CN103899520B - 一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵及泵组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵及泵组，节能泵包括泵壳；处在泵壳内且将泵壳内分隔为动力腔和输液腔的隔热膜，输液腔分别连通有单向进液管和单向出液管；处在输液腔中的冷凝管，该冷凝管的进出口通过泵外循环与动力腔连通；位于动力腔的加热盘管。泵组由至少两个节能泵组成。本发明的节能泵通过动力腔膨胀后挤压输液腔，使待输液体流出，实现水泵功能；隔热膜的面积足够大，在膨胀、收缩过程中不产生弹力，不会有机械损失；节能泵的能耗低、污染小、成本低，适合向市场推广；泵组由至少两个节能泵构成，能够将待输液体运送至更高的位置。

Description

一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵及泵组

技术领域

本发明涉及水泵领域，具体涉及一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵及泵组。

背景技术

能源问题已经成为全球焦点，随着经济规模的扩大，能源需求急剧增加，能源的供需矛盾越来越突出，成为各国经济安全与经济发展的重要因素。为解决能源紧张问题，国家主要从供应侧“开源”和需求侧“节流”两个方面，注重新能源的开发和余热利用。

新能源储量丰富，包括太阳能、风能、地内能、生物质能等，其中我国可利用地内能资源总量庞大，据中国地调局统计，2000m以上可采热水量68.5×108m3/a，折合标煤3285×104t/a；太阳能资源分布广泛，全国2/3地区日照小时数大于2200h/a，理论储量折合标准煤达17×1011t/a，富区位于吐哈、柴达木、二连、银额盆地；风能全国可开发利用资源总量为10×108kW，其中陆上离地10m高，可开发和利用的风能储量有2.53×108kW，海上7.5×108kW。中国新能源资源丰富，发展新能源对国家能源安全、环境改善、煤炭安全生产、三农问题等都具有重要的战略意义。

我国工业余热资源丰富，余热资源占其燃料消耗总量的17%-67%，其中可回收率达60%。特别是在钢铁、有色化工、水泥、建材、石油与化工、轻工、煤炭等行业，“十二五”期间，余热余压回收利用投资工程的需求将达600亿元，节能量将达到3000万吨标准煤。我国利用率仅为33%，比发达国家低10%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。余热利用率提升空间大，节能潜力大，近年来被视为推近我国节能减排工作的重要内容。

另一方面,“十二五”期间，我国泵及真空设备制造业将保持20%左右的市场增长速度，2015年销售规模将达1587亿元左右。在城镇污水处理设备投入中，水泵类约占机械设备总投资的15%。农用水泵作为泵业的子行业，以其销售收入占泵行业销售收入14%计算，到2015年，全球农用水泵市场将超过60亿美元，可见泵业市场广阔。同时这也说明泵在城市供水、污水系统、农业、电站、化工、石油、船舶等等产业中扮演着必不可少的角色。值得关注的是，在这些水泵的应用场合常常存在着可供利用的低品位热源。

现有的低品位热源利用技术中，有如通过有机朗肯循环、结合汽轮机进行发电，有利用太阳能电池板将太阳能直接转化成电能的光伏水泵，但是前者主要针对的是较高温度的低品位热源，后者的成本比较高，且生产过程中耗能和污染较大。

另外，现在低品位热源回收利用技术适用的温区一般在100℃之上，但在100℃之下低品位热源的能量也非常多，所以开发一种适用于较低温度的低品位热源的利用技术是非常有必要的。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种成本低，污染小，能够利用温度较低的低品位热源的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵及泵组。

一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，包括泵壳，还包括：

隔热膜，处在泵壳内且将泵壳内分隔为动力腔和输液腔，所述输液腔分别连通有单向进液管和单向出液管；

加热机构，用于加热动力腔；

冷凝管，处在输液腔中，该冷凝管的进出口通过泵外循环与动力腔连通。

作为优选，所述动力腔充注有工质液体，该工质液体为全氟己酮。

全氟己酮的ODP=0、GWP=1，对环境的危害非常小。

动力腔充注有低沸点的工质液体，输液腔中填充满待输液体，节能泵工作时，通过加热机构加热动力腔中的工质液体，使工质液体的温度达到沸点，发生气化，动力腔的压力逐渐升高，压力达到一定值后，气化后的工质气体推动隔热膜运动，在等压膨胀的过程中，隔热膜挤压输液腔，待输液体通过单向出液管流出，实现泵水功能，当隔热膜运动到达设定位置后，气化后的工质气体通过管路进入冷凝管，与输液腔的待输液体进行换热，冷却成液体后再流入动力腔，同时动力腔压力下降，隔热膜收缩，待输液体通过单向进液管进入输液腔，如此完成一个循环。

