耿冬寒， 王松賀， 陳 睿

(天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 天津 300387)

引言

淡水資源短缺已經(jīng)成為全世界都需要面對的問題，解決缺水地區(qū)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(xiàn)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(qū)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(jié)省大量的電能，節(jié)約大量成本。有機工質(zhì)朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化技術(shù)是指將反滲透海水淡化的高壓泵由電驅(qū)動改為膨脹機直接驅(qū)動，并用聯(lián)軸器或皮帶輪進行傳動。MANOLAKOS[5]及其團隊對有機朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化的設(shè)計方案進行了研究，采用太陽能熱源[6]和電加熱模擬低溫?zé)醄7]研究了該方案相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響。BOUZAYANI等[8]將膨脹機與反滲透海水淡化系統(tǒng)中的高壓泵用聯(lián)軸器連接起來，并對海水淡化系統(tǒng)進行建模計算，提高了淡水產(chǎn)量。馬曉林等[9]采用耦合熱源的窄點溫差法研究帶回?zé)嵊袡C朗肯循環(huán)，建立熱力學(xué)模型，提出在凝汽器側(cè)采用相分離流型調(diào)控的傳熱優(yōu)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(yè)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(zhì)、混合工質(zhì)比例對淡水產(chǎn)量的影響，以及對整個系統(tǒng)的影響。

在海水淡化過程中，傳統(tǒng)的動力來源是高壓泵，其將電能轉(zhuǎn)化為機械能將海水壓入反滲透膜中，能量利用率較低。國內(nèi)外的朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化系統(tǒng)中，利用的是膨脹機驅(qū)動高壓泵[11]，其能量傳遞的過程為：熱能→內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)能→機械能→壓力能，簡化了傳動鏈，并對系統(tǒng)的能量進行回收[12]，故設(shè)計朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化系統(tǒng)。

1 有機朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化模型

1.1 工作原理

如圖1所示，經(jīng)過蒸發(fā)器后有機工質(zhì)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(cè)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(jīng)過反滲透膜淡化之后，一部分轉(zhuǎn)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(cè)增壓泵的液壓腔，右側(cè)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(zhì)泵將冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)送回蒸發(fā)器，至此完成一個循環(huán)。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(huán)過程可以不間斷持續(xù)進行。

圖1 有機朗肯循環(huán)驅(qū)動反滲透海水淡化系統(tǒng)圖

圖2 能量回收裝置工作原理圖

1.2 朗肯循環(huán)熱力學(xué)分析

圖3為純工質(zhì)有機朗肯循環(huán)T-S圖。為了便于分析，將系統(tǒng)的熱力學(xué)模型進行如下假定：

圖3 純工質(zhì)有機朗肯循環(huán)T-S圖

(1) 整個系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；

(2) 忽略蒸發(fā)器、冷凝器以及管道中的壓降；

(3) 增壓泵的外側(cè)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(fā)器中有機工質(zhì)吸收的熱量，見式(1):

Qeva=mr(h1-h4)

(1)

式中，mr——有機工質(zhì)質(zhì)量流量

h4，h1——分別為有機工質(zhì)蒸發(fā)器進、出口位置的焓值

1-2的過程是增壓泵對工質(zhì)做功，見式(2)：

Wexp=mr(h1-h2)

(2)

式中，h2為增壓泵出口工質(zhì)焓值。

2-3的過程是在冷凝器中有機工質(zhì)釋放的熱量，見式(3)：

Qcon=mr(h2-h3)

(3)

式中，h3為冷凝器出口工質(zhì)焓值。

3-4的過程是工質(zhì)泵對工質(zhì)做功，見式(4)：

Wp=mr(h4-h3)

(4)

該ORC系統(tǒng)的凈輸出功為式(5)：

(5)

式中，ηt——增壓泵等熵效率

系統(tǒng)循環(huán)的熱效率為式(6)：

(6)

2 增壓泵壓力計算

2.1 增壓泵運動學(xué)分析

當系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)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(tǒng)是在理想狀態(tài)下工作，可假設(shè)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(nèi)活塞直徑

