[发明专利]一种堆叠式热渗透器和热能-液压能能量转换系统

说明书

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。

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。