CN114754616B - 一种疏水膜抽液蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种疏水膜抽液蓄能系统，所述疏水膜抽液蓄能系统包括热循环系统与冷循环系统，所述热循环系统与冷循环系统之间设置有疏水膜能量转换装置；其中，所述热循环系统与所述冷循环系统可通过所述疏水膜能量转换装置进行相变流动，以将所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差转化成流体工质的压力能。本发明解决了低品位余热回收利用难的技术问题。

Description

一种疏水膜抽液蓄能系统

技术领域

本发明涉及温差转压力能技术领域，尤其涉及一种疏水膜抽液蓄能系统。

背景技术

目前中国能源利用率仅为33％左右，而有大量高品位能源被利用过后产生的低品位余热(太阳能、烟气和油田采出水等)以各种形式被排放到大气中。这些低品位余热(一般指热源温度在150℃以下)因较难回收利用，通常是直接将其排放。因此，如何回收利用余热在提高能源利用率方面具有举足轻重的作用。

发明内容

为解决低品位余热回收利用难的问题，本发明提供一种疏水膜抽液蓄能系统，所述疏水膜抽液蓄能系统包括热循环系统与冷循环系统，所述热循环系统与冷循环系统之间设置有疏水膜能量转换装置；其中，所述热循环系统与所述冷循环系统可通过所述疏水膜能量转换装置进行相变流动，以将所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差转化成流体工质的压力能。

采用该技术方案后所达到的技术效果：由于疏水膜能量转换装置具有疏水性，因此所述热循环系统与所述冷循环系统可通过所述疏水膜能量转换装置进行相变流动，实现所述热循环系统与所述冷循环系统之间的换热，从而将所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差转化成流体工质的压力能，进而能够将低品位余热(太阳能、烟气和油田采出水等)进行能级提升，得到更容易利用的高品位机械能(压力能、重力势能)，解决相关技术中低品位余热回收利用难的问题。

在本实施例中，所述疏水膜能量转换装置包括：能量转换装置本体，内部设有容纳腔；疏水膜，设置在所述容纳腔内，所述疏水膜将所述容纳腔分隔成热容纳腔和冷容纳腔；其中，所述热容纳腔与所述热循环系统相连通，所述冷容纳腔与所述冷循环系统相连通。

采用该技术方案后所达到的技术效果：由于热容纳腔与所述热循环系统相连通，所述冷容纳腔与所述冷循环系统相连通，因此热容纳腔和冷容纳腔会在疏水膜两侧产生温度差，热循环系统中的热流体工质在疏水膜靠近热容纳腔的一侧完成由液到气的相变过程，以气相的方式通过疏水膜的气隙并在疏水膜靠近冷容纳腔的一侧凝结。由于冷流体工质的体积受限制，随着流体工质分子在冷容纳腔不断凝结，使得冷容纳腔的压力不断升高，从而在冷容纳腔得到具有更高压力能的流体，实现将温差转换为压力能。

在本实施例中，所述热循环系统包括：热储液部，内部设有热流体工质；热泵，设于所述热储液部与所述热容纳腔之间。

采用该技术方案后所达到的技术效果：热流体工质储存在热储液部内，并通过热泵将其泵入热容纳腔，从而能够将热循环系统中的低品位热能持续转化为疏水膜能量转换装置中的压力能；此外，可通过热泵控制热流体工质流经热容纳腔的流速，从而控制疏水膜能量转换装置的将温差转换成压力能的速率。

在本实施例中，所述冷循环系统包括：冷储液部，内部设有冷流体工质；冷泵，设于所述冷储液部与所述冷容纳腔之间。

采用该技术方案后所达到的技术效果：冷流体工质储存在冷储液部内，并通过冷泵将冷流体工质泵入冷容纳腔与热循环系统中的低品位热能持续换热，从而能够将热循环系统中的的低品位热能持续转化为疏水膜能量转换装置中的压力能；此外，可通过冷泵控制冷流体工质流经冷容纳腔的流速，从而控制疏水膜能量转换装置的将温差转换成压力能的速率。

在本实施例中，所述冷循环系统还包括：冷却装置，设置在所述冷储液部的一侧，用于增大所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差。

采用该技术方案后所达到的技术效果：通过在冷储液部的一侧设置冷却装置，能够进一步降低冷循环系统中的冷流体工质的温度，从而能够进一步增大所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差，能够进一步提高所述热循环系统与所述冷循环系统之间的换热效率，进而能够在冷容纳腔得到具有更高压力能的流体工质。

