CN103726975B - 低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，包括发生器等；发生器与冷凝器相连；冷凝器分别与低压室液体腔Ⅰ以及低压室液体腔Ⅱ相连；发生器与溶液换热器相连，溶液换热器与第一压力能回收器相连，第一压力能回收器与高压室液体腔Ⅰ入口相连；高压室液体腔Ⅰ出口分别与第一压力能回收器以及第一液体涡轮的液体入口相连；第一压力能回收器的高压液体管道与第一液体涡轮的液体出口分别与第二压力能回收器相连，第二压力能回收器与高压室液体腔Ⅱ入口相连；高压室液体腔Ⅱ出口分别与第二压力能回收器以及第二液体涡轮的液体入口相连；第二压力能回收器与溶液换热器相连，溶液换热器与第二液体涡轮的液体出口分别与发生器相连。
Description
技术领域
本发明涉及动力设备技术领域，具体是一种低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置及方法。
背景技术
浓差做功通常出现于海水利用工程中，其本质是利用海水与淡水之间所具有的化学势差做功，通常可以通过渗透压法和蒸汽压法来实现；蒸汽压法即是让浓度不同的溶液在各自的平衡压力下蒸发，将浓差能转换为气体压力能，并通过蒸汽轮机回收；渗透压法即是让浓度不同的溶液通过选择性半透膜进行质交换，将浓差能转换为液体压力能，并利用液体涡轮机回收。由于所获得的液体压差远高于气体压差，因此在浓差能很小的情况下（浓度差小于1%），也可以利用渗透压法回收海水和淡水之间的浓差能。
当利用渗透压法进行浓差做功时，首先需要解决具有一定浓差的溶液的来源问题，在沿海地区采用海水和淡水天然资源固然方便，但对广大的内陆地区显然并不适用。一种可行的方式是利用广泛存在的低品位热源（<100℃）为驱动力对做功后的稀溶液进行再生，形成一个闭式动力循环系统，形成热能-浓差能-液体压力能-功的能量传递过程。
在节能环保的大背景下，采用低品位热源驱动的动力循环近年来得到了越来越多的重视和应用，但目前的动力循环几乎都是采用蒸汽压法，即为热能-气体压力能-功的能量传递过程。虽然在能量传递上，蒸汽压法比渗透压法少一个环节，但如前所述，蒸汽压法所获得的气体压差远小于渗透压法的液体压差，因此当驱动热源和环境温度之间温差很小时（如20℃～30℃），采用蒸汽压法推动蒸汽轮机做功的效率将急剧降低而失去技术经济价值。即使采用目前在有机工质朗肯循环发电中常采用螺杆式膨胀机，一般也很难利用80℃以下的热源，更不可能在20℃～30℃温差下正常、高效工作。
由此可见，渗透压法浓差做功装置特别适合于用较低温度的低品位热源进行驱动，该类系统最初由美国学者在上世纪70年代中期提出，80年代初期又加入了在反渗透装置中常用的压力能回收装置以进一步提高系统效率。目前该类系统在使用过程中仍存在以下局限性：1、采用单级渗透，当系统循环倍率较高时，将明显增加渗透过程中的混合损失；2，使用的工质为盐水溶液，水在被驱动液吸收后的再生过程中，所消耗的热量较大，降低了系统热效率，另外在一定渗透压下，所需热源温度水平太低，实际上会增加温差换热在不可逆损失中的比重，而在一定热源温度下，采用水溶液为工质又极容易使得渗透压大大超过半透膜的耐压极限。
综上所述，很有必要对现有渗透压法浓差做功装置进行改进，使之能具有更高的热效率和做功能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，包括发生器、冷凝器、第一渗透室、溶液换热器、第一压力能回收器、第一液体涡轮、第二渗透室、第二压力能回收器以及第二液体涡轮；所述发生器的气体出口与冷凝器的冷凝管道相连通；所述冷凝器的冷凝管道分别与第一渗透室的低压室液体腔Ⅰ以及第二渗透室的低压室液体腔Ⅱ相连通；所述发生器的液体出口与溶液换热器的高温液体管道的一端相连通，溶液换热器的高温液体管道的另外一端与第一压力能回收器的低压液体管道的一端相连通，第一压力能回收器的低压液体管道的另外一端与第一渗透室的高压室液体腔Ⅰ入口相连通；第一渗透室的高压室液体腔Ⅰ出口分别与第一压