利用低品位熱源的膜式熱動力循環(huán)裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及動力設備技術領域，具體是一種利用低品味熱源的膜式熱動力循環(huán)裝 置。
【背景技術】
[0002] 在節(jié)能環(huán)保的大背景下，采用低品位熱源（<100°C )驅動的熱動力循環(huán)近年來得 到了越來越多的重視和應用，但目前的動力循環(huán)幾乎都是采用蒸汽壓法，即為熱能-氣體 壓力能-功的能量傳遞過程，即使采用目前在有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電中常采用螺桿式膨脹 機，一般也很難利用80°C以下的熱源，更不可能在20°C~30°C溫差下正常、高效工作。
[0003] 另外一種熱動力循環(huán)是液體壓力能法，即將熱能轉換為液體壓力能來驅動液體渦 輪做功。用這種方式可以在較小的溫差條件下就獲得兆帕級的液體壓差，可以很容易地推 動液體渦輪，因此可較好地適用于低品位熱源。美國學者在上世紀70年代提出的利用滲 透壓結合熱力再生的動力循環(huán)裝置即是這種動力循環(huán)的一種具體形式，80年代初期又加入 了在反滲透裝置中常用的壓力能回收裝置來提高系統(tǒng)效率。專利申請（CN201310695691) 在此基礎上進一步提出了一種兩級滲透濃差做功裝置，采用有機工質替代水溶液提高了驅 動溫差，并且提出兩級結構來減少混合損失，進一步改善了系統(tǒng)表現(xiàn)，但其缺點是系統(tǒng)更復 雜，另外它也具有這類采用滲透膜的動力循環(huán)系統(tǒng)的共同缺點，即需要采用昂貴的能量回 收裝置，而且長期使用容易因溶質反滲透問題而影響使用效果。
[0004] 這樣，有必要對現(xiàn)有的液體壓力能熱動力裝置進行改進，簡化系統(tǒng)環(huán)節(jié)，提高技術 經濟價值和可行性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種結構簡單的利用低品位熱源驅動的膜式熱 動力循環(huán)裝置及方法。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán) 裝置，包括內載工質的增壓泵、蒸發(fā)器、膜接觸器、液體渦輪以及第一調節(jié)閥；其特征是：所 述增壓泵的液體出口連接蒸發(fā)器的液體進口；所述蒸發(fā)器的氣體出口連接膜接觸器的氣體 進口；所述膜接觸器的液體出口連接液體渦輪的液體進口；所述液體渦輪的液體出口連接 第一調節(jié)閥后接至增壓泵的液體進口。
[0007] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的改進：所述膜 接觸器由高壓室和低壓室構成；所述高壓室和低壓室之間通過半透膜相互隔離。
[0008] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進一步改進： 所述高壓室設置液體出口；所述低壓室設置氣體進口。
[0009] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進一步改進： 所述膜接觸器的氣體出口通過氣體循環(huán)泵連接到蒸發(fā)器的氣體進口；所述膜接觸器的液體 出口通過液體循環(huán)泵連接到膜接觸器的液體進口。
[0010] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進一步改進： 所述高壓室分別設置液體出口和液體進口；所述低壓室分別設置氣體出口和氣體進口。
[0011] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進一步改進： 所述高壓室內的冷卻管道通過第三調節(jié)閥外接外部冷卻水；所述蒸發(fā)器的加熱管道通過第 二調節(jié)閥外接外部熱源。
[0012] 作為對本發(fā)明所述的利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置的進一步改進： 所述工質為單組分有機工質，其臨界點在低品位熱源溫度范圍內。
[0013] 利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)方法，首先、外部熱源通過第二調節(jié)閥進 入蒸發(fā)器的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器的液體進口進入的溶液，并將其升溫到蒸發(fā)器壓力所 對應的飽和溫度，同時為蒸發(fā)器中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器中產生的蒸汽從 氣體出口流出；從蒸發(fā)器的氣體出口流出的蒸汽進入膜接觸器的低壓室，在半透膜兩側蒸 汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜進入高壓室，逸度和溫度降低，放出熱量，成為高 壓室中的液體；其次、外部冷卻水通過第三調節(jié)閥進入高壓室的冷卻管道，吸收透過半透膜 的蒸汽放出的熱量，形成液體，溫度升高后流出冷卻管道；高壓室的液體從液體出口流出后 進入液體渦輪，在液體渦輪中做功后，壓力降低，同時溫度也降低，再通過第一調節(jié)閥流入 增壓泵的液體進口；最后、增壓泵將液體增壓到高于蒸發(fā)器的壓力后將液體輸送至蒸發(fā)器 的液體進口。