为了利用低品位热源，作为优选，所述加热机构为加热盘管。

作为优选，所述加热盘管位于动力腔内，加热盘管具有延伸至泵壳外的热源进出口。

为了使加热盘管更好的工作，使低品位热源注入加热管，作为优选，所述加热盘管在泵外的部分还设有用于连通真空泵的接口。

作为优选，所述接口处设有电磁阀。

真空泵将加热盘管抽真空后，低品位热源填充满加热盘管，此时关闭接口处的电磁阀，真空泵停止工作，低品位热源凭自身的冷热微循环保持流动，使加热盘管保持一定温度，持续对工质液体进行加热。

为了充分加热工质液体，作为优选，所述加热盘管位于动力腔的底部。

作为优选，所述冷凝管相对于水平面倾斜布置，冷凝管的最高端和最底端均具有与下腔连通的管道，所述管道穿出泵壳后再进入下腔，且每个管道均设有电磁阀。

与冷凝管最高端连接的为第一管道，与冷凝管最底端连接的为第二管道，第一管道上设有第一电磁阀，第二管道上设有第二电磁阀。冷凝管工作时，打开第一电磁阀，气化后的工质气体通过第一管道进入冷凝管，换热冷却成工质液体后聚集在冷凝管的底部位置；打开第二电磁阀后，工质液体通过第二管路流回动力腔。

为了使冷凝管的换热效率更高，作为优选，所述冷凝管的外壁还设有翅片。

作为优选，所述隔热膜为杯状，杯口与泵壳密封连接，且杯口朝向动力腔一侧。

作为优选，所述泵壳包括筒状的壳体以及密封连接在壳体两端的上法兰盖和下法兰盖。

为了使隔热膜更好的固定在节能泵上，作为优选，所述杯口处具有固定环，固定环夹持在壳体和下法兰盖之间。

所述下法兰盖还设有填充工质液体的注液口。

为了减少能量损失，使隔热膜膨胀和收缩的时候不会产生应力，作为优选，所述隔热膜位于壳体内壁部分的面积大于壳体内壁的面积。

作为优选，所述隔热膜为丁基橡胶。

本发明还提供了一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵组，包括至少两个本发明所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，各节能泵由低到高依次连接，相邻两节能泵中，位置较低的节能泵的单向出液管与位置较高的节能泵的单向进液管相连通。

通过设置多个节能泵，待输液体能够达到更高位置。泵组使用时，位置较低的节能泵将待输液体送入相邻的位置较高的节能泵中，位置较高的节能泵再向上继续输送待输液体，依次类推，直至位置最高的节能泵将待输液体送至指定位置。

因为节能泵通过真空泵抽真空，在大气压力的作用下使热媒液进入加热盘管，热媒液最大输入高度有限，所以泵组在使用时，各泵的加热盘管的热源进出口可以与不同的热媒液连通，使用时根据具体情况来确定。

本发明的有益效果是：隔热膜将泵壳内分隔为动力腔和输液腔，动力腔膨胀后挤压输液腔，使待输液体流出，该设计使得节能泵能够有效利用低品位热源的热能，实现水泵功能，达到节能减排的效果；冷凝管倾斜布置，使得冷凝后的工质液体先聚集在冷凝管的底部位置，当第二电磁阀打开时，流回动力腔；隔热膜的面积足够大，在膨胀、收缩过程中不产生弹力，不会有机械损失；泵组由至少两个节能泵构成，能够将待输液体运送至更高的位置；节能泵可为新能源的利用提供一条有效的途径，满足缺电、无电边远地区对泵水的需要，实现低品位热能的经济性、可靠性利用，且节能泵的能耗低、污染小、成本低，适合向市场推广。

附图说明

图1是本发明基于工质相变的低品位热源驱动节能泵的正视图；

图2是本发明基于工质相变的低品位热源驱动节能泵的局部剖视图；

图3是隔热膜的结构示意图；

图4为基于工质相变的低品位热源驱动节能泵组的结构示意图。

图中各附图标记为：

1.第三电磁阀，2.动力腔，3.加热盘管，4.下法兰盖，5.第二电磁阀，6.单向进液管，7.第二管道，8.壳体，9.上法兰盖，10.翅片，11.冷凝管，12.输液腔，13.单向出液管，14.隔热膜，15.第一管道，16.第一电磁阀，17.接口，18.密封圈，19.固定环，20.热媒液。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

如图1、2所示，一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，包括：

由筒状的壳体8以及密封连接在壳体两端的上法兰盖9和下法兰盖4构成的泵壳；位于壳体8内将泵壳内部空间分隔为动力腔2和输液腔12两部分的隔热膜14；位于动力腔2内的加热盘管3；处在输液腔12内的冷凝管11。