在本实施例中，所述热循环系统流经所述热容纳腔的方向与所述冷循环系统流经所述冷容纳腔的方向相反，以形成所述热循环系统与所述冷循环系统之间的逆向换热。

采用该技术方案后所达到的技术效果：可以理解的是，逆向换热的换热效率高于同向换热的换热效率。因此设置所述热循环系统流经所述热容纳腔的方向与所述冷循环系统流经所述冷容纳腔的方向相反，能够提高所述热循环系统与所述冷循环系统之间的换热效率，从而能够在冷容纳腔得到具有更高压力能的流体工质。

在本实施例中，所述疏水膜包括疏水膜本体与支撑部，所述支撑部设置在所述疏水膜本体的一侧，用于提高所述疏水膜整体的承载能力。

采用该技术方案后所达到的技术效果：通过在疏水膜本体的一侧设置支撑部，能够提高所述疏水膜整体的承载能力，避免冷容纳腔的压力过大致使疏水膜损毁，影响疏水膜抽液蓄能系统的正常运行。

在本实施例中，所述疏水膜抽液蓄能系统还包括：蓄液装置，管路连接所述冷容纳腔的出液口，用于将所述压力能转化成重力势能。

采用该技术方案后所达到的技术效果：通过在冷容纳腔的出液口管路连接蓄液装置，当冷容纳腔处的压力过大时，可将冷容纳腔内的流体工质从出液口压入外接的蓄液装置内，一方面能够减轻疏水膜处的承载负担，另一方面能够增大疏水膜抽液蓄能系统的蓄液容积，储存更多的压力能。

在本实施例中，所述蓄液装置包括：蓄液装置本体，内部设有蓄液空间，且开设有与所述蓄液空间相连通的出液口与进液口；蓄液管道，连通所述进液口与所述冷容纳腔；阀组件，设置在所述出液口，用于打开或关闭所述出液口。

采用该技术方案后所达到的技术效果：当冷容纳腔处的压力过大时，冷容纳腔内的流体工质可通过蓄液管道进入蓄液装置的蓄液空间，在能量转换装置中产生的压力的作用下持续上升，待上升至蓄液装置的蓄液高度及蓄水量之后，即可打开阀组件，以将蓄液空间内储存的流体工质放出，通过流体工质的重力势能驱动水轮机做功。

在本实施例中，所述疏水膜抽液蓄能系统还包括：第一流量计，设于所述热循环系统；第二流量计，设于所述冷循环系统。

采用该技术方案后所达到的技术效果：可通过第一流量计实时获取热循环系统中的热流体工质的流量，通过第二流量计实时获取冷循环系统中的冷流体工质的流量，从而能够为热泵及冷泵的控制提供准确的数值依据，实现疏水膜抽液蓄能系统的精准控制。

综上所述，本申请上述各个实施例可以具有如下一个或多个优点或有益效果：

(1)由由于疏水膜能量转换装置具有疏水性，因此所述热循环系统与所述冷循环系统可通过所述疏水膜能量转换装置进行相变流动，实现所述热循环系统与所述冷循环系统之间的换热，从而将所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差转化成流体工质的压力能，进而能够将低品位余热(太阳能、烟气和油田采出水等)进行能级提升，得到更容易利用的高品位机械能(压力能、重力势能)，解决相关技术中低品位余热回收利用难的问题。此外，通过将疏水膜抽液蓄能系统模块化，使得疏水膜抽液蓄能系统的结构设计更加紧凑。

(2)由于热容纳腔与所述热循环系统相连通，所述冷容纳腔与所述冷循环系统相连通，因此热容纳腔和冷容纳腔会在疏水膜两侧产生温度差，热循环系统中的热流体工质在疏水膜靠近热容纳腔的一侧完成由液到气的相变过程，以气相的方式通过疏水膜的气隙并在疏水膜靠近冷容纳腔的一侧凝结。由于冷流体工质的体积受限制，随着流体工质分子在冷容纳腔不断凝结，使得冷容纳腔的压力不断升高，从而在冷容纳腔得到具有更高压力能的流体，实现将温差转换为压力能。

(3)通过在冷容纳腔的出液口管路连接蓄液装置，当冷容纳腔处的压力过大时，可将冷容纳腔内的流体工质从出液口压入外接的蓄液装置内，一方面能够减轻疏水膜处的承载负担，另一方面能够增大疏水膜抽液蓄能系统的蓄液容积，储存更多的压力能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种疏水膜抽液蓄能系统的结构示意图。

