[發明專利]一種堆疊式熱滲透器和熱能-液壓能能量轉換系統

在審

• 申請號: 202110447886.4
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113203310A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 劉志春;李驥;張子康;趙潤澤;劉偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F28D15/02
• 分類號: F28D15/02;B01D61/14;B01D61/36
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 胡秋萍

本發明公開了一種堆疊式熱滲透器和熱能?液壓能能量轉換系統，屬于能源轉換領域。包括：多個工作板、多個微納孔膜、封裝組件、蒸發液入口管道和冷凝液出口管道；工作板和微納孔膜交錯堆疊放置，相鄰工作板中一個工作板與微納孔膜構成蒸發腔，另一個工作板與微納孔膜構成冷凝腔；所述微納孔膜至少包含一層疏水性多孔介質；封裝組件，用于密封蒸發腔和冷凝腔；蒸發液入口管道，用于連通外部與蒸發腔；冷凝液出口管道，用于連通外部與冷凝腔。本發明基于微納孔膜的熱滲透跨膜傳質效應，消耗來自熱源的熱能，將進入滲透器的低壓液體，轉換為高壓液體。上一級滲透器釋放的熱量，通過導熱進入下一級滲透器來實現回熱利用。

技術領域

本發明屬于能源轉換領域，更具體地，涉及一種堆疊式熱滲透器和熱能-液壓能能量轉換系統。

背景技術

熱滲透效應，是一種自然和工業活動中廣泛存在的微納多孔介質傳質現象，該效應由溫差引起，需要多孔介質兩側冷熱流體存在一個溫差，在這個溫差驅動下，工質會從一側滲透輸運至另一側。論文“Simultaneous production of high-quality water andelectrical power from aqueous feedstock's and waste heat by high-pressuremembrane distillation”2014年首次報道了一種基于熱滲透效應的熱壓能量轉換方法，該方法系統子部件包括滲透器、換熱器和循環泵等。滲透器為系統主要部件，包括由疏水性多孔膜分隔的兩個腔體，腔體內分別流動有高溫水和低溫水。在熱滲透效應下，滲透器的高溫水，通過顯熱的消耗而在多孔膜氣液界面處汽化為高溫蒸汽。高溫蒸汽在跨膜氣壓差驅動下，會滲透跨膜傳輸至低溫側，并冷凝為高壓液體。高壓液體流出滲透器后，可通過水輪機實現液壓能往電能的轉換，從而進一步實現熱能-液壓能-電能的轉換利用。該方法中，對流換熱器作用是通過對流換熱來維持高溫水和低溫水的溫度，而循環泵作用是用于維持系統內冷熱流體的流動。論文“Harvesting low-grade heat energy using thermo-osmoticvapour transport through nanoporous membranes”2016年一種逆流回熱式熱滲透熱功轉換方法，選擇了平均孔徑為20nm、孔隙率約為77％的聚四氟乙烯多孔膜。當被浸入液體中時，空氣會被截留在這種膜的納米孔中。選擇這種膜的一個重要原因，是為了避免膜孔被浸潤而導致液體的反向流動，降低熱滲透過程的效率。該方法在前述熱壓轉換方式基礎上，進一步設置一個逆流式回熱器，形成了一個封閉的循環系統，通過對流回熱來回收冷凝液的熱能，以減少蒸發滲透過程的熱能消耗，提高系統的能量轉換效率，當熱源溫度為60℃和20℃，工作壓力為10-150bar時，理論能量效率可達1％-7％。

現有熱滲透熱壓轉換方法具有以下幾個特征：一、氣化焓的傳遞主要依賴對流，液體工質在滲透器內的蒸發需要消耗氣化焓，這個氣化焓是液體工質從熱源通過對流換熱器吸收的，且在滲透器內以對流換熱的方式傳遞給蒸發界面；二、流動功耗大，由于工質的氣化焓遠大于其顯焓，該方式需要非常大的液體工質流速以提供足夠的蒸發熱，因此運行時需要消耗大量的泵功；三、回熱依賴于對流，為提高能量轉換效率所引入的回熱器，同樣是依靠對流換熱交換冷熱流體的熱量。

綜上，傳統熱滲透熱壓轉換方法，其傳熱和回熱主要依賴于對流，這存在兩個弊端，一方面，該方式需要較大的工質循環量，因此，維持系統的流動需要較大的功耗，大幅降低了能量轉換效率；另一方面，受制于水較低的對流換熱系數，在滲透器內會產生較大的溫度極化效應，其傳質效率也同樣不高，從而顯著降低了能量轉換密度。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種堆疊式熱滲透器和熱能-液壓能能量轉換系統，其目的在于通過熱滲透效應和復合堆疊回熱多級結構，在無泵功損失或低泵功損失下，實現熱能向液壓能的高效轉換。熱滲透工作級內熱輸運主要依賴于導熱，系統的回熱依賴于熱滲透器工作級之間的導熱，其流動損失小，可在無泵輔助或微泵輔助下運行，從而具有更高的熱功轉換效率。