陳志華 鄧建強(qiáng) 梅 玫 曹 崢

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

自驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與動態(tài)性能研究①

陳志華 鄧建強(qiáng) 梅 玫 曹 崢

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

通過建立不同結(jié)構(gòu)與動態(tài)操作參數(shù)下的自驅(qū)動壓力交換器數(shù)值模型，分析了轉(zhuǎn)子長度、端蓋通道覆蓋孔道個數(shù)及螺旋升角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對設(shè)備性能的影響規(guī)律，得到了不同操作參數(shù)下設(shè)備動態(tài)運(yùn)行特性的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子長度為影響體積混合度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，增大轉(zhuǎn)子長度可有效控制流體混合程度；隨著進(jìn)流速度增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性增大，流體混合加劇，壓力交換效率顯著減?。豢椎琅c端蓋存在動靜干涉，使得高壓出口處產(chǎn)生壓力脈動，導(dǎo)致流體壓力出現(xiàn)損耗，且隨著進(jìn)流速度增大，壓力損耗增大，有效壓力交換減小；而進(jìn)流壓力的影響較小。

自驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器 結(jié)構(gòu)參數(shù) 動態(tài)操作參數(shù) 運(yùn)行特性

旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器(Rotary Pressure Exchanger，RPE)目前在反滲透海水淡化系統(tǒng)(Seawater Reverse Osmosis，SWRO)中普遍應(yīng)用，對于減小系統(tǒng)能耗和生產(chǎn)成本有著重要作用[1～3]。旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器按驅(qū)動方式分為外驅(qū)型和自驅(qū)型，其中自驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器(Self-driven Rotary Pressure Exchanger，SD-RPE)運(yùn)行無需外界輸入動力，具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力交換效率高及流體介質(zhì)成分要求低等優(yōu)點(diǎn)[4]。

近年來，自驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器的研究主要集中在自驅(qū)動模型的建立與設(shè)備啟動的實(shí)驗(yàn)研究上。姜海峰等建立了帶有轉(zhuǎn)動影響的二維數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，分析了液柱活塞的形成過程及其特點(diǎn)，通過建立外驅(qū)型壓力能交換器三維模型，研究了影響液柱活塞的主要因素和各因素下的變化規(guī)律[5～8]。韓松等建立了水力驅(qū)動流固耦合模型，建立了外驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器三維模型，結(jié)果表明其混合度和無量綱進(jìn)流長度的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好[9～11]。

相較于外驅(qū)設(shè)備的研究，筆者建立了自驅(qū)動壓力能交換器數(shù)值模型，在實(shí)際的自驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器運(yùn)行過程中，操作參數(shù)總是處于動態(tài)變化的狀態(tài)，研究了設(shè)備結(jié)構(gòu)對混合特性的調(diào)控作用和動態(tài)操作參數(shù)下設(shè)備的運(yùn)行特性，從結(jié)構(gòu)和工況優(yōu)化兩方面為設(shè)備性能優(yōu)化奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 模型建立與試驗(yàn)方案

1.1 幾何結(jié)構(gòu)與工作原理

SD-RPE結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備由轉(zhuǎn)子、端蓋、套筒、進(jìn)出流管道及中軸等部件組成，端蓋與套筒以法蘭連接。進(jìn)流流體沿端蓋螺旋楔形通道流動，以一定傾角進(jìn)入孔道，流體切向速度增大，增加推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切向力矩，使得轉(zhuǎn)子保持高速運(yùn)動。

圖1 SD-RPE三維結(jié)構(gòu)

SD-RPE的工作原理如圖2所示。設(shè)備運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子上一部分孔道連接高壓鹽水端蓋通道，此時高壓鹽水流進(jìn)這部分孔道，孔道內(nèi)的低壓新鮮海水被增壓，同時在高壓鹽水的推動下，排出孔道，即增壓過程。同時，另一部分孔道連接新鮮海水端蓋通道，新鮮海水流進(jìn)這部分孔道，孔道內(nèi)做功后的泄壓鹽水被新鮮海水推出孔道，即泄壓過程。在轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)下，孔道交替經(jīng)過高壓區(qū)、密封區(qū)和低壓區(qū)3個區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了流體的連續(xù)壓力交換過程。