力能回收器的高压液体管道一端以及第一液体涡轮Ⅰ的液体入口相连通；第一压力能回收器的高压液体管道的另外一端与第一液体涡轮Ⅰ的液体出口分别与第二压力能回收器的低压液体管道一端相连通，第二压力能回收器的低压液体管道另外一端与第二渗透室的高压室液体腔Ⅱ入口相连通；第二渗透室的高压室液体腔Ⅱ出口分别与第二压力能回收器的高压液体管道一端以及第一液体涡轮Ⅱ的液体入口相连通；所述第二压力能回收器的高压液体管道另一端与溶液换热器的低温液体管道的一端相连通，溶液换热器的低温液体管道的另外一端与第一液体涡轮Ⅱ的液体出口分别与发生器的液体入口相连通。
作为对本发明所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置的改进：所述第一压力能回收器的低压液体管道的另外一端与第一渗透室的高压室液体腔Ⅰ入口之间设置有第一增压泵；所述第二压力能回收器的低压液体管道另外一端与第二渗透室的高压室液体腔Ⅱ入口之间设置有第二增压泵；所述第一液体涡轮Ⅰ的液体出口与第二压力能回收器的低压液体管道一端之间设置有第一压力调节阀；所述第一液体涡轮Ⅱ的液体出口与发生器的液体入口之间设置有第二压力调节阀；所述溶液换热器的低温液体管道的另外一端与发生器的液体入口之间设置有第三压力调节阀；所述第一压力能回收器的高压液体管道的另外一端与第二压力能回收器的低压液体管道一端之间设置有第四压力调节阀。
作为对本发明所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置的进一步改进：所述第一渗透室的低压室液体腔Ⅰ和高压室液体腔Ⅰ之间设置有半透膜Ⅰ；所述第二渗透室的低压室液体腔Ⅱ和高压室液体腔Ⅱ之间设置有半透膜Ⅱ。
作为对本发明所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置的进一步改进：所述发生器内置高沸点组分和低沸点组分混合的有机混合工质；所述半透膜Ⅰ和半透膜Ⅱ均为能够通过有机混合工质中的低沸点组分，且不能通过高沸点组分的选择性透过膜。
作为对本发明所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置的进一步改进：所述第一增压泵和第二增压泵均为变频泵。
一种低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置的使用方法，步骤如下：第一步：将混合工质溶液加热，产生低沸点组分蒸汽Ⅰ和浓溶液Ⅰ；第二步：低沸点组分蒸汽Ⅰ经过冷凝后成为低沸点组分液体Ⅰ；第三步：浓溶液Ⅰ经过放热降温以及吸收压力能后，与一部分低沸点组分液体Ⅰ混合成稀溶液Ⅰ；一方面，稀溶液Ⅰ释放压力能给浓溶液Ⅰ吸收；另外一方面，稀溶液Ⅰ驱动动力装置Ⅰ输出动力；第四步：将步骤三的两个稀溶液Ⅰ进行混合后，吸收压力能，并与另外一部分低沸点组分液体Ⅰ混合成稀溶液Ⅱ；一方面，稀溶液Ⅱ释放压力能步骤三的两个稀溶液Ⅰ混合后的溶液吸收，并吸收浓溶液Ⅰ的热量，使得步骤二中的浓溶液Ⅰ降温；另外一方面，稀溶液Ⅱ驱动动力装置Ⅱ输出动力。
本发明与现有低品位热源驱动的渗透浓差做功装置相比，具有以下优点：
1）用有机混合工质代替水溶液，可以减少分离过程所消耗的热量、提高热源温度、减小渗透压，从而有利于增加系统热效率，减少温差换热在不可逆损失中的比重以及减小对半透膜的耐压要求。
2）采用两级渗透，有利于在通过减小循环倍率节约增压泵能耗的同时，避免产生较大的不可逆混合损失，使得系统具有更大的做功能力。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的主要结构示意图。
具体实施方式
实施例1、图1给出了一种低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置；包括发生器1、冷凝器2、第一渗透室3、溶液换热器4、第一压力能回收器5、第一增压泵6、第一液体涡轮7、第一压力调节阀8、第二渗透室9、第二压力能回收器10、第二增压泵11、第二液体涡轮12、第二压力调节阀13、第三压力调节阀14和第四压力调节阀15。
