旋轉式能量回收裝置過程特性與性能分析

＊朱建明 白明磊 尹方龍 陳偉才 李昀

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隨著淡水資源短缺問題日益突出，如何利用現有的資源生產豐富的淡水成為了世界各國關注的焦點。海水淡化技術能夠從海水或苦咸水中分離出淡水，為居民生活與工業生產提供淡水保障[1]。此外，反滲透海水淡化技術以其經濟性好、處理效率高、維護方便等優勢在海水淡化領域得到了廣泛的應用[2]。高壓海水液壓泵與能量回收裝置是傳統反滲透海水淡化系統的重要組成部分，尤其是能量回收裝置，能夠回收反滲透膜組件輸出的高壓濃鹽水的余壓能并轉換為新鮮海水的壓力能，極大的降低了反滲透海水淡化系統的能耗水平。能量回收裝置按工作原理不同可以分為離心式和正位移。離心式能量回收裝置內部高壓流體的壓力能先轉化為裝置的機械能，再轉化為新鮮海水的壓力能，由于要進行兩步轉化才完成流體壓力能的量交換，且轉化過程存在能量損失，故效率偏低一般在50%～80%[3-4]。基于“功交換”原理的正位移式能量回收裝置利用流體不可壓縮性能夠直接實現高壓鹽水和低壓海水之間的能量傳遞，其只需經歷“壓力能—壓力能”的一步轉換，能量回收效率能夠達到95%以上[5]。由美國ERI公司設計生產的壓力交換式能量回收器PX（Pressure Exchanger）已經成為目前商業化應用最為成功的能量回收裝置，圖1展示了其工作原理。來自反滲透膜的高壓濃鹽水從右側進入，與孔道內的新鮮海水發生碰撞后將壓力傳遞給海水并使海水從左側排出，當轉子旋轉過配流機構的密封區后，低壓海水進入轉子孔道并將做工后的低壓海水從右側排出。轉子每轉動一周，每一個孔道都會重復這一壓力變換過程，實現連續的進水與排水。

圖1 PX能量回收裝置工作原理[2]

本文將從旋轉式能量回收裝置的運行特性出發，建立流場仿真模型，通過計算流體力學方法對其內部流場的運行過程進行模擬，并分析不同工況條件對旋轉式能量回收裝置的過程特性與性能表現進行分析。

1.流場仿真模型建立

(1)基本假設

依據能量回收裝置運行環境與特性提出以下假設：

①能量回收裝置的工作溫度為288～298K（15～25℃），在此溫度區間內，海水與濃鹽水的基本物理性質參數如表1所示。

表1 海水與鹽水的物理性質

②考慮能量回收裝置的工作溫度范圍，且液體在孔道內的駐留時間極短，所以假設液體在能量回收裝置的孔道內進行傳遞時與外界環境沒有熱量交換，沒有明顯的熱效應。

③液體傳遞過程中無化學反應。

(2)流體域提取

基于能量回收裝置三維模型，對流體域進行提取，并對流體域進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 能量回收裝置流體域

(3)控制方程

能量回收裝置中流體的流動要受到物理守恒定律的約束，在假設條件的基礎之上，在流場仿真模型中引入了多相流混合模型、空化模型以及湍流模型。其控制方程表達如下：

①多相流混合模型

多相流混合模型遵循質量守恒、動量守恒定律與能量守恒定律。同時，多相流混合模型還引入了擴散系數，以模擬不同組分之間的擴散情況。其表達式如下所示：

②空化模型

這是研究液相隨壓力變化而變化的一個重要的模型。其中考慮了三種重要的液體性質，包括空化、氣蝕以及流體可壓縮性。該模型中引入的空化模型可通過下式表述：

③湍流模型

本文使用標準k-?模型，能量回收裝置的內部流體視作不可壓縮流體，能夠通過下式表示：

(4)邊界條件

高壓濃鹽水入口定義為流量入口，流量QHB=12L/min，低壓新鮮海水入口定義為流量入口，流量QLS=12L/min，增壓新鮮海水出口定義為壓力出口，壓力PHS=4MPa，低壓濃鹽水出口定義為壓力出口，壓力PLB=0.1MPa。