图2为图1中疏水膜抽液蓄能系统的结构示意图。

图3为流体工质在疏水膜界面的相变及膜孔孔隙内的输运示意图。

主要元件符号说明：

100、疏水膜抽液蓄能系统；10、热循环系统；11、热储液部；12、加热装置；13、热泵；14、第一压力计；15、第一温度计；16、第二温度计；17、第一流量计；20、冷循环系统；21、冷储液部；22、冷却装置；23、第二流量计；24、第三温度计；25、第四温度计；26、第二压力计；27、冷泵；30、疏水膜能量转换装置；31、疏水膜；32、热容纳腔；33、冷容纳腔；40、蓄液装置；41、蓄液装置本体；42、蓄液管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

参见图1，其为本发明提供的一种疏水膜抽液蓄能系统的结构示意图。结合图1至图3，该疏水膜抽液蓄能系统100例如包括：热循环系统10、冷循环系统20以及疏水膜能量转换装置30。其中，疏水膜能量转换装置30设置在热循环系统10与冷循环系统20之间，热循环系统10与冷循环系统20可通过疏水膜能量转换装置30进行相变流动，以将热循环系统10与冷循环系统20之间的温差转化成流体工质的压力能。

可以理解的是，由于疏水膜能量转换装置30具有疏水性，因此所述热循环系统10与所述冷循环系统20可通过所述疏水膜能量转换装置30进行相变流动，实现热循环系统10与冷循环系统20之间的换热，从而将热循环系统10与冷循环系统20之间的温度差转化成流体工质的压力能，进而能够将热循环系统10中的低品位余热(太阳能、烟气和油田采出水等)进行能级提升，得到更容易利用的高品位机械能(压力能、重力势能)，解决相关技术中低品位余热回收利用难的问题。

在一个具体实施例中，采用疏水膜抽液蓄能系统100进行低品位热能的回收利用，具有技术工艺简单，操作简便成本低，可控性强的特点，对低品位热能的利用具有广阔的发展前景。此外，通过将疏水膜抽液蓄能系统模块化，使得疏水膜抽液蓄能系统的结构设计更加紧凑。

进一步的，疏水膜能量转换装置30例如包括：能量转换装置本体和疏水膜31。其中，能量转换装置本体内部设有容纳腔，疏水膜31设置在所述容纳腔内。具体的，疏水膜31将所述容纳腔分隔成热容纳腔32和冷容纳腔33；热容纳腔33与热循环系统10相连通，冷容纳腔33与冷循环系统20相连通。

可以理解的是，由于热容纳腔32与热循环系统10相连通，冷容纳腔33与冷循环系统20相连通，因此当流体工质在热循环系统10与冷循环系统20内流通时，会在疏水膜31两侧的热容纳腔32和冷容纳腔33产生温度差。热循环系统10中的热流体工质在疏水膜31靠近热容纳腔32的一侧完成由液到气的相变过程，热流体工质以气相的方式通过疏水膜31的气隙并在疏水膜31靠近冷容纳腔33的一侧凝结。由于冷流体工质的体积受限制，随着流体工质分子在冷容纳腔33不断凝结，冷容纳腔33内的压力不断升高，从而在冷容纳腔33得到具有更高压力能的流体，实现将温差转换为压力能。举例来说，热循环系统10中的流体工质流经疏水膜31靠近热容纳腔32的一侧时的流动方向，与冷循环系统20中流体工质流经疏水膜31靠近冷容纳腔33的一侧时的流动方向可以相同，也可以相反，此处不做限制。

举例来说，疏水膜31为疏水多孔纳米膜。由于穿过膜的液体的净流量与膜面积和两侧流体的温度相关，因此要根据所需流速和相关设备条件来选择膜的尺寸、膜的种类(平面膜、卷式膜等)以及两侧流体温度。

进一步的，热循环系统10例如包括热储液部11和热泵13。其中，热储液部11内部存储有热流体工质，热泵13设于热储液部11与热容纳腔32之间。

可以理解的是，热流体工质储存在热储液部11内，并通过热泵13将其泵入热容纳腔32内，以构成热循环系统10内的热流体工质循环，从而能够将热循环系统10中的低品位热能持续转化为疏水膜能量转换装置30中的压力能；此外，可通过热泵13控制热流体工质流经热容纳腔32的流速，从而控制疏水膜能量转换装置30的将温差转换成压力能的速率。

进一步的，冷循环系统20例如包括冷储液部21和冷泵27。其中，冷储液部21内部设有冷流体工质，冷泵27设于冷储液部21与冷容纳腔33之间。

可以理解的是，冷流体工质储存在冷储液部21内，并通过冷泵27将冷流体工质泵入冷容纳腔33与热循环系统20中的低品位热能持续换热，从而能够将热循环系统20中的的低品位热能持续转化为疏水膜能量转换装置30中的压力能；此外，可通过冷泵27控制冷流体工质流经冷容纳腔33的流速，从而控制疏水膜能量转换装置30的将温差转换成压力能的速率。

