耿冬寒

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

基于余熱利用的反滲透淡化熱機(jī)及其效率

耿冬寒

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

提出一種利用低品位余熱驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的方法，以實(shí)現(xiàn)將低品位熱能轉(zhuǎn)換成為可驅(qū)動(dòng)海水反滲透的機(jī)械能.對(duì)低品位余熱驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的機(jī)理進(jìn)行分析并建立系統(tǒng)的工藝模型，研究溫敏淡化熱機(jī)工作周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模式，并基于溫熵圖分析工質(zhì)的熱力循環(huán)過程.理論分析溫敏淡化熱機(jī)的能量傳遞和分配過程，建立基于顯熱法和焓差法的熱機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式.結(jié)果表明：以R143a為溫敏工質(zhì)的熱機(jī)效率為13.6%，該方法拓展了反滲透淡化驅(qū)動(dòng)方式，為其應(yīng)用于太陽能、地?zé)帷⒐I(yè)余熱在內(nèi)的能源梯級(jí)利用系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ).

反滲透淡化；低品位余熱；溫敏淡化熱機(jī)；余熱利用效率

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，淡水的需求量急劇增加.為了增大淡水的供應(yīng)，主要途徑就是就近進(jìn)行海水或苦咸水的淡化.回顧世界淡化的發(fā)展歷程，設(shè)備投資和能源價(jià)格始終是影響淡化產(chǎn)水成本的兩項(xiàng)重要因素.隨著制造和裝備技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備投資已經(jīng)得到了顯著的降低，但由于化石燃料價(jià)格的增加，將會(huì)抵消或超出其它因素所導(dǎo)致淡化成本的下降，從而降低了淡化技術(shù)的競爭力[1-2].在能源日趨緊張的將來，海水淡化所需的能源將成為研究重點(diǎn)[3-6].在海水淡化的技術(shù)領(lǐng)域中，反滲透法目前已成為海水淡化的主流工藝之一[7-9].其原理是以外界能量推動(dòng)海水通過高分子薄膜從而實(shí)現(xiàn)將溶液中的鹽分和水分離的過程.盡管該過程工藝固有能耗較少，而且淡化后濃海水中的液壓能還可實(shí)現(xiàn)能量回收，但用以驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的動(dòng)力源一般為高壓泵，必須通過消耗電能轉(zhuǎn)化為泵的機(jī)械能之后，才能推動(dòng)海水完成脫鹽過程.因此，在反滲透淡化工藝中，大量廉價(jià)的低品位熱能一般只能用于預(yù)熱海水以提高反滲透性能，而無法成為驅(qū)動(dòng)該工藝的動(dòng)力能源.基于上述分析，本文提出一種將低品位熱能用于驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的方法，對(duì)其工作原理、系統(tǒng)組成、工質(zhì)循環(huán)及熱機(jī)效率進(jìn)行了初步研究.

1 基于余熱利用的反滲透淡化系統(tǒng)

基于余熱利用的反滲透淡化系統(tǒng)如圖1所示，其工作原理是:利用低品位熱流體來加熱溫敏工質(zhì)使其蒸發(fā)膨脹，再通過反滲透工藝中的海水給水將其冷凝收縮，同時(shí)配合溫敏熱機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，形成活塞式的機(jī)械往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)海水克服反滲透膜阻力實(shí)施淡化，實(shí)現(xiàn)將低品位熱能轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)海水反滲透的機(jī)械能.

圖1 基于低品位熱能驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of reverse osmosis desalination system driving by low grade heat

2 溫敏熱機(jī)的熱力循環(huán)

2.1 溫敏熱機(jī)工作流程

為實(shí)現(xiàn)反滲透淡化裝置連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)水，需多臺(tái)溫差熱機(jī)組群交替運(yùn)行.考慮到所有的溫敏熱機(jī)運(yùn)動(dòng)及控制模式相同，只分析單個(gè)溫敏熱機(jī)的工作流程.單機(jī)工作循環(huán)過程如圖2所示.