发生器1的气体出口与冷凝器2的冷凝管道相连通；冷凝器2的冷凝管道分别与第一渗透室3的低压室液体腔Ⅰ31以及第二渗透室9的低压室液体腔Ⅱ91相连通；发生器1的液体出口与溶液换热器4的高温液体管道的一端相连通，溶液换热器4的高温液体管道的另外一端与第一压力能回收器5的低压液体管道的一端相连通，第一压力能回收器5的低压液体管道的另外一端与第一渗透室3的高压室液体腔Ⅰ32入口相连通；第一渗透室3的高压室液体腔Ⅰ32出口分别与第一压力能回收器5的高压液体管道一端以及第一液体涡轮7的液体入口相连通；第一压力能回收器5的高压液体管道的另外一端与第一液体涡轮7Ⅰ的液体出口分别与第二压力能回收器10的低压液体管道一端相连通，第二压力能回收器10的低压液体管道另外一端与第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92入口相连通；第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92出口分别与第二压力能回收器10的高压液体管道一端以及第二液体涡轮12的液体入口相连通；第二压力能回收器10的高压液体管道另一端与溶液换热器4的低温液体管道的一端相连通，溶液换热器4的低温液体管道的另外一端与第二液体涡轮12的液体出口分别与发生器1的液体入口相连通。
第一压力能回收器5的低压液体管道的另外一端与第一渗透室3的高压室液体腔Ⅰ32入口之间设置第一增压泵6；第二压力能回收器10的低压液体管道另外一端与第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92入口之间设置第二增压泵11；第一液体涡轮7Ⅰ的液体出口与第二压力能回收器10的低压液体管道一端之间设置第一压力调节阀8；第二液体涡轮12的液体出口与发生器1的液体入口之间设置第二压力调节阀13；溶液换热器4的低温液体管道的另外一端与发生器1的液体入口之间设置第三压力调节阀14；第一压力能回收器5的高压液体管道的另外一端与第二压力能回收器10的低压液体管道一端之间设置第四压力调节阀15。
第一渗透室3的低压室液体腔Ⅰ31和高压室液体腔Ⅰ32之间设置有半透膜Ⅰ16；第二渗透室9的低压室液体腔Ⅱ91和高压室液体腔Ⅱ92之间设置有半透膜Ⅱ17。
发生器1内置高沸点组分和低沸点组分混合的有机混合工质，这种有机混合工质具有高度互溶性和较小分离潜热，且高沸点组分和低沸点组分之间的沸点相差较大，高沸点组分几乎不蒸发，使得溶液表面蒸汽压由低沸点组分的蒸汽压所决定，低沸点组分的临界温度与环境温度相差宜在100℃左右，以保证较小的气、液密度差而避免渗透压过大。半透膜Ⅰ16和半透膜Ⅱ17均为能够通过有机混合工质中的低沸点组分，且不能通过高沸点组分的选择性透过膜。第一增压泵6和第二增压泵11均为变频泵，可以根据出口压力设定进行调节。通过第一液体涡轮7和第二液体涡轮12所输出的功可以用于直接推动机械转动或者带动发电机发电。本发明利用的低品位热源包括太阳能，海水温差能以及各种工业余热，其温度水平宜在高于环境温度20℃～50℃范围内。
当有机混合工质蒸汽中低沸点组分含量不高时，一种优选的技术方案为：用精馏器代替发生器1，对低沸点组分进行精馏以达到较高的纯度。
具体的使用的时候，步骤如下：
1、利用外部热源对发生器1中的混合工质溶液加热，使得其中的一部分低沸点组分受热蒸发，产生低沸点组分蒸汽Ⅰ；产生的低沸点组分蒸汽Ⅰ和浓溶液Ⅰ（在加热后未蒸发的部分为浓溶液Ⅰ）分为两路，分别从发生器1的气体出口和液体出口流出。
2、从发生器1的液体出口流出的浓溶液Ⅰ进入溶液换热器4的高温液体管道，放出热量后（溶液换热器4的低温液体管道内的液体吸收热量，详见步骤8），温度降低，再进入第一压力能回收器5的低压液体管道，吸收高压液体管道（第一压力能回收器5内）中的高压溶液（详见步骤5）所释放的压力能，压力升高后通过第一增压泵6进一步升压到第一渗透室3的高压室液体腔Ⅰ32入口压力，并从高压室液体腔Ⅰ32入口流入。
