CN208281127U - 一种结合温度差驱动的能量回收装置及其复合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结合了温度差驱动的海水淡化能量回收装置及其复合系统，包括相变腔和海水腔，相变腔内设有浓盐水缸，位于浓盐水缸外周位置的相变腔内设有相变工质，相变工质中设有温度调节系统；浓盐水缸中设有第一活塞，海水腔中设有第二活塞，第一活塞与第二活塞通过活塞连杆固定连接；浓盐水进入浓盐水缸中驱动第一活塞运动；把淡化前的海水原水初步加压，并保持初步加压的压力，再调节相变工质的温度，并驱动海水腔中的第二活塞运动，第二活塞驱动进入海水腔中的海水增压进入具有较高压力的反渗透淡化系统。本实用新型所提供的能量回收装置利用温度差驱动和余压驱动相结合，其能量回收效率在理论上可以达到100％以上。

Description

一种结合温度差驱动的能量回收装置及其复合系统

技术领域

本实用新型涉及海水淡化能量回收技术领域，具体涉及一种结合温度差驱动的能量回收装置及其复合系统，用于海水反渗透淡化具有余压的高压浓盐水中能量的回收利用，达到高效能量回收的目的。

背景技术

海水淡化技术发展的一个重要目标是降低运行成本，在运行成本的构成中能耗所占的比重最大，因此，降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。其中反渗透海水淡化是目前海水淡化的主流技术之一，反渗透海水淡化过程需消耗大量电能提升进水压力以克服水的渗透压，反渗透膜排出的浓水余压高达5.5～6.5MPa，按照40％的回收率计算，排放的浓盐水中还蕴含约60％的进料水压力能量，将这一部分能量回收变成进水能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗，而这一目的实现有赖于利用能量回收技术。

自70年代以来，随着反渗透技术应用于海水/苦咸水淡化，各种形式的能量回收装置也相继出现。能量回收装置目前有水力透平式能量回收装置和功交换式能量回收装置两大类。最早的能量回收装置是水力透平式，瑞士Calder.AG公司的Pe1 ton Whee 1透平机和Pump Ginard公司的Francis透平机，效率一般为50％～70％，其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动，通过轴与泵和电机相连，将能量输送至进料原海水，过程需要经过“水压能——机械能——水压能”两步转换。在上面的基础上经过改进，出现了一些独特的设计，其中最具代表性的有丹麦Grundfos公司生产的BMET透平直驱泵和美国PEI公司生产的HydraulicTurbochargero两者均是透平与泵一体化设计，一根转轴连接两个叶轮，全部封装在一个壳体中，浓盐水流过叶轮时冲击叶片推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接带动增压泵工作输出机械功，浓水能量转换成原海水的能量转换效率可提高至65％-80％。高压泵与透平增压泵两级串联完成原海水的压力提升，通过透平增压降低高压泵所需要的扬程，减少电机动力消耗。但是，由于水力透平式能量回收装置原理上都要经过“水压能一一机械能一一水压能”两步转换，增加了机械能损耗，因此效率较低。80年代，出现了一种新的能量回收技术，其工作原理是“功交换”通过界面或隔离物，直接把高压浓盐水的压力传递给进料海水，过程得到简化，只需要经过“水压能一一水压能”一步能量转换，能量回收效率可得到提高。

目前反渗透海水淡化工程中应用的功交换式能量回收装置主要为转子式压力交换器和活塞式阀控压力交换器两类，效率可高达90-97％。转子式压力交换器以美国ERI公司的PX转子式压力交换能量回收装置为代表，原理是高压浓盐水推动圆周开有多个纵向沟槽(类似于多个微型液缸)的无轴陶瓷转子旋转。活塞式阀控压力交换器以瑞士Calder.AG公司的DWEER双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTec DT压力交换器、德国SiemagTransplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX动力压力交换器为代表，原理是采用两个大直径液缸，其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液，另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水，两液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水，实现把浓水能量转换成原海水能量的回收过程。目前，这两种能量回收装置主要靠国外进口，造价比较高。

