基于余热利用的反渗透淡化热机及其效率

耿冬寒

（天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

基于余热利用的反渗透淡化热机及其效率

耿冬寒

（天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

提出一种利用低品位余热驱动反渗透淡化的方法，以实现将低品位热能转换成为可驱动海水反渗透的机械能.对低品位余热驱动反渗透淡化的机理进行分析并建立系统的工艺模型，研究温敏淡化热机工作周期内的运动模式，并基于温熵图分析工质的热力循环过程.理论分析温敏淡化热机的能量传递和分配过程，建立基于显热法和焓差法的热机热功转换效率的计算公式.结果表明：以R143a为温敏工质的热机效率为13.6%，该方法拓展了反渗透淡化驱动方式，为其应用于太阳能、地热、工业余热在内的能源梯级利用系统奠定了基础.

反渗透淡化；低品位余热；温敏淡化热机；余热利用效率

随着现代工业的迅速发展，淡水的需求量急剧增加.为了增大淡水的供应，主要途径就是就近进行海水或苦咸水的淡化.回顾世界淡化的发展历程，设备投资和能源价格始终是影响淡化产水成本的两项重要因素.随着制造和装备技术的发展，设备投资已经得到了显著的降低，但由于化石燃料价格的增加，将会抵消或超出其它因素所导致淡化成本的下降，从而降低了淡化技术的竞争力[1-2].在能源日趋紧张的将来，海水淡化所需的能源将成为研究重点[3-6].在海水淡化的技术领域中，反渗透法目前已成为海水淡化的主流工艺之一[7-9].其原理是以外界能量推动海水通过高分子薄膜从而实现将溶液中的盐分和水分离的过程.尽管该过程工艺固有能耗较少，而且淡化后浓海水中的液压能还可实现能量回收，但用以驱动反渗透淡化的动力源一般为高压泵，必须通过消耗电能转化为泵的机械能之后，才能推动海水完成脱盐过程.因此，在反渗透淡化工艺中，大量廉价的低品位热能一般只能用于预热海水以提高反渗透性能，而无法成为驱动该工艺的动力能源.基于上述分析，本文提出一种将低品位热能用于驱动反渗透淡化的方法，对其工作原理、系统组成、工质循环及热机效率进行了初步研究.

1 基于余热利用的反渗透淡化系统

基于余热利用的反渗透淡化系统如图1所示，其工作原理是:利用低品位热流体来加热温敏工质使其蒸发膨胀，再通过反渗透工艺中的海水给水将其冷凝收缩，同时配合温敏热机的驱动机构，形成活塞式的机械往复运动，以驱动海水克服反渗透膜阻力实施淡化，实现将低品位热能转换为可驱动海水反渗透的机械能.

图1 基于低品位热能驱动的反渗透海水淡化系统示意图Fig.1 Diagram of reverse osmosis desalination system driving by low grade heat

2 温敏热机的热力循环

2.1 温敏热机工作流程

为实现反渗透淡化装置连续稳定产水，需多台温差热机组群交替运行.考虑到所有的温敏热机运动及控制模式相同，只分析单个温敏热机的工作流程.单机工作循环过程如图2所示.

图2 温敏热机运动周期Fig.2 M otion cycle of thermo engine

换热器中充有热力循环工质，作为蒸发器和冷凝器，使热力工质在其中吸热蒸发和放热冷凝.初始时刻，工质完全处于液相状态，开启低品位热流进液阀A及排液阀B，工质吸收低品位热流的热量，达到相变温度；继续吸热，发生液-气相变，容器压力增大，顺序阀E开启，工质膨胀做功，推动活塞向上运动，提供海水进入反渗透膜组件的压力，直至工质全部变为气态，吸热过程结束.开启原料海水进液阀C及排液阀D，工质与来流海水交换热量，受到原料海水的冷却而凝结，发生气-液相变，同时体积收缩，容器内部压力下降，开启换向阀F，活塞向下运动，直至工质全部液化.同时，在此过程中，原料海水吸收热量被预热，温度升高，以提高反渗透海水淡化效率.至此，温敏热机完成一个完整的工作循环.

