有機朗肯循環驅動反滲透海水淡化系統設計研究

耿冬寒， 王松賀， 陳 睿

(天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387)

引言

淡水資源短缺已經成為全世界都需要面對的問題，解決缺水地區淡水資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為反滲透法、多級閃蒸法、多效蒸餾法[2-3]。反滲透海水淡化的原理是以外界能量推動海水通過高分子半透膜，從而實現溶液中鹽分和水的分離。目前，在進行反滲透海水淡化的過程中，電驅動是動力來源，電能將在這一過程被大量消耗，如果利用可再生能源或余熱來作為增壓泵[4]的動力進行海水淡化，將會節省大量的電能，節約大量成本。有機工質朗肯循環驅動反滲透海水淡化技術是指將反滲透海水淡化的高壓泵由電驅動改為膨脹機直接驅動，并用聯軸器或皮帶輪進行傳動。MANOLAKOS[5]及其團隊對有機朗肯循環驅動反滲透海水淡化的設計方案進行了研究，采用太陽能熱源[6]和電加熱模擬低溫熱[7]研究了該方案相關參數的變化對系統性能的影響。BOUZAYANI等[8]將膨脹機與反滲透海水淡化系統中的高壓泵用聯軸器連接起來，并對海水淡化系統進行建模計算，提高了淡水產量。馬曉林等[9]采用耦合熱源的窄點溫差法研究帶回熱有機朗肯循環，建立熱力學模型，提出在凝汽器側采用相分離流型調控的傳熱優化方法，并搭建了ORC與RO相耦合的能量需求公式。劉秀龍等[10]以工業廢水為熱源，以海水為冷卻源，研究了海水進水溫度變化、純工質、混合工質比例對淡水產量的影響，以及對整個系統的影響。

在海水淡化過程中，傳統的動力來源是高壓泵，其將電能轉化為機械能將海水壓入反滲透膜中，能量利用率較低。國內外的朗肯循環驅動反滲透海水淡化系統中，利用的是膨脹機驅動高壓泵[11]，其能量傳遞的過程為：熱能→內能→機械能(膨脹機)→電能→機械能→壓力能。為了提高能源利用率以及海水淡化轉化效率，本研究決定采用增壓泵作為海水淡化的動力來源，其能量傳遞過程為：熱能→內能→機械能→壓力能，簡化了傳動鏈，并對系統的能量進行回收[12]，故設計朗肯循環驅動反滲透海水淡化系統。

1 有機朗肯循環驅動反滲透海水淡化模型

1.1 工作原理

如圖1所示，經過蒸發器后有機工質獲得熱量，形成高溫高壓蒸汽；高溫高壓蒸汽通過管路進入到左側增壓泵中的氣壓腔，由于受到蒸汽的作用，增壓泵中的活塞組件向右運動，推動液壓腔中的原海水進入反滲透膜；原海水經過反滲透膜淡化之后，一部分轉化為淡水進行收集，另一部分高壓濃海水則進入到能量回收裝置(本研究的能量回收裝置采用差動正位移式，詳見圖2)，進行能量回收；原海水獲得能量回收裝置提供的能量，并進入到右側增壓泵的液壓腔，右側增壓泵中的活塞組件向右運動，并將氣壓腔中的氣體壓入到冷凝器中，將熱量傳遞給海水，并將其冷凝為液體；工質泵將冷凝器中的液態工質送回蒸發器，至此完成一個循環。兩增壓泵各完成一次單向運動后，2個電磁換向閥會同時換向，此時兩增壓泵中的活塞組件以相反的方向運動，由此保證整個循環過程可以不間斷持續進行。

圖1 有機朗肯循環驅動反滲透海水淡化系統圖

圖2 能量回收裝置工作原理圖

1.2 朗肯循環熱力學分析

圖3為純工質有機朗肯循環T-S圖。為了便于分析，將系統的熱力學模型進行如下假定：

圖3 純工質有機朗肯循環T-S圖

(1) 整個系統處于相對穩定的狀態；

(2) 忽略蒸發器、冷凝器以及管道中的壓降；

(3) 增壓泵的外側由絕熱材料制成，氣體在增壓泵流動的過程視為絕熱過程。

4-1的過程是在蒸發器中有機工質吸收的熱量，見式(1):

