基于有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透膜法產(chǎn)水特性的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種可W計(jì)算有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化產(chǎn)水特性的數(shù)學(xué)模 型，屬于海水淡化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 世界上淡水資源不足，已成為人們?nèi)找骊P(guān)切的問題，作為水資源開源增量的重要 手段，海水淡化已經(jīng)成為解決水資源危機(jī)的重要途徑。在眾多的海水淡化技術(shù)中，反滲透海 水淡化(SWR0)技術(shù)將是未來重點(diǎn)發(fā)展的方向。SWR0適用于大型、中型或小型各種規(guī)模，是海 水淡化技術(shù)中近20年來發(fā)展最快的技術(shù)。除了海灣地區(qū)的國家外，美洲、亞洲和歐洲，大、中 型生產(chǎn)規(guī)模的淡化裝置都W反滲透技術(shù)為首選，反滲透技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，具有較強(qiáng) 的優(yōu)勢，如設(shè)備投資省、能量消耗低、建設(shè)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，正日益成為海水淡化的主導(dǎo) 技術(shù)。雖然反滲透海水淡化技術(shù)應(yīng)用已取得了顯著成效，但反滲透在海水淡化潛力尚未充 分發(fā)揮，還有待在膜技術(shù)、能量回收、組器技術(shù)等方面改進(jìn)，尤其是系統(tǒng)優(yōu)化及高壓累能耗 方面進(jìn)行完善。
[0003] 有機(jī)朗肯循環(huán)(0RC)技術(shù)可W廣泛應(yīng)用于各種低溫?zé)崮茴I(lǐng)域，如余熱、太陽能集 熱、地?zé)岬?，世界各國逐漸將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域，主要包括:低溫余熱發(fā)電、低溫太陽能發(fā)電 海水淡化工程、生物質(zhì)能熱力發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電熱菜技術(shù)和燃?xì)馔钙铰?lián)合循環(huán)發(fā)電等。0RC 技術(shù)在低溫?zé)峁D(zhuǎn)換過程中有顯著的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其研究已成為中低溫能源 利用技術(shù)的關(guān)鍵和熱點(diǎn)。如何提高0RC系統(tǒng)整體效率，增加膨脹機(jī)的輸出功率，成為了有效 利用低品位能源的關(guān)鍵性技術(shù)難題。
[0004] W膨脹機(jī)作為高壓累的傳動(dòng)動(dòng)力，假設(shè)膨脹機(jī)入口溫度的反問題求解策略，解決 余熱溫度、膨脹機(jī)入口溫度與R0反滲透產(chǎn)水特性的關(guān)系。根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生余熱的特性W 及有機(jī)朗肯循環(huán)運(yùn)行條件，研究反滲透膜法壓力和流量對(duì)產(chǎn)水特性的影響，不僅對(duì)于探索 新型海水淡化系統(tǒng)，而且對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱利用特性的理論研究具有重要意義，為 深入探討余熱利用和海水淡化工藝奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透膜法產(chǎn)水 特性的計(jì)算方法，通過分析不同余熱的進(jìn)出口溫度及膨脹機(jī)的運(yùn)行效率，優(yōu)化反滲透膜法 海水淡化產(chǎn)水特性，W指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透膜法產(chǎn)水特性的計(jì)算方法，其特征在于包括如下步 驟：
[000引步驟A、建立有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)，所述有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)的 反滲透海水淡化系統(tǒng)包括有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)和反滲透海水淡化系統(tǒng)兩部分；