初始狀態下，能量回收裝置流體域內的流體均為新鮮海水C1=3.5%，高壓濃鹽水入口與低壓濃鹽水出口為濃鹽水C2=4.2%，設置完成后其計算模型如圖所示，轉速為1500～2200r/min，設定計算旋轉周期為30圈。

2.項標參數計算

為了評價能量回收裝置的工作性能，本文中引入了摻混率與能量回收效果等重要評價指標。

(1)摻混率

正位移式旋轉壓力交換器轉子孔道內無剛性活塞，依靠孔道內液柱活塞分隔流體，因此摻混現象不可避免。此外由于海水的鹽度與滲透壓成正相關，所以需要海水泵提供更高的壓力來保證系統的淡水產量，導致系統消耗更多的能量。摻混率Q的計算方法如下：

式中，CHPS-outlet—高壓出口新鮮海水的鹽度；

CLPS-inlet—低壓進口新鮮海水的鹽度；

CHPS-inlet—高壓進口濃鹽海水的鹽度。

(2)能量回收效果

對于能量回收裝置來說，能量回收效率也是評價其性能的關鍵指標，本文通過高壓濃鹽水入口壓力與高壓海水出口壓力的比值來評價該裝置的能量回收效果。能夠通過下式表述：

式中，PHB—高壓濃鹽水入口壓力；

PHS—高壓海水出口壓力。

能量回收效果的計算實質是能量回收裝置產出海水大壓力與能量回收裝置輸入的高壓濃鹽水的壓力之間的比值，比值越高，能量回收效果越好，海水淡化系統產出能耗比越低。

3.結果分析

(1)過程特性

圖3展示了能量回收裝置流場仿真模型計算穩定后的鹽度分布特性，藍色代表海水，紅色代表濃鹽水，黃色部分為濃鹽水與海水在孔道內進行能量交換過程中形成的摻混區，即液柱活塞。液柱活塞既能夠保證高壓濃鹽水與低壓海水之間的壓力交換效率，又能降低濃鹽水與海水之間的摻混程度。此外，仿真結果顯示液柱活塞在每個孔道內部的位置都不相同，而且隨著轉子的旋轉表現出周期性的上下運動，液柱活塞的濃度也保持穩定不變。孔道內液柱活塞的上下移動范圍和速度與能量回收裝置進出口流量和轉速密切相關。

圖3 轉子孔道內的鹽度分布

(2)轉速對摻混率的影響

本文對不同轉速下的能量回收裝置的摻混率進行了對比，如圖3所示，當轉速從1500r/min增加到2200r/min時，其摻混率也從5.883%增加到6.724%。導致這個現象的因素可能是轉速增加導致濃鹽水與海水進入孔道的離心速度增大，使濃鹽水與海水不能夠正面碰撞而形成楔形摻混區，進而導致摻混率隨著轉速的增加而增加。

(3)轉速對能量回收效果的影響

圖4展示了不同轉速下能量回收裝置的能量回收效果，能夠發現，隨著轉速的增加，能量回收效果出現下降的趨勢。當轉速從1500r/min增加到1900r/min時，能量回收效果有明顯的降低；當轉速超過2000r/min時，能量回收效果變化不明顯。導致這個現象原因可能是轉速增加，流體進入孔道時的周向分速度越大，使高壓濃鹽水與低壓海水不能發生正面碰撞，而是產生一個楔形的碰撞區域，導致能量回收效果較差。

圖4 摻混率隨轉速變化規律

圖5 不同轉速下的能量回收效果

4.結論

基于計算流體力學方法建立了旋轉式壓力交換器內部摻混特性的仿真模型，開展了不同工作轉速下的旋轉式壓力交換器摻混特性和能量回收效率的仿真研究。轉子式能量回收裝置在穩定運行時，孔道內能夠形成穩定能量交換過程。旋轉過程中摻混區能夠在轉自孔道內往復運動，并且能夠保持鹽度穩定。此外，隨著能量回收裝置轉速的增加，其摻混率也出現增加趨勢，當轉速從1500r/min增加到2200r/min時，其摻混率從5.883%增加到6.724%。同時。隨著轉速的增加，能量回收效果φ出現先降低后穩定的趨勢。論文的研究結果揭示了摻混率和能量回收效率隨工作轉速的變化規律，為旋轉式壓力交換器的工作轉速范圍選取提供了依據。