另外，反渗透膜对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加水通量也线性的增加，进水水温每升高(或者降低)1℃，产水量就增加(减少)2.5％～3.0％；(以25℃为标准)。反渗透膜的进水温度底限为5℃～8℃,此时的渗滤速率很慢；当进水温度从11℃升至25℃时，产水量提高50％。但当进水温度高于30℃时,大多数膜变得不稳定，加速水解的速度。一般醋酸纤维膜运行与保管的最高温度为35℃，宜控制在25℃～35℃之间。因此，在排出的浓盐水中，不仅仅含有余压能量，还含有热能，比如活塞运动所产生的摩擦热能，现有的能量回收主要将能量回收的重点放到余压能量回收中，不能回收浓盐水中的热能。

实用新型内容

本实用新型针对当前能量回收装置中不能回收浓盐水中所含热能的技术问题，提供了一种结合温度差驱动的能量回收装置及其复合系统，解决了同时回收反渗透海水淡化余压能量和浓盐水中所含有热能的技术问题，达到高效能量回收的目的。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一方面，本实用新型提供了一种结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述装置包括相连通的相变腔和海水腔，所述相变腔中设有一浓盐水缸，位于所述浓盐水缸外周位置的所述相变腔内设有相变工质，所述相变工质中设有用于使所述相变工质发生相变的温度调节系统；

所述浓盐水缸中设有第一活塞，所述海水腔中设有第二活塞，所述第一活塞与所述第二活塞通过活塞连杆固定连接；

所述浓盐水缸上设有浓盐水进口和浓盐水出口，所述海水腔上设有海水进口和海水出口；

经海水反渗透淡化系统淡化后的带有余压的浓盐水进入所述浓盐水缸中，并驱动所述第一活塞运动，通过所述第一活塞带动所述第二活塞运动，所述第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，把淡化前的海水原水初步加压，再通过所述温度调节系统调节所述相变工质的温度，使所述相变工质发生相变并驱动所述海水腔中的所述第二活塞运动，所述第二活塞驱动进入所述海水腔中的海水增压后由所述海水出口进入具有较高压力的海水反渗透淡化系统。

所述温度调节系统包括加热系统和冷却系统，所述相变工质的液-气相变温度低于所述浓盐水缸中的浓盐水温度及所述加热系统的加热温度，所述相变工质的气-液相变温度高于所述冷却系统的冷却温度。

浓盐水缸腔壁采用优质的导热材料制成，优选的，可以在浓盐水缸第一活塞的行程之外设热管，用于浓盐水与相变工质之间的快速热交换。

所述海水腔上还设有与其连通的压力调整系统，所述第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，并对通过所述海水进口进入所述海水腔中的海水原水进行初步加压，通过所述压力调整系统调整容积并保持所述海水腔内的初步加压压力。

所述压力调整系统包括与所述海水腔保持连通的压力腔，所述压力腔中设有第三活塞，所述压力腔的末端设有用于调整所述海水腔容积和压力的弹性势能调整机构，所述弹性势能调整机构与所述第三活塞形成联动。

所述弹性势能调整机构可以是固定在所述压力腔末端的弹簧、或水柱、或满足具体工作要求的压缩气体。

另一方面，本实用新型还提供了一种结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，所述复合系统包括控制装置及多个结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，各所述能量回收装置中的其一所述能量回收装置中的所述相变腔与另一所述能量回收装置中的所述海水腔通过连接管路连接。

各所述浓盐水缸的高压端位置和/或各所述海水腔中的高压端位置分别设有用于检测所述第一活塞和第二活塞位置的位置传感器，所述控制装置与各所述位置传感器电性连接。通过逻辑控制，可以使所述能量回收装置系统中的其中一个的相变腔内的相变时间与另一个能量回收装置的利用余压驱动的时间相统筹使其作用时间紧密衔接，以此类推，从而使拥有多个单个能量回收装置的整体系统装置的运行更加快速有效。

在不同的单个能量回收装置采用不同的合适的工质的情况下，被吸收热量后的浓盐水和/或被吸收过热量的热流体还可以用作冷却系统或对外供冷的冷能来源。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

A.本实用新型所提供的能量回收装置是利用温度差驱动和余压驱动相结合，不但回收海水反渗透淡化系统淡化后的具有余压的高压浓盐水中的高压能量，还通过相变工质吸收浓盐水中的热能，同时还吸收一部分活塞运动过程中因摩擦而产生的热能，通过吸收热能，将所吸收的热能转化为推动活塞运动的动能，降低了回收损耗，从而达到高效能量回收的目的，在其吸收并转化的有用功大于运行损耗功的情况下，其能量回收效率在理论上可以达到100％以上。