3、从发生器1气体出口流出的低沸点组分蒸汽Ⅰ进入冷凝器2，并在冷凝器2的冷凝管道中被外部冷源冷凝为低沸点组分液体Ⅰ，同时温度降低，低沸点组分液体Ⅰ从冷凝管道流出后分为两路，其中一路流入第一渗透室3的低压室液体腔Ⅰ31，另外一路流入第二渗透室9的低压室液体腔Ⅱ91。
4、第一渗透室3的低压室液体腔Ⅰ31内的低沸点组分液体Ⅰ在半透膜Ⅰ16两侧液体渗透压差的驱动下通过半透膜Ⅰ16进入高压室液体腔Ⅰ32，与高压室液体腔Ⅰ32入口流入的浓溶液Ⅰ混合后成为稀溶液Ⅰ，再从高压室液体腔Ⅰ32出口流出。
5、从第一渗透室3的高压室液体腔Ⅰ32出口流出的稀溶液Ⅰ分为两路：
其中一路进入第一液体涡轮7的液体入口，释放压力能推动液体涡轮对外做功，压力降低后再通过第一压力调节阀8调压到第四压力调节阀15的出口压力；
另外一路进入第一压力能回收器5的高压液体管道，释放压力能（步骤2中，浓溶液Ⅰ进入溶液换热器4的高温液体管道，放出热量后，温度降低，再进入第一压力能回收器5的低压液体管道，吸收第一压力能回收器5内高压液体管道所释放的压力能）后，压力降低，再通过第四压力调节阀15调压到第一压力调节阀8的出口压力。
6、从第一压力调节阀8流出的稀溶液Ⅰ和第四压力调节阀15流出的稀溶液Ⅰ相互混合后再进入第二压力能回收器10的低压液体管道，吸收高压液体管道（第二压力能回收器10内的）中的高压溶液（详见步骤8）所释放的压力能，压力升高，再通过第二增压泵11进一步升压到第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92入口压力，并从高压室液体腔Ⅱ92入口流入。
7、第二渗透室9的低压室液体腔Ⅱ91内的低沸点组分液体Ⅰ在半透膜Ⅱ17两侧液体渗透压差的驱动下，通过半透膜Ⅱ17进入高压室液体腔Ⅱ92，与从第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92入口流入的溶液（步骤6中，从第一压力调节阀8流出的稀溶液Ⅰ和第四压力调节阀15流出的稀溶液Ⅰ相互混合）混合后成为稀溶液Ⅱ，再从高压室液体腔Ⅱ92出口流出。
8、从第二渗透室9的高压室液体腔Ⅱ92出口流出的稀溶液Ⅱ分为两路：
其中一路进入第二液体涡轮Ⅱ12，释放压力能推动液体涡轮对外做功，压力降低后再通过第二压力调节阀13降压到发生器压力；
另外一路进入第二压力能回收器10的高压液体管道，释放压力能后，压力降低（步骤6中，从第一压力调节阀8流出的稀溶液Ⅰ和第四压力调节阀15流出的稀溶液Ⅰ相互混合后的溶液吸收压力能），然后再进入溶液换热器4的低温液体管道，吸收高温溶液（步骤2中，从发生器1的液体出口流出的浓溶液Ⅰ进入溶液换热器4的高温液体管道后放热）释放的热量后，温度升高，再通过第三压力调节阀14降压到发生器1压力。
9、从第二压力调节阀13、第三压力调节阀14流出的溶液混合（详见步骤8，其中第二压力调节阀13流出的稀溶液Ⅱ和第三压力调节阀14流出的稀溶液Ⅱ）后再从发生器1的液体进口流入发生器1。
实施实例1的计算参数见表1（针对1kg冷凝器出口液体工质R134a）。设计条件为：环境温度32℃，渗透做功工质为R134a（可通过半透膜），驱动热源温度为65.3℃，冷凝过冷度为2℃，循环倍率为2.5，能量回收器、液体涡轮、溶液换热器效率分别为95%、90%、70%。实施实例1计算得到的热效率（定义为液体涡轮输出功和增压泵输入功差值与热源耗热量之比）为2.64%，该值比较低的原因是热源温度和环境温度温差小，热效率的热力学理论值也只不到10%，但计算得到的系统火用效（定义为液体涡轮输出功和增压泵输入功差值与热源提供的热火用之比）达到26.8%。与现有渗透浓差做功装置相比（见表1第二列），实施实例1在相同工况下，采用两级渗透后热效率和系统火用效率都提高了19.5%，有效输出功增加了20.3%。另外，本发明采用混合有机工质，相比水具有更有较小的汽化潜热，如R134a的汽化潜热约为160kJ/kg，不到水汽化潜热的1/10，因此在再生过程可大大节约耗热量，提高系统热效率。
