CN105422399B - 超重力浓差发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超重力浓差发电装置，包括发电装置、压力浓差做功装置；所述发电装置为液体涡轮(3)；所述压力浓差做功装置为渗透器(4)；所述液体涡轮(3)的进口一侧设置有纯水进口(6)，所述液体涡轮(3)的出口与渗透器(4)的液体进口相连接；所述渗透器(4)的溶液进口一侧设置有浓溶液进口(7)；所述渗透器(4)的液体进口和溶液进口之间设置有渗透膜；所述纯水进口(6)与液体涡轮(3)的进口之间设置有管道Ⅰ，所述溶液进口与浓溶液进口(7)之间设置有管道Ⅱ。

Description

超重力浓差发电装置及方法
技术领域
本发明涉及动力设备技术领域，具体是一种超重力浓差发电装置及方法。
背景技术
当两液体具有浓差时，则液体中的溶剂组分具有不同的化学势，理论上可以用于做功，如对于海水和淡水，淡水中的水具有较大的化学势，而海水中的水化学势较小，利用压力延迟渗透原理可以使淡水渗入高压海水侧，并进入水轮机发电，这一技术已经取得应用，如挪威Statkraft公司已建成了世界上第一座利用海水浓差能的发电站。
采用压力延迟渗透原理发电时，一般都要使用高效能量回收器来回收一部分高压液体的压力能以提高系统效率，而高效能量回收器价格昂贵，降低了系统的技术经济价值，这尤其不利于循环倍率较大的系统。
这样，有必要对现有的浓差发电装置进行改进，使得其不要能量回收器，又达到液体压力能的回收效果，以提高系统的技术经济价值和可行性。
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超重力浓差发电装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种超重力浓差发电装置，包括发电装置、压力浓差做功装置；所述发电装置为液体涡轮；所述压力浓差做功装置为渗透器；所述液体涡轮的进口一侧设置有纯水进口，所述液体涡轮的出口与渗透器的液体进口相连接；所述渗透器的溶液进口一侧设置有浓溶液进口；所述渗透器的液体进口和溶液进口之间设置有渗透膜；所述纯水进口与液体涡轮的进口之间设置有管道Ⅰ，所述溶液进口与浓溶液进口之间设置有管道Ⅱ。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的改进：所述渗透器内浓溶液进口一侧的溶液出口设置有稀溶液出口；溶液出口与稀溶液出口之间设置有管道Ⅲ。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述渗透器的溶液进口与浓溶液进口之间的管道Ⅱ上设置有溶液泵。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述液体涡轮、渗透器、溶液泵、管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ均设置在底座上；所述底座设置在转轴上。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述纯水进口、浓溶液进口和稀溶液出口布置在转轴的轴心位置；所述溶液泵布置在转轴一侧位置，渗透器和液体涡轮布置在回转半径上，兼顾动平衡。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述渗透器的数量为一个或多个；渗透器数量大于一个的时候，渗透器绕转轴的轴心对称布置。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述纯水进口连接纯水存储罐；所述浓溶液进口连接浓溶液存储罐；所述浓溶液存储罐内设置有无机盐溶液。
作为对要求1所述的超重力浓差发电装置的进一步改进：所述浓氯化钙溶液的的浓度为10％-18％，温度为25℃，渗透压为11Mpa。
超重力浓差发电装置的发电方法：转轴带动液体涡轮、渗透器、溶液泵以及底座及管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ旋转；低压浓溶液从浓溶液进口进入后在离心力和压差的共同作用下被增压到超高压后进入渗透器；纯水在渗透压差作用下通过渗透器中的半透膜与浓溶液混合，使得浓溶液变成稀溶液，之后，稀溶液从渗透器的液体出口流出，在离心力和压差的共同作用下，到稀溶液出口；低压纯水从纯水进口进入后在离心力和压差的共同作用下在管道Ⅰ中流动到液体涡轮的进口时被离心力增压到超高压，然后进入液体涡轮，使得液体涡轮3对外输出轴功发电，同时纯水压力重新降低到低压，低压纯水从渗透器的液体进口进入渗透器，在渗透压的作用下通过半透膜向溶液侧渗透。
本发明与现有浓差发电装置相比，具有以下优点：
1)无需能量回收器，液体压力能可自动高效回收。
2)系统构造简单，具有更高的技术经济价值。
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给出了一种超重力浓差发电装置及方法。该超重力浓差发电装置包括发电装置、压力浓差做功装置；该发电装置为液体涡轮3，该压力浓差做功装置为渗透器4。