输液腔12分别连通有单向进液管6和单向出液管13，单向进液管和单向出液管均相应的设有单向阀，通过设置单向阀实现单向流动，其中，单向进液管6用于与待输液体连通，单向出液管13用于将待输液体送入指定位置。

如图3所示，隔热膜14为杯状，杯口朝向下法兰盖4，杯口处具有固定环18，壳体与下法兰盖之间设有密封圈19，隔热膜的固定环部分夹持在壳体8和下法兰盖4之间。

冷凝管11相对于水平面倾斜布置，冷凝管的最高端设有第一管道15，第一管道15一端与冷凝管连接，另一端穿出壳体8后再穿过下法兰盖4进入动力腔2，冷凝管的最低端设有第二管道7，第二管道7一端与冷凝管连接，另一端穿出壳体8后再穿过下法兰盖4进入动力腔2。第一管道上设有第一电磁阀16，第二管道上设有第二电磁阀5。

加热盘管3位于动力腔2的底部，加热盘管的进出口分别通过管道与热媒液20连通，且其中一根管道具有用于连通真空泵的接口17，接口17处设有第三电磁阀1。

为了减少能量损失，使隔热膜膨胀和收缩的时候不会产生应力，隔热膜位于壳体内壁部分的面积大于壳体内壁的面积，本实施例隔热膜为丁基橡胶；为了增强换热效率，冷凝管11的外壁还设有翅片10。

动力腔和冷凝管之间充注有低沸点的工质液体，本实施例工质液体为全氟己酮，输液腔中填充满待输液体。下法兰盖还设有填充工质液体的注液口。

本发明中所有电磁阀都通过导线连接于控制系统，控制系统为可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器内载入预先编制的水泵运行控制程序，使得各电磁阀在不同阶段打开和关闭，从而控制本发明的运行状态。本发明还可以在动力腔设置压力传感器，通过压力传感器的反馈信号与控制器内设定的阀值进行对比，来控制第一电磁阀和第二电磁阀的打开和关闭。

本发明工作时，先抽空加热盘管内的空气，使得热媒液进入加热盘管。加热盘管加热动力腔中的工质液体，使工质液体的温度达到沸点，发生气化。动力腔的压力逐渐升高，压力达到一定值后，气化后的工质气体推动隔热膜运动。在等压膨胀的过程中，隔热膜挤压输液腔，待输液体通过单向出液管流出，实现泵水功能。当隔热膜运动到达设定位置（或动力腔压力达到设定值），打开第一电磁阀，使气化后的工质气体通过第一管道进入冷凝管，与输液腔的待输液体进行换热，冷却成工质液体聚集在冷凝管呢，同时动力腔内压力降低，隔热膜收缩，待输液体通过单向进液管进入输液腔，当隔热膜运动到达设定位置（或动力腔压力达到设定值），打开第二电磁阀，聚集在冷凝管内的工质液体通过第二管路流入动力腔，如此完成一个循环。

如图4所示，一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵组，包括至少两个本实施例所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，本实施例为两个，其中，位置较低的节能泵的单向出液管与位置较高的节能泵的单向进液管相连通，两个节能泵的加热盘管的热源进出口与相同的热媒液连通。

泵组使用时，位置较低的节能泵的将待输液体送入相邻的位置较高的节能泵中，位置较高的节能泵的单向出液管将待输液体输出，相较于一个节能泵，泵组能将待输液体输至更高的位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，包括泵壳，其特征在于，还包括：

隔热膜，处在泵壳内且将泵壳内分隔为动力腔和输液腔，所述输液腔分别连通有单向进液管和单向出液管，所述隔热膜位于壳体内壁部分的面积大于壳体内壁的面积；

加热机构，用于加热动力腔；

冷凝管，处在输液腔中，该冷凝管的进出口通过泵外循环与动力腔连通。

2.如权利要求1所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，其特征在于，所述动力腔充注有工质液体，该工质液体为全氟己酮。

3.如权利要求1所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，其特征在于，所述加热机构为加热盘管；所述加热盘管位于动力腔内，加热盘管具有延伸至泵壳外的热源进出口。

4.如权利要求1所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，其特征在于，所述冷凝管相对于水平面倾斜布置，冷凝管的最高端和最底端均具有与下腔连通的管道，所述管道穿出泵壳后再进入下腔，且每个管道均设有电磁阀；所述冷凝管的外壁还设有翅片。

5.一种基于工质相变的低品位热源驱动节能泵组，其特征在于，包括至少两个权利要求1～4中任意一项所述的基于工质相变的低品位热源驱动节能泵，各节能泵由低到高依次连接，相邻两节能泵中，位置较低的节能泵的单向出液管与位置较高的节能泵的单向进液管相连通。