圖2 SD-RPE工作原理示意圖

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

SD-RPE幾何模型如圖3所示，模型包絡(luò)區(qū)域?yàn)榱黧w流動區(qū)域，主要包含端蓋通道和轉(zhuǎn)子孔道兩步法。端蓋通道作為流體進(jìn)、出設(shè)備的通道，與孔道直接連通?？椎雷鲂D(zhuǎn)運(yùn)動，端蓋靜止。設(shè)備在工作過程中，轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子孔道內(nèi)的液體在圍繞著其中心軸線做高速圓周運(yùn)動的同時，也通過直接接觸完成了高低壓液體間的能量交換回收的過程。構(gòu)建幾何物理模型時，對轉(zhuǎn)子流動區(qū)域進(jìn)行簡化，忽略轉(zhuǎn)子與套筒間隙之間的流通區(qū)域。本模型運(yùn)用動網(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)水力驅(qū)動，采用的網(wǎng)格光順技術(shù)(smoothing)和再生技術(shù)(refreshing)基于四面體網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格，因此采用ICEM CFD劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖4)，體網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，面網(wǎng)格為三角形網(wǎng)格。

圖3 SD-RPE幾何物理模型

圖4 SD-RPE模型網(wǎng)格

1.3 控制方程

筆者運(yùn)用CFD軟件FLUENT進(jìn)行三維數(shù)值計算，選擇非穩(wěn)態(tài)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程、組分輸運(yùn)方程、動網(wǎng)格技術(shù)和六自由度模型(SixDof)，其中六自由度模型通過讀取求解對象受到的外力和力矩，用于計算對象重心的平移或轉(zhuǎn)動?？刂品匠倘缦拢?/p>

(1)

(2)

(3)

Ji——i組分的擴(kuò)散通量；

p——流體靜壓；

Yi——i組分的質(zhì)量分率；

ρf——流體密度；

τ——流體張力張量。

六自由度模型控制方程為：

(4)

式中L——剛體慣量張量；

1.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)化

為簡化模型結(jié)構(gòu)尺寸表達(dá)方式，建立圖3中SD-RPE沿轉(zhuǎn)子孔道圓心所在圓周構(gòu)成的圓柱面，并沿A-A方向展開(圖5)。端蓋通道展開呈梯形，類似于空間螺旋曲面投影到平面的二維圖形，從圖中可知，端蓋通道關(guān)鍵尺寸有：進(jìn)出口直徑di、螺旋升角α、進(jìn)出口錯角θ、垂直高度H和底面中心線弧度β；此時，端蓋通流通道前端面為螺旋弧面，弧面中線為螺旋線，螺旋升角為其螺旋角度，它對流體流向變化有重要作用；進(jìn)出口錯角為通道沿豎直方向兩端面之間的交錯角。從俯視視角建立端蓋通道與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系的投影圖(圖6)，填充區(qū)域?yàn)橥ǖ琅c轉(zhuǎn)子交界面(弧形環(huán)面)，中心線沿孔道中心線圓周分布，可用覆蓋孔道個數(shù)n、底面中心線弧度β和交界面中心線弧長l，表示它與轉(zhuǎn)子的尺寸關(guān)系。而轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)有：轉(zhuǎn)子半徑R、孔道直徑d、轉(zhuǎn)子長度L和孔道個數(shù)N。

圖5 SD-RPE沿A-A方向展開截面圖

圖6 轉(zhuǎn)子俯視圖

1.5 正交試驗(yàn)方案

本研究所采用的SD-RPE自驅(qū)動模型，由于模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含網(wǎng)格數(shù)較多，模型計算耗時較長。為了有針對性地開展結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值研究，需要對結(jié)構(gòu)參數(shù)的主次作用加以分析，考慮到實(shí)驗(yàn)組數(shù)較多，因此采用正交實(shí)驗(yàn)方法，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計。對于端蓋通道結(jié)構(gòu)，螺旋升角α和交界面覆蓋孔道個數(shù)n為關(guān)鍵的獨(dú)立結(jié)構(gòu)變量；對于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，為減少試驗(yàn)次數(shù)，更直接地研究轉(zhuǎn)子主要結(jié)構(gòu)尺寸長度L對設(shè)備性能的影響，設(shè)定端蓋進(jìn)口直徑di=15mm、轉(zhuǎn)子半徑R=45mm、孔道直徑d=15mm、孔道個數(shù)N=12均為恒定值；選取轉(zhuǎn)子長度L、覆蓋孔道個數(shù)n、螺旋升角α為正交實(shí)驗(yàn)的變化因素，A、B、C為相應(yīng)編碼，按每個因素選3個水平數(shù)確定因素水平表(表1)。根據(jù)L9(34)正交表，設(shè)計的正交實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表1 因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案表

