CN113203310A - 一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统 - Google Patents

一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种堆叠式热渗透器和热能‑液压能能量转换系统，属于能源转换领域。包括：多个工作板、多个微纳孔膜、封装组件、蒸发液入口管道和冷凝液出口管道；工作板和微纳孔膜交错堆叠放置，相邻工作板中一个工作板与微纳孔膜构成蒸发腔，另一个工作板与微纳孔膜构成冷凝腔；所述微纳孔膜至少包含一层疏水性多孔介质；封装组件，用于密封蒸发腔和冷凝腔；蒸发液入口管道，用于连通外部与蒸发腔；冷凝液出口管道，用于连通外部与冷凝腔。本发明基于微纳孔膜的热渗透跨膜传质效应，消耗来自热源的热能，将进入渗透器的低压液体，转换为高压液体。上一级渗透器释放的热量，通过导热进入下一级渗透器来实现回热利用。

Description

一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统
技术领域
本发明属于能源转换领域，更具体地，涉及一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统。
背景技术
热渗透效应，是一种自然和工业活动中广泛存在的微纳多孔介质传质现象，该效应由温差引起，需要多孔介质两侧冷热流体存在一个温差，在这个温差驱动下，工质会从一侧渗透输运至另一侧。论文“Simultaneous production of high-quality water andelectrical power from aqueous feedstock's and waste heat by high-pressuremembrane distillation”2014年首次报道了一种基于热渗透效应的热压能量转换方法，该方法系统子部件包括渗透器、换热器和循环泵等。渗透器为系统主要部件，包括由疏水性多孔膜分隔的两个腔体，腔体内分别流动有高温水和低温水。在热渗透效应下，渗透器的高温水，通过显热的消耗而在多孔膜气液界面处汽化为高温蒸汽。高温蒸汽在跨膜气压差驱动下，会渗透跨膜传输至低温侧，并冷凝为高压液体。高压液体流出渗透器后，可通过水轮机实现液压能往电能的转换，从而进一步实现热能-液压能-电能的转换利用。该方法中，对流换热器作用是通过对流换热来维持高温水和低温水的温度，而循环泵作用是用于维持系统内冷热流体的流动。论文“Harvesting low-grade heat energy using thermo-osmoticvapour transport through nanoporous membranes”2016年一种逆流回热式热渗透热功转换方法，选择了平均孔径为20nm、孔隙率约为77％的聚四氟乙烯多孔膜。当被浸入液体中时，空气会被截留在这种膜的纳米孔中。选择这种膜的一个重要原因，是为了避免膜孔被浸润而导致液体的反向流动，降低热渗透过程的效率。该方法在前述热压转换方式基础上，进一步设置一个逆流式回热器，形成了一个封闭的循环系统，通过对流回热来回收冷凝液的热能，以减少蒸发渗透过程的热能消耗，提高系统的能量转换效率，当热源温度为60℃和20℃，工作压力为10-150bar时，理论能量效率可达1％-7％。
现有热渗透热压转换方法具有以下几个特征：一、气化焓的传递主要依赖对流，液体工质在渗透器内的蒸发需要消耗气化焓，这个气化焓是液体工质从热源通过对流换热器吸收的，且在渗透器内以对流换热的方式传递给蒸发界面；二、流动功耗大，由于工质的气化焓远大于其显焓，该方式需要非常大的液体工质流速以提供足够的蒸发热，因此运行时需要消耗大量的泵功；三、回热依赖于对流，为提高能量转换效率所引入的回热器，同样是依靠对流换热交换冷热流体的热量。