B.本实用新型为了更好地解决不可压缩的海水在海水腔中和浓盐水缸中容积变化和压力调整的问题，在海水腔上设置了与其连通的压力调整系统，第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，对由海水进口进入海水腔中的海水原水进行初步加压，通过压力调整系统调整容积和海水腔内的初步加压压力。

C.本实用新型为了提升结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统的吸热效果，保证相变工质的吸热时间，使相变工质充分吸热浓盐水中的热量，通过将其中一个能量回收装置中的相变驱动升压作用于另外一个结合温度差驱动的海水淡化能量回收单装置的海水腔中。

D.本实用新型通过在控制装置中设置逻辑控制，可以使能量回收系统中的其中一个相变腔内的相变时间与另一个能量回收装置的利用余压驱动的时间相统筹，使其作用时间紧密衔接，以此类推，从而使拥有多个单个能量回收装置的整体复合系统的运行更加快速、有效。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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是本实用新型所提供的单能量回收装置结构示意图；

图2是本实用新型所提供的能量回收系统结构示意图。

图中标识如下：

A-能量回收装置

1-相变腔

2-海水腔

21-海水进口，22-海水出口

3-浓盐水缸

31-浓盐水进口，32-浓盐水出口

4-相变工质

5-温度调节系统

51-加热系统，52-冷却系统

6-第一活塞；7-第二活塞；8-活塞连杆

9-压力调整系统

91-压力腔，92-第三活塞，93-弹性势能调整机构

10-控制阀；20-浓盐水进水管

30-连接管路

40-浓盐水排水管；50-单向控制阀；60-进水管路；70-排水管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种具有温度差驱动的海水淡化能量回收装置，包括相连通的相变腔1和海水腔2，相变腔1中设有一浓盐水缸3，位于浓盐水缸3外周位置的相变腔1内设有相变工质4，在相变工质4中设有用于使相变工质4发生相变的温度调节系统5；其中的浓盐水缸3中设有第一活塞6，在海水腔2中设有第二活塞7，第一活塞6与第二活塞7通过活塞连杆8固定连接，进而实现第一活塞6和第二活塞7之间的联动；在浓盐水缸3上还设有浓盐水进口31和浓盐水出口32，在海水腔2上设有海水进口21和海水出口22；经海水反渗透淡化系统淡化后的带有余压的浓盐水进入浓盐水缸3中，驱动第一活塞6运动，第一活塞6带动第二活塞7运动，第二活塞7把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，把淡化前的由海水进口21进入海水腔2的海水原水进行初步加压，再通过温度调节系统5调节相变工质4的温度，使相变工质4发生相变并直接驱动海水腔2中的第二活塞7运动，在两股驱动动力的作用下，第二活塞7驱动进入海水腔2中的海水增压通过海水出口22进入压力更高的海水反渗透淡化系统，从而实现浓盐水所含余压及所含热能的充分利用与转化。

如图1所示，当第二活塞7位于海水腔2的下部位置时，第一活塞6位于浓盐水缸3的下部，但是第一活塞6至浓盐水缸3的最底部之间形成一腔室，此腔室可以供海水反渗透淡化系统中的余压浓盐水进入。

本实用新型中优选的温度调节系统5包括加热系统51和冷却系统52，相变工质4的液-气相变温度低于浓盐水缸3中的浓盐水温度及加热系统51的加热温度，相变工质4的气-液相变温度高于冷却系统52的冷却温度，相变工质4在加热系统51中所提供的最高温度下发生液-气相变，此时所产生的压力应大于正常反渗透所需要的压力。当浓盐水从浓盐水进口31进入到浓盐水缸3中时，相变工质4会吸收浓盐水中的热能，并发生相变，将这部分热能转化成了推动第二活塞7做功的势能。

为了将海水淡化后的浓盐水所具有的热量传导给相变工质4，浓盐水缸3的腔壁采用导热性能好的材料制成，这样海水腔2的腔壁更利于相变工质4从浓盐水中吸收热量。优选地，在浓盐水缸3的活塞行程之外，在相变工质4和浓盐水之间设置热管进行快速热交换。

本实用新型中的加热系统51可以采用自然界及人类生产生活过程中的中低温热源热流体，也可以采用热管、或采用电加热。本实用新型中的冷却系统52可以采用低于所采用的相变工质4的气-液相变温度的冷流体，或热管或蒸发器，这里不再赘述。