由此可见，本发明相比现有的渗透浓差做功系统具有更高的热效率和做功能力，有效实现了本发明的初衷。
以上实施实例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。
表1实施实例1的热力计算结果（针对1kg冷凝器出口液体工质R134a）
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，包括发生器(1)、冷凝器(2)、第一渗透室(3)、溶液换热器(4)、第一压力能回收器(5)、第一液体涡轮(7)、第二渗透室(9)、第二压力能回收器(10)以及第二液体涡轮(12)；其特征是：所述发生器(1)的气体出口与冷凝器(2)的冷凝管道相连通；所述冷凝器(2)的冷凝管道分别与第一渗透室(3)的低压室液体腔Ⅰ(31)以及第二渗透室(9)的低压室液体腔Ⅱ(91)相连通；
所述发生器(1)的液体出口与溶液换热器(4)的高温液体管道的一端相连通，溶液换热器(4)的高温液体管道的另外一端与第一压力能回收器(5)的低压液体管道的一端相连通，第一压力能回收器(5)的低压液体管道的另外一端与第一渗透室(3)的高压室液体腔Ⅰ(32)入口相连通；
第一渗透室(3)的高压室液体腔Ⅰ(32)出口分别与第一压力能回收器(5)的高压液体管道一端以及第一液体涡轮(7)的液体入口相连通；第一压力能回收器(5)的高压液体管道的另外一端与第一液体涡轮(7)的液体出口分别与第二压力能回收器(10)的低压液体管道一端相连通，第二压力能回收器(10)的低压液体管道另外一端与第二渗透室(9)的高压室液体腔Ⅱ(92)入口相连通；
第二渗透室(9)的高压室液体腔Ⅱ(92)出口分别与第二压力能回收器(10)的高压液体管道一端以及第二液体涡轮(12)的液体入口相连通；所述第二压力能回收器(10)的高压液体管道另一端与溶液换热器(4)的低温液体管道的一端相连通，溶液换热器(4)的低温液体管道的另外一端与第二液体涡轮(12)的液体出口分别与发生器(1)的液体入口相连通。
2.根据权利要求1所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，其特征是：所述第一压力能回收器(5)的低压液体管道的另外一端与第一渗透室(3)的高压室液体腔Ⅰ(32)入口之间设置有第一增压泵(6)；
所述第二压力能回收器(10)的低压液体管道另外一端与第二渗透室(9)的高压室液体腔Ⅱ(92)入口之间设置有第二增压泵(11)；
所述第一液体涡轮(7)的液体出口与第二压力能回收器(10)的低压液体管道一端之间设置有第一压力调节阀(8)；
所述第二液体涡轮(12)的液体出口与发生器(1)的液体入口之间设置有第二压力调节阀(13)；
所述溶液换热器(4)的低温液体管道的另外一端与发生器(1)的液体入口之间设置有第三压力调节阀(14)；
所述第一压力能回收器(5)的高压液体管道的另外一端与第二压力能回收器(10)的低压液体管道一端之间设置有第四压力调节阀(15)。
3.根据权利要求2所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，其特征是：所述第一渗透室(3)的低压室液体腔Ⅰ(31)和高压室液体腔Ⅰ(32)之间设置有半透膜Ⅰ(16)；
所述第二渗透室(9)的低压室液体腔Ⅱ(91)和高压室液体腔Ⅱ(92)之间设置有半透膜Ⅱ(17)。
4.根据权利要求3所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，其特征是：所述发生器(1)内置高沸点组分和低沸点组分混合的有机混合工质；
所述半透膜Ⅰ(16)和半透膜Ⅱ(17)均为能够通过有机混合工质中的低沸点组分，且不能通过高沸点组分的选择性透过膜。
5.根据权利要求4所述的低品位热源驱动的两级渗透浓差做功装置，其特征是：所述第一增压泵(6)和第二增压泵(11)均为变频泵。
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