CN112607806A - 一种利用低品位余热的新型水电联产装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用低品位余热的新型水电联产装置，包括前侧封板、热流体室、导热隔板、海水室、疏水薄膜、发电薄膜、导电网、淡水室、冷流体室以及后侧封板；其中，前侧封板封盖在热流体室前部，热流体室后部依次连接海水室、淡水室，后侧封板封盖在淡水室后部；热流体室与海水室之间设置有导热隔板一，海水室与淡水室之间依次设置有疏水薄膜、导电网二、发电薄膜、导电网一，淡水室和冷流体室之间设置有导热隔板二；热流体室连接有热流体进口管和热流体出口管，海水室连接有海水进口管，淡水室连接有淡水出口管，冷流体室连接有冷流体进口管和冷流体出口管。本发明将淡水的流动机械能进一步利用，获得额外的电能，除了产生淡水外，还产生了额外的电能。
Description
技术领域
本发明涉及低品位余热利用技术领域，具体涉及一种利用低品位余热的新型水电联产装置。
背景技术
我国海域面积辽阔，海岛数量众多，距离大陆岸线10km-100km的岛屿有4200多个，距离大陆岸线100km以上的岛屿有440多个。随着我国海洋战略的不断推进，远洋海岛在资源开发、海上交通以及海疆防卫等方面的战略支点作用越加突出。然而，远洋海岛环境特殊，淡水、电能等物资能量紧缺，日趋严重的淡水电能短缺问题已成为制约远洋海岛发展的瓶颈。大部分远洋岛屿的淡水资源是通过船送上小岛，而岛上的电力供应则主要依靠柴油发电机发电，但运输淡水和柴油的成本高昂，且在天气恶劣等情况下无法运输。可靠的电力供应和充足的淡水补给是远洋海岛建设和经济发展的基础，远洋海岛的开发利用首先需要解决水电保障问题。远洋海岛常用的柴油发电机发电时只能将燃料燃烧产生的大约40％的能量转化为电能，约有25％的能量由冷却水带走，以低品位余热的形式损失；有光伏发电的海岛上，太阳能电池板对光能利用率仅15％-20％，其余大量光能以低品位余热的方式损失。
目前，远洋海岛获取淡水的方法主要有自然降雨、开采地下水、海上运输淡水以及海水淡化。自然降雨对气候的依赖性强，开采地下水可能引起岛面下沉和海水倒灌等问题，海上运输淡水则成本高昂，受到天气恶劣则无法运输的制约。岛上的海水淡化则主要有多级闪蒸、反渗透、电渗析等技术，但这些技术能耗高，单位量海水的淡化成本高。其中应用最广泛的反渗透技术，单位电耗4.5kW·h/m3，对于本就电能匮乏的海岛来说成本高昂，经济性低。对于远洋海岛的电能获取，主要以柴油发电为主，辅之以风电，光电，波浪能发电等。但这些可再生能源发电设备运输、施工、安装难度大，发电量和电压对自然条件依赖大，仍然具有一定的缺陷。
在目前利用低品位余热进行海水淡化的系统中，尚未发现将膜蒸馏技术与流动发电技术相结合。并且目前存在的海水淡化系统，主要着眼于获得淡水，而忽视了所得淡水中的流动机械能的利用，这部分能量巨大。如：CN110745894A公开了一种利用太阳能进行海水淡化，同时产生电能的方法，但并没有回收利用淡水中的流动机械能。因此，设计一套能够回收流动机械能的海水淡化系统显得十分重要。
发明内容
本发明目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种能够利用低品位余热产生电能和淡水的装置。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用低品位余热的新型水电联产装置，包括前侧封板、热流体室、导热隔板、海水室、疏水薄膜、发电薄膜、导电网、淡水室、冷流体室以及后侧封板；
其中，所述前侧封板封盖在所述热流体室前部，所述热流体室后部依次连接所述海水室、淡水室，所述后侧封板封盖在所述淡水室后部；
所述热流体室与海水室之间设置有所述导热隔板一，所述海水室与淡水室之间依次设置有疏水薄膜、导电网二、发电薄膜、导电网一，所述淡水室和冷流体室之间设置有导热隔板二；
所述热流体室连接有热流体进口管和热流体出口管，所述海水室连接有海水进口管，所述淡水室连接有淡水出口管，所述冷流体室连接有冷流体进口管和冷流体出口管。
优选地，所述导热隔板采用导热系数大于10W/(m.K)的不锈钢材质。