[0009]步驟B、建立有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)高壓累數(shù)學(xué)模型，根據(jù)步驟A中的有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū) 動(dòng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)，得到給定條件下的高壓累出口流量值；
[0010] 步驟C、建立反滲透海水淡化系統(tǒng)的傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)步驟B中的高壓累出口 流量值，從該傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型中得到海水通過反滲透膜的淡水通量、濃鹽水通量及產(chǎn)生淡水 流速值。
[0011] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于:有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括與系統(tǒng)余熱管道相連通的蒸發(fā) 器、與蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)管道相連通的膨脹機(jī)、與膨脹機(jī)出口相連通的冷凝器、與冷凝器的 有機(jī)工質(zhì)管道出口相連通的工質(zhì)累，工質(zhì)累的出口連通蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)管道入口；所述 蒸發(fā)器還設(shè)置有用于與有機(jī)工質(zhì)換熱的余熱排放管道，冷凝器還設(shè)置有用于與有機(jī)工質(zhì)換 熱的冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口；
[0012] 反滲透海水淡化系統(tǒng)包括與膨脹機(jī)出口相連通的高壓累、與高壓累的原料海水出 口相連接的反滲透膜、與反滲透膜的淡水出口和濃鹽水出口分別連接的淡水箱和濃鹽水 箱，高壓累的原料海水進(jìn)口連通原料海水管道。
[0013] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于:步驟B包括如下步驟：
[0014] 步驟B1、給定有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)中所使用的低溫?zé)煔獾馁|(zhì)量流量mgas、平均比熱容 Cp,gas、進(jìn)口熱力學(xué)溫度Tgas,in和出口熱力學(xué)溫度Tgas,DUt，根據(jù)蒸發(fā)器中低溫?zé)煔饪偦厥諢崃?計(jì)算公式：
[001 引 Qa = mgasCp, gas ( Tgas, in-Tgas, out),計(jì)算出低溫?zé)煔饪偀嶂礠a ,其中：
[0016]化as--低溫?zé)煔獾馁|(zhì)量流量，kg/s;
[0017] Cp.gas--低溫?zé)煔獾钠骄葻崛荩琸j/化g.K);
[001引Tgas,in-一低溫?zé)煔獾倪M(jìn)口熱力學(xué)溫度，K;
[0019] Tgas.out--低溫?zé)煔獾某隹跓崃W(xué)溫度，K ;
[0020] Qa--低溫?zé)煔獾目偀嶂?，kW;
[0021] 步驟B2、給定有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)的入口溫度Ti，假定有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)的入口壓 力為Pi，根據(jù)步驟B1得到的低溫?zé)煔饪偀嶂礠a，利用工質(zhì)物性計(jì)算軟件Refprop軟件計(jì)算出 有機(jī)工質(zhì)分別在蒸發(fā)器入口狀態(tài)的洽值hi和在蒸發(fā)器出口狀態(tài)的洽值h5，hl和hs的單位均 為J/kg;
[0022] 步驟B3、利用步驟B2得到的hi和h日，根據(jù)蒸發(fā)器中有機(jī)工質(zhì)吸熱量方程Qa = m〇Rc 化i-hs)，得到有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量moRc，單位是kg/s;
[0023] 步驟B4、忽略工質(zhì)累引起的工質(zhì)賭增，所W有機(jī)工質(zhì)在達(dá)到飽和溫度前吸熱量與 溫度關(guān)系的方程表達(dá)式如下：
[0024] Q=m〇RcCp,f(T-T5) -m〇RcCp,f(T-T4)
[0025] 其中，
[00%] Q-一有機(jī)工質(zhì)在達(dá)到飽和溫度前吸熱量，kW;
[0027] Cp,f--有機(jī)工質(zhì)比熱容，kj/化g.K);
[00巧]T4一一工質(zhì)累累前有機(jī)工質(zhì)的溫度，K;
