有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化系统设计研究

耿冬寒， 王松贺， 陈 睿

(天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387)

引言

淡水资源短缺已经成为全世界都需要面对的问题，解决缺水地区淡水资源短缺的主要方法有苦咸水淡化以及海水淡化[1]。目前海水淡化的三大主流方法为反渗透法、多级闪蒸法、多效蒸馏法[2-3]。反渗透海水淡化的原理是以外界能量推动海水通过高分子半透膜，从而实现溶液中盐分和水的分离。目前，在进行反渗透海水淡化的过程中，电驱动是动力来源，电能将在这一过程被大量消耗，如果利用可再生能源或余热来作为增压泵[4]的动力进行海水淡化，将会节省大量的电能，节约大量成本。有机工质朗肯循环驱动反渗透海水淡化技术是指将反渗透海水淡化的高压泵由电驱动改为膨胀机直接驱动，并用联轴器或皮带轮进行传动。MANOLAKOS[5]及其团队对有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化的设计方案进行了研究，采用太阳能热源[6]和电加热模拟低温热[7]研究了该方案相关参数的变化对系统性能的影响。BOUZAYANI等[8]将膨胀机与反渗透海水淡化系统中的高压泵用联轴器连接起来，并对海水淡化系统进行建模计算，提高了淡水产量。马晓林等[9]采用耦合热源的窄点温差法研究带回热有机朗肯循环，建立热力学模型，提出在凝汽器侧采用相分离流型调控的传热优化方法，并搭建了ORC与RO相耦合的能量需求公式。刘秀龙等[10]以工业废水为热源，以海水为冷却源，研究了海水进水温度变化、纯工质、混合工质比例对淡水产量的影响，以及对整个系统的影响。

在海水淡化过程中，传统的动力来源是高压泵，其将电能转化为机械能将海水压入反渗透膜中，能量利用率较低。国内外的朗肯循环驱动反渗透海水淡化系统中，利用的是膨胀机驱动高压泵[11]，其能量传递的过程为：热能→内能→机械能(膨胀机)→电能→机械能→压力能。为了提高能源利用率以及海水淡化转化效率，本研究决定采用增压泵作为海水淡化的动力来源，其能量传递过程为：热能→内能→机械能→压力能，简化了传动链，并对系统的能量进行回收[12]，故设计朗肯循环驱动反渗透海水淡化系统。

1 有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化模型

1.1 工作原理

如图1所示，经过蒸发器后有机工质获得热量，形成高温高压蒸汽；高温高压蒸汽通过管路进入到左侧增压泵中的气压腔，由于受到蒸汽的作用，增压泵中的活塞组件向右运动，推动液压腔中的原海水进入反渗透膜；原海水经过反渗透膜淡化之后，一部分转化为淡水进行收集，另一部分高压浓海水则进入到能量回收装置(本研究的能量回收装置采用差动正位移式，详见图2)，进行能量回收；原海水获得能量回收装置提供的能量，并进入到右侧增压泵的液压腔，右侧增压泵中的活塞组件向右运动，并将气压腔中的气体压入到冷凝器中，将热量传递给海水，并将其冷凝为液体；工质泵将冷凝器中的液态工质送回蒸发器，至此完成一个循环。两增压泵各完成一次单向运动后，2个电磁换向阀会同时换向，此时两增压泵中的活塞组件以相反的方向运动，由此保证整个循环过程可以不间断持续进行。

图1 有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化系统图

图2 能量回收装置工作原理图

1.2 朗肯循环热力学分析

图3为纯工质有机朗肯循环T-S图。为了便于分析，将系统的热力学模型进行如下假定：

图3 纯工质有机朗肯循环T-S图

(1) 整个系统处于相对稳定的状态；

(2) 忽略蒸发器、冷凝器以及管道中的压降；

(3) 增压泵的外侧由绝热材料制成，气体在增压泵流动的过程视为绝热过程。

4-1的过程是在蒸发器中有机工质吸收的热量，见式(1):