圖2 溫敏熱機(jī)運(yùn)動(dòng)周期Fig.2 M otion cycle of thermo engine

換熱器中充有熱力循環(huán)工質(zhì)，作為蒸發(fā)器和冷凝器，使熱力工質(zhì)在其中吸熱蒸發(fā)和放熱冷凝.初始時(shí)刻，工質(zhì)完全處于液相狀態(tài)，開啟低品位熱流進(jìn)液閥A及排液閥B，工質(zhì)吸收低品位熱流的熱量，達(dá)到相變溫度；繼續(xù)吸熱，發(fā)生液-氣相變，容器壓力增大，順序閥E開啟，工質(zhì)膨脹做功，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，提供海水進(jìn)入反滲透膜組件的壓力，直至工質(zhì)全部變?yōu)闅鈶B(tài)，吸熱過程結(jié)束.開啟原料海水進(jìn)液閥C及排液閥D，工質(zhì)與來流海水交換熱量，受到原料海水的冷卻而凝結(jié)，發(fā)生氣-液相變，同時(shí)體積收縮，容器內(nèi)部壓力下降，開啟換向閥F，活塞向下運(yùn)動(dòng)，直至工質(zhì)全部液化.同時(shí)，在此過程中，原料海水吸收熱量被預(yù)熱，溫度升高，以提高反滲透海水淡化效率.至此，溫敏熱機(jī)完成一個(gè)完整的工作循環(huán).

2.2 溫敏工質(zhì)的熱力循環(huán)[10]

理想溫敏淡化熱機(jī)的工質(zhì)熱力循環(huán)如圖3所示，包含如下4個(gè)過程:飽和加熱過程（1）、等壓膨脹過程（2）、等容冷卻過程（3）和等溫壓縮過程（4）.吸熱過程被分為飽和吸熱和等壓膨脹2個(gè)部分.

圖3 循環(huán)工質(zhì)溫熵圖Fig.3 Tephigram of working medium

（1）第1過程中，隨著容器吸熱量的增加，容器內(nèi)工質(zhì)溫度和壓力都會(huì)上升，直至容器內(nèi)壓力升高到足以克服順序閥開啟壓力.

（2）第2過程中，工質(zhì)的溫度和壓力保持恒定，容器吸收的熱量用于工質(zhì)相變，直至液態(tài)工質(zhì)全部蒸發(fā)汽化，并推動(dòng)活塞做功.此后繼續(xù)加熱底部容器，容器內(nèi)飽和氣態(tài)工質(zhì)受熱變成過熱蒸汽，容器內(nèi)溫度和壓力繼續(xù)上升，可通過監(jiān)測容器內(nèi)工質(zhì)溫度和壓力的變化曲線判斷熱機(jī)完成一個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間，判定為最佳加熱時(shí)間.

（3）第3過程中，氣態(tài)工質(zhì)與原料海水換熱冷卻，容器內(nèi)部溫度和壓力下降，氣態(tài)工質(zhì)被冷凝為液態(tài).

（4）第4過程中，容器內(nèi)部保持溫度不變，活塞向下運(yùn)動(dòng)，直至容器回復(fù)至初始時(shí)刻容積.

3 熱力工質(zhì)的選用

在將低品位熱能用于反滲透淡化的系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換是以工質(zhì)的流動(dòng)以及狀態(tài)的改變來實(shí)現(xiàn)的，工質(zhì)是能量的載體.該系統(tǒng)中，循環(huán)工質(zhì)[11-14]的選擇應(yīng)遵循以下原則.

（1）熱力學(xué)性質(zhì)方面:①沸點(diǎn)不宜過高，在柴油機(jī)冷凝水和原料海水溫度之間，易揮發(fā)；②工質(zhì)焓降大，以提高工質(zhì)單位流量所做的功，節(jié)省工質(zhì)循環(huán)量.

（2）遷移性質(zhì)方面:①粘度小，以具有良好的流動(dòng)性；②導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱性能好，以提高換熱器的傳熱系數(shù)，加快換熱速度.