2.2 温敏工质的热力循环[10]

理想温敏淡化热机的工质热力循环如图3所示，包含如下4个过程:饱和加热过程（1）、等压膨胀过程（2）、等容冷却过程（3）和等温压缩过程（4）.吸热过程被分为饱和吸热和等压膨胀2个部分.

图3 循环工质温熵图Fig.3 Tephigram of working medium

（1）第1过程中，随着容器吸热量的增加，容器内工质温度和压力都会上升，直至容器内压力升高到足以克服顺序阀开启压力.

（2）第2过程中，工质的温度和压力保持恒定，容器吸收的热量用于工质相变，直至液态工质全部蒸发汽化，并推动活塞做功.此后继续加热底部容器，容器内饱和气态工质受热变成过热蒸汽，容器内温度和压力继续上升，可通过监测容器内工质温度和压力的变化曲线判断热机完成一个循环所需的时间，判定为最佳加热时间.

（3）第3过程中，气态工质与原料海水换热冷却，容器内部温度和压力下降，气态工质被冷凝为液态.

（4）第4过程中，容器内部保持温度不变，活塞向下运动，直至容器回复至初始时刻容积.

3 热力工质的选用

在将低品位热能用于反渗透淡化的系统中，能量转换是以工质的流动以及状态的改变来实现的，工质是能量的载体.该系统中，循环工质[11-14]的选择应遵循以下原则.

（1）热力学性质方面:①沸点不宜过高，在柴油机冷凝水和原料海水温度之间，易挥发；②工质焓降大，以提高工质单位流量所做的功，节省工质循环量.

（2）迁移性质方面:①粘度小，以具有良好的流动性；②导热系数大，传热性能好，以提高换热器的传热系数，加快换热速度.

（3）物理化学性质方面:①不易燃烧和爆炸，使用安全；②在要求的工作范围内化学稳定性和热稳定性好，保证工质在蒸发和冷凝的循环过程中不分解，不变质；③不腐蚀容器；④对大气环境无破坏.

4 温敏淡化热机热力效率

低品位热能驱动反渗透海水淡化系统的能量流如图4所示.

图4 温敏淡化热机能量转化示意图Fig.4 Energy conversion of desalination thermo engine

对于具有n个温敏热机组成的反渗透淡化系统而言，其温敏热机要依次循环动作，推动活塞做功.考虑到所有的温敏热机内进行的热力循环相同，忽略容器体积和工质填充量的差异的情况下，只取一个热机内工质的循环过程加以分析.

对于该基于余热利用的反渗透淡化系统，温敏热机的热效率反映的是工质从废热中吸收的热量转化为功的程度，而从整个反渗透淡化效果看，这不仅取决于温敏热机所做的机械功的大小，还和海水预热程度有关.整个热力系统的总效率定义为得到的收益除以付出的代价.该系统中，预热海水的能量通过海水和高温工质热交换获得，即来源于低品味热能，故总收益为海水压力能与预热海水的热量之和.

本文将从温敏热机的热功转换及余热回收效率两方面来分析理想条件，即不考虑系统中的不可逆能量损失的能源利用效率.

4.1 温敏热机热功转换效率计算

该温敏热机的热力循环分为4个过程，但温敏工质的吸热只发生在前两个过程.

在饱和加热过程中，工质温度从T1被加热到T2，其吸收的热量Q1可以表示为:

式中:ρ1为液态工质密度（kg·m3）；V为液态工质体积（m3）；cv，l为液态工质的等容热容（J/（kg·K））；ΔT1，2为吸热前后的温差（K）.

吸收的热量全部转化为工质内能，Q1也可表示为:

式中:ul，2为液态工质在温度T2时的比内能（J/kg）；ul，1为液态工质在温度T1时的比内能（J/kg）.

