基于CFD的壓力交換器壓力能轉(zhuǎn)換效率及內(nèi)部流動(dòng)特性研究

方勇 馬光飛

(1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,浙江 杭州 310024；2.浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310024；3.水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310024)

中國(guó)水資源短缺狀況十分明顯，尤其是島嶼和沿海等地區(qū)海水資源豐富，而淡水資源奇缺，使得海水淡化技術(shù)顯得越發(fā)重要。目前，針對(duì)海水淡化主要有膜、膜系統(tǒng)、藥劑、壓力能交換裝置等研究。如牛志遠(yuǎn)[1]針對(duì)反滲透海水淡化膜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)膜系統(tǒng)傳統(tǒng)尋優(yōu)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出以制水能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；方宏[2]研究了多孔陶瓷纖維膜表面修飾在膜蒸餾海水淡化過(guò)程中的應(yīng)用；李亞紅[3]等分析了膜化學(xué)品的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)前景，提出在目前大力發(fā)展海水淡化事業(yè)的背景下，中國(guó)膜化學(xué)品的開發(fā)和應(yīng)用研究應(yīng)該同步跟進(jìn)；Al-Zahrani A[4]等對(duì)帶或不帶能量回收的反滲透海水淡化裝置進(jìn)行了熱力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)帶回收裝置可以提高效率；Rodríguezcalvo A[5]等概述了目前反滲透膜海水淡化的狀況和對(duì)這種趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)。綜上所述，反滲透海水淡化技術(shù)已是海水淡化領(lǐng)域的主流研究方向[6-7]。但是，在膜系統(tǒng)完成反滲透處理之后，其流出的高壓濃海水中還剩余40%的高壓能，如何提高剩余壓力能的利用率，設(shè)計(jì)出合理的壓力能交換裝置，就顯得尤為重要。

目前，越來(lái)越多的學(xué)者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法(CFD)分析壓力能交換器的壓力能量轉(zhuǎn)換效率和內(nèi)部流動(dòng)特性。吳淳杰[8]采用有限體積法進(jìn)行空間離散，對(duì)自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式增壓能量交換裝置模型進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，分析了壓差、端面間隙、轉(zhuǎn)速及壁厚與泄漏量之間的關(guān)系，確定了最佳液膜厚度以及最佳孔道壁厚值。趙飛等[9]采用RNGk-ε湍流模型及滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)壓力交換器內(nèi)動(dòng)靜干擾引起的非定常湍流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)對(duì)端蓋內(nèi)壓力脈動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)分析壓力脈動(dòng)可以提取交換器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。吳大轉(zhuǎn)等[10]基于Fluent軟件對(duì)壓力交換器內(nèi)間隙流動(dòng)進(jìn)行三維流動(dòng)定常計(jì)算，分析了不同軸向端面間隙、環(huán)向間隙、環(huán)向間隙長(zhǎng)度下間隙泄漏量和液膜潤(rùn)滑特性。盡管針對(duì)海水淡化能量交換裝置的設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算科研人員已進(jìn)行了大量的工作，但是從公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，還沒有考慮進(jìn)口管道半徑尺寸的設(shè)計(jì)方式對(duì)壓力交換器壓力能交換效率影響的研究。

因此，本文基于Fluent軟件對(duì)自行設(shè)計(jì)的壓力能交換器，結(jié)合滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，進(jìn)行全三維的瞬態(tài)特性數(shù)值模擬，對(duì)旋轉(zhuǎn)式能量交換器的壓力能交換效率及內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析，以期對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 流道結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)壓力交換器流道結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)子流道(長(zhǎng)度330mm)，上、下端蓋流道(長(zhǎng)度45mm)，進(jìn)、出流管道流道(長(zhǎng)度100mm)。通過(guò)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓濃鹽水從高壓進(jìn)口進(jìn)入，從低壓出口流出，低壓鹽水從低壓進(jìn)口進(jìn)入，從高壓出口流出，最終實(shí)現(xiàn)壓力交換，達(dá)到高、低壓力能交換的目的。自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)壓力交換器的三維流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓力交換器流道三維結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 網(wǎng)格劃分

為了研究旋轉(zhuǎn)式能量交換器壓力能交換效率及內(nèi)部流動(dòng)特性，在不同進(jìn)、出流管徑及不同轉(zhuǎn)速下，對(duì)壓力交換器的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在圖1的基本結(jié)構(gòu)上，本文設(shè)計(jì)了兩種進(jìn)、出流管徑的壓力能交換器，其進(jìn)、出流管道的半徑值R分別為24.5mm和32.5mm。

由于兩種結(jié)構(gòu)均采用結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行全三維數(shù)值模擬計(jì)算，且只有進(jìn)、出流管徑尺寸不同，因此本文只給出其中一種(進(jìn)出流管徑R=32.5mm)模型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分示意圖，如圖2所示。

圖2 模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

進(jìn)口邊界條件：高、低壓進(jìn)口根據(jù)設(shè)計(jì)流量(Q=55m3/h)給定速度進(jìn)口值。出口邊界設(shè)置為壓力出口：高壓出口P=5MPa，低壓出口P=0MPa。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別取600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min。高壓進(jìn)口為高濃度鹽水，NaCl濃度為0.035，密度1024.78kg/m3；低壓進(jìn)口為低濃度鹽水，NaCl濃度為0.015，密度1021.342kg/m3。計(jì)算溫度為298K。