Qeva=mr(h1-h4)

(1)

式中，mr——有机工质质量流量

h4，h1——分别为有机工质蒸发器进、出口位置的焓值

1-2的过程是增压泵对工质做功，见式(2)：

Wexp=mr(h1-h2)

(2)

式中，h2为增压泵出口工质焓值。

2-3的过程是在冷凝器中有机工质释放的热量，见式(3)：

Qcon=mr(h2-h3)

(3)

式中，h3为冷凝器出口工质焓值。

3-4的过程是工质泵对工质做功，见式(4)：

Wp=mr(h4-h3)

(4)

该ORC系统的净输出功为式(5)：

(5)

式中，ηt——增压泵等熵效率

系统循环的热效率为式(6)：

(6)

2 增压泵压力计算

2.1 增压泵运动学分析

当系统处于稳定工作状态时，忽略泄漏和压缩性的影响，输入反渗透膜的流量基本是恒定的，因此，活塞在大部分行程里的运动速度基本恒定，如果系统是在理想状态下工作，可假设活塞在整个过程匀速运动。

则增压泵活塞的运动速度v1为：

(7)

式中,q——增压泵输出流量

A1——液压缸内活塞直径

活塞在一个行程中的运动学方程如下：

s(t)=v1t

(8)

2.2 增压泵排出管口压力计算

泵排出压力取决于管路特性，可以根据泵装置的管路特性，建立泵的符合设计要求的排出压力。

排出口流速的确定：

5G业务指标的达成，依赖承载性能和功能的提升，5G网络分片的实现，需要与承载网联动，而满足5G需求的传送网需要重构： 5G承载需求发生很大变化，现有传送网无法直接满足，或仅能满足初期小规模业务需求，重构之后的传送网应能完全满足5G成熟期的需求。

(9)

式中,A2为排出管直径。

液体在排出管道过程中存在沿程阻力损失hf2、局部阻力损失hm2等能量损失。这些损失对于排出管道液体压力计算影响较大，需要将其考虑在内。其计算公式为：

(10)

(11)

式中，l2——排出管长度

g——重力加速度

λ2——排出管的沿程阻力系数

ζ2——排出管局部损失系数

根据能量方程得出泵排水管口压力p1为：

(12)

式中,pd——排水管口端背景压力

hd——排水管口端与泵腔轴线距离

ρ——海水密度

2.3 泵腔压力的计算

泵腔压力p2可由增压泵的增压比及增压泵进口压力决定，其计算公式为：

p2=p·k

(13)

式中，p——增压泵进口压力

k——增压比

2.4 增压泵计算参数

根据海水淡化的产水量，选取美国陶氏化学公司生产的小型海水淡化反渗透元件，其运行压力为6 MPa，最大给水量为3.6 m3/h。反渗透的基本工艺流程采用一级一段式，能耗较小，根据增压泵计算过程，计算出研究所需尺寸参数如表1所示。

表1 增压泵参数

3 能量回收装置

3.1 能量回收装置工作原理

在正位移能量回收装置中，能量只经过“静压能-静压能”的转化，传递效率较高[13]。图2为能量回收装置的能量交换过程。该类型装置主要由液压缸、原料侧单向阀和盐水侧控制阀3部分构成， 单套装置采用2个水压缸交替工作。刚开始液压缸1的阀门1，6开启，阀门2，5关闭，高压盐水进入液压缸1推动原料海水进入增压泵，能量以较高效率直接传递给原料海水，该液压缸内发生了能量回收过程，这就是增压过程；与此同时，液压缸2的阀门4，7开启，阀门3，8关闭，原料海水进入液压缸2中，将该液压缸内低压盐水推出水压缸，这就是泄压过程。为了确保淡化系统稳定运行，高压盐水需连续稳定的流动，所以必须要保证任何时间内都有一个水压缸中在进行增压过程。为了防止不同料液之间的混合，通常在水压缸内设置可以自由活动的活塞，有效的减小了盐水与海水的混合。

