转子流道倾斜式的外驱旋转压能交换器性能研究

霍慕杰，别海燕，林子昕，安维中

(中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)

随着社会经济的快速发展，淡水资源短缺的问题逐步凸显[1]，利用海水淡化技术向大海索取淡水，可有效缓解淡水资源短缺问题。反渗透海水淡化技术由于原理简单、操作方便、所用设备少，成为海水淡化领域应用最广泛的工艺。在反渗透海水淡化工艺中，海水经加压泵进入反渗透膜组件，通过反渗透作用实现海水淡化，因此加压泵成为整个过程的主要能耗部件[2]。旋转式压能交换器(rotary pressure exchanger,RPE)利用正位移原理，在旋转过程中，待渗透海水在转子流道内与高压浓盐水直接接触而实现增压，高压浓盐水能得到回收利用，回收率达95%以上[3-5]。

国内对RPE结构优化设计的研究较多。Wang等[6]设计了不同尺寸的集液槽结构，以体积混合率和稳定时间为主要观察指标，利用CFD软件模拟计算，对装置集液槽的优化提供理论指导；张金鑫等[7]设计了新型端盘结构的RPE，搭建实验平台对其流体力学性能和运行稳定性进行研究，为装置关于端盘的改型提供了依据；曹峥等[8]提出一种具有自增压特性的RPE，将对称连通的集液槽进行错角排布，实现增压特性；田俊杰等[9]通过在平面端盘上引入阻尼孔和静压支撑槽而构建了静压支撑方案，解决了装置泄漏量大导致的回收效率低等问题；武立明[10]通过对端面结构改造，改进了RPE转子流道内流体压力突变和装置动密封效果不佳的问题。

本文针对外驱式旋转压能交换器(external-drive rotary pressure exchanger, ERPE)性能提升问题，设计了转子流道倾斜式的外驱式旋转压能交换器(external-drive rotary pressure exchanger of incline passageway, IP-ERPE)，构建了三维数值模型，以能量回收效率和体积混合率为性能指标，对模型求解，并进行了模拟数据对比分析。结果表明转子流道倾斜角度对ERPE性能提升有一定影响。

1 三维转子流道倾斜模型参数

IP-ERPE转子流道由直流道经两步倾斜得到，倾斜包括径向倾斜、切向倾斜两部分，对应径向倾斜角度θr、切向倾斜角度θt，倾斜角度为θ，θ等于0°时为直流道结构，图1显示了转子流道的倾斜过程。

图1 流道倾斜示意图

转子轴向长度150 mm，均布12个流通孔道，由于存在径向倾斜，为了不影响装置轴承的设计空间，转子最大倾斜角度定为10°。转子与套筒之间、端盘与转子之间间隙很小，为了简化模型，忽略了装置配合间隙的影响，装置结构如图2所示。

图2 装置结构尺寸示意图

2 数值模拟

2.1 控制方程

根据装置运行过程的实际情况引入以下3条假设：

(1)计算流体为液态，压力交换过程体积变化小，假定流体不可压缩；

(2)流体热容高，传热系数大。运行过程中，流体流速高，无滞留现象，温度差可忽略，传热对计算结果影响小，可假定流体间无热量传递；

(3)计算流体黏度小，忽略黏性耗散。

其连续性方程如下：

·(ρv)=0。

(1)

动量方程如下：

(2)

应力张量公式如下：

(3)

装置运行过程中，内部流体处于完全湍流状态，因此选择k-ε模型，该模型采用湍流脉动动能方程和湍流耗散方程进行求解。湍流脉动动能方程、湍流耗散方程、黏性系数方程如下：

(4)

(5)

(6)

相关参数取值为：σk=1.0、σε=1.3、C1=1.44、C2=1.92、cμ=0.09。式中，k为流体的传热系数，W/(m2·℃);t表示时间，s;ε为耗散率；ui,uj为时均速度。

