面向反渗透淡化的热驱自由活塞式动力系统的循环特性与优化研究

Based on the research of the thermally-driven reverse osmosis desalination technology, aiming to reduce the energy conversion and transmission links and improve the energy utilization efficiency, a novel concept of heat powered free piston power system for reverse osmosis desalination is presented，and the following research is carried out. (1)The fluid-rigid interaction mathematic model of working fluid-piston assembly is established and numerically solved, based on which, the flow field characteristics and piston motion are analyzed. (2)The mathematical model of single component membrane modules is established, in which the influence of feed-water temperature is considered. The cycling performance and parameters matching between free piston power system and reverse osmosis membrane system are researched. (3) This power system is built, based on which, the cycling parameters of working fluid, piston assembly and reverse osmosis desalination are tested for comparison validation. (4)The power system is optimized through multi-objective genetic algorithm to maximize the efficiency of energy utilization. .This program is expected to extend the driving modes of reverse osmosis desalination, improve the energy utilization efficiency and reduce the energy costs, which can provide technology support for the industrial waste heat recovery, distributed power plant and efficient use of renewable energy.

基于对目前热能驱动反渗透淡化领域发展的研究，从缩短能量转化和传递环节，提高能源利用效率出发，本课题提出了一种面向反渗透淡化的热驱自由活塞式动力系统，并对此开展以下研究。①基于ALE方法建立及求解工质-活塞组件流固耦合系统数学模型，揭示动力缸内工质流场信息与活塞的运动规律。②建立计及给水温度影响的单组件反渗透淡化膜系统的数学模型，研究自由活塞动力系统与反渗透淡化膜系统的循环特性及参数匹配关系。③构建热驱自由活塞式反渗透淡化动力系统，分别测试工质流场、活塞组件及反渗透淡化循环参数进行试验验证。④基于遗传算法，对该动力系统进行多目标优化，以实现系统能源利用效率的最大化。.通过对此课题的研究，可以进一步扩展反渗透淡化的驱动方式，提高能源利用效率，降低淡化的能源成本；并为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。

基于对现有斯特林发动机和往复泵的研究，结合反渗透淡化的具体要求，提出了新型热驱斯特林自由活塞反渗透淡化动力系统。针对β型自由活塞动力系统，建立了包括斯特林动力部分，活塞组件，泵腔及管路的系统数学模型。基于斯特林发动机内部气体流动的数学模型，同时对回热器部件按照多孔介质模型处理，对其进行一维轴向简化，得到了粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的计算公式。基于Fluent软件对自由活塞动力系统流场特性进行分析，得到斯特林发动机内部场分布及状态参数变化。将斯特林发动机腔体与压缩蓄能器均等效成“气体弹簧”，通过对活塞组件进程、回程及压缩蓄能器三个等效弹簧刚度的求解，得到自由活塞组件进、回程的运动规律，其运动频率与活塞组件质量、压缩蓄能器压力、初始压力、膨胀腔温度等参数有关，改变相应参数的大小会对膨胀冲程频率、压缩冲程频率及系统频率产生影响。基于斯特林发动机热力学模型得出动力系统中各腔的容积变化、输出功及输出功率等结果，并通过遗传算法对斯特林发动机相位角、温度比、扫气容积比及无益容积比等参数进行优化。基于泵腔及管路压力损失模型，分析了活塞组件质量和压力、热源温度和压力、排出管直径和排出管长度等参数对实际输出功及输出功率的影响。将所设计的斯特林自由活塞动力系统应用于实际反渗透淡化系统，对自由活塞动力系统与反渗透淡化膜系统参数耦合关系进行研究，以满足用水需求。本课题研究的自由活塞反渗透淡化动力系统，减少了能量转换和传递环节，有利于提高能源利用效率，降低淡化的能源成本。同时为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。