优选地，所述疏水薄膜采用厚度为0.15毫米，孔径为0.22微米，孔隙率大于60％的PTFE薄膜。
优选地，所述发电薄膜为孔径小于1毫米，孔隙率大于50％的高分子薄膜或金属氧化物发电薄膜。
进一步地，所述发电薄膜为丙烯酰胺薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚丙烯酸薄膜、氧化铝陶瓷薄膜、氧化镍多孔体薄膜。
有限地，所述海水室采用低导热耐海水腐蚀的POM塑料材质，所述前、后侧封板、热冷流体室及淡水室采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的低导热材料制作。
优选地，所述导电网为电阻率小于1.75×10-8Ω·m的微米银网。
进一步地，所述导电网上设置有引出端，所述导电网一和导电网二的引出端成直角。
本发明有益效果：
(1)本发明在相变蒸发的基础上利用动电效应，将淡水的流动机械能进一步利用，获得额外的电能，除了产生淡水外，还产生了额外的电能。
(2)多孔膜的常见用途是相分离，在本发明中，我们运用多孔发电薄膜来收集能源，进行能量转换，将高分子薄膜或者金属氧化物的微纳多孔的特性往发电领域进行了拓展运用。
(3)本发明中利用低品位余热推动相变蒸发产水及动电效应发电过程，提高了能源利用率。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步地说明。
图1为本发明整体装备示意图；
图2为图1爆炸图；
图中：1-前侧封板，2-密封垫片，3-热流体室，4-热流体出口管，5-导热隔板一，6-海水室，7-疏水薄膜，8-发电薄膜，9-导电网一，10-淡水室，11-冷流体室，12-冷流体出口管，13-后侧封板，14-冷流体进口管，15-淡水出口管，16-导电网二，17-海水进口管，18-热流体进口管，19导热隔板二。
具体实施方式
实施例：
参见图1，一种基于低品位余热高效利用的新型水电联产装置，该装置主要包括相变蒸发产水部分和动电效应产电部分。所述的相变蒸发产水部分包括热流体室3、导热隔板一5、海水室6和疏水薄膜7，所述热流体室3设有热流体入口管18和热流体出口管4，其如图1中左侧设有前侧封板1。所述导热隔板一5采用导热系数高于10W/(m﹒K)的不锈钢，其设置在热流体室3和海水室6之间将二者进行分隔，能够实现快速将热流体室3中热流体的热量传递给海水室6中低温海水，所述海水室6设有海水入口管17。所述前侧封板1与热流体室3，热流体室3与海水室6之间均使用密封垫片2密封。所述热流体室3、海水室6及前侧封板1的材料均采用低导热系数绝热材料，导热系数低于0.3W/(m﹒K)，海水室6采用低导热耐海水腐蚀POM塑料。所述疏水薄膜7孔径为0.22微米和孔隙率大于60％，可高效产生淡水，其直径略小于密封垫片2，使得该处能密封完全。所述动电效应产电部分包括发电薄膜8，淡水室10，导热隔板二19和冷流体室11；所述发电薄膜8采用孔径小于1微米，孔隙率大于50％，厚度小于2毫米的高分子聚合物薄膜或者金属氧化物薄膜，可将淡水的流动机械能转换为电能，且直径略小于密封垫片2，使得该处能密封完全；发电薄膜8两侧设有电阻率小于1.75×10-8Ω·m的导电网一9和导电网二16，尽量减少引出电能时的电阻损失，导电网直径略小于发电薄膜，且其上设置的引出端成九十度角引出，防止短路发生；所述淡水室10设有淡水引出管15；所述导热隔板二19采用导热系数高于10W/(m﹒K)的不锈钢，能够实现快速将淡水室10中的热量传递给冷流体室11，从而将淡水室10中的蒸汽冷凝成淡水；所述冷流体室11设有冷流体入口管14和冷流体出口管12，在其右侧设有后侧封板13。所述淡水室10与冷流体室11，冷流体室11与后侧封板13之间均采用密封垫片2密封。所述淡水室10、冷流体室11及后侧封板13的材料均采用低导热系数绝热材料，导热系数低于0.3W/(m﹒K)，相变蒸发产水部分与动电效应产电部分之间采用密封垫片2密封。
其中，所述的PTFE薄膜疏水性强，孔隙率大于60％，平均孔径大小为0.22微米，厚度选择0.15毫米，已经商业化生产，产水性能好，成本低。所述导电网为电阻率小于1.75×10-8Ω·m的微米银网。