Qeva=mr(h1-h4)

(1)

式中，mr——有機工質質量流量

h4，h1——分別為有機工質蒸發器進、出口位置的焓值

1-2的過程是增壓泵對工質做功，見式(2)：

Wexp=mr(h1-h2)

(2)

式中，h2為增壓泵出口工質焓值。

2-3的過程是在冷凝器中有機工質釋放的熱量，見式(3)：

Qcon=mr(h2-h3)

(3)

式中，h3為冷凝器出口工質焓值。

3-4的過程是工質泵對工質做功，見式(4)：

Wp=mr(h4-h3)

(4)

該ORC系統的凈輸出功為式(5)：

(5)

式中，ηt——增壓泵等熵效率

系統循環的熱效率為式(6)：

(6)

2 增壓泵壓力計算

2.1 增壓泵運動學分析

當系統處于穩定工作狀態時，忽略泄漏和壓縮性的影響，輸入反滲透膜的流量基本是恒定的，因此，活塞在大部分行程里的運動速度基本恒定，如果系統是在理想狀態下工作，可假設活塞在整個過程勻速運動。

則增壓泵活塞的運動速度v1為：

(7)

式中,q——增壓泵輸出流量

A1——液壓缸內活塞直徑

活塞在一個行程中的運動學方程如下：

s(t)=v1t

(8)

2.2 增壓泵排出管口壓力計算

泵排出壓力取決于管路特性，可以根據泵裝置的管路特性，建立泵的符合設計要求的排出壓力。

排出口流速的確定：

5G業務指標的達成，依賴承載性能和功能的提升，5G網絡分片的實現，需要與承載網聯動，而滿足5G需求的傳送網需要重構： 5G承載需求發生很大變化，現有傳送網無法直接滿足，或僅能滿足初期小規模業務需求，重構之后的傳送網應能完全滿足5G成熟期的需求。

(9)

式中,A2為排出管直徑。

液體在排出管道過程中存在沿程阻力損失hf2、局部阻力損失hm2等能量損失。這些損失對于排出管道液體壓力計算影響較大，需要將其考慮在內。其計算公式為：

(10)

(11)

式中，l2——排出管長度

g——重力加速度

λ2——排出管的沿程阻力系數

ζ2——排出管局部損失系數

根據能量方程得出泵排水管口壓力p1為：

(12)

式中,pd——排水管口端背景壓力

hd——排水管口端與泵腔軸線距離

ρ——海水密度

2.3 泵腔壓力的計算

泵腔壓力p2可由增壓泵的增壓比及增壓泵進口壓力決定，其計算公式為：

p2=p·k

(13)

式中，p——增壓泵進口壓力

k——增壓比

2.4 增壓泵計算參數

根據海水淡化的產水量，選取美國陶氏化學公司生產的小型海水淡化反滲透元件，其運行壓力為6 MPa，最大給水量為3.6 m3/h。反滲透的基本工藝流程采用一級一段式，能耗較小，根據增壓泵計算過程，計算出研究所需尺寸參數如表1所示。

表1 增壓泵參數

3 能量回收裝置

3.1 能量回收裝置工作原理

在正位移能量回收裝置中，能量只經過“靜壓能-靜壓能”的轉化，傳遞效率較高[13]。圖2為能量回收裝置的能量交換過程。該類型裝置主要由液壓缸、原料側單向閥和鹽水側控制閥3部分構成， 單套裝置采用2個水壓缸交替工作。剛開始液壓缸1的閥門1，6開啟，閥門2，5關閉，高壓鹽水進入液壓缸1推動原料海水進入增壓泵，能量以較高效率直接傳遞給原料海水，該液壓缸內發生了能量回收過程，這就是增壓過程；與此同時，液壓缸2的閥門4，7開啟，閥門3，8關閉，原料海水進入液壓缸2中，將該液壓缸內低壓鹽水推出水壓缸，這就是泄壓過程。為了確保淡化系統穩定運行，高壓鹽水需連續穩定的流動，所以必須要保證任何時間內都有一個水壓缸中在進行增壓過程。為了防止不同料液之間的混合，通常在水壓缸內設置可以自由活動的活塞，有效的減小了鹽水與海水的混合。