[0029] T--有機(jī)工質(zhì)在工質(zhì)累內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，K;
[0030] T5--工質(zhì)累累后有機(jī)工質(zhì)的溫度，K;
[0031] 根據(jù)0RC系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)的T-S圖，依據(jù)相似Ξ角形理論，整理簡化后可W得出如 下方程：
[0032]
[0033] 其中，
[0034] ΔΤρ--窄點(diǎn)溫差，Κ;
[0035] Qj--海水流量，m3/s;
[0036] Qp--淡水流量，m3/s;
[0037] Q一一有機(jī)工質(zhì)在達(dá)到飽和溫度前吸熱量，kW;
[0038] 根據(jù)如下公式，計(jì)算有機(jī)工質(zhì)在工質(zhì)累內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度T:
[0039]
[0040] 步驟B5、根據(jù)步驟B4中的有機(jī)工質(zhì)在工質(zhì)累內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度T，給定低溫?zé)煔獾恼c(diǎn) 溫差Δ Τρ，利用Re巧rop軟件計(jì)算出有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)的入口壓力計(jì)算值ΡΛ
[OOW 步驟B6、若步驟B5的Pi*與步驟B2的Pi不一致，利用Matlab編程迭代求解，將Pi*代替 Pi重復(fù)步驟B2~B5,直到膨脹機(jī)入口壓力收斂至Pi-Pi*^l0-6,根據(jù)膨脹機(jī)的等賭效率計(jì)算 公
獲得有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)做功后的洽值h2;然后根據(jù)膨脹機(jī)輸出功率 公式Wt=m0Rc化廣h2)，獲得Wt;
[0042] 其中；
[0043] ns,exp--膨脹機(jī)的等賭效率；
[0044] hi一一有機(jī)工質(zhì)進(jìn)蒸發(fā)器的洽值，J/kg;
[0045] h2一一有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)做功后洽值，J/kg;
[0046] h2s一一膨脹機(jī)等賭膨脹洽值，J/kg;
[0047] Wt--膨脹機(jī)輸出功率，kW;
[0048] 步驟B7、由于利用膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓累，根據(jù)高壓累功率計(jì)算公式WHpp = Wt，得到高 壓累功率Whpp;
[0049] 步驟B8、給定高壓累出進(jìn)口壓差ΔΡηρρ，利用步驟B7得到的高壓累功率Whpp，根據(jù)公 式
，計(jì)算出高壓累出口流量Qf;
[0050] 其中；
[0化1] Whpp--高壓累功率，kW;
[0052] ΔΡηρρ--高壓累出進(jìn)口壓差，MPa;
[0化3] ηπρρ一一高壓累累效率；
[0054] Qf一一高壓累出口流量，m3/s;
[0055] %-一膨脹機(jī)傳動(dòng)效率。
[0056] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于:步驟C包括如下步驟：
[0057] 步驟C1:根據(jù)如下方程，求出傳質(zhì)系數(shù)k:
[0化引 Re = f>bUbde/yb;
[ο化9 ] Sc=化/ (fibDeff);
[0060]
[0061 ]其中：
[0062] 化--濃鹽水密度，kg/V;
[0063] 化--流速，m/s;
[0064] de--海水進(jìn)料空間厚度，m;
[00化]化--動(dòng)力粘度，N.S/V;
[0066] Deff-溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，m^s;
[0067] Re-雷諾數(shù)；
[006引化--舍伍德數(shù)；
[0069] Sc--施密特?cái)?shù)；
[0070] k-傳質(zhì)系數(shù)，m/s;
[0071 ]步驟C2:根據(jù)步驟Cl中的傳質(zhì)系數(shù)k，先假設(shè)一個(gè)產(chǎn)生淡水流速值vw，給定濃鹽水 鹽濃度Cb，由于在初始時(shí)刻計(jì)算，令淡水鹽濃度Cp = 0,根據(jù)如下公式求出膜表面海水鹽濃度 Cm：
[0072]
[0073] 其中；
[0074] Cb--濃鹽水鹽濃度，kg/V;
[00巧]Cm-一膜表面海水鹽濃度，kg/m3;
[0076] Cp--淡水鹽濃度，kg/V;
[0077] vw一一產(chǎn)生淡水流速值，m/s;
[0078] Φ一一濃差極化系數(shù)；
[0079] 步