孔径为0.5nm的半透膜时，水分子（直径约0.4nm）可以自由通过，而水合钠离子（直径约0.6nm）不能通过，因此该膜可以拦截海水中的氯化钠盐分。同理，当采用孔径为0.5nm的半透膜时，氨分子可以通过，而氨合钠离子不能通过；

对纯工质（溶剂）与混有溶质的工质，纯工质的化学势高于混有溶质的工质的化学势，而物质移动规律是从化学势高移动到化学势低的，因此若采用半透膜将纯工质与混有溶质的工质（溶液）分开，则纯工质分子将经半透膜移向另外一边的溶液。如果在溶液上方施加一个压力，其大小恰好使两边工质保持平衡，这个压力产生的压强数值就是该溶液在该浓度下的渗透压。NH₃-NaSCN溶液的渗透压随着溶液浓度的变化而变化。NH₃在溶液中的质量分数越小，溶液的渗透压越大，如图3所示。

三、冷凝器和发生器传热传质原理

冷凝器2内可以是纯NH₃，也可以是低浓度的NH₃-NaSCN溶液。对于纯NH₃，膨胀机1出口的蒸汽首先在冷凝器2中冷凝，热量被冷却盘管5中的冷却水带走，冷凝后的NH₃接着与冷却水进行热交换，温度降低，在达到半透膜组件3时处于过冷状态。对于低浓度的NH₃-NaSCN溶液，冷凝器2内的质量交换为对流-扩散传质。

相比于冷凝器2，发生器4中NH₃-NaSCN溶液的溶质浓度更高，因此NH₃将通过渗透作用自发地进入发生器4中。刚进入发生器4时，NH₃温度上升，在流动过程中，NH₃与加热盘管6的不断换热，温度逐渐升高，并最终汽化。发生器4内的质量交换为对流-扩散传质。

附图说明

图1为渗透增压热功转换循环示意图。

图2为氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)溶液氨的饱和压力随温度的变化。

图3为NH₃-NaSCN溶液的渗透压随NH₃质量分数的变化。

上图中序号：膨胀机1、冷凝器2、半透膜组件3、发生器4、冷却盘管5、冷却水进口51、冷却水出口52、加热盘管6、热流体进口61、热流体出口62。

具体实施方式

 下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

 实施例1：

参见图1，膨胀机1的工质出口通过管道连通着冷凝器2的工质入口，冷凝器2的工质出口与半透膜组件3一表面连接，半透膜组件3另一表面连接发生器4的工质入口，发生器4的工质出口通过管道连通着膨胀机1入口，冷凝器2内置冷却盘管5，发生器4内置加热盘管6；

循环工质为氨（NH₃），溶液为氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)溶液，溶液的溶剂为氨（NH₃），溶质为硫酸氢钠（NaSCN），氨（NH₃）为循环工质。热流体为导热油；

热流体进口61温度为120℃和热流体出口62温度为105℃；

冷却水进口51温度为20℃，冷却水出口52温度为45℃；

发生器4表面溶液温度为105℃，NH₃的质量分数为70%（对应溶质浓度30%）；

发生器4与半透膜组件3交接处，溶液温度为40℃，NH₃的质量分数为80%（对应溶质浓度20%）。根据文献[5]，该温度和质量分数下，NH₃的渗透压力为8.7MPa；

膨胀机1的进口温度为105℃，压力为6.4MPa，焓值为1623 kJ/kg。膨胀机1效率为0.8，出口温度为50℃（两相区），出口压力为2.0MPa，焓值为1551 kJ/kg；

冷凝器2表面温度为50℃，NH₃的质量分数为99%，焓值为583 kJ/kg。冷凝器2与半透膜组件3交接处，NH₃温度为40℃，NH₃的质量分数为100%，焓值为533 kJ/kg。

由以上数据计算得出，渗透增压热功转换循环发电效率为10%，同时45℃的冷凝水可满足洗澡等需求。

实施例2：

装置结构同实施例一。

循环工质为氨（NH₃），溶液为氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)溶液，溶液的溶剂为氨（NH₃），溶质为硫酸氢钠（NaSCN），氨（NH₃）为循环工质。热流体为导热油；