3.2 能量回收裝置計算參數

根據整個系統需要，計算出所需尺寸參數，如表2所示。

表2 能量回收裝置參數

4 結果分析

在建立系統熱力學模型的基礎上，以R245fa，R134a，R600，R600a為例，研究增壓泵進口溫度及增壓泵進、出口壓力對系統凈輸出功和熱效率的影響。為了比較分析4種工質在循環過程中的性能，因此循環工況設置為相同。在圖3顯示的循環中設定蒸發壓力為2 MPa，冷凝壓力為0.57 MPa，冷凝溫度為15 ℃，增壓泵等熵效率為80%，工質泵等熵效率為90%，有機工質流量為0.1 kg/s。

從圖4可以看出隨著增壓泵進口溫度的升高，系統凈輸出功逐漸升高，這是由于隨著增壓泵進口溫度的增加，增壓泵所做的功增加，進而系統的凈輸出功增加。R600和R600a的系統凈輸出功高于R245fa和R134a，顯示了烷類工質在做工方面的優越性。在4種工質中，R245fa的系凈輸出功最小，R600a的系統凈輸出功最大。

圖4 增壓泵進口溫度對系統凈輸出功的影響

由圖5可以看出隨著增壓泵入口溫度的升高，R134a的熱效率基本不變，而R245fa，R600，R600a的熱效率降低。其中R245fa的平均循環效率最低，另外3種工質的平均循環效率比較接近。因此，對于本系統，不需要采用很大的過熱度，因為過熱度的提高對循環效率沒有很大的影響。

圖5 增壓泵進口溫度對系統熱效率的影響

從圖6可知，根據總體趨勢，在進口壓力不變的情況下，隨著出口壓力的增加，系統的凈輸出功降低。當出口壓力較低時，凈輸出功降低的較快。當出口壓力逐漸升高，凈輸出功降低的速度也逐漸減慢。不同出口壓力下，4種工質中R600a的凈輸出功最大，R245fa的凈輸出功最小。R600和R600a的凈輸出功大于另外兩種工質，且凈輸出功減少的速度也比較快，烷類工質的凈輸出功大于HFC類工質，顯示了烷類工質在朗肯循環系統的優勢。

圖6 增壓泵出口壓力對系統凈輸出功的影響

從圖7可以看出隨著輸出壓力的增加，系統的熱效率減少，且在同一出口壓力下，R245fa的熱效率要低于其余3種，而其余3種的熱效率相差不大。

圖7 增壓泵輸出壓力對系統熱效率的影響

由圖8可以看出，在出口壓力不變的情況下，隨著進口壓力的增加，系統的凈輸出功不斷升高，在同等壓力下，烷類工質的輸出功比HFC類工質要大，且其輸出功增加速度也比HFC類工質快。其中，R600的輸出功最大，R245fa的輸出功最小。

圖8 增壓泵進口壓力對系統凈輸出功的影響

由圖9可以看出，隨著增壓泵進口壓力的增加，各工質的系統熱效率隨之增加，且增加的趨勢大體相同，都是逐漸變慢，且熱效率相差不大。

圖9 增壓泵進口壓力對系統熱效率的影響

5 結論

本研究以工業廢水為熱源，以海水為冷源，利用有機朗肯循環中蒸發器排出的氣體推動增壓泵，將海水壓入反滲透膜，進行海水淡化，簡化了傳動鏈。從增壓泵出來的有機工質進入冷凝器中，被冷凝器中的海水冷卻，并吸收其的熱量，進而提高整個系統的效率。本研究分析了不同純工質在不同參數變化下對系統性能的影響，總結得出如下結論：

(1) 隨著增壓泵進口壓力的增加，出口壓力的減少，系統凈輸出功和熱效率逐漸升高，淡水產量也不斷升高；

(2) 在泵腔壓力相同的情況下，可以通過增加排除管長度和減少排出管直徑增加排出管端液體輸出壓力；

(3) 假定增壓泵內氣體流動為絕熱模型，對整個海水淡化系統進行熱力學分析，分析了不同參數的改變對系統凈輸出功及熱效率的影響，整個系統可以正常運行，滿足設計要求。