活塞在一個行程中的運動學(xué)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(jù)泵裝置的管路特性，建立泵的符合設(shè)計要求的排出壓力。

排出口流速的確定：

5G業(yè)務(wù)指標的達成，依賴承載性能和功能的提升，5G網(wǎng)絡(luò)分片的實現(xiàn)，需要與承載網(wǎng)聯(lián)動，而滿足5G需求的傳送網(wǎng)需要重構(gòu)： 5G承載需求發(fā)生很大變化，現(xiàn)有傳送網(wǎng)無法直接滿足，或僅能滿足初期小規(guī)模業(yè)務(wù)需求，重構(gòu)之后的傳送網(wǎng)應(yīng)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(nèi)。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(shù)

ζ2——排出管局部損失系數(shù)

根據(jù)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(shù)

根據(jù)海水淡化的產(chǎn)水量，選取美國陶氏化學(xué)公司生產(chǎn)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(jù)增壓泵計算過程，計算出研究所需尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 增壓泵參數(shù)

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(jīng)過“靜壓能-靜壓能”的轉(zhuǎn)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(cè)單向閥和鹽水側(cè)控制閥3部分構(gòu)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(guān)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(nèi)發(fā)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(guān)閉，原料海水進入液壓缸2中，將該液壓缸內(nèi)低壓鹽水推出水壓缸，這就是泄壓過程。為了確保淡化系統(tǒng)穩(wěn)定運行，高壓鹽水需連續(xù)穩(wěn)定的流動，所以必須要保證任何時間內(nèi)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(nèi)設(shè)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(shù)

根據(jù)整個系統(tǒng)需要，計算出所需尺寸參數(shù)，如表2所示。

表2 能量回收裝置參數(shù)

4 結(jié)果分析

在建立系統(tǒng)熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)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(tǒng)凈輸出功和熱效率的影響。為了比較分析4種工質(zhì)在循環(huán)過程中的性能，因此循環(huán)工況設(shè)置為相同。在圖3顯示的循環(huán)中設(shè)定蒸發(fā)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(zhì)泵等熵效率為90%，有機工質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)的凈輸出功增加。R600和R600a的系統(tǒng)凈輸出功高于R245fa和R134a，顯示了烷類工質(zhì)在做工方面的優(yōu)越性。在4種工質(zhì)中，R245fa的系凈輸出功最小，R600a的系統(tǒng)凈輸出功最大。

圖4 增壓泵進口溫度對系統(tǒng)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(huán)效率最低，另外3種工質(zhì)的平均循環(huán)效率比較接近。因此，對于本系統(tǒng)，不需要采用很大的過熱度，因為過熱度的提高對循環(huán)效率沒有很大的影響。

圖5 增壓泵進口溫度對系統(tǒng)熱效率的影響

從圖6可知，根據(jù)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(tǒng)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(zhì)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(zhì)，且凈輸出功減少的速度也比較快，烷類工質(zhì)的凈輸出功大于HFC類工質(zhì)，顯示了烷類工質(zhì)在朗肯循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖6 增壓泵出口壓力對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的凈輸出功不斷升高，在同等壓力下，烷類工質(zhì)的輸出功比HFC類工質(zhì)要大，且其輸出功增加速度也比HFC類工質(zhì)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(tǒng)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(zhì)的系統(tǒng)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(tǒng)熱效率的影響

5 結(jié)論

本研究以工業(yè)廢水為熱源，以海水為冷源，利用有機朗肯循環(huán)中蒸發(fā)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(zhì)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(tǒng)的效率。本研究分析了不同純工質(zhì)在不同參數(shù)變化下對系統(tǒng)性能的影響，總結(jié)得出如下結(jié)論：

(1) 隨著增壓泵進口壓力的增加，出口壓力的減少，系統(tǒng)凈輸出功和熱效率逐漸升高，淡水產(chǎn)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(nèi)氣體流動為絕熱模型，對整個海水淡化系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析，分析了不同參數(shù)的改變對系統(tǒng)凈輸出功及熱效率的影響，整個系統(tǒng)可以正常運行，滿足設(shè)計要求。