（3）物理化學(xué)性質(zhì)方面:①不易燃燒和爆炸，使用安全；②在要求的工作范圍內(nèi)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，保證工質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝的循環(huán)過程中不分解，不變質(zhì)；③不腐蝕容器；④對(duì)大氣環(huán)境無破壞.

4 溫敏淡化熱機(jī)熱力效率

低品位熱能驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量流如圖4所示.

圖4 溫敏淡化熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig.4 Energy conversion of desalination thermo engine

對(duì)于具有n個(gè)溫敏熱機(jī)組成的反滲透淡化系統(tǒng)而言，其溫敏熱機(jī)要依次循環(huán)動(dòng)作，推動(dòng)活塞做功.考慮到所有的溫敏熱機(jī)內(nèi)進(jìn)行的熱力循環(huán)相同，忽略容器體積和工質(zhì)填充量的差異的情況下，只取一個(gè)熱機(jī)內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)過程加以分析.

對(duì)于該基于余熱利用的反滲透淡化系統(tǒng)，溫敏熱機(jī)的熱效率反映的是工質(zhì)從廢熱中吸收的熱量轉(zhuǎn)化為功的程度，而從整個(gè)反滲透淡化效果看，這不僅取決于溫敏熱機(jī)所做的機(jī)械功的大小，還和海水預(yù)熱程度有關(guān).整個(gè)熱力系統(tǒng)的總效率定義為得到的收益除以付出的代價(jià).該系統(tǒng)中，預(yù)熱海水的能量通過海水和高溫工質(zhì)熱交換獲得，即來源于低品味熱能，故總收益為海水壓力能與預(yù)熱海水的熱量之和.

本文將從溫敏熱機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換及余熱回收效率兩方面來分析理想條件，即不考慮系統(tǒng)中的不可逆能量損失的能源利用效率.

4.1 溫敏熱機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率計(jì)算

該溫敏熱機(jī)的熱力循環(huán)分為4個(gè)過程，但溫敏工質(zhì)的吸熱只發(fā)生在前兩個(gè)過程.

在飽和加熱過程中，工質(zhì)溫度從T1被加熱到T2，其吸收的熱量Q1可以表示為:

式中:ρ1為液態(tài)工質(zhì)密度（kg·m3）；V為液態(tài)工質(zhì)體積（m3）；cv，l為液態(tài)工質(zhì)的等容熱容（J/（kg·K））；ΔT1，2為吸熱前后的溫差（K）.

吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為工質(zhì)內(nèi)能，Q1也可表示為:

式中:ul，2為液態(tài)工質(zhì)在溫度T2時(shí)的比內(nèi)能（J/kg）；ul，1為液態(tài)工質(zhì)在溫度T1時(shí)的比內(nèi)能（J/kg）.

在定壓膨脹過程中，工質(zhì)繼續(xù)吸熱.該過程吸收熱量為:

式中:ρv，2為氣態(tài)工質(zhì)在溫度T2時(shí)的密度（kg/m3）.

根據(jù)相變理論，相變潛熱包含兩部分熱量:物質(zhì)內(nèi)能的增加和克服外力所做的膨脹功.在溫敏熱機(jī)的結(jié)構(gòu)模型中，當(dāng)液態(tài)工質(zhì)在溫度為T2、壓力為p的條件下等溫蒸發(fā)，其蒸發(fā)潛熱ΔH可表示為:

其中，輸出的機(jī)械功Wuseful為

溫敏熱機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率ηw為

式（7）中，因分母中第一項(xiàng)為顯熱吸熱，該計(jì)算公式為顯熱法表示的溫敏熱機(jī)的熱工效率公式.

顯熱法表示的溫敏熱機(jī)的熱工效率公式中，大部分參數(shù)都是某一溫度下對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)，取值唯一，只有熱容除外，它可以取溫差范圍內(nèi)的平均值，但會(huì)隨著溫差的變化而變化.熱容與內(nèi)能變化量有關(guān)，采用焓差法則可以消去熱容參數(shù)，使計(jì)算更為方便.

