轉子流道傾斜式的外驅旋轉壓能交換器性能研究

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)

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

國內對RPE結構優化設計的研究較多。Wang等[6]設計了不同尺寸的集液槽結構，以體積混合率和穩定時間為主要觀察指標，利用CFD軟件模擬計算，對裝置集液槽的優化提供理論指導；張金鑫等[7]設計了新型端盤結構的RPE，搭建實驗平臺對其流體力學性能和運行穩定性進行研究，為裝置關于端盤的改型提供了依據；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建了靜壓支撐方案，解決了裝置泄漏量大導致的回收效率低等問題；武立明[10]通過對端面結構改造，改進了RPE轉子流道內流體壓力突變和裝置動密封效果不佳的問題。

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

1 三維轉子流道傾斜模型參數

IP-ERPE轉子流道由直流道經兩步傾斜得到，傾斜包括徑向傾斜、切向傾斜兩部分，對應徑向傾斜角度θr、切向傾斜角度θt，傾斜角度為θ，θ等于0°時為直流道結構，圖1顯示了轉子流道的傾斜過程。

圖1 流道傾斜示意圖

轉子軸向長度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計空間，轉子最大傾斜角度定為10°。轉子與套筒之間、端盤與轉子之間間隙很小，為了簡化模型，忽略了裝置配合間隙的影響，裝置結構如圖2所示。

圖2 裝置結構尺寸示意圖

2 數值模擬

2.1 控制方程

根據裝置運行過程的實際情況引入以下3條假設：

(1)計算流體為液態，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，傳熱系數大。運行過程中，流體流速高，無滯留現象，溫度差可忽略，傳熱對計算結果影響小，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。

其連續性方程如下：

·(ρv)=0。

(1)

動量方程如下：

(2)

應力張量公式如下：

(3)

裝置運行過程中，內部流體處于完全湍流狀態，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、黏性系數方程如下：

(4)

(5)

(6)

相關參數取值為：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，W/(m2·℃);t表示時間，s;ε為耗散率；ui,uj為時均速度。

由于流道內存在兩種濃度液體的摻混過程，因此采用物質傳輸混合模型，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構化網格，采用邊界層網格技術在固體壁面區域進行網格加密，利用Fluent對建立的數學模型計算求解，過程基于壓力基求解器，選擇瞬態模擬，固壁邊界采用壁面函數法處理，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，低壓海水質量分數3.5%，高壓濃鹽水質量分數6%，水力直徑15 mm，處理量固定為8 m3/h，模擬計算轉子傾斜度分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°的ERPE，轉速分別設置為600、900、1200、1500 r/min，主要邊界條件設置如表1所示。

表1 主要邊界條件參數

3 結果分析與討論

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，能量回收效率隨轉子轉速的升高而降低，轉速每升高300 r/min，能量回收效率約提高0.657 4%；相同轉速下，轉子傾斜角度對能量回收效率沒有明顯影響，具體表現為隨著轉子傾斜角度變化，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量分數；Cbo、Cbi為出口和入口濃鹽水的質量分數。4種轉速下體積混合率隨轉子傾斜角度的變化情況如圖4所示。可以看出，固定處理量的條件下，轉子轉速是影響ERPE體積混合率的關鍵因素，6種不同傾斜角度的ERPE體積混合率均隨轉子轉速升高而降低；轉子流道傾斜角對體積混合率有一定影響，轉速在600 r/min時，體積混合率隨轉子傾斜角度增加而下降(圖4中A、A1點)；轉速在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 結論

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