进一步的，冷循环系统20例如还包括：冷却装置22，设置在冷储液部21的一侧，用于增大热循环系统10与冷循环系统20之间的温差。当然，还可以在热储液部11的一侧设置加热装置12，对存储在热储液部11中的热流体工质进行加热升温，以进一步提高热循环系统10与冷循环系统20之间的温差。

可以理解的是，通过在冷储液部21的一侧设置冷却装置22，能够进一步降低冷循环系统20中的冷流体工质的温度，从而能够进一步增大热循环系统10与冷循环系统20之间的温差，进一步提高热循环系统10与冷循环系统20之间的换热效率，进而能够在冷容纳腔33得到具有更高压力能的流体工质。加热装置12同理，此处不再赘述。

在一个具体实施例中，选用水作为疏水膜31两侧的流体工质(可根据不同需求选取不同种类的液体)。热储液部11内的水具有所需利用的低品位热能，其为热侧，以温度为80℃的水为例，位于疏水膜能量转换装置30的下方；冷储液部21为冷侧，位于疏水膜能量转换装置30的上方。首先，打开疏水膜能量转换装置30，将裁剪好的疏水膜31放入容纳腔中，之后将其密封。其次，准备好热储液部11以及冷储液部21中的流体。热储液部1中为具有低品位热能的水，在热泵13的作用下，通过管道进出热容纳腔32，构成热循环系统10。同时，向冷储液部21中加入常温或温度更低的水(目的为增大换热温差)，在冷泵27的作用下，通过管道进出冷容纳腔33，构成冷循环系统20。这样一来，便可以将热储液部11中的低品位热能持续转化为疏水膜能量转换装置30中的压力能。

进一步的，热循环系统10流经热容纳腔32的方向与冷循环系统20流经冷容纳腔33的方向相反，以形成热循环系统10与冷循环系统20之间的逆向换热。

可以理解的是，逆向换热的换热效率高于同向换热的换热效率。因此设置热循环系统10中的热流体工质流经热容纳腔33的方向与冷循环系统20中的冷流体工质流经冷容纳腔32的方向相反，能够提高热循环系统10与冷循环系统20之间的换热效率，从而能够在冷容纳腔33中得到具有更高压力能的流体工质。

进一步的，疏水膜31例如包括疏水膜本体与支撑部，所述支撑部设置在所述疏水膜本体的一侧，用于提高所述疏水膜整体的承载能力。举例来说，该疏水膜本体为PTFE(疏水性聚四氟乙烯材料)改性膜，其膜孔径为77nm；该支撑部为设置在PTFE(疏水性聚四氟乙烯材料)改性膜一侧的无纺布材料，可以较好承载压力，从而使得疏水膜31具有较好的疏水性以及支撑性能。

可以理解的是，通过在疏水膜本体的一侧设置支撑部，能够提高所述疏水膜31整体的承载能力，避免冷容纳腔33的压力过大致使疏水膜31损毁，影响疏水膜抽液蓄能系统100的正常运行。

进一步的，疏水膜抽液蓄能系统100例如还包括：蓄液装置40。其中，蓄液装置40管路连接冷容纳腔33的出液口，用于将流体工质的压力能转化成重力势能。

可以理解的是，通过在冷容纳腔33的出液口管路连接蓄液装置40，当冷容纳腔33处的压力过大时，该压力能可将冷容纳腔33内的流体工质从出液口压入外接的蓄液装置40内，一方面能够减轻疏水膜31处的承载负担，另一方面能够增大疏水膜抽液蓄能系统100的蓄液容积，储存更多的压力能。

进一步的，蓄液装置40包括：蓄液装置本体41、蓄液管道42以及阀组件。其中，蓄液装置本体41内部设有蓄液空间，且开设有与所述蓄液空间41相连通的出液口与进液口；蓄液管道42连通所述进液口与所述冷容纳腔；该阀组件设置在所述出液口，用于打开或关闭所述出液口。

可以理解的是，当冷容纳腔33处的压力过大时，冷容纳腔33内的流体工质可通过蓄液管道42进入蓄液装置本体41的蓄液空间，并且在能量转换装置30中产生的压力的作用下持续上升，待上升至蓄液装置40的蓄液高度及蓄水量之后，即可打开阀组件，以将蓄液空间内储存的流体工质放出，通过流体工质的重力势能驱动水轮机做功进行旋转发电。