液体涡轮3的进口一侧设置有纯水进口6，液体涡轮3的进口与纯水进口6之间设置有管道Ⅰ连接，该纯水进口6连接纯水存储罐等装置，通过纯水存储罐等装置引出纯水，导入液体涡轮3；液体涡轮3的出口与渗透器4的液体进口Ⅰ相连接，液体涡轮3内的纯水通过液体进口导入渗透器4；渗透器4的溶液进口Ⅱ一侧设置有浓溶液进口7，渗透器4的溶液进口与浓溶液进口7之间设置有管道Ⅱ连接，该溶液进口与浓溶液进口7之间的管道Ⅱ上设置有溶液泵5，该浓溶液进口7连接浓溶液存储罐等装置；该浓溶液存储罐等装置内设置有浓氯化钙溶液。渗透器4内，液体进口和溶液进口之间设置有只允许溶剂通过的半透膜隔离。在渗透器4的溶液进口一侧，还设置有稀溶液出口8，渗透器4的溶液出口与稀溶液出口8之间设置有管道Ⅲ相连接，通过稀溶液出口8导出被纯水稀释的浓溶液。
以上所述的液体涡轮3、渗透器4、溶液泵5、管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ均设置在底座1上；该底座1设置在转轴2上，通过转轴2转动，带动底座1，使得底座1上固定的装置实现离心运动。以上所述的纯水进口6、浓溶液进口7和稀溶液出口8布置在转轴2的轴心位置；溶液泵5布置在转轴2一侧位置，渗透器4和液体涡轮3布置在回转半径上，兼顾动平衡。
以上所述的渗透器4的数量为一个或多个；当渗透器4数量大于一个的时候，渗透器4绕转轴2的轴心对称布置。
在本实施例中，采用的浓溶液工质为无机盐溶液，比如浓度为10％-18％，温度为25℃，渗透压为11Mpa的浓氯化钙溶液。
具体的实现方式如下：
1、转轴2带动液体涡轮3、渗透器4、溶液泵5以及底座1及连接管道(即管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ)以一定角速度旋转。
2、低压浓溶液从浓溶液进口7进入后被溶液泵5增压，压力略增大用以克服流动过程中的阻力损失；
从溶液泵5流出的浓溶液在离心力和压差的共同作用下在管道Ⅱ中流动到渗透器4的溶液进口时被增压到超高压，超高压液体进入渗透器4(由于低压浓溶液在浓溶液进口7到渗透器4的溶液进口之间有流过管道Ⅱ，管道Ⅱ在底座1上同步旋转，所以可以产生离心力作用)。
3、在渗透器4中，纯水在渗透压差作用下通过渗透器4中的半透膜与浓溶液混合，使得浓溶液变成稀溶液，之后，稀溶液从渗透器4的液体出口流出，在离心力和压差的共同作用下，到稀溶液出口8时，成为低压稀溶液(稀溶液从渗透器4的液体出口流出时，在管道Ⅲ中流动，管道Ⅲ在底座1上同步旋转，所以可以产生离心力作用)。
低压纯水从纯水进口6进入后，在离心力和压差的共同作用下在管道Ⅰ中流动到液体涡轮3的进口时被离心力增压到超高压(低压纯水从纯水进口6到液体涡轮3的进口时，在管道Ⅰ中流动，管道Ⅰ在底座1上同步旋转，所以可以产生离心力作用)，然后进入液体涡轮3，使得液体涡轮3对外输出轴功发电，同时纯水压力重新降低到低压，低压纯水从渗透器4的液体进口进入渗透器4，在渗透压的作用下通过半透膜向溶液侧渗透。
如此循环，可连续地将浓差能转换为电能。
实施实例1的计算参数见表1(针对1kg水)。设计条件为：系统回转半径0.5m，利用氯化钙溶液和纯水所蕴含的化学能进行浓差发电，浓氯化钙溶液的浓度为18％，温度为25℃，渗透压为11Mpa，采用4倍的循环倍率(定义为稀溶液和水的比值)时，所得稀溶液的浓度为13.5％，渗透压为8.3Mpa，压力延迟渗透过程的平均驱动压差为3.1Mpa，系统转速为2045转/分，溶液泵效率为80％，功耗为0.67kJ/kg，液体涡轮效率为80％，输出功为4.34kJ/kg，系统净输出功为3.67kJ/kg，系统火用效(定义为水/浓溶液工质对的理论功和净输出功之比)为33.3％。本系统无需能量回收器，液体压力能全部回收，实施环节简单，技术经济性好，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。
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。
表1实施实例1的计算结果(针对1kg水)
项目 实施实例1 单位
温度 25 ℃
回转半径 0.5 m
氯化钙浓溶液进口浓度 18 ％
浓溶液渗透压 11 Mpa
浓溶液密度 1156 kg/m3
循环倍率 4 ----
氯化钙稀溶液出口浓度 13.5 ％
稀溶液渗透压 8.3 Mpa
稀溶液密度 1156 kg/m3
渗透器溶液侧压损 0.5 Mpa
渗透器水侧压损 0.3 Mpa
转速 2045 转/分
浓溶液进口压强 0 Mpa
稀溶液出口压强 0 Mpa
水进口压强 0 Mpa
渗透器溶液进口压强 6.8 Mpa
渗透器溶液出口压强 6.3 Mpa
溶液泵进口压强 0 Mpa
溶液泵出口压强 0.18 Mpa
液体涡轮进口压强 5.72 Mpa
液体涡轮出口压强 0.3 Mpa
液体涡轮效率 80 ％
溶液泵效率 80 ％
液体涡轮输出功 4.34 kJ/kg
溶液泵耗功 0.67 kJ/kg
净输出功 3.67 kJ/kg
系统火用效 33.3 ％
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。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 (9)