由于流道内存在两种浓度液体的掺混过程，因此采用物质传输混合模型，通过组分输运方程对模型求解。

2.2 边界条件及初始条件

对模型采用单向影射的方法生成结构化网格，采用边界层网格技术在固体壁面区域进行网格加密，利用Fluent对建立的数学模型计算求解，过程基于压力基求解器，选择瞬态模拟，固壁边界采用壁面函数法处理，压力项为标准格式，不考虑重力影响，压力-速度耦合选择Simple算法。

边界条件采用速度入口和压力出口，低压海水质量分数3.5%，高压浓盐水质量分数6%，水力直径15 mm，处理量固定为8 m3/h，模拟计算转子倾斜度分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°的ERPE，转速分别设置为600、900、1200、1500 r/min，主要边界条件设置如表1所示。

表1 主要边界条件参数

3 结果分析与讨论

3.1 能量回收效率分析

能量回收情况用能量回收效率描述，定义如下：

(7)

其中，Qsi、Qso表示海水入口和出口流量，m3/h；Qbi、Qbo为浓盐水入口和出口流量,m3/h；Psi、Pso表示海水入口和出口压强，Pa；Pbi、Pbo表示浓盐水水进口和出口压强，Pa。为研究流道倾斜角度对能量回收效率的影响，将不同倾斜角度的ERPE的能量回收效率进行比较分析，结果如图3所示。从图中可以看出，固定处理量下，能量回收效率随转子转速的升高而降低，转速每升高300 r/min，能量回收效率约提高0.657 4%；相同转速下，转子倾斜角度对能量回收效率没有明显影响，具体表现为随着转子倾斜角度变化，能量回收效率变化最大不超过0.04%。

图3 倾斜角度对能量回收效率的影响

3.2 体积混合率分析

海水与浓盐水接触会发生掺混，引起待渗透海水浓度升高，因此需要增大待渗透海水压强完成反渗透过程。有关研究表明，如果盐水浓度增加3% ～ 5%，则操作反渗透压力需要升高200 kPa，能耗随之增大[11]。体积混合率是描述掺混强度的指标，定义如下：

(8)

其中，Cso、Csi为出口和入口海水质量分数；Cbo、Cbi为出口和入口浓盐水的质量分数。4种转速下体积混合率随转子倾斜角度的变化情况如图4所示。可以看出，固定处理量的条件下，转子转速是影响ERPE体积混合率的关键因素，6种不同倾斜角度的ERPE体积混合率均随转子转速升高而降低；转子流道倾斜角对体积混合率有一定影响，转速在600 r/min时，体积混合率随转子倾斜角度增加而下降(图4中A、A1点)；转速在900 r/min时，IP-ERPE较VP-ERPE体积混合率低(图4中B、B1点)，IP-ERPE体积混合率随转子倾斜角度增加呈先升高后降低的趋势，倾斜角度为6°时体积混合率最高(图4中B2点)；转速为1200 r/min时，IP-ERPE较VP-ERPE体积混合率低(图4中C、C3点)，IP-ERPE的体积混合率随转子倾斜角度增加呈先升高后降低的趋势，倾斜角度为6°时体积混合率最高(图4中C2点)，倾斜角度为2°时体积混合率最低(图4中C1点)；运行转速在1500 r/min时，IP-ERPE较VP-ERPE体积混合率没有明显变化(图4中D、D1点)。

图4 倾斜角度对体积混合率的影响

4 结论

本文提出将ERPE转子流道倾斜设计的观点，探索转子流道倾斜度对装置能量回收效率和体积混合率的影响，结果表明：ERPE在固定处理量的前提下，体积混合率随转速升高而升高；ERPE转子流道倾斜角度对体积混合率有一定影响，具体表现在当固定处理量为8 m3/h时，转速分别在600、900、1200 r/min下，IP-ERPE的体积混合率较VP-ERPE小；转速为1500 r/min的条件下，流道经过倾斜后，体积混合率没有明显变化。因此可知在一定转速下，ERPE可通过调整转子倾斜角度降低体积混合率，在处理量为8 m3/h时，转速分别在600、900、1200、1500 r/min下，通过改变转子流道倾斜角度，体积混合率分别最大降低了0.381%、0.604%、0.472%、0.101%。