張金鑫，王　越*，楊勇君，程百花，徐世昌，王世昌

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所，天津300072；3.天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著反滲透膜、能量回收裝置及系統(tǒng)工藝的不斷發(fā)展，反滲透海水淡化成本顯著降低，市場份額不斷擴(kuò)大[1-4]。其中，能量回收裝置的快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用使得反滲透海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水比能耗已降至2.0～2.5 kWh/m3[5-6]。目前市場上普遍使用的能量回收裝置主要采用正位移原理，包括轉(zhuǎn)子式壓力交換器和閥控式功交換器2種產(chǎn)品類型。該類裝置通過“壓力能-壓力能”一步轉(zhuǎn)化方式，將反滲透膜組件中排放出的高壓鹽水的余壓能直接傳遞給原料海水，能量回收效率高達(dá)95%以上，成為國內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn)[7]。

轉(zhuǎn)子式壓力交換器具有操作簡單、運(yùn)行平穩(wěn)及高效率等特點(diǎn)，國外已有系列商用產(chǎn)品上市，并積累了較好的工程業(yè)績[8-11]。我國對(duì)轉(zhuǎn)子式壓力交換器的研究起步較晚，至今仍處于技術(shù)完善和產(chǎn)品初期開發(fā)階段[12]。本研究在課題組已有的工作基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有新型端盤結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子式壓力交換器，結(jié)合裝置在反滲透系統(tǒng)中的工藝特點(diǎn)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)裝置在工程實(shí)用壓力(6.0 MPa)及較大單機(jī)負(fù)荷條件下的流體力學(xué)特性及其運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了測試和評(píng)價(jià)分析。

1　工作原理及實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了轉(zhuǎn)子式壓力交換器工作原理圖。該裝置主要由左端盤、轉(zhuǎn)子和右端盤3部分組成。左端盤與右端盤內(nèi)側(cè)面上分別對(duì)稱設(shè)置有鹽水集液槽和海水集液槽(圖2)，并通過端盤集液槽之間密封平面將轉(zhuǎn)子的軸向貫穿孔道區(qū)分割為高壓區(qū)、密封區(qū)和低壓區(qū)。裝置運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子上的一組孔道首先進(jìn)入高壓區(qū)，此時(shí)高壓鹽水通過左端盤進(jìn)入轉(zhuǎn)子孔道，將孔道內(nèi)已充注的低壓海水進(jìn)行增壓，并推動(dòng)增壓后的海水從右端盤上的增壓海水口排出，此為增壓過程。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子上的另一組流道進(jìn)入低壓區(qū)，低壓海水通過右端盤進(jìn)入轉(zhuǎn)子孔道，并推動(dòng)泄壓后的鹽水從左端盤上的鹽水口排出，此為泄壓過程。增壓區(qū)和泄壓區(qū)通過端盤上的密封區(qū)隔離，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子孔道循環(huán)經(jīng)過高壓區(qū)、密封區(qū)、低壓區(qū)，完成流體的連續(xù)增壓和泄壓過程，從而實(shí)現(xiàn)裝置的壓力交換功能。

圖1　轉(zhuǎn)子式壓力交換器工作原理示意圖Fig.1　Principle diagram of the rotary pressure exchanger

圖2給出了本研究設(shè)計(jì)的新型端盤結(jié)構(gòu)，低壓海水和泄壓鹽水通過對(duì)應(yīng)端盤圓周方向的2個(gè)側(cè)孔供給和排出，而高壓鹽水和增壓海水則通過對(duì)應(yīng)端盤上的兩個(gè)軸向直通孔供給和排出。端盤上對(duì)稱設(shè)置的高壓集液槽和低壓集液槽，能夠最大限度地保障裝置高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。帶有多個(gè)扇形直通孔道的轉(zhuǎn)子(圖3)由外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)子套筒內(nèi)做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2　新型端盤結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of the novel end plate

圖3　轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of the rotor

圖4是轉(zhuǎn)子式壓力交換器試驗(yàn)工藝流程圖。該工藝由“高壓泵、壓力交換器和高壓閥門”組成的高壓回路及“離心泵、壓力交換器和低壓閥門”組成的低壓回路構(gòu)成。每臺(tái)泵的入口處均設(shè)置有保安過濾器，工藝回路中對(duì)應(yīng)流體的入口和出口管道上分別設(shè)置了流量變送器和壓力變送器。圖5為本裝置的試驗(yàn)測試現(xiàn)場。

圖4　轉(zhuǎn)子式壓力交換器試驗(yàn)工藝流程圖Fig.4　Experimental diagram for performance test of the rotary pressure exchanger

圖5　轉(zhuǎn)子式壓力交換器樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.5　Prototype of rotary pressure exchanger

2　結(jié)果與討論

2.1　高壓鹽水和增壓海水的壓力變化特性

圖6是在轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，進(jìn)出壓力交換器的高壓鹽水Pbi和增壓海水Pso的壓力變化曲線。從圖6中可以看出，高壓鹽水和增壓海水的壓力整體上比較穩(wěn)定，高壓鹽水壓力的平均值約為6.0 MPa，增壓海水壓力的平均值也高達(dá)5.9 MPa。這一方面說明多孔道的轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的條件下，完全能夠?qū)崿F(xiàn)壓力交換器增壓過程和泄壓過程的“無縫隙”銜接，保證了壓力交換的連續(xù)性和裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性；另一方面證明了所設(shè)計(jì)的壓力交換器能達(dá)到實(shí)際反滲透海水淡化系統(tǒng)中所需的操作壓力指標(biāo)。高壓鹽水與增壓海水的壓力差約為0.1 MPa，說明裝置在高壓區(qū)域的流動(dòng)阻力較小，能夠保障裝置增壓過程的高效率特性。