其中，所述的高分子膜或者金属氧化物发电膜，可选择为丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸、氧化铝陶瓷膜、氧化镍多孔体等，孔径小于1微米，孔隙率大于50％。
其中，海水室6采用低导热耐海水腐蚀POM塑料，前、后侧封板1及热冷流体室11、淡水室10采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的低导热材料，可有效防止装置热量散失与使用寿命。
工作时，携带低品位余热的热流体从热流体进口管18流入热流体室3，由热流体出口管4流出；海水由海水进口管17流入，热流体通过导热隔板一5将热量传递给海水室6中的海水，海水受热在疏水薄膜7的表面蒸发，水蒸气与盐分杂质分离，通过疏水薄摸7受冷流体冷却作用，冷凝为淡水。在流动机械能的推动作用下，冷凝后的淡水流过发电薄膜8的微纳米流道。在这个过程中，由于动电效应，发电薄膜8内的微纳流道壁面上形成了由两层异种电荷离子富集的双电层，这样的双电层在微纳流道中发生部分重叠，使得通道具有离子选择性，通过流道的阳离子通量大于阴离子通量，在通道的出口和入口处分别形成阳离子和阴离子的堆积区域，因此形成流动电势差，经发电薄膜8两侧的导电网一9和导电网二16引出，可获得电能，淡水则进入淡水室10由倒水出口管15流出；冷流体由冷流体进口管14流入冷流体室11，并从冷流体出口管12流出，对蒸汽起一个冷凝的作用。
Claims (8)
1.一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：包括前侧封板、热流体室、导热隔板、海水室、疏水薄膜、发电薄膜、导电网、淡水室、冷流体室以及后侧封板；
其中，所述前侧封板封盖在所述热流体室前部，所述热流体室后部依次连接所述海水室、淡水室，所述后侧封板封盖在所述淡水室后部；
所述热流体室与海水室之间设置有所述导热隔板一，所述海水室与淡水室之间依次设置有疏水薄膜、导电网二、发电薄膜、导电网一，所述淡水室和冷流体室之间设置有导热隔板二；
所述热流体室连接有热流体进口管和热流体出口管，所述海水室连接有海水进口管，所述淡水室连接有淡水出口管，所述冷流体室连接有冷流体进口管和冷流体出口管。
2.根据权利要求1所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述导热隔板采用导热系数大于10W/(m.K)的不锈钢材质。
3.根据权利要求1所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述疏水薄膜采用厚度为0.15毫米，孔径为0.22微米，孔隙率大于60％的PTFE薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述发电薄膜为孔径小于1毫米，孔隙率大于50％的高分子薄膜或金属氧化物发电薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述发电薄膜为丙烯酰胺薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚丙烯酸薄膜、氧化铝陶瓷薄膜、氧化镍多孔体薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述海水室采用低导热耐海水腐蚀的POM塑料材质，所述前、后侧封板、热冷流体室及淡水室采用导热系数低于0.3W/(m﹒K)的低导热材料制作。
7.根据权利要求1所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述导电网为电阻率小于1.75×10-8Ω·m的微米银网。
8.根据权利要求1或7所述的一种利用低品位余热的新型水电联产装置，其特征在于：所述导电网上设置有引出端，所述导电网一和导电网二的引出端成直角。
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