外驅式能量回收裝置的設計與研究

李 炎，謝春剛，張 銘

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

外驅式能量回收裝置的設計與研究

李 炎，謝春剛，張 銘

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

能量回收裝置（ERD）是反滲透海水淡化系統(tǒng)的關鍵設備之一。設計了一種外驅旋轉式能量回收，采用外驅動轉子設計，實現(xiàn)了轉子高速旋轉時流體能量交換和摻混率的控制，初步性能測試，結果良好，符合設計要求，可為能量回收裝置的開發(fā)研究提供借鑒。

能量回收；反滲透；海水淡化

反滲透（Reverse Osmosis,RO）是目前主流的商業(yè)化海水淡化技術之一[1]，據(jù)國際脫鹽協(xié)會IDA統(tǒng)計截止2011年RO技術在國際脫鹽領域的市場份額已達60%[2]，未來仍將保持強勁增長。能量回收裝置是反滲透系統(tǒng)的核心組件之一，主要作用是回收反滲透膜截留側濃海水壓力能，并將其轉變?yōu)檫M水能量，能量回收裝置的應用可大幅降低反滲透系統(tǒng)能耗，從而降低造水成本。

商業(yè)化應用的能量回收器按照工作原理主要分為兩類：透平式原理和正位移式原理。透平式能量回收裝置的原理是高壓濃鹽水通過透平將壓力能轉換成軸功，再利用軸功驅動泵對流過泵的進料海水增壓，即經(jīng)過“壓力能—軸功—壓力能”兩個階段的轉換過程，其能量傳遞效率較低，介于50%～70%之間。正位移式能量回收的原理是利用高壓濃鹽水直接增壓進料海水，此方法只需經(jīng)過“壓力能—壓力能”一次轉換過程，能量傳遞效果可達91%～96%，是目前的主流技術研究方向。

目前,能量回收裝置的技術基本被國外公司壟斷，國內(nèi)研究還處于實驗室階段。設計了一種外驅式能量回收裝置，通過計算分析完成了裝置的整體結構以及關鍵部件的設計，并根據(jù)設計結果，加工試制了一臺樣機，初步性能測試結果符合設計要求，可為國內(nèi)能量回收裝置的研發(fā)提供借鑒。

1 總體設計

外驅式能量回收裝置是基于正位移原理，通過高低壓海水在旋轉的轉子通道中直接接觸，將高壓濃鹽水的壓力能直接轉換為低壓進料海水的壓力能[3]。其核心部件為轉子和與轉子兩端配合的定子(為了形象表述，本文稱之為轉端蓋)。轉子沿軸向開有數(shù)個貫通的通孔，作為高低壓流體能量交換的場合。兩股流體在高速旋轉的轉子通道中進行能量交換時，會形成摻混層或摻混區(qū)域,起到了類似活塞的作用，用來“隔離”高低壓流體。采用旋轉式能量回收裝置的海水淡化工藝流程如圖1所示。

外驅式能量回收裝置中沒有剛性活塞將高低壓流體隔離，設計的關鍵在于以下兩點：一是使得在轉子高速旋轉的情況下，完成高低壓流體能量的高效傳遞；二是保證高低壓流體在轉子通道中的摻混率在合理的范圍，防止流體間的過度摻混。

為了實現(xiàn)上述目的，研究中采用了外驅式轉子設計方案，轉子由外部機械能驅動，消除了流量對旋轉速度的影響，減少了因變參數(shù)，使得流體可以直接以軸向速度進入通道，同時還可以有效控制摻混區(qū)域，提高設備的運行穩(wěn)定性。

圖1 外驅式能量回收工作原理圖

能量回收裝置的整體設計如下：

設轉子旋轉角速度為ω，轉子通道長度為L，通道半徑r，橫截面積為A=πr2，通道中心與轉子中心距離半徑為R。設高低壓流體摻混區(qū)域在通道內(nèi)的移動速度為vm，移動距離為lm，任何一個通道與轉換盤進流孔從開始相交至重合的全過程需要時間為τ，在此時間內(nèi)進流量為Qε。設某時刻某一通道運動角度為θ，該通道與轉換盤進流孔完全重合時角度為φ。又設兩個通道在任意時刻相交面積為S，相交區(qū)域弧長l，通道與轉換盤進流孔從開始相交到重合到脫離的變化量為α，根據(jù)圓缺面積的公式和幾何關系，可以得出下面的表達式∶

