基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法技术

本发明专利技术公开了基于电液相似原理的多膜建模及性能分析方法，将膜壁及膜污染对渗透通量的阻碍作用与电路中电阻对电流的阻碍作用相对比，并将反渗透膜中进水压力、渗透通量、反渗透压类比为电路中的电压、电流、反电动势，构建易于进行性能分析的一种反渗透单膜模型，基于单膜模型推导多膜组模型，并引入电力系统潮流分析的理念，完成多膜组模型的求解过程；基于电池充电原理，制定一种新的描述反渗透效率的模型，通过分析多工况膜组反渗透效率变化，结合节点液压方程求解获得以首段膜压力为优化变量、综合实际工况变化的最大反渗透效率曲线，并设计状态反馈控制器完成首段膜压力跟踪，使多膜组系统始终运行于最佳工作点。

【技术实现步骤摘要】
基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法
本专利技术涉及一种基于电液相似原理的多膜建模及性能分析研究方法，尤其是应用于多膜组海水淡化系统，解决反渗透膜建模繁琐问题，属于海水淡化反渗透膜建模分析领域。
技术介绍
反渗透膜装置为大型海水淡化系统关键组件，合理使用反渗透膜可以从海水中获得大量淡水。目前国内外对反渗透膜的建模普遍采用反渗透机理模型或流体动力学动态模型，该模型虽较为准确，但反渗透模型中参数多、形势复杂，不适用于包含多个膜的膜组，如何合理进行反渗透膜组建模并完成优化控制成了反渗透海水淡化系统成本降低的关键。为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风机海水淡化系统，极大程度提升风能利用，专利201920569476.5进行了海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化装置研究，未考虑海水淡化装置反渗透膜组内部优化问题。实际上反渗透膜应工作在高效率区，但多膜组海水淡化系统本质是强耦合、非线性系统，特别是各膜进水压力和进水流速的稳定，进水压力的大幅变化极易对反渗透膜组造成冲击，严重影响膜组使用寿命，为此众多科研工作者先后进行了反渗透膜串并联结构的大型反渗透膜组研究，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法，其特征在于：反渗透单膜模型基于电液相似原理构建，多膜组模型将各节点液压和各支路流量进行液电转化，采用电力系统潮流分析方法进行模型构建，包括多膜组反渗透压、反渗透膜对水阻碍、反渗透膜渗透方向液压、膜固有液阻及浓差极化液阻，所述多膜组反渗透压与反电动势类比；所述反渗透膜对水阻碍与电阻阻碍电流作用类比；所述反渗透膜渗透方向液压为进水液压与膜壁压降之差；所述膜固有液阻基于膜无污染下渗透液压与产水流量关系得到；所述浓差极化液阻基于浓差极化情况以及固有液阻得到；所述多膜组模型性能分析基于电池原理新定义的反渗透效率概念展开，得到反渗透效率特性曲线，进行优化压力...

【技术特征摘要】
1.基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法，其特征在于：反渗透单膜模型基于电液相似原理构建，多膜组模型将各节点液压和各支路流量进行液电转化，采用电力系统潮流分析方法进行模型构建，包括多膜组反渗透压、反渗透膜对水阻碍、反渗透膜渗透方向液压、膜固有液阻及浓差极化液阻，所述多膜组反渗透压与反电动势类比；所述反渗透膜对水阻碍与电阻阻碍电流作用类比；所述反渗透膜渗透方向液压为进水液压与膜壁压降之差；所述膜固有液阻基于膜无污染下渗透液压与产水流量关系得到；所述浓差极化液阻基于浓差极化情况以及固有液阻得到；所述多膜组模型性能分析基于电池原理新定义的反渗透效率概念展开，得到反渗透效率特性曲线，进行优化压力跟踪控制；所述优化压力跟踪控制采用状态反馈控制器，以电磁阀为控制机构，确保多膜组优化压力的有效跟踪。


2.根据权利要求1所述的基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1根据电液相似原理，构建反渗透膜单膜模型
第一步：构建与反电动势相似的反渗透压模型为
Δπ＝AS+BS3/2+CS2(1)
式中：Δπ为渗透压，S为海水盐度，A、B、C为温度系数，t为摄氏温度；
第二步：构建与电阻及电压降落相似的膜壁等效管路流阻Rl及其压降Pd



式中：ρ为海水密度，v为运动粘度，l为膜等效长度，d为膜等效圆通道直径，Qf为系统进水流量；
第三步：得到与电压降落相似的反渗透膜径向渗透液压P(下称渗透液压)
P＝Pf-Pd(3)
式中：Pf为单膜进水液压；
第四步：根据电液相似原理，基于反渗透膜无污染情况下进水压力与产水流量的关系得到代表膜本质属性的固有液阻RM，将其细分为Rm、Ra、Rp，考虑浓差极化情况下进水压力与产水流量的关系并结合前述固有膜组RM，得到等效浓差极化液阻Rcp



式中：RM为固有液阻，ε为膜孔隙度，Rm为膜壁液阻，αp为孔堵率，Rp为膜孔堵塞液阻，αa为吸附率，Ra为吸附液阻，Aw0为膜固有透水系数，α1、α2为连续传质系数，T为绝对温度；
第五步：构建滤饼层模型以描述反渗透膜实际运行过程中的膜污染情况



式中：δc为滤饼层厚度(电阻长度)，γc为滤饼层比阻(单位长度液阻阻值)，αc为污染物粘性效率，为管内污染物平均浓度；
第六步：得出膜等效液阻Rv以及反渗透膜渗透通量Jv



式中：η液体粘度系数；
第七步：根据基尔霍夫定律，得到反渗透膜输入输出的模型



式中：Jout为渗透通量；Jelse为浓水通量；
第八步：得到反渗透膜产水流量Qp与反渗透通量Jout、浓水流量Qr与浓水通量Jelse



式中：Am为反渗透膜面积，Ap为浓水阀管道截面积；
步骤2推导反渗透多膜组模型
第一步：泵入多膜组总流量Qin与产水流量Qpi、浓水流量Qmr关系
Qin＝Qp1+Qp2+Qp3+…Qpn+Qmr(9)
式中：Qin为泵入多膜组总流量，Qpi＝AmJi(i＝1,2,3，…，n)为第i只膜产水流量，Am为单只膜面积，Ji为第i只膜渗透通量，Qmr多膜组浓水流量；
第二步：根据步骤1，结合式(8)、(9)推得多膜组各反渗透膜产水流量及各反渗透膜之间液压关系



式中：Pi为第i只膜渗透液压，Rvi为第i只膜等效液阻，Qi为第i只膜浓水流量，Rl为管路等效流阻；
第三步：引入电磁阀作为反渗透多膜组的流量控制机构，有其模型



式中：evrmax为电磁阀最大阀阻，imax为电磁绕组最大电流，L为电磁阀电感参数，R为电磁阀电阻参数，u为电磁阀输入电压；
第四步：将流体流量因流体质量惯性而变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓广，王铭涛，王恬，孔英，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37