本实用新型为了更好地解决不可压缩的海水在海水腔2中和浓盐水缸3中容积变化和压力调整的问题，在海水腔2上设置了与其连通的压力调整系统9，第二活塞7把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，对进入海水腔2中的海水原水进行初步加压，通过压力调整系统9调整容积和压力。具体地压力调整系统9如图1和图2所示，压力调整系统9与海水腔2相连通，用于调整海水腔2中的海水容积和压力。其中的压力调整系统9包括与海水腔2保持连通的压力腔91，在压力腔91内部还设有第三活塞92和弹性势能调整机构93，其中的弹性势能调整机构93设置在海水腔92的末端，弹性势能调整机构93与第三活塞92形成是联动关系，弹性势能调整机构93可以是固定在压力腔91末端的弹簧，也可以是水柱，还可以是满足具体工作要求的压缩气体，或可以调整弹性势能的其他机构。

本实用新型通过把利用温度差驱动和利用余压驱动相结合，回收海水反渗透淡化系统中具有余压的高压浓盐水中的能量，并吸收一部分浓盐水中具有的热能，以及吸收一部分活塞运动过程中因摩擦而产生的热能，通过吸收热能降低回收损耗，从而达到高效的能量回收目的。在其吸收并转化的有用功大于运行损耗功的情况下，其能量回收效率在理论上可以达到100％以上。

如图2所示为结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，整个回收复合系统包括控制装置及多个如图1所示的能量回收装置A，多个能量回收装置A呈并联设置，在浓盐水进口31和浓盐水出口32处分别设有一控制阀10，各浓盐水进口31通过浓盐水进水管20分别与海水反渗透淡化系统中的浓盐水排放口连接，各浓盐水出口32分别通过浓盐水排水管40与大气连通，在将浓盐水中的余压能量充分利用并传递给需要淡化的海水后，控制装置分别与各控制阀10电性连接，通过控制装置对控制阀10进行逻辑控制，将无压浓盐水由浓盐水排水管40中排放；各海水腔2中的海水进口21和海水出口22处分别设有单向控制阀50，各海水进口21通过进水管路60与海水原水连接，各海水出口22通过排水管路70与海水反渗透淡化系统连接，各能量回收装置A中的相变工质4采用相同的工质和相同的相变温度，或者采用不同的工质和互不相同的相变温度。

为保证相变工质4的吸热时间，提升相变工质4的吸热效果，如图2所示，本实用新型所提供的海水淡化能量回收复合系统使各相变工质4充分吸收浓盐水中的热量，通过将其中一个能量回收装置中的相变驱动升压作用于另外一个结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置的海水腔中。通过控制装置的逻辑控制，可以使能量回收复合系统中的其中一个相变腔内的相变时间与另一个能量回收装置的利用余压驱动的时间相统筹，使其作用时间紧密衔接，以此类推，从而使拥有多个单个能量回收装置的整体复合系统的运行更加快速、有效。

为了更好地对各控制阀10进行自动启闭控制，在浓盐水缸3的高压端位置和/或各海水腔2中的高压端位置分别设有用于检测第一活塞6和第二活塞7位置的位置传感器，控制装置与各位置传感器电性连接。

具体控制过程如下步骤：

步骤1、控制装置控制浓盐水出口32的控制阀10打开，通过开启冷却系统52对相变腔1中的相变工质4进行冷却，使相变工质4发生气-液相变后形成液态，在海水腔2中利用低压泵将海水原水泵入，海水腔2中的第二活塞7和余压浓盐水缸3中的第一活塞6处于初始位置；

步骤2、关闭浓盐水出口32的控制阀10，打开余压浓盐水进口31处的控制阀10，先利用高压浓盐水余压把海水腔2中的海水初步加压到浓盐水具有的压力水平，压力调整系统9提供高压海水进入空间，并保持压力；

步骤3、通过加热系统51对相变腔1中的相变工质4进行加热，同时相变工质4吸收浓盐水中的部分热量，相变工质4吸收到足够的热量时，相变工质4发生相变汽化使相变腔1中压力进一步升高，在和浓盐水余压的共同驱动下，把海水腔2中的海水挤压进带有单向止回阀的反渗透高压排水管路70中，达到同时利用余压和吸收浓盐水中的热量进行能量回收的目的。