設通過重合區(qū)的流體速度為v，則在dτ時間內(nèi)該通道的進流體積的微分函數(shù)關系為：

式(4)中，僅有a是變量，又由于關系式(4)，故僅有θ是變量，考慮從轉子開始進入集液槽到完全進入集液槽的全過程，可將其改寫為微分函數(shù)關系式∶

其中通過重合區(qū)的流體速度v與高低壓管道的流量Q和集液槽所覆蓋的面積有關，由于后者為定量，故v可以寫成如下函數(shù)關系∶

設時間為τ，相交開始時刻τ=0，則按照一定旋轉角度ω，經(jīng)過時間dτ，轉過的角度dθ為：

綜合式(5)～式(9)，式(5)可以寫成微分函數(shù)關系式則為∶

設轉子運動周期為T，通道個數(shù)為N，由于通道間隔很小，則上述過程需要的時間t0為：

則式(10)可以求出t0時間內(nèi)該通道內(nèi)的進流體積Vε：

設集液槽覆蓋的通道個數(shù)為m，t0時間內(nèi)通道從開始接進入集液槽到完全進入集液槽，由于轉子勻速旋轉，然后經(jīng)過m·t0時間，該通道開始移出集液槽，再經(jīng)過t0時間，完全移出，總時間為T0=(m+2)·t0。結合轉子轉速ω與流量的關系，代入式(12)，可知，在半個周期內(nèi)，該通道的進流體積VT0可以表示為∶

根據(jù)設計原則，極限情況下，摻混區(qū)的運動是由轉子通道的一端運動到另一端，而不能超過轉子的長度。當最佳工作條件時進流長度約等于通道長度，lm≈L，此時通道的容積利用比最大，故最佳進流長度為∶

當l≤L且lm≈L時，是轉子與各個運行參數(shù)配合的最佳狀態(tài)。摻混區(qū)運動的平均速度∶

如果近似將T0時間內(nèi)進流量看成線性關系，T0時間內(nèi)單孔的進流體積為VT0，則有：

如果假設T0時間內(nèi)的流體均勻進入到集液槽覆蓋的m個通道中，則有：

又因轉子的轉速與進流流量間呈基本線性關系，設比例系數(shù)為k1，即有：

由式(11)知轉子運轉速度ω與時間t0之間為反比關系，設比例系數(shù)為k2，則有：

將式（20）代入式（21）有：

將式（22）代入式（18）得：

由式(23)可知，轉子通道內(nèi)的進流長度l為定值。隨著流量增加，轉子的轉速也會增加，即雖然高低壓進流速度增加，但是通道的有效進流時間減少，綜合作用使它們抵消了相互之間的影響，保證了進流長度不會發(fā)生太大的變化。由此可見，旋轉式壓力交換器具有自我調(diào)節(jié)的功能，使轉子兩端的進流長度中間的摻混區(qū)域始終在轉子通道內(nèi)部往復運動而不移出通道，保證了旋轉式壓力交換器實現(xiàn)能量交換的功能，又保證了高低壓不同介質(zhì)流體間的摻混率控制在允許的范圍之內(nèi)。當轉子的進流長度確定了以后，轉子的長度基本上就定了，即lm≈L。

2 關鍵部件的設計

2.1 端蓋

根據(jù)旋轉式壓力交換器的設計原則和假設可知，端蓋中比較重要的是集液槽的設計。相對于自驅型壓力交換器，外驅式能量回收裝置不必考慮進流流體對轉子的切向驅沖量，因此省略了改變流體運動方向的螺旋槽，簡化了端蓋的構造。圖2為端蓋視圖。

圖2 外驅式能量回收端蓋

2.2 轉子

轉子是設計的關鍵部件，為了滿足旋轉式壓力交換器能達到能量傳遞的效率和質(zhì)量兩個基本目的,其必須滿足以下條件：

(1)形成的摻混區(qū)域必須且只能在轉子通道中作往復移動，而不能移出通道，使摻混區(qū)起到活塞隔離作用。摻混區(qū)域最大移動距離小于通道長度，在半個周期內(nèi)，通道進流長度接近于通道長度時為最理想情況。

(2)通道及流體在進入不同壓力區(qū)間的過程中不能產(chǎn)生較大的沖擊和流量波動,運轉過程中應盡量保持其勻速穩(wěn)定旋轉。

(3)摻混區(qū)域的位移長度應與壓力交換器的處理流量相適應，當工況條件在許可范圍內(nèi)發(fā)生變化時，摻混區(qū)域的運動能保持穩(wěn)定，從而使壓力交換器具有自我調(diào)節(jié)的功能;當摻混區(qū)域不斷增大而充滿整個通道時，壓力交換器功能失效，不能起到傳遞能量的作用。

根據(jù)上述設計要求，裝置轉子的設計過程如下∶

設定轉子通道內(nèi)的進流長度為定值lm,轉子長度L應接近于進流長度lm，即lm≈L。因為隨著流量增加，轉子的轉速也會增加。雖然高低壓進流速度增加，但通道的有效進流時間減少，綜合作用使它們抵消了相互之間的影響，從而保證了進流長度不會發(fā)生太大變化[3]。

圖3 外驅式能量回收轉子

圖4 能量回收裝置主體

兩個端蓋上與轉子“接觸”的面上設有盤形集液槽以擴大進流面積，保證進流和通道運轉穩(wěn)定。當某個通道在轉動過程中移出集液槽所覆蓋的區(qū)域時，必然同時有一個通道移入集液槽，由此可以計算出單個通道的進流情況。每個通道的面積應相等，且通道間隔相對于通道寬度可以忽略。轉子在旋轉過程中，在任意時間段內(nèi)，進入集液槽區(qū)域內(nèi)的通道總面積應該與離開集液槽的通道總面積相等，即不論任何時刻，集液槽所覆蓋的通道總面積應該保持不變。