式中:hl，2為液態(tài)工質(zhì)在溫度為T2時(shí)的比焓（J/kg）；hl，1為液態(tài)工質(zhì)在溫度為T1時(shí)的比焓（J/kg）；hv，2為氣態(tài)工質(zhì)在溫度為T2時(shí)的比焓（J/kg）.

熱機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率公式可以改寫為

式（9）為基于焓差法的溫敏淡化熱機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率公式，用焓差法計(jì)算熱功效率，只需考慮循環(huán)過程結(jié)束和開始時(shí)的狀態(tài)，無需考慮中間變化過程.

反滲透淡化系統(tǒng)中，保持水通量恒定的條件下，膜元件的工作壓力隨給水溫度的升高而呈負(fù)指數(shù)下降，系統(tǒng)消耗功率相應(yīng)下降；而膜元件的透鹽率隨給水溫度的升高呈負(fù)指數(shù)上升，故給水溫度的選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)能耗和產(chǎn)水水質(zhì)[15-16].本文研究的溫敏熱機(jī)中，原料海水作為冷源，與工質(zhì)換熱，使其冷卻，同時(shí)海水被預(yù)熱，溫度升高至最佳反滲透溫度.

4.2 實(shí)例分析

本文選用R143a作為溫敏工質(zhì)，基于REFPROP9.0軟件，得到工質(zhì)在指定工況下的物性參數(shù)，采用Matlab2010b建立工質(zhì)熱力學(xué)模型，膜組采用DOW的SW30ULE-400i組件.

系統(tǒng)給定參數(shù)為:熱源溫度為80℃，冷源為原料海水，其入口溫度為20℃，出口溫度為30℃；工質(zhì)蒸發(fā)壓力為2 MPa，通過氣液增壓缸達(dá)到反滲透系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)壓力.基于4.1提出數(shù)學(xué)模型分析溫敏熱機(jī)效率，得到系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)換效率為:ηw=13.6%

4.3 循環(huán)過程中的不可逆損失

上述關(guān)于熱力效率的計(jì)算均為理想條件下，不考慮系統(tǒng)存在的熱量損失及機(jī)械能損失.實(shí)際該熱力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，存在3種不可逆損失:①換熱器外部損失，是指換熱器出口溫度高于環(huán)境溫度，這部分能量直接排放到環(huán)境中所帶來的不可逆損失；②換熱器內(nèi)部損失，是指換熱器內(nèi)部換熱，由于存在換熱溫差而產(chǎn)生的不可逆損失；③循環(huán)內(nèi)部損失，主要是循環(huán)內(nèi)部如液體管道流動(dòng)引起的沿程或局部壓力損失，以及部件運(yùn)動(dòng)引起的機(jī)械能損失.因此該系統(tǒng)的熱力效率將小于實(shí)際計(jì)算結(jié)果.

5 結(jié)束語

本文提出了一種利用低品位余熱驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的方法，以實(shí)現(xiàn)將低品位熱能轉(zhuǎn)換成為可驅(qū)動(dòng)海水反滲透的機(jī)械能，并從以下幾方面進(jìn)行了初步研究.

（1）基于對(duì)低品位余熱驅(qū)動(dòng)反滲透淡化的原理分析，建立了系統(tǒng)的工藝模型.

（2）研究了溫敏淡化熱機(jī)工作周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模式，基于溫熵圖分析了工質(zhì)的熱力循環(huán)過程.

（3）從理論上分析溫敏淡化熱機(jī)的能量傳遞和分配過程，建立了基于顯熱法和焓差法的熱機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式；并基于理論模型，分析了以R143a為溫敏工質(zhì)的熱機(jī)效率.

本文通過面向反滲透海水淡化的低品位熱能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初步研究，旨在拓展反滲透淡化的驅(qū)動(dòng)方式和應(yīng)用領(lǐng)域，為日后實(shí)現(xiàn)將反滲透淡化應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、分布式動(dòng)力裝置以及可再生能源在內(nèi)的能源梯級(jí)利用系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).