在定压膨胀过程中，工质继续吸热.该过程吸收热量为:

式中:ρv，2为气态工质在温度T2时的密度（kg/m3）.

根据相变理论，相变潜热包含两部分热量:物质内能的增加和克服外力所做的膨胀功.在温敏热机的结构模型中，当液态工质在温度为T2、压力为p的条件下等温蒸发，其蒸发潜热ΔH可表示为:

其中，输出的机械功Wuseful为

温敏热机热功转换效率ηw为

式（7）中，因分母中第一项为显热吸热，该计算公式为显热法表示的温敏热机的热工效率公式.

显热法表示的温敏热机的热工效率公式中，大部分参数都是某一温度下对应的状态参数，取值唯一，只有热容除外，它可以取温差范围内的平均值，但会随着温差的变化而变化.热容与内能变化量有关，采用焓差法则可以消去热容参数，使计算更为方便.

式中:hl，2为液态工质在温度为T2时的比焓（J/kg）；hl，1为液态工质在温度为T1时的比焓（J/kg）；hv，2为气态工质在温度为T2时的比焓（J/kg）.

热机的热功转换效率公式可以改写为

式（9）为基于焓差法的温敏淡化热机的热功转换效率公式，用焓差法计算热功效率，只需考虑循环过程结束和开始时的状态，无需考虑中间变化过程.

反渗透淡化系统中，保持水通量恒定的条件下，膜元件的工作压力随给水温度的升高而呈负指数下降，系统消耗功率相应下降；而膜元件的透盐率随给水温度的升高呈负指数上升，故给水温度的选择应综合考虑系统能耗和产水水质[15-16].本文研究的温敏热机中，原料海水作为冷源，与工质换热，使其冷却，同时海水被预热，温度升高至最佳反渗透温度.

4.2 实例分析

本文选用R143a作为温敏工质，基于REFPROP9.0软件，得到工质在指定工况下的物性参数，采用Matlab2010b建立工质热力学模型，膜组采用DOW的SW30ULE-400i组件.

系统给定参数为:热源温度为80℃，冷源为原料海水，其入口温度为20℃，出口温度为30℃；工质蒸发压力为2 MPa，通过气液增压缸达到反渗透系统所需的驱动压力.基于4.1提出数学模型分析温敏热机效率，得到系统的热功转换效率为:ηw=13.6%

4.3 循环过程中的不可逆损失

上述关于热力效率的计算均为理想条件下，不考虑系统存在的热量损失及机械能损失.实际该热力系统运行过程中，存在3种不可逆损失:①换热器外部损失，是指换热器出口温度高于环境温度，这部分能量直接排放到环境中所带来的不可逆损失；②换热器内部损失，是指换热器内部换热，由于存在换热温差而产生的不可逆损失；③循环内部损失，主要是循环内部如液体管道流动引起的沿程或局部压力损失，以及部件运动引起的机械能损失.因此该系统的热力效率将小于实际计算结果.

5 结束语

本文提出了一种利用低品位余热驱动反渗透淡化的方法，以实现将低品位热能转换成为可驱动海水反渗透的机械能，并从以下几方面进行了初步研究.

（1）基于对低品位余热驱动反渗透淡化的原理分析，建立了系统的工艺模型.

（2）研究了温敏淡化热机工作周期内的运动模式，基于温熵图分析了工质的热力循环过程.

（3）从理论上分析温敏淡化热机的能量传递和分配过程，建立了基于显热法和焓差法的热机热功转换效率的计算公式；并基于理论模型，分析了以R143a为温敏工质的热机效率.

本文通过面向反渗透海水淡化的低品位热能驱动系统的初步研究，旨在拓展反渗透淡化的驱动方式和应用领域，为日后实现将反渗透淡化应用于工业余热回收、分布式动力装置以及可再生能源在内的能源梯级利用系统奠定基础.

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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

国家自然科学基金资助项目（51205288）

耿冬寒（1981—），女，博士，讲师，研究方向为流体传动与控制.E-mail:fisherw@163.com