1.超重力浓差发电装置，包括发电装置、压力浓差做功装置，所述发电装置为液体涡轮(3)，所述压力浓差做功装置为渗透器(4)；其特征是：
所述液体涡轮(3)的进口一侧设置有纯水进口(6)，所述液体涡轮(3)的出口与渗透器(4)的液体进口相连接；
所述渗透器(4)的溶液进口一侧设置有浓溶液进口(7)；
所述渗透器(4)的液体进口和溶液进口之间设置有渗透膜；
所述纯水进口(6)与液体涡轮(3)的进口之间设置有管道Ⅰ，所述溶液进口与浓溶液进口(7)之间设置有管道Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述渗透器(4)内浓溶液进口(7)一侧的溶液出口设置有稀溶液出口(8)；
溶液出口与稀溶液出口(8)之间设置有管道Ⅲ。
3.根据权利要求2所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述渗透器(4)的溶液进口与浓溶液进口(7)之间的管道Ⅱ上设置有溶液泵(5)。
4.根据权利要求3所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述液体涡轮(3)、渗透器(4)、溶液泵(5)、管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ均设置在底座(1)上；
所述底座(1)设置在转轴(2)上。
5.根据权利要求4所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述纯水进口(6)、浓溶液进口(7)和稀溶液出口(8)布置在转轴(2)的轴心位置；
所述溶液泵(5)布置在转轴(2)一侧位置，渗透器(4)和液体涡轮(3)布置在回转半径上，兼顾动平衡。
6.根据权利要求5所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述渗透器(4)的数量为一个或多个；
渗透器(4)数量大于一个的时候，渗透器(4)绕转轴(2)的轴心对称布置。
7.根据权利要求6所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述纯水进口(6)连接纯水存储罐；所述浓溶液进口(7)连接浓溶液存储罐；
所述浓溶液存储罐内设置有无机盐溶液。
8.根据权利要求7所述的超重力浓差发电装置，其特征是：所述无机盐溶液为浓氯化钙溶液，所述浓氯化钙溶液的浓度为10％-18％，温度为25℃，渗透压为11MPa。
9.超重力浓差发电装置的发电方法，其特征是：转轴(2)带动液体涡轮(3)、渗透器(4)、溶液泵(5)以及底座(1)及管道Ⅰ、管道Ⅱ、管道Ⅲ旋转；
低压浓溶液从浓溶液进口(7)进入后在离心力和压差的共同作用下被增压到超高压后进入渗透器(4)；
纯水在渗透压差作用下通过渗透器(4)中的半透膜与浓溶液混合，使得浓溶液变成稀溶液，之后，稀溶液从渗透器(4)的液体出口流出，在离心力和压差的共同作用下，到稀溶液出口(8)；
低压纯水从纯水进口(6)进入后在离心力和压差的共同作用下在管道Ⅰ中流动到液体涡轮(3)的进口时被离心力增压到超高压，然后进入液体涡轮(3)，使得液体涡轮(3)对外输出轴功发电，同时纯水压力重新降低到低压，低压纯水从渗透器(4)的液体进口进入渗透器(4)，在渗透压的作用下通过半透膜向溶液侧渗透。
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Granted publication date: 20180105

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Assignee: WENZHOU HAOGE ANTI-COUNTERFEITING TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: ZHEJIANG SCI-TECH University

Contract record no.: X2024330000016

Denomination of invention: Hypergravity concentration power generation device and method

Granted publication date: 20180105

License type: Common License

Record date: 20240229