2 模擬結(jié)果和討論

模擬獲得了三維結(jié)果，圖5所示展開截面上表達(dá)的質(zhì)量百分比濃度云圖如圖7所示，各孔道中間區(qū)域鹽水和新鮮海水形成混合區(qū)域。

圖7 沿A-A方向展開截面鹽濃度云圖

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合特性的影響

2.1.1 主次結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在壓力能交換器中，海水和鹽水發(fā)生混合是不可避免的，高壓混合區(qū)域連通高壓鹽水進(jìn)口和低壓海水出口(產(chǎn)品)，此區(qū)域的混合程度表征設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量的高低，而低壓出口濃鹽水泄壓后直接排走，因此低壓區(qū)的混合過程可不予考慮，體積混合度Mx作為衡量混合程度的重要指標(biāo)，可由下式計算得到：

(5)

(6)

cho,ti——穩(wěn)定運(yùn)行高壓出口濃度瞬時值；

chi——高壓鹽水入口濃度；

cli——低壓海水入口濃度；

Qho——高壓出口流量；

Qhi——高壓入口流量；

Qli——低壓入口流量；

ti——穩(wěn)定運(yùn)行統(tǒng)計i時段數(shù)對應(yīng)的時刻；

n——穩(wěn)定運(yùn)行統(tǒng)計總時段數(shù)。

各結(jié)構(gòu)變量對體積混合度的均值極差見表3，3個結(jié)構(gòu)變量中，轉(zhuǎn)子長度對體積混合度影響的均值極差最大為7.9%，其次是螺旋升角的5.6%，最后是端蓋通道覆蓋孔道個數(shù)的4.8%，由此可得，轉(zhuǎn)子長度是影響體積混合度的最主要因素，螺旋升角和覆蓋孔道個數(shù)為次要因素。

表3 體積混合度均值極差計算結(jié)果 %

2.1.2 參數(shù)影響分析

圖8a所示為體積混合度與轉(zhuǎn)子長度的關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)子長度的增大，體積混合度整體呈減小趨勢，長孔道內(nèi)部混合區(qū)域移動空間離端蓋通道距離遠(yuǎn)，鹽分對流擴(kuò)散到出口的時間長，相對不容易發(fā)生混合區(qū)溢出現(xiàn)象。當(dāng)L≥150mm時，混合度較小趨勢減緩，說明此時已滿足混合度的要求。圖8b所示為體積混合度與覆蓋孔道個數(shù)的關(guān)系，隨著覆蓋孔道個數(shù)的增加，混合度減小、端蓋通道與孔道交界面面積增大，分布到各孔道內(nèi)的流體速度減小，軸向上的速度分量也因此減小，使得孔道內(nèi)高低壓流體具有較弱的湍流強(qiáng)度，可形成軸向長度較短的液柱活塞，提高高壓出口海水品質(zhì)。圖8c所示為體積混合度與螺旋升角的關(guān)系，隨著螺旋升角的增加，混合度減小，螺旋升角增大，可使流體進(jìn)入孔道時更接近于垂直進(jìn)入，有利于形成平推流，從而得到形狀更加規(guī)則的摻混區(qū)域，使得鹽分從鹽水?dāng)U散到新鮮海水更加困難。

圖8 體積混合度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

2.2 動態(tài)操作參數(shù)的影響

2.2.1 鹽水進(jìn)流速度

圖9為不同進(jìn)流速度下的體積混合度Mx和轉(zhuǎn)速nr的變化圖。隨著速度增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性增大，進(jìn)流速度與轉(zhuǎn)速呈正比的關(guān)系，其比例系數(shù)與模型結(jié)構(gòu)有關(guān)。并且隨著進(jìn)流速度增大，體積混合度增大，高、低壓流體混合增強(qiáng)。這是由于孔道內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度隨著流體速度增大而增大，增強(qiáng)了鹽分在混合區(qū)軸向的擴(kuò)散程度，加劇了兩股流體中鹽分的混合。

圖9 進(jìn)流速度對體積混合度、轉(zhuǎn)速的影響

壓力能交換效率作為設(shè)備壓力交換性能的重要評價指標(biāo)，代表設(shè)備能量傳遞效率，其計算式如下：

(7)

