霍慕杰，別海燕，林子昕，安維中

(中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，淡水資源短缺的問題逐步凸顯[1]，利用海水淡化技術(shù)向大海索取淡水，可有效緩解淡水資源短缺問題。反滲透海水淡化技術(shù)由于原理簡單、操作方便、所用設(shè)備少，成為海水淡化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的工藝。在反滲透海水淡化工藝中，海水經(jīng)加壓泵進入反滲透膜組件，通過反滲透作用實現(xiàn)海水淡化，因此加壓泵成為整個過程的主要能耗部件[2]。旋轉(zhuǎn)式壓能交換器(rotary pressure exchanger,RPE)利用正位移原理，在旋轉(zhuǎn)過程中，待滲透海水在轉(zhuǎn)子流道內(nèi)與高壓濃鹽水直接接觸而實現(xiàn)增壓，高壓濃鹽水能得到回收利用，回收率達95%以上[3-5]。

國內(nèi)對RPE結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究較多。Wang等[6]設(shè)計了不同尺寸的集液槽結(jié)構(gòu)，以體積混合率和穩(wěn)定時間為主要觀察指標，利用CFD軟件模擬計算，對裝置集液槽的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)；張金鑫等[7]設(shè)計了新型端盤結(jié)構(gòu)的RPE，搭建實驗平臺對其流體力學性能和運行穩(wěn)定性進行研究，為裝置關(guān)于端盤的改型提供了依據(jù)；曹崢等[8]提出一種具有自增壓特性的RPE，將對稱連通的集液槽進行錯角排布，實現(xiàn)增壓特性；田俊杰等[9]通過在平面端盤上引入阻尼孔和靜壓支撐槽而構(gòu)建了靜壓支撐方案，解決了裝置泄漏量大導(dǎo)致的回收效率低等問題；武立明[10]通過對端面結(jié)構(gòu)改造，改進了RPE轉(zhuǎn)子流道內(nèi)流體壓力突變和裝置動密封效果不佳的問題。

本文針對外驅(qū)式旋轉(zhuǎn)壓能交換器(external-drive rotary pressure exchanger, ERPE)性能提升問題，設(shè)計了轉(zhuǎn)子流道傾斜式的外驅(qū)式旋轉(zhuǎn)壓能交換器(external-drive rotary pressure exchanger of incline passageway, IP-ERPE)，構(gòu)建了三維數(shù)值模型，以能量回收效率和體積混合率為性能指標，對模型求解，并進行了模擬數(shù)據(jù)對比分析。結(jié)果表明轉(zhuǎn)子流道傾斜角度對ERPE性能提升有一定影響。

1 三維轉(zhuǎn)子流道傾斜模型參數(shù)

IP-ERPE轉(zhuǎn)子流道由直流道經(jīng)兩步傾斜得到，傾斜包括徑向傾斜、切向傾斜兩部分，對應(yīng)徑向傾斜角度θr、切向傾斜角度θt，傾斜角度為θ，θ等于0°時為直流道結(jié)構(gòu)，圖1顯示了轉(zhuǎn)子流道的傾斜過程。

圖1 流道傾斜示意圖

轉(zhuǎn)子軸向長度150 mm，均布12個流通孔道，由于存在徑向傾斜，為了不影響裝置軸承的設(shè)計空間，轉(zhuǎn)子最大傾斜角度定為10°。轉(zhuǎn)子與套筒之間、端盤與轉(zhuǎn)子之間間隙很小，為了簡化模型，忽略了裝置配合間隙的影響，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

根據(jù)裝置運行過程的實際情況引入以下3條假設(shè)：

(1)計算流體為液態(tài)，壓力交換過程體積變化小，假定流體不可壓縮；

(2)流體熱容高，傳熱系數(shù)大。運行過程中，流體流速高，無滯留現(xiàn)象，溫度差可忽略，傳熱對計算結(jié)果影響小，可假定流體間無熱量傳遞；

(3)計算流體黏度小，忽略黏性耗散。

其連續(xù)性方程如下：

·(ρv)=0。

(1)

動量方程如下：

(2)

應(yīng)力張量公式如下：

(3)

裝置運行過程中，內(nèi)部流體處于完全湍流狀態(tài)，因此選擇k-ε模型，該模型采用湍流脈動動能方程和湍流耗散方程進行求解。湍流脈動動能方程、湍流耗散方程、黏性系數(shù)方程如下：

(4)

(5)

(6)

相關(guān)參數(shù)取值為：σk=1.0、σε=1.3、C1=1.44、C2=1.92、cμ=0.09。式中，k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);t表示時間，s;ε為耗散率；ui,uj為時均速度。

