CN112648106A - 一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，所述系统包括：β型自由活塞式斯特林发动机膨胀腔(1)、发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)、β型自由活塞式斯特林发动机压缩腔(5)、动力弹簧活塞(6)、泵活塞(7)、动力活塞(8)、配气活塞片弹簧(9)、配气活塞(10)、负载蓄能器(11)、两位两通电磁换向阀(12)、海水淡化反渗透膜组件(13)、压缩蓄能器(14)和海水源(15)；所述发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)首尾相连。本发明的系统通过利用斯特林循环功，在压缩蓄能器的配合下，实现自由活塞组件的往复运动，推动泵腔内的海水克服渗透压进入反渗透膜组件，进行淡化；本发明提出的系统是通过简化传动链，减少能量转换和传递环节，可以进一步提高提高反渗透淡化的能源经济性。

Description

一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统
技术领域
本发明涉及热能驱动反渗透淡化领域，尤其涉及一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统。
背景技术
淡水资源是人类得以生存、经济发展以及社会进步的重要物质基础。现如今，由于大力发展工业，生活污水的排放，垃圾乱堆等等而导致的水污染越来越严重。现在全球大部分国家属于缺水国家，而地球存在大量的海水，海水淡化是解决沿海地区淡水资源短缺的有效途径。在缓解淡水资源紧张的同时，海水淡化也给能源和环境带来了新的压力。随着能源与环境问题日趋紧张，海水淡化所需能源将成为研究重点。
在海水淡化的技术领域中，反渗透法在世界范围内已得到相当广泛的应用，目前和多级闪蒸、多效蒸馏并列为海水淡化的三大主流方法之一。反渗透原理是以外界能量推动海水通过高分子薄膜，实现溶液中盐分和水的分离。尽管该过程不存在相变，工艺固有能耗较少，且淡化后浓海水的液压能还可实现能量回收，但反渗透淡化的动力源为高压泵，其工作压力一般随海水盐度的增高而增大，为了维持设备较高的产水量，高压泵还需要再为海水提供额外的推动力来克服过程阻力，其工作电耗一般要占据系统能源消耗约35％。
1816年苏格兰人斯特林(Robert Stirling)提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环，称为斯特林循环。斯特林循环是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。该循环最初用于热力发动机，系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀，最后输出功。
常规反渗透法工艺流程是：原水→预处理系统→高压水泵→反渗透膜组件→净化水。对于反渗透淡化动力系统而言，只需能推动海水克服渗透压通过反渗透膜，推动功的形式既可为旋转泵的轴功，也可为往复泵(如活塞式)的直线做功。
斯特林发动机作为一种外部加热的活塞式动力机械，对热源的适应性非常强，可以利用太阳能、生物质能等可再生能源和工业余热、废气等。在传统发动机基础上发展的自由活塞发动机取消曲柄连杆等刚体传动机构，利用非刚性介质作为活塞平移机械能的接受体，保持运动的周期性。
发明内容
本发明的目的在于克服目前的海水淡化系统中存在的动力问题，提供一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，具有结构紧凑，能源转化效率高，部件少，功率密度高，能量利用效率高，可靠性较高，使用清洁能源的优点；并可以采用低品位热源作为加热热源，热能利用效率较高。本发明提供的一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统在热能驱动反渗透淡化领域具有广阔的发展和应该前景。
为了实现上述目的，本发明提供了一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，所述系统包括：β型自由活塞式斯特林发动机膨胀腔(1)、发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)、β型自由活塞式斯特林发动机压缩腔(5)、动力弹簧活塞(6)、泵活塞(7)、动力活塞(8)、配气活塞片弹簧(9)、配气活塞(10)、负载蓄能器(11)、两位两通电磁换向阀(12)、海水淡化反渗透膜组件(13)、压缩蓄能器(14)和海水源(15)；所述发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)首尾相连。
作为一种新型动力系统，所述发动机加热器(2)吸收的热量来源丰富，可以是化学能燃烧、电能加热、核能等，还可以是新型清洁太阳能、地热能等。
作为一种新型动力系统，所述系统中的气体工质为氦气、氩气、氮气、空气或它们的混合气体。
作为一种新型动力系统，所述发动机采用β型自由活塞式斯特林发动机，结构简单紧凑。
作为一种新型动力系统，所述发动机采用压缩蓄能器(14)配合两位两通电磁换向阀(12)实现斯特林发动机的运转。
作为一种新型动力系统，所述系统的发动机冷却器(4)采用海水冷却，且冷却水动力来源于斯特林发动机部分输出压力。
作为一种新型动力系统，所述系统的负载蓄能器(11)和海水淡化反渗透膜组件(13)相连，可以提供稳定的输出压力。
本发明的一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其优点在于：