在一个具体实施例中，以将低温余热转化为500KPa的压差为例，根据换算公式1KPa＝101.972mmH₂O可得：

500KPa＝500×101.972mmH₂O＝5.0986×10⁴mmH₂O＝50.986mH₂O；

将上升的水柱贮存在最高处(50.986m)，积累一段时间后，将蓄水池中的水沿圆口管道完全释放(将蓄水池中释放出的水视为做自由落体运动)根据自由落体公式V²＝2gH可得：

取圆口管道直径为1cm，根据流量计算公式q_m＝ρAV可得：

q_m＝10³×π×(5×10^-3)²×31.612＝2.483kg/s；

根据仪器参数可知，当水流质量流速达到q_m0＝0.3kg/s时，可驱动水轮机旋转发电以点亮额定功率为P₀＝5W的灯泡，根据功率换算可得：

进一步的，疏水膜抽液蓄能系统100例如还包括第一流量计17和第二流量计23。其中，第一流量计17设于所述热循环系统；第二流量计23设于所述冷循环系统。

可以理解的是，通过第一流量计17能够实时获取热循环系统10中的热流体工质的流量，通过第二流量计23能够实时获取冷循环系统20中的冷流体工质的流量，从而能够为热泵13及冷泵27的控制提供准确的数值依据，实现疏水膜抽液蓄能系统中流体工质流速的精准控制。

进一步的，疏水膜抽液蓄能系统例如还包括：第一压力计14、第一温度计15、第二温度计16以及第三温度计24、第四温度计25、第二压力计26。其中，第一压力计14用于检测热泵泵出的热流体工质的液压；第一温度计15用于检测热流体工质流入热容纳腔32之前的温度；第二温度计16用于检测热流体工质流出热容纳腔32之后的温度。第二压力计26用于检测冷泵泵出的冷流体工质的液压；第四温度计25用于检测冷流体工质流入冷容纳腔33之前的温度；第三温度计24用于检测冷流体工质流出冷容纳腔32之后的温度。

在一个具体实施例中，热储液部11中的热流体工质依次流经热泵13、第一压力计14、第一温度计15进入热容纳腔32，然后再流经第二温度计16以及第一流量计17流回热储液部11。冷储液部21中的冷流体工质依次通过冷泵27、第二压力计26以及第四温度计25进入冷容纳腔33，然后再流经第三温度计24以及第二流量计23流回冷储液部21。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述疏水膜抽液蓄能系统包括热循环系统与冷循环系统，所述热循环系统与所述冷循环系统之间设置有疏水膜能量转换装置；

其中，所述热循环系统与所述冷循环系统可通过所述疏水膜能量转换装置进行相变流动，以将所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差转化成流体工质的压力能；

所述疏水膜能量转换装置包括：

能量转换装置本体，内部设有容纳腔；

疏水膜，设置在所述容纳腔内，所述疏水膜将所述容纳腔分隔成热容纳腔和冷容纳腔；

其中，所述热容纳腔与所述热循环系统相连通，所述冷容纳腔与所述冷循环系统相连通。

2.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述热循环系统包括：

热储液部，内部设有热流体工质；

热泵，设于所述热储液部与所述热容纳腔之间。

3.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述冷循环系统包括：

冷储液部，内部设有冷流体工质；

冷泵，设于所述冷储液部与所述冷容纳腔之间。

4.根据权利要求3所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述冷循环系统还包括：

冷却装置，设置在所述冷储液部的一侧，用于增大所述热循环系统与所述冷循环系统之间的温差。

5.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述热循环系统流经所述热容纳腔的方向与所述冷循环系统流经所述冷容纳腔的方向相反，以形成所述热循环系统与所述冷循环系统之间的逆向换热。

6.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述疏水膜包括疏水膜本体与支撑部，所述支撑部设置在所述疏水膜本体的一侧，用于提高所述疏水膜整体的承载能力。

7.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述疏水膜抽液蓄能系统还包括：

蓄液装置，管路连接所述冷容纳腔的出液口，用于将所述压力能转化成重力势能。

8.根据权利要求7所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述蓄液装置包括：

蓄液装置本体，内部设有蓄液空间，且开设有与所述蓄液空间相连通的出液口与进液口；

蓄液管道，连通所述进液口与所述冷容纳腔；

阀组件，设置在所述出液口，用于打开或关闭所述出液口。

9.根据权利要求1所述的疏水膜抽液蓄能系统，其特征在于，所述疏水膜抽液蓄能系统还包括：

第一流量计，设于所述热循环系统；

第二流量计，设于所述冷循环系统。

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