2.3 套筒

套筒的作用是支撐上下轉換盤，并對轉子軸向的流體進行密封，避免轉子兩端的流體在通道外部接觸。與端蓋的設計一樣，轉子和套筒的間隙是一項關鍵參數(shù)。如果間隙過大，兩端流體在通道外直接滲漏嚴重，使得壓力能過分損失，從而導致裝置失效；如果間隙過小，轉子與套筒之間會發(fā)生剛性摩擦，且轉子與套筒裝配時較為困難。因此，在設計轉子和套筒的間隙時必須保證合理的公差尺寸，在本裝置中設計兩者間隙尺寸為0.05 mm。經(jīng)過試驗驗證，該尺寸滿足上述要求。

2.4 其它部件

裝置的其它部件包括浮動盤、接管、軸承、主傳動軸、聯(lián)軸器、支撐架、電機等。其中，電機主軸與主傳動軸之間同軸度的大小會直接影響到裝置運轉的平穩(wěn)性，以及產(chǎn)生的振動和噪聲。通過聯(lián)軸器將上述兩部件連接，可以起到一定的緩沖作用，同時降低對同軸度的精度要求。此外，為了避免轉子在運轉過程中發(fā)生震動，對與支撐架接觸的地面和電機固定

3 裝置裝配

在裝置裝配過程中，關鍵的問題是轉子和端蓋之間的端面間隙、轉子和套筒之間的徑向間隙的確定。如果間隙過大，會造成介質(zhì)滲漏過多，影響試驗的效果，甚至壓力能不能交換；反之，如果間隙過小，則摩擦力太大，外驅動力要求過大，使轉子運轉不穩(wěn)定或者甚至無法運轉。

各零部件的裝配按以下順序進行裝配：

（1）用上接管裝配上轉換盤，再組裝上轉換盤和深溝球軸承；

圖5 實驗裝置

（2）用平鍵連接轉子；

（3）裝配深溝球軸承和軸用擋圈；

（4）將以上裝配完成部分放入套筒；

（5）裝配其它零件，最后裝配上鎖緊環(huán)和機械密封機構。

4 樣機及性能測試

根據(jù)設計結果，完成了一臺外驅旋轉式能量回收裝置的加工，同時搭建了實驗臺對其性能進行測試，實驗臺如圖6所示，實驗中為了減少整體震動對試驗穩(wěn)定性的影響和對儀表讀數(shù)的誤差，采取如下防震措施：

（1）將試驗架放在水平的地面上，并鋪上一層厚度3 mm的橡膠板；

（2）在裝置與試驗架接觸并固定的剛性面上，用厚度為3 mm的橡膠板相隔；

（3）在驅動電機與固定平板以及固定平板與試驗架之間均用厚度3 mm的橡膠板相隔。

圖6 實驗臺總體

采用普通自來水作為高低壓流體介質(zhì)進行了模擬實驗，實驗系統(tǒng)中流體不經(jīng)過反滲透膜，只進行壓力交換的試驗。實驗結果表明設計的外驅式能量回收裝置能夠完成壓力交換，可以穩(wěn)定運行，能量回收效率達40%。

5 結論

本文通過理論分析完成了外驅式能量回收裝置的整體設計方案，該能量回收裝置中轉子采用外部驅動的方式旋轉，保證了高低壓流體的穩(wěn)定交換，同時還實現(xiàn)了兩種流體在轉子通道中的摻混可控。計算出了外驅旋轉式能量回收裝置的設計參數(shù)，并完成了圖紙設計和樣機制造，初步模擬實驗結果表明該裝置可穩(wěn)定運行，基本符合設計要求，能量回收效率可達40%，證明采用外驅式轉子的技術具有可行性。

[1]惠紹棠，阮國嶺，于開錄.海水淡化與循環(huán)經(jīng)濟[M].天津：天津人民出版社，2005.

[2]IDA Desalination Yearbook 2010-2011[R]．UK：Media Analytics Ltd，2010．

[3]常宇清.反滲透海水淡化系統(tǒng)外驅型旋轉式壓力交換器試驗研究[D].大連：大連理工大學，2006.

Design and Research on Energy Recovery Device Driven by External Power

LI Yan,XIE Chun-gang,ZHANG Ming
(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China)

Energy recovery device (ERD)is the key equipment of the seawater reverse osmosis desalination (SWRO)system.In consideration of the practical SWRO engineering,a novel external-drive ERD was developed to realize the control of energy exchange and mix of water.The results showed that the device could perform pressure conversion.Further study should be carried out in the design and manufacture technology.

energy recovery;reverse osmosis;seawater desalination

TP747+.5

B

1003-2029（2012）04-0064-04

2012-03-06

2008年中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（K-JBYWF-2008-G04）

李炎（1981-），男，工程師，從事海水淡化技術研究。Email：kuranyi@163.com