1、本发明的系统吸收的热量来源吸比较广泛，热源适应性比较强，适用于各种能源，例如太阳能、生物燃料、工业余热、核能等；
2、本发明的系统采用氦气、氩气、氮气、空气或它们的混合气体等环保气体工质，没有温室效应、环境友好型；
3、本发明的系统采用自由活塞式斯特林发动机相比于传统的斯特林发动机的结构，减少了一个发动机中的自由活塞中间传递部件，从而降低了系统的机械振动、提高了系统的可靠性与运行寿命，具有更高的功率密度、更紧凑的结构和更少的材料消耗；
4、本发明的系统采用自由活塞反渗透淡化动力系统，进一步简化传动链，减少能量转换和传递环节，有利于提高能源利用效率，降低淡化的能源成本；
5、本发明的系统能够有效地利用清洁能源提供稳定动力，实现海水淡化，具有重大的节能减排效果和广阔的应用前景。
附图说明
图1一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统示意图。
附图标记：
1、β型自由活塞式斯特林发动机膨胀腔
2、发动机加热器
3、发动机回热器
4、发动机冷却器
5、β型自由活塞式斯特林发动机压缩腔
6、动力活塞弹簧
7、泵活塞
8、动力活塞
9、配气活塞片弹簧
10、配气活塞
11、负载蓄能器
12、两位两通电磁换向阀
13、海水淡化反渗透膜组件
14、压缩蓄能器
15、海水源
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明高效利用各种热源，适应性较强，采用β型自由活塞式斯特林发动机，减少中间传动部分，可以实现更高的功率密度和结构的紧凑化和加工制作的低成本，运转可靠性大幅提高，易于实现工业生产和实际应用。
如图1所示，本发明是一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，所述系统包括：β型自由活塞式斯特林发动机膨胀腔(1)、发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)、β型自由活塞式斯特林发动机压缩腔(5)、动力弹簧活塞(6)、泵活塞(7)、动力活塞(8)、配气活塞片弹簧(9)、配气活塞(10)、负载蓄能器(11)、两位两通电磁换向阀(12)、海水淡化反渗透膜组件(13)、压缩蓄能器(14)和海水源(15)；所述发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)首尾相连。
运动开始初始时刻，泵活塞位于泵腔上止点，此时泵腔内充满海水。自由活塞斯特林发动机加热器(2)加热，膨胀腔(1)内工质加热到一定温度后，配气活塞(10)开始向下止点运动，加热工质经过回热器(3)、冷却器(4)后进入压缩腔(5)，此时动力活塞(8)从上止点向下止点运动。由于泵腔活塞与动力活塞(8)通过活塞杆刚性连接，那么泵活塞(7)运动规律与动力活塞(8)运动规律相同，此过程为排水过程。完成排水后，在弹簧反向力作用下动力活塞(8)带动泵活塞(7)开始反向运动即开始吸水过程。在自由活塞斯特林发动机中，经过等温压缩、等容吸热、等温膨胀后动力活塞(8)和配气活塞(10)回到初始位置，此时泵腔中完成吸水过程。至此，斯特林驱动式增压泵完成一次吸排水过程。泵在正常工作时，以此过程做往复循环运动。
最后所应说明的是，以上材料仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述系统包括：β型自由活塞式斯特林发动机膨胀腔(1)、发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)、β型自由活塞式斯特林发动机压缩腔(5)、动力弹簧活塞(6)、泵活塞(7)、动力活塞(8)、配气活塞片弹簧(9)、配气活塞(10)、负载蓄能器(11)、两位两通电磁换向阀(12)、海水淡化反渗透膜组件(13)、压缩蓄能器(14)和海水源(15)；所述发动机加热器(2)、发动机回热器(3)、发动机冷却器(4)首尾相连。
2.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述发动机加热器(2)吸收的热量来源比较广泛，热源适应性比较强，适用于各种能源，例如核能、工业余热、生物燃料、太阳能能等。
3.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述系统中的气体工质为氩气、氦气、氢气、氮气、空气或它们的混合气体。
4.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述动力来源采用β型自由活塞式斯特林发动机。
5.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述发动机冷却器(4)采用海水冷却，其动力来源于自由活塞往复运动所产生的部分海水压力能。
6.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述泵活塞(7)在压缩蓄能器(11)和两位两通电磁换向阀(12)的配合下，实现的往复运动，推动泵腔内的海水克服渗透压进入反渗透膜组件，进行淡化。
7.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述在自由活塞泵腔与各管道连接均加单向阀，如说明书附图(1)所示。
8.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述负载蓄能器(11)、海水淡化反渗透膜组件(13)相连。
9.根据权利要求1所述的β型斯特林驱动自由活塞海水淡化增压系统，其特征在于，所述所用一切水源都是海水。
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