[0014] 利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)方法：首先、外部熱源通過第二調節(jié)閥進 入蒸發(fā)器的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器的液體進口進入的溶液，并將其升溫到蒸發(fā)器壓力所 對應的飽和溫度，同時為蒸發(fā)器中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器中產生的蒸汽從 氣體出口流出；從蒸發(fā)器的氣體出口流出的蒸汽從膜接觸器的氣體進口進入低壓室，并分 為兩路：其中一路在半透膜兩側蒸汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜進入高壓室， 逸度和溫度降低，放出熱量，成為高壓室中的液體；另外一路從氣體出口流出，經氣體循環(huán) 泵增壓到蒸發(fā)器的壓力后從蒸發(fā)器的氣體進口流入；其次、外部冷卻水通過第三調節(jié)閥進 入高壓室的冷卻管道，吸收透過半透膜的蒸汽放出的熱量，形成液體，溫度升高后流出冷卻 管道；高壓室的液體從液體出口流出后分為兩路：一路進入液體渦輪，在液體渦輪中做功 后，壓力降低，同時溫度也降低，再通過第一調節(jié)閥流入增壓泵的液體進口；另外一路經液 體循環(huán)泵增壓到高壓室的壓力后從液體進口流入高壓室；最后、增壓泵將液體增壓到高于 蒸發(fā)器的壓力后將液體輸送至蒸發(fā)器的液體進口。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有低品位熱源驅動的做功裝置相比，具有以下優(yōu)點：
[0016] 1)與蒸汽壓法的做功裝置相比，本發(fā)明將熱能轉換為液體壓力能輸出功，可以在 20°C的溫差范圍內獲得有效的驅動壓差。
[0017] 2)與采用滲透膜的動力裝置相比，省去了壓力能回收裝置和復雜的熱再生環(huán)節(jié)， 系統(tǒng)更簡單，技術經濟條件更好。
【附圖說明】
[0018] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0019] 圖1是本發(fā)明的一種結構示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明的另外一種結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 實施例1、圖1給出了一種利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置，包括內載 工質的增壓泵1、蒸發(fā)器2、膜接觸器3、液體渦輪4以及第一調節(jié)閥5 ;其中，增壓泵1的液 體出口連接蒸發(fā)器2的液體進口；蒸發(fā)器2的氣體出口連接膜接觸器3的氣體進口；膜接觸 器3的液體出口連接液體渦輪4的液體進口；液體渦輪4的液體出口連接第一調節(jié)閥5后 接至增壓泵1的液體進口。
[0022] 以上所述的膜接觸器3由高壓室31和低壓室32構成；高壓室31和低壓室32之 間通過半透膜33相互隔離。該半透膜33能通過有機工質蒸汽，同時能阻止液相有機工質 在膜內的傳遞。以上所述的高壓室31設置液體出口；低壓室32設置氣體進口。
[0023] 高壓室31內的冷卻管道通過第三調節(jié)閥7外接外部冷卻水；蒸發(fā)器2的加熱管道 通過第二調節(jié)閥6外接外部熱源。本發(fā)明內使用的工質為單組分有機工質（如R134a)，其 臨界點靠近低品位熱源溫度范圍（如40°C~KKTC )。且具有較小的汽液密度差和較小的 汽化潛熱。
[0024] 本發(fā)明在使用的時候，步驟如下：
[0025] 1. 1、外部熱源通過第二調節(jié)閥6進入蒸發(fā)器2的加熱管道，加熱從蒸發(fā)器2的液 體進口進入的液體（即本發(fā)明所述的工質），并將該液體升溫到蒸發(fā)器2壓力所對應的飽和 溫度，同時為蒸發(fā)器2中的液體吸熱蒸發(fā)提供汽化潛熱，蒸發(fā)器2中產生的蒸汽從蒸發(fā)器2 的氣體出口流出；
[0026] 1. 2、從蒸發(fā)器2的氣體出口流出的蒸汽進入膜接觸器3的低壓室32,在半透膜33 兩側蒸汽逸度差或蒸汽壓差的推動下通過半透膜33進入高壓室31，逸度和溫度降低，放出 熱量，在高壓室31中成為液體（即步驟1. 3);
[0027] 1. 3、外部冷卻水通過第三調節(jié)閥7進入膜接觸器3中高壓室31的冷卻管道，吸收 透過半透膜33的蒸汽（步驟1中產生的蒸汽）放出的熱量，形成液體，而冷卻水的溫度升 高后流出冷卻管道；
[0028] 1. 4、膜接觸器3中高壓室31的液體從膜接觸器3的液體出口流出后進入液體渦 輪4,在液體渦輪4中做功后，壓力降低，同時溫度也降低，再通過第一調節(jié)閥5流入增壓泵 1的液體進口；
[0029] 1. 5、增壓泵1將液體增壓到高于蒸發(fā)器2的壓力后，將其輸送至蒸發(fā)器2的液體 進口，并重新循環(huán)步驟1。
[0030] 實施例2、圖2給出了一種利用低品位熱源驅動的膜式熱動力循環(huán)裝置，包括內載 工質的增壓泵1、蒸發(fā)器2、膜接觸器3、液體渦輪4以及第一調節(jié)閥5 ;其中，增壓泵1的液 體出口連接蒸發(fā)器2的液體進口；蒸發(fā)器2的氣體出口連接膜接觸器3的氣體進口；膜接觸 器3的液體出口連接液體渦輪4的液體進口；液體渦輪4的液體出口連接第一調節(jié)閥5后 接至增壓泵1的液體進口。膜接觸器3的氣體出口通過氣體循環(huán)泵9連接到蒸發(fā)器2的氣 體進口；膜接觸器3的液體出口通過液體循環(huán)泵8連接到膜接觸器3的