[1]WADE N M.Energy and cost allocation in dual-purpose power and desalination plants[J].Desalination，1999，123（2/3）:115-125.

[2]VEERAPANANI S，LONG B，F(xiàn)REEMAN S，et al.Reducing energy consumption for seawater desalination[J].JAWWA，2007，99:95-106.

[3]MATHIOULAKIS E，BELESSIONTIS V，DELYANNIS E.Desalination by using alternative energy:Review and state of the art[J].Desalination，2007，203（1/2/3）:346-365.

[4]GARCIA Rodriguez L.Renewable energy applications in desalination:State of the art[J].Solar Energy，2003，75（5）:381-393.

[5]CATHERINE Charcosset.A review of membrane processes and renewable energies for desalination[J].Desalination，2009，245:214-231.

[6]GAVIN L Park，ANDREA I Sch?fer，BRYCE S Richards.Renewable energy powered membrane technology:The effect of wind speed fluctuations on the performance of a wind-powered membrane system for brackish water desalination[J].Journal of Membrane Science，2011，370:34-44.

[7]解利昕，李憑力，王世昌.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及各種淡化方法評(píng)述[J].化工進(jìn)展，2003，22（10）:1081-1084.

[8]GREENLEE L，LAWLER D，F(xiàn)REEMAN B，et al.Reverse osmosis desalination:Water sources，technology，and today′s challenges[J].Water Research，2009，43（9）:2317-2348.

[9]MANOLAKOS D，KOSMADAKIS G，KYRITSIS S，et al.On site experimental evaluation of a low-temperature solar organic Rankine cycle system for RO desalination[J].Solar Energy，2009，34（11）:646-656.

[10]ANDERSEN W C，BRUNO T J.Rapid screening of fluids for chemical stability in organic Rankine cycle applications[J]. Industrial and Engineering Chemistry，2005，44（15）:5560-5566.

[11]ANDREASEN J G，LARSEN U，KNODSEN T.Selection and optimization of pure and mixed working fluids for low grade heat utilization using organic Rankine cycles[J].Energy，2014，73（8）:204-213.

[12]TCHANCHE B F，PAPADAKIS G，LOMBRINES G，et al.Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle[J].Applied Thermal Engineering，2009，29（11/12）:2468-2476.

[13]SALEH B，KOGLBAUER G，WENDLAND M，et al.Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles[J].Energy，2007，32（7）:1210-1221.

[14]PAPADOPOULOS Athanasios I，STIJEPOVICM Irko，LINKE Patrick，et al.Toward optimum working fluid mixtures for organic Rankine cycles using molecular design and sensitivity analysis[J].Industial Engineering Chemtry Research，2013，52: 12116-12133.

[15]靖大為.反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[16]LI Chennan，BESARATI Saeb，GOSWAMI Yogi，et al.Reverse osmosis desalination driven by low temperature supercriticalorganic Rankine cycle[J].Applied Energy，2013，102:1071-1080.

Reverse osmosis desalination thermo engine with waste heat and its utilization efficiency

GENG Dong-han
（School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A method of reverse osmosis desalination based on the power from low grade heat is put forward to achieve the conversion from low grade heat to mechanical energy.Firstly，the driving mechanism of reverse osmosis desalination by low grade heat is analyzed，based on which，system model is established.Then，the motion mode of thermo engine is discussed，and thermodynamic circle of working medium is analyzed based on tephigram. Finally，the energy transformation and allocation of thermo engine is theoretically analyzed，and the calculation formulas of thermo conversion efficiency based on sensible heat method and enthalpy potential method are constructed respectively.The result shows that the efficiency of thermo engine with working fluid R143a is 13.6%.This method extends the driving modes of reverse osmosis desalination，and provides technology support for cascade utilization of energy including solar energy，geothermal energy and industrial waste heat.

reverse osmosis desalination；low grade heat energy；desalination thermo engine；waste heat utilization efficiency

TK115

A

1671－024X（2015）04－0076－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.016

2015-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205288）

耿冬寒（1981—），女，博士，講師，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制.E-mail:fisherw@163.com