由于流道內(nèi)存在兩種濃度液體的摻混過程，因此采用物質(zhì)傳輸混合模型，通過組分輸運方程對模型求解。

2.2 邊界條件及初始條件

對模型采用單向影射的方法生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用邊界層網(wǎng)格技術(shù)在固體壁面區(qū)域進行網(wǎng)格加密，利用Fluent對建立的數(shù)學模型計算求解，過程基于壓力基求解器，選擇瞬態(tài)模擬，固壁邊界采用壁面函數(shù)法處理，壓力項為標準格式，不考慮重力影響，壓力-速度耦合選擇Simple算法。

邊界條件采用速度入口和壓力出口，低壓海水質(zhì)量分數(shù)3.5%，高壓濃鹽水質(zhì)量分數(shù)6%，水力直徑15 mm，處理量固定為8 m3/h，模擬計算轉(zhuǎn)子傾斜度分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°的ERPE，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為600、900、1200、1500 r/min，主要邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 主要邊界條件參數(shù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 能量回收效率分析

能量回收情況用能量回收效率描述，定義如下：

(7)

其中，Qsi、Qso表示海水入口和出口流量，m3/h；Qbi、Qbo為濃鹽水入口和出口流量,m3/h；Psi、Pso表示海水入口和出口壓強，Pa；Pbi、Pbo表示濃鹽水水進口和出口壓強，Pa。為研究流道傾斜角度對能量回收效率的影響，將不同傾斜角度的ERPE的能量回收效率進行比較分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，固定處理量下，能量回收效率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而降低，轉(zhuǎn)速每升高300 r/min，能量回收效率約提高0.657 4%；相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子傾斜角度對能量回收效率沒有明顯影響，具體表現(xiàn)為隨著轉(zhuǎn)子傾斜角度變化，能量回收效率變化最大不超過0.04%。

圖3 傾斜角度對能量回收效率的影響

3.2 體積混合率分析

海水與濃鹽水接觸會發(fā)生摻混，引起待滲透海水濃度升高，因此需要增大待滲透海水壓強完成反滲透過程。有關(guān)研究表明，如果鹽水濃度增加3% ～ 5%，則操作反滲透壓力需要升高200 kPa，能耗隨之增大[11]。體積混合率是描述摻混強度的指標，定義如下：

(8)

其中，Cso、Csi為出口和入口海水質(zhì)量分數(shù)；Cbo、Cbi為出口和入口濃鹽水的質(zhì)量分數(shù)。4種轉(zhuǎn)速下體積混合率隨轉(zhuǎn)子傾斜角度的變化情況如圖4所示?？梢钥闯?，固定處理量的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響ERPE體積混合率的關(guān)鍵因素，6種不同傾斜角度的ERPE體積混合率均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而降低；轉(zhuǎn)子流道傾斜角對體積混合率有一定影響，轉(zhuǎn)速在600 r/min時，體積混合率隨轉(zhuǎn)子傾斜角度增加而下降(圖4中A、A1點)；轉(zhuǎn)速在900 r/min時，IP-ERPE較VP-ERPE體積混合率低(圖4中B、B1點)，IP-ERPE體積混合率隨轉(zhuǎn)子傾斜角度增加呈先升高后降低的趨勢，傾斜角度為6°時體積混合率最高(圖4中B2點)；轉(zhuǎn)速為1200 r/min時，IP-ERPE較VP-ERPE體積混合率低(圖4中C、C3點)，IP-ERPE的體積混合率隨轉(zhuǎn)子傾斜角度增加呈先升高后降低的趨勢，傾斜角度為6°時體積混合率最高(圖4中C2點)，傾斜角度為2°時體積混合率最低(圖4中C1點)；運行轉(zhuǎn)速在1500 r/min時，IP-ERPE較VP-ERPE體積混合率沒有明顯變化(圖4中D、D1點)。

圖4 傾斜角度對體積混合率的影響

4 結(jié)論

本文提出將ERPE轉(zhuǎn)子流道傾斜設(shè)計的觀點，探索轉(zhuǎn)子流道傾斜度對裝置能量回收效率和體積混合率的影響，結(jié)果表明：ERPE在固定處理量的前提下，體積混合率隨轉(zhuǎn)速升高而升高；ERPE轉(zhuǎn)子流道傾斜角度對體積混合率有一定影響，具體表現(xiàn)在當固定處理量為8 m3/h時，轉(zhuǎn)速分別在600、900、1200 r/min下，IP-ERPE的體積混合率較VP-ERPE小；轉(zhuǎn)速為1500 r/min的條件下，流道經(jīng)過傾斜后，體積混合率沒有明顯變化。因此可知在一定轉(zhuǎn)速下，ERPE可通過調(diào)整轉(zhuǎn)子傾斜角度降低體積混合率，在處理量為8 m3/h時，轉(zhuǎn)速分別在600、900、1200、1500 r/min下，通過改變轉(zhuǎn)子流道傾斜角度，體積混合率分別最大降低了0.381%、0.604%、0.472%、0.101%。