3.2 能量回收装置计算参数

根据整个系统需要，计算出所需尺寸参数，如表2所示。

表2 能量回收装置参数

4 结果分析

在建立系统热力学模型的基础上，以R245fa，R134a，R600，R600a为例，研究增压泵进口温度及增压泵进、出口压力对系统净输出功和热效率的影响。为了比较分析4种工质在循环过程中的性能，因此循环工况设置为相同。在图3显示的循环中设定蒸发压力为2 MPa，冷凝压力为0.57 MPa，冷凝温度为15 ℃，增压泵等熵效率为80%，工质泵等熵效率为90%，有机工质流量为0.1 kg/s。

从图4可以看出随着增压泵进口温度的升高，系统净输出功逐渐升高，这是由于随着增压泵进口温度的增加，增压泵所做的功增加，进而系统的净输出功增加。R600和R600a的系统净输出功高于R245fa和R134a，显示了烷类工质在做工方面的优越性。在4种工质中，R245fa的系净输出功最小，R600a的系统净输出功最大。

图4 增压泵进口温度对系统净输出功的影响

由图5可以看出随着增压泵入口温度的升高，R134a的热效率基本不变，而R245fa，R600，R600a的热效率降低。其中R245fa的平均循环效率最低，另外3种工质的平均循环效率比较接近。因此，对于本系统，不需要采用很大的过热度，因为过热度的提高对循环效率没有很大的影响。

图5 增压泵进口温度对系统热效率的影响

从图6可知，根据总体趋势，在进口压力不变的情况下，随着出口压力的增加，系统的净输出功降低。当出口压力较低时，净输出功降低的较快。当出口压力逐渐升高，净输出功降低的速度也逐渐减慢。不同出口压力下，4种工质中R600a的净输出功最大，R245fa的净输出功最小。R600和R600a的净输出功大于另外两种工质，且净输出功减少的速度也比较快，烷类工质的净输出功大于HFC类工质，显示了烷类工质在朗肯循环系统的优势。

图6 增压泵出口压力对系统净输出功的影响

从图7可以看出随着输出压力的增加，系统的热效率减少，且在同一出口压力下，R245fa的热效率要低于其余3种，而其余3种的热效率相差不大。

图7 增压泵输出压力对系统热效率的影响

由图8可以看出，在出口压力不变的情况下，随着进口压力的增加，系统的净输出功不断升高，在同等压力下，烷类工质的输出功比HFC类工质要大，且其输出功增加速度也比HFC类工质快。其中，R600的输出功最大，R245fa的输出功最小。

图8 增压泵进口压力对系统净输出功的影响

由图9可以看出，随着增压泵进口压力的增加，各工质的系统热效率随之增加，且增加的趋势大体相同，都是逐渐变慢，且热效率相差不大。

图9 增压泵进口压力对系统热效率的影响

5 结论

本研究以工业废水为热源，以海水为冷源，利用有机朗肯循环中蒸发器排出的气体推动增压泵，将海水压入反渗透膜，进行海水淡化，简化了传动链。从增压泵出来的有机工质进入冷凝器中，被冷凝器中的海水冷却，并吸收其的热量，进而提高整个系统的效率。本研究分析了不同纯工质在不同参数变化下对系统性能的影响，总结得出如下结论：

(1) 随着增压泵进口压力的增加，出口压力的减少，系统净输出功和热效率逐渐升高，淡水产量也不断升高；

(2) 在泵腔压力相同的情况下，可以通过增加排除管长度和减少排出管直径增加排出管端液体输出压力；

(3) 假定增压泵内气体流动为绝热模型，对整个海水淡化系统进行热力学分析，分析了不同参数的改变对系统净输出功及热效率的影响，整个系统可以正常运行，满足设计要求。