综上，传统热渗透热压转换方法，其传热和回热主要依赖于对流，这存在两个弊端，一方面，该方式需要较大的工质循环量，因此，维持系统的流动需要较大的功耗，大幅降低了能量转换效率；另一方面，受制于水较低的对流换热系数，在渗透器内会产生较大的温度极化效应，其传质效率也同样不高，从而显著降低了能量转换密度。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统，其目的在于通过热渗透效应和复合堆叠回热多级结构，在无泵功损失或低泵功损失下，实现热能向液压能的高效转换。热渗透工作级内热输运主要依赖于导热，系统的回热依赖于热渗透器工作级之间的导热，其流动损失小，可在无泵辅助或微泵辅助下运行，从而具有更高的热功转换效率。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种堆叠式热渗透器，所述堆叠式热渗透器包括：N个工作板、(N-1)个微纳孔膜、封装组件、蒸发液入口管道和冷凝液出口管道，N≥3；
工作板和微纳孔膜交错堆叠放置，相邻工作板中一个工作板与微纳孔膜构成蒸发腔，另一个工作板与微纳孔膜构成冷凝腔；
所述微纳孔膜至少包含一层疏水性多孔介质；
封装组件，用于密封蒸发腔和冷凝腔；
蒸发液入口管道，用于连通外部与蒸发腔；
冷凝液出口管道，用于连通外部与冷凝腔。
优选地，所述蒸发腔和冷凝腔在导热方向的厚度均不超过10mm。
有益效果：本发明设计的堆叠式热渗透器蒸发腔和冷凝腔在导热方向的厚度均不超过10mm，蒸发腔和冷凝腔的厚度越小，则堆叠式热渗透器的导热阻力越小，功率密度越大，效率越高，最好不超过1mm，优选0.1mm。
优选地，所述工作板选用导热系数≥0.01W/(m·K)的导热材料。
有益效果：本发明的工作板选用高导热材料，如铜、铝、合金、石墨等，用于加快与热源的导热传热，并加快子渗透器间的导热回热。
优选地，所述微纳孔膜为具有微纳复合结构的多孔疏水膜，所述微纳复合结构包括功能层和支撑隔热层，所述功能层等效孔径小于500纳米，所述支撑隔热层等效孔径大于0.5微米。
有益效果：本发明微纳孔膜为具有微纳复合结构的多孔疏水膜，所述功能层用于提高冷凝腔的液体压力，所述支撑隔热层用于减少穿过微纳孔膜的导热损失，整个复合结构在提高冷凝腔液体的工作压力的同时不显著降低冷凝液出产的能量密度，提高堆叠式热渗透器的能量转换效率。进一步优选，功能层等效孔径小于200纳米，支撑隔热层等效孔径大于1微米。
优选地，所述堆叠式热渗透器还包括：支撑介质，其放置于蒸发腔内；
所述支撑介质的材料为具有微米或毫米孔隙结构的多孔介质。
有益效果：本发明使用微米毫米多孔介质作为支撑介质，用于对微纳孔膜起支撑作用，防止其在高工作压力下变形失效，提高堆叠式热渗透器的最高工作压力、功率密度和能量转换效率。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种热能-液压能能量转换系统，所述能量转换系统包括：如第一方面所述堆叠式热渗透器、热源、冷源、高压储液器和低压储液器；
所述低压储液器与堆叠式热渗透器的蒸发液入口管道连接，所述高压储液器与堆叠式热渗透器的冷凝液出口管道连接；
热源紧贴在堆叠式热渗透器导热方向靠近蒸发腔的一侧，冷源紧贴在堆叠式热渗透器导热方向靠近冷凝腔的一侧。
优选地，所述堆叠式热渗透器中的蒸发腔和冷凝腔在能量转换过程中保持不含不凝性气体。
有益效果：本发明中的能量转换系统要求堆叠式热渗透器中的蒸发腔和冷凝腔在能量转换过程中保持不含不凝性气体，这样可以降低不凝性气体对蒸发腔的流动和供液的影响，降低蒸汽的跨膜扩散阻力，从而提高功率密度和能量转换效率。
优选地，所述能量转换系统还包括蒸发液出口管道，其与每个蒸发腔连通。
有益效果：本发明中能量转换系统还包括蒸发液出口管道，其与每个蒸发腔连通，确保析出的不凝性气体随蒸发液一起排除蒸发腔。该能量转换系统还可用于蒸馏液的获取，此时，由蒸发腔入口管道输入低浓度溶液，由蒸发液冷凝液出口管道排出高浓度溶液，并由冷凝腔出口管道排出蒸馏液。
优选地，堆叠式热渗透器内的液体流动方向与水平面存在大于0的夹角。
有益效果：对于开式热渗透系统，可将渗透器倾斜或者垂直布置，并在蒸发腔体最高处布置蒸发液出口，蒸发腔内流道与地面呈夹角且流向朝上，使析出的不凝性气体在浮升力和流动作用下，随蒸发液一起排除蒸发腔，降低不凝性气体对能量密度和转换效率的影响。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出一种堆叠式热渗透器，渗透器内部的工作板和微纳孔膜交错堆叠放置，相邻工作板中一个工作板与微纳孔膜构成蒸发腔，另一个工作板与微纳孔膜构成冷凝腔，所述微纳孔膜至少包含一层疏水性多孔介质。基于微纳孔膜的热渗透跨膜传质效应，消耗来自热源的热能，将进入渗透器的低压液体，转换为高压液体。上一级渗透器释放的热量，通过导热进入下一级渗透器来实现回热利用。