圖6　高壓鹽水和增壓海水的壓力變化曲線Fig.6　Pressure variations of HP brine stream and HP seawater stream with time

2.2　低壓海水和泄壓鹽水的壓力變化特性

圖7是在轉(zhuǎn)速為500 r/min、操作壓力為6.0 MPa時(shí)，進(jìn)出壓力交換器的低壓海水Psi和泄壓鹽水Pbo的壓力變化曲線。從圖7中可以看出，低壓海水的壓力穩(wěn)定在0.11 MPa左右，泄壓鹽水壓力保持在0.07 MPa左右。由于轉(zhuǎn)子孔道間存在物理的隔離厚度，不可避免地導(dǎo)致低壓海水和泄壓鹽水產(chǎn)生輕微的壓力波動(dòng)，但對(duì)壓力交換器的運(yùn)行穩(wěn)定性幾乎無影響。這種波動(dòng)可通過提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和優(yōu)化端盤的集液槽結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小。

圖7　低壓海水和泄壓鹽水的壓力變化曲線Fig.7　Pressure variations of LP seawater stream and LP brine stream with time

2.3　低壓海水和高壓鹽水的流量變化特性

圖8是在轉(zhuǎn)速為500 r/min、操作壓力6.0 MPa時(shí)，進(jìn)入壓力交換器的高壓鹽水Qbi和低壓海水Qsi的流量變化曲線。

圖8　低壓海水和高壓鹽水的流量變化曲線Fig.8　Flow rate variations of LP seawater stream and HP brine stream with time

從圖8中可以看出，高壓鹽水的流量曲線基本為一條直線，穩(wěn)定在8.3 m3/h左右，低壓海水的流量曲線較高壓鹽水略有波動(dòng)，其流量的平均值約為8.4 m3/h。說明2股流體的流量具有較好的匹配性，保證了裝置進(jìn)流的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖8中高壓鹽水的流通平穩(wěn)性略優(yōu)于低壓海水，這有利于更好地保障壓力交換裝置實(shí)際應(yīng)用工程中反滲透膜的脫鹽穩(wěn)定性。

2.4　裝置的壓力交換效率

能量回收效率是評(píng)價(jià)壓力交換器性能的重要指標(biāo)之一。其效率可以通過公式(1)計(jì)算得出[6]：

(1)

其中Psi是低壓海水的壓力，Pbi是高壓鹽水的壓力，Pso增壓海水的壓力，Pbo是泄壓鹽水的壓力，Qsi是低壓海水的流量，Qbi高壓鹽水的流量，Qbo是泄壓鹽水的流量，Qso是增壓海水的流量。

在忽略裝置內(nèi)部滲漏的情況下，即：Qsi=Qbo和Qbi=Qso，裝置的能量回收效率公式可轉(zhuǎn)化為：

(2)

圖9給出了壓力交換器在轉(zhuǎn)速為500 r/min、處理量為8.3 m3/h、操作壓力為6.0 MPa時(shí)，按公式(2)計(jì)算得到的裝置能量回收效率變化曲線。

圖9　裝置的效率變化曲線Fig.9　Efficiency variations of the device with time

結(jié)果表明，該裝置的能量回收效率始終保持在95.8%～97.7%，與國外同類型產(chǎn)品(PX型裝置)相當(dāng)[11]，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值。

2.5　裝置的動(dòng)平衡性能

壓力交換器的動(dòng)平衡性能可通過裝置在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩的變化規(guī)律來評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的波動(dòng)幅度越小，裝置的動(dòng)平衡性能越好;反之，裝置的動(dòng)平衡性能就越差。表1給出了操作壓力為6.0 MPa、處理量為8.3 m3/h時(shí)，壓力交換器在不同轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動(dòng)扭矩變化規(guī)律。從表1中可以看出，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩整體上比較穩(wěn)定，波動(dòng)微??；隨著轉(zhuǎn)速的增加，扭矩值逐漸減小。這一方面由于采用了集液槽對(duì)稱布置的端盤結(jié)構(gòu)，較好地保障了裝置受力的平衡性；另一方面由于轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)子與端盤之間及轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子套筒之間的水潤滑越充分，并可能形成了水潤滑液膜，較大地減小了裝置的旋轉(zhuǎn)阻力。當(dāng)裝置轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，所需的驅(qū)動(dòng)扭矩值最小，約為17～18 N·m。

表1　不同轉(zhuǎn)速下壓力交換器的驅(qū)動(dòng)扭矩值

3　結(jié)論

設(shè)計(jì)開發(fā)了具有新型端盤結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子式壓力交換器，并對(duì)其流體力學(xué)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：裝置的單機(jī)處理負(fù)荷和運(yùn)行壓力分別達(dá)到8.3 m3/h和6.0 MPa；裝置的連續(xù)運(yùn)行特性穩(wěn)定，能量回收效率達(dá)到95.8%～97.7%；裝置具有良好的動(dòng)平衡性能，且轉(zhuǎn)速越高，裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩越小。

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