式中phi——高壓鹽水進(jìn)口壓力，Pa；

pho——高壓海水出口壓力，Pa；

pli——低壓海水進(jìn)口壓力，Pa；

plo——低壓鹽水出口的壓力，Pa；

Qho——高壓海水出口的質(zhì)量流量，kg/s；

Qli——低壓海水進(jìn)口的質(zhì)量流量，kg/s；

Qhi——高壓鹽水進(jìn)口的質(zhì)量流量，kg/s；

Qlo——低壓鹽水出口的質(zhì)量流量，kg/s。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，孔道不斷切割端蓋通道，形成動靜干涉，導(dǎo)致端蓋通道內(nèi)流體壓力發(fā)生脈動。選取vin=5m/s的模型進(jìn)行高壓出口壓力頻譜分析，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nr=1095r/min，即轉(zhuǎn)頻為fr=18.25Hz，轉(zhuǎn)子孔道數(shù)N=12，端蓋通道數(shù)M=2。Amp代表壓力脈動的最大幅值，出現(xiàn)最大脈動幅值時，此頻率即為脈動基頻或諧頻。由圖10可以看出，高壓出口壓力分別在頻率f1(f1=N×fr=219Hz)、f2(f2=1.5N×fr=328.5Hz)、f3(f3=M×N×fr=438Hz)處出現(xiàn)峰值，壓力脈動的基頻恰好為孔道掃過端蓋通道的頻率，因此通過監(jiān)測裝置內(nèi)部壓力脈動即可獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。另外，在孔道掃過端蓋通道頻率諧波的線性組合處壓力脈動也會出現(xiàn)較大峰值，這也證明了端蓋通道和孔道間存在很強(qiáng)的動靜干涉。

圖10 vin=5m/s的高壓出口壓力頻域圖

圖11為不同進(jìn)流速度下的壓力脈動最大幅值A(chǔ)mp和壓力交換效率η，由圖可得，隨著進(jìn)流速度增大，壓力交換效率減小，而壓力脈動幅值逐漸增大。說明進(jìn)流速度越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，孔道與端蓋通道之間的動靜干涉增強(qiáng)，壓力脈動越加劇烈，壓力損耗增大，導(dǎo)致有效壓力交換減少。因此，控制動靜干涉有助于減小能量損耗，提高壓力交換效率。

圖11 壓力交換效率和壓力脈動幅度的關(guān)系

2.2.2 鹽水進(jìn)流壓力的影響

圖12所示為不同高壓鹽水入口進(jìn)流壓力下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr、體積混合度Mx和壓力交換效率η，由圖可得，入口壓力對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和體積混合度幾乎沒有影響，隨著入口壓力增大，壓力交換效率增大。

圖12 進(jìn)流壓力的影響

3 結(jié)束語

通過建立自驅(qū)動壓力交換器數(shù)值模型，確立了影響設(shè)備混合特性的主次結(jié)構(gòu)變量，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對設(shè)備性能的影響規(guī)律，得到了動態(tài)操作參數(shù)下設(shè)備運(yùn)行特性的變化規(guī)律，主要結(jié)論為：轉(zhuǎn)子長度為影響體積混合度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，增大轉(zhuǎn)子長度可有效控制流體混合程度；隨著進(jìn)流速度增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性增大，流體混合顯著加劇，壓力交換效率顯著減?。豢椎琅c端蓋存在動靜干涉，使得高壓出口處產(chǎn)生壓力脈動，導(dǎo)致流體壓力出現(xiàn)損耗；進(jìn)流壓力對設(shè)備性能影響較小。

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StructureOptimizationandDynamicPerformanceStudyofSelf-drivenRotaryPressureExchanger

CHEN Zhi-hua,DENG Jian-qiang,MEI Mei,CAO Zheng

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity)

Through establishing the numerical model of self-driven pressure exchangers of different structures and dynamic operation parameters,the structural parameters like rotor length,number of covering ducts,spiral rise angles and the operational parameters which influencing the device performance were analyzed to obtain the change rule of the device’s dynamic operation characteristics.The research results show that,the rotor’s length mainly influences the volumetric mixing degree,and its increase can effectively control the fluid mixing rate;with the increase of inflow velocity,the rotary speed increases linearly together with enhanced mixing degree and obviously decreased pressure exchange efficiency.Both static and dynamic interferences at the ducts and end cover can result in fluid pressure loss and with the increasing of inflow velocity,the pressure loss becomes increased together with a decreased effective exchange pressure,and the inflow pressure has small influence.

self-driven rotary pressure exchanger,structural parameters,dynamic operating parameters,operating performance

國家自然科學(xué)基金(21376187)。

陳志華(1991-)，碩士研究生，從事壓力能回收設(shè)備的研究。

聯(lián)系人鄧建強(qiáng)(1974-)，教授，從事高效化工過程機(jī)械的研究，dengjq@mail.xjtu.edu.cn。

TQ053

A

0254-6094(2017)04-0419-07

2016-11-23，

2017-01-11)