(2)本发明提出一种热能-液压能能量转换系统，该系统在热能的驱动下，实现热能向液压能的转换。该系统回热依赖于级间导热，系统循环量小，可在无泵辅助下或者微泵辅助下维持运行。该系统出产的液压能可以通过水轮机等透平装置转换为电能、机械能，因此可以进一步扩展实现热能向电能、机械能的间接转换。渗透器冷凝出口管道为冷凝液，若布置有蒸发出口管道，蒸发出口管道将排出蒸馏浓缩液，因此本系统可通过简单扩展协同实现蒸馏分离，例如盐水的蒸馏淡化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种堆叠式热渗透器内部结构示意图；
图2是本发明实施例提供的以闭式循环的方式进行热能向水压能转换的示意图；
图3是本发明实施例提供的以开式循环的方式进行热能向水压能转换的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-加热面，2-冷却面，3-蒸发液入口管道，4-冷凝液出口管道，5-封装组件，6-支撑介质，7-蒸发腔，8-微纳孔膜，9冷凝腔，10-蒸发液出口管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种堆叠式热渗透器，所述堆叠式热渗透器包括：N个工作板、(N-1)个微纳孔膜8、封装组件5、蒸发液入口管道3和冷凝液出口管道4，N≥3。
工作板和微纳孔膜交错堆叠放置，相邻工作板中一个工作板与微纳孔膜构成蒸发腔7，另一个工作板与微纳孔膜构成冷凝腔9。
优选地，所述蒸发腔和冷凝腔在导热方向的厚度均不超过10mm。
优选地，所述工作板选用导热系数≥0.01W/(m·K)的导热材料。
所述微纳孔膜至少包含一层疏水性多孔介质。
优选地，所述微纳孔膜为具有微纳复合结构多孔疏水膜，所述微纳复合结构包括功能层和支撑隔热层，所述功能层等效孔径小于500纳米，所述支撑隔热层孔径大于0.5微米。
封装组件5，用于密封蒸发腔和冷凝腔。蒸发液入口管道3，用于连通外部与蒸发腔。冷凝液出口管道4，用于连通外部与冷凝腔。
优选地，所述堆叠式热渗透器还包括：支撑介质6，其放置于蒸发腔内；所述支撑介质的材料为具有微米或毫米孔隙结构的多孔介质，如微米孔膜、金属丝网、泡沫金属、多孔碳等。微纳孔膜两侧分别为低压蒸发液和高压冷凝液，两侧具有一个液压差，多孔支撑层6的作用是支撑微纳孔膜，保护其不受高压差的损害，同时其多孔结构也不会妨碍蒸发液体的流动。
优选地，本发明中，热渗器外壳侧面非加热冷却区应作保温处理，如包裹保温材料、涂敷保温涂料等，以减少侧面向环境的漏热损失。
如图2所示，本发明提供了一种闭式热渗透能量转换循环系统，以将热能转换为水压能、机械能或者电能。该系统主要子部件包括：堆叠式热渗透器和水压转换器。
热渗透器是该系统最重要部件，其功能是基于热渗透效应，消耗热能，将热渗透器入口管道的低压液体，转换为热渗透器出口管道的高压液体。渗透器的基本结构是数个堆叠的子渗透器。
工作时，高温热源的热量从加热面1导热输入至装置，然后热量依次通过各个子渗透器，最终从冷却面2输出至冷源。低压液体从蒸发液入口管道3进入热渗透器的蒸发腔7，吸收加热面传导来的热量后气化为蒸汽，穿过微纳孔膜8，并在冷凝腔9处冷凝为高压液体，同时释放冷凝热，并最终通过冷凝液出口管道4流出渗透器堆。上一级子渗透器释放的冷凝热，将通过导热传递至下一级用于加热蒸发下一级的蒸发液，从而实现热量的梯级回收利用。
冷凝液出口管道的高压液体，可通过水压转换器，对外输出机械功或者电功，液压能输出变为低压液体后，低压液体将再次通过蒸发液入口管道进入渗透器堆，完成一个循环。对于闭式循环，系统内的工质流动可完全依赖于热渗透效应，因此系统不需要设置循环泵，在出口管道4和入口管道3之间只需要布置一个液压转换器即可建立无泵闭式循环。
如图3所示，本发明另一种典型实施方式是一种开式热渗透能量转换循环系统，在将热能转换为水压能的同时，还可以同时实现膜蒸馏分离，获得浓缩液和冷凝液产物。