步骤4、本实用新型通过活塞位置传感器进行检测，当海水腔2中第二活塞7到达高压端海水输水行程末端时，关闭余压浓盐水进口31控制阀10，打开浓盐水出口32控制阀10，排出完成压力传递的浓盐水，冷却相变腔1中的相变工质4为液态，压力调整系统9中的第三活塞92复位，用低压泵把海水泵入海水腔2中，海水腔2中的第二活塞7和余压浓盐水缸3中的第一活塞6回到初始位置。

重复步骤1-4，进行下一个循环。

当然用于加热或冷却的流体，还可用于以制备空调冷气或用于其他合适的冷能需求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述装置包括相连通的相变腔(1)和海水腔(2)，所述相变腔(1)中设有一浓盐水缸(3)，位于所述浓盐水缸(3)外周位置的所述相变腔(1)内设有相变工质(4)，所述相变工质(4)中设有用于使所述相变工质(4)发生相变的温度调节系统(5)；

所述浓盐水缸(3)中设有第一活塞(6)，所述海水腔(2)中设有第二活塞(7)，所述第一活塞(6)与所述第二活塞(7)通过活塞连杆(8)固定连接；

所述浓盐水缸(3)上设有浓盐水进口(31)和浓盐水出口(32)，所述海水腔(2)上设有海水进口(21)和海水出口(22)。

2.根据权利要求1所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述温度调节系统(5)包括加热系统(51)和冷却系统(52)，所述相变工质(4)的液-气相变温度低于所述浓盐水缸(3)中的浓盐水温度及所述加热系统(51)的加热温度，所述相变工质(4)的气-液相变温度高于所述冷却系统(52)的冷却温度。

3.根据权利要求2所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述浓盐水缸(3)的腔壁由导热良好的材料制成，在浓盐水缸第一活塞的行程之外设热管，用于浓盐水与相变工质之间的快速热交换。

4.根据权利要求1-3任一所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述海水腔(2)上还设有与其连通的压力调整系统(9)，所述第二活塞把带有余压的浓盐水所具有的能量进行能量传递，并对通过所述海水进口进入所述海水腔中的海水原水进行初步加压，通过所述压力调整系统调整容积并保持所述海水腔内的初步加压压力。

5.根据权利要求4所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述压力调整系统(9)包括与所述海水腔(2)保持连通的压力腔(91)，所述压力腔(91)中设有第三活塞(92)，所述压力腔(91) 的末端设有用于调整所述海水腔容积和压力的弹性势能调整机构(93)，所述弹性势能调整机构(93)与所述第三活塞(92)形成联动。

6.根据权利要求5所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，其特征在于，所述弹性势能调整机构可以是固定在所述压力腔末端的弹簧、水柱或满足具体工作要求的压缩气体。

7.一种结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，其特征在于，所述复合系统包括控制装置及多个权利要求1-6任一所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收装置，各所述能量回收装置(A)中的所述浓盐水进口(31)和浓盐水出口(32)处分别设有一控制阀(10)，各所述浓盐水进口(31)分别与一浓盐水进水管(20)连接，各所述浓盐水出口(32)分别与一浓盐水排水管(40)连接，所述控制装置分别与各所述控制阀(10)电性连接；各所述海水腔(2)中的海水进口(21)和海水出口(22)处分别设有单向控制阀(50)，各所述海水进口(21)分别与一进水管路(60)连接，各所述海水出口(22)分别与一排水管路(70)连接。

8.根据权利要求7所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，其特征在于，各所述能量回收装置(A)中的其一所述能量回收装置中的所述相变腔与另一所述能量回收装置中的所述海水腔通过连接管路(30)连接，从而可以使所述能量回收装置的相变驱动可以作用于另一个能量回收装置的第二活塞。

9.根据权利要求7所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，其特征在于，各所述浓盐水缸(3)的高压端位置和/或各所述海水腔(2)中的高压端位置分别设有一用于检测所述第一活塞(6)和第二活塞(7)位置的位置传感器，所述控制装置与各所述位置传感器电性连接；通过逻辑控制，可以使所述能量回收装置系统中的其中一个的相变腔内的相变时间与另一个能量回收装置的利用余压驱动的时间相统筹使其作用时间紧密衔接，以此类推，从而使拥有多个单个能量回收装置的整体系统装置的运行更加快速有效。

10.根据权利要求9所述的结合温度差驱动的海水淡化能量回收复合系统，其特征在于，在不同的单个能量回收装置采用不同的合适的工质的情况下，被吸收热量后的浓盐水和/或被吸收过热量的热流体还可以用作冷却系统或对外供冷的冷能来源。