热流体进口61温度为140℃和热流体出口62温度为120℃；

冷却水进口51温度为20℃，冷却水出口52温度为30℃；

发生器4表面溶液温度为120℃，NH₃的质量分数为50%（对应溶质浓度50%）；

发生器4与半透膜组件3交接处，溶液温度为27℃，NH₃的质量分数为60% （对应溶质浓度40%）。根据文献[5]，该温度和质量分数下，NH₃的渗透压力为42.1MPa；

膨胀机1的进口温度为120℃，压力为3.5MPa，焓值为1801 kJ/kg。膨胀机1效率为0.8，出口温度为26.7℃（气态），出口压力为0.9MPa，焓值为1640 kJ/kg；

冷凝器2表面温度为25℃，NH₃的质量分数为70%（对应溶质浓度30%），压力为0.9 MPa。冷凝器2与半透膜组件3交接处，NH₃温度为22℃，NH₃的质量分数为65%（对应溶质浓度35%），焓值为446 kJ/kg。

由以上数据计算得出，该工况下，渗透增压热功转换循环发电效率为12%。

参考文献

[1] 颜希文.浓差发电,太阳能，1999年第1卷,6-7页；

[2] B Hernon. Removal of Weakly-Ionized Species by EDI.GE Technical Paper. 2010, March 10. 1-7；

[2] B Hernon.  基于电去电离作用的弱离子体的分离技术。美国通用公司技术报告，2010年3月，1-7页；

[3] 水处理技术，http://www.purewateroccasional.net/wtiammonia.html，2013年4月；

[4] E.D. Rogdakis, K.A. Antonopoulos. Thermodynamic cycle, correlations and nomograph for NH3-NaSCN absorption refrigeration systems. Heat Recovery Systems and CHP,15(1995)591-599；

[4] E.D. Rogdakis, K.A. Antonopoulos. 用于吸收制冷系统的氨-硫酸氢钠(NH₃-NaSCN)溶液的热力循环及关系式。余热回收系统及热电联供。1995年第15卷，591-599页；

[5] 李刚,李雪梅,柳越,王铎,何涛, 高从堦.正渗透原理及浓差极化现象.2010年第22卷，812-821页。

Claims (3)

1.一种渗透增压热功转换循环装置，包括膨胀机、冷凝器、半透膜组件和发生器，其特征在于：

所述膨胀机的工质出口通过管道连通着冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口连通着半透膜组件一侧，半透膜组件另一侧连通着发生器的工质入口，发生器的工质出口通过管道连通着膨胀机入口，冷凝器内设置有冷却盘管，发生器内设置有加热盘管；

所述冷却盘管的一端口为冷却水进口，另一端口为冷却水出口，且冷却水进口和冷却水出口均位于冷凝器外部；加热盘管的一端口为热流体进口，另一端口为热流体出口，且热流体进口和热流体出口均位于发生器外部；

所述冷凝器内有低浓度溶液，发生器内有高浓度溶液；所述低浓度溶液的溶剂和高浓度溶液的溶剂均为相同的循环工质，所述低浓度溶液的溶质和高浓度溶液的溶质均为相同的非挥发性物质；所述循环工质为低沸点有机物，循环工质与冷凝器内的冷却盘管进行热交换，循环工质与发生器内的加热盘管进行热交换；

所述循环工质从冷凝器到发生器的增压过程通过半透膜组件的渗透作用实现；

所述低浓度溶液的浓度为1%～50%，所述高浓度溶液的浓度为10%～80%，且冷凝器内低浓度溶液的浓度始终低于发生器内高浓度溶液的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种渗透增压热功转换循环装置，其特征在于：所述循环工质为氨或二氟一氯甲烷，所述低浓度溶液、高浓度溶液为氨-硫酸氢钠或氨-硝酸锂或二氟一氯甲烷-二甲苯或二氟一氯甲烷-三甲苯或二氟一氯甲烷-N，N-二甲基乙酰胺。

3.根据权利要求1所述的一种渗透增压热功转换循环装置，其特征在于：所述半透膜组件的膜孔径为0.4nm～50nm。

Images