该系统基本主要部件和工作原理和闭式循环基本相同，但热渗透器蒸发腔还需额外布置蒸发液出口管道10。以垂直布置渗透器堆盐水淡化的一个实例来说明其工作过程。
工作时，盐水将从蒸发液入口管道进入蒸发腔，盐水中的水是挥发性的，而盐是非挥发性的，盐水中的水分子吸热后将蒸发，穿过微纳孔膜后在冷凝腔内冷凝为高压纯水，高压纯水的压力能将被水压转换器提取转换，并得到产物低压纯水。蒸发腔内的盐水经过蒸馏，含盐量提高，高浓盐水产物将从蒸发液出口管道离开蒸发腔。
在此开式循环布置下，冷凝液的流动可依赖于热渗透效应而无需泵辅助，而蒸馏液的流动需要一个循环泵来维持，但由于其循环量数量级地低于传统热渗透能量转换方法，其消耗的泵功可忽略不计。
在一些实施例中，若系统管路为闭式循环，且密封性良好，优选地，系统和工质在封装前应作除气处理，除去不凝性气体杂质，降低不凝性气体对蒸发腔的流动和供液的影响，降低蒸汽的跨膜扩散阻力。若系统密封性能不足，优选地，应在在系统循环中设置除气器。
在一些实施例中，若系统为开式循环，优选地，将渗透器倾斜或者垂直布置，并在蒸发腔体最高处布置蒸发液出口管道，确保析出的不凝性气体随蒸发液一起排除蒸发腔。
依靠循环泵维持热渗透系统的流动会降低系统的热功转换效率，本发明提出的热渗透系统，可以利用热渗透效应产生的液压梯度来维持系统的流动。对于闭式循环，系统内的工质流动可完全依赖于热渗效应产生的液压梯度，因此系统不需要设置循环泵。对于开式循环，冷凝液的流动依赖于热渗效应而无需泵辅助，而蒸馏液的流动需要一个循环泵来维持，但其循环量非常小，消耗的泵功可忽略不计。
本发明热量的传递依靠加热方向的导热，相变界面工质蒸发所需要的热量来自加热面的传导，而不来源于工质本身携带的显热，因此工质流量较低，流动功耗可忽略不计。本发明的装置功能是消耗热量并转换为液压能，运行过程中，冷凝液为高压液体，直接与膜相接触。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种堆叠式热渗透器，其特征在于，所述堆叠式热渗透器包括：N个工作板、(N-1)个微纳孔膜、封装组件、蒸发液入口管道和冷凝液出口管道，N≥3；
工作板和微纳孔膜交错堆叠放置，相邻工作板中一个工作板与微纳孔膜构成蒸发腔，另一个工作板与微纳孔膜构成冷凝腔；
所述微纳孔膜至少包含一层疏水性多孔介质；
封装组件，用于密封蒸发腔和冷凝腔；
蒸发液入口管道，用于连通外部与蒸发腔；
冷凝液出口管道，用于连通外部与冷凝腔。
2.如权利要求1所述的堆叠式热渗透器，其特征在于，所述蒸发腔和冷凝腔在导热方向的厚度均不超过10mm。
3.如权利要求1所述的堆叠式热渗透器，其特征在于，所述工作板选用导热系数≥0.01W/(m·K)的导热材料。
4.如权利要求1所述的堆叠式热渗透器，其特征在于，所述微纳孔膜为具有微纳复合结构的多孔疏水膜，所述微纳复合结构包括功能层和支撑隔热层，所述功能层等效孔径小于500纳米，所述支撑隔热层等效孔径大于0.5微米。
5.如权利要求1所述的堆叠式热渗透器，其特征在于，所述堆叠式热渗透器还包括：支撑介质，其放置于蒸发腔内；
所述支撑介质的材料为具有微米或毫米孔隙结构的多孔介质。
6.一种热能-液压能能量转换系统，其特征在于，所述能量转换系统包括：如权利要求1至5任一项所述堆叠式热渗透器、热源、冷源、高压储液器和低压储液器；
所述低压储液器与堆叠式热渗透器的蒸发液入口管道连接，所述高压储液器与堆叠式热渗透器的冷凝液出口管道连接；
热源紧贴在堆叠式热渗透器导热方向靠近蒸发腔的一侧，冷源紧贴在堆叠式热渗透器导热方向靠近冷凝腔的一侧。
7.如权利要求6所述的热能-液压能能量转换系统，其特征在于，所述堆叠式热渗透器中的蒸发腔和冷凝腔在能量转换过程中保持不含不凝性气体。
8.如权利要求6所述的热能-液压能能量转换系统，其特征在于，所述能量转换系统还包括蒸发液出口管道，其与每个蒸发腔连通。
9.如权利要求8所述的热能-液压能能量转换系统，其特征在于，堆叠式热渗透器内的液体流动方向与水平面存在大于0的夹角。
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