2.3 數(shù)值模擬方法

非定常湍流流動(dòng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，近壁區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用有限體積法進(jìn)行空間離散，二階隱式進(jìn)行時(shí)間離散，雙流體歐拉-歐拉模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于在數(shù)值模擬中，壓力交換器存在兩種進(jìn)、出流管徑尺寸及多種轉(zhuǎn)速，為了更好地進(jìn)行數(shù)值比較，統(tǒng)一將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s，迭代計(jì)算1000步，收斂殘差為10-6，計(jì)算過(guò)程中對(duì)進(jìn)出口截面上的壓力、流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 壓力轉(zhuǎn)換效率

壓力交換器的壓力能交換效率是人們非常關(guān)注的一個(gè)指標(biāo)，目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于壓力能回收裝置的轉(zhuǎn)換效率定義[9-10]如下：

(1)

式中PHPout、PLPout——高、低壓出口的壓力，Pa；PHPin、PLPin——高、低壓進(jìn)口的壓力，Pa；QHPout、QLPout——高、低壓出口的體積流量，m3/h；QHin、QLPin——高、低壓進(jìn)口的體積流量，m3/h。

圖3 不同進(jìn)出流管徑的轉(zhuǎn)速—效率

圖3為均值處理后不同轉(zhuǎn)速兩種進(jìn)、出流管徑下壓力能交換器的轉(zhuǎn)速-效率圖。從圖3中可以看出，在給定設(shè)計(jì)流量Q下，在轉(zhuǎn)速n=600～1600r/min時(shí)，進(jìn)、出流管道半徑越大，壓力交換器的效率越高，即R=32.5mm大于R=24.5mm的壓力能轉(zhuǎn)換效率；在轉(zhuǎn)速n=600～1200r/min時(shí)，壓力能交換效率先增加后減小再增加；在轉(zhuǎn)速n=1200～1600r/min時(shí)，壓力能交換效率依然是先增加后減小再增加。說(shuō)明轉(zhuǎn)速對(duì)壓力器壓力能轉(zhuǎn)換效率的影響程度具有周期性，但是每個(gè)周期的幅度不同，其中轉(zhuǎn)速n=1000r/min壓力轉(zhuǎn)換效率最低。通過(guò)以上分析，可以說(shuō)明，在給定設(shè)計(jì)流量下，進(jìn)、出流管徑大小對(duì)壓力能轉(zhuǎn)換效率起著重要影響，但是通過(guò)比較不同轉(zhuǎn)速下的壓力能轉(zhuǎn)換效率，發(fā)現(xiàn)僅在轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)，效率相差很大，而其余轉(zhuǎn)速下的壓力能轉(zhuǎn)換效率相差并不明顯。這說(shuō)明不合理的進(jìn)、出流管徑大小會(huì)影響壓力能轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速對(duì)壓力能轉(zhuǎn)換效率的影響更加重要。轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響并不具有唯一確定性，轉(zhuǎn)速越小轉(zhuǎn)換效率越高，但是存在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)速存在(即n= 1000r/min時(shí)，效率非常低下，不能適合應(yīng)用需求)。

3.2 壓力交換分布

通過(guò)以上分析可知，進(jìn)、出流管徑大小對(duì)壓力能轉(zhuǎn)換效率的影響并不是很明顯，而轉(zhuǎn)速對(duì)壓力轉(zhuǎn)換效率的影響主要在n=1000r/min時(shí)，n=1000r/min為兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法下效率變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)中的最低效率點(diǎn)。因此，我們重點(diǎn)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)在n=1000r/min時(shí)，能量交換器內(nèi)部的三維壓力分布進(jìn)行分析。

圖4(a)、(b)為轉(zhuǎn)速n=1000r/min，相同計(jì)算時(shí)間、相同設(shè)計(jì)流量下，兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流動(dòng)壓力分布云圖。從圖4中可以看出，在給定設(shè)計(jì)流量下，兩種結(jié)構(gòu)均完成了壓力交換，分別分布于各自對(duì)應(yīng)的高、低壓管道中。管道半徑R=24.5mm，其最大壓力為5.859×106Pa，最小壓力為-2.373×10-5Pa；管道半徑R=32.5mm，其最大壓力為5.786×106Pa，最小壓力為-2.74×10-5Pa；這說(shuō)明不同進(jìn)流管道半徑確實(shí)對(duì)壓力交換器內(nèi)的壓力大小分布有影響，但是從云圖分布并不能直觀分析出其影響特性，僅可以判斷出兩種管道半徑結(jié)構(gòu)下的最大、最小壓力值，并不能做出更為深入的分析。

圖4 壓力云圖分布

3.3 高壓進(jìn)出口壓差

從圖4的壓力分布云圖可以看出兩種進(jìn)出流管徑下壓力交換器的靜壓力分布。但是，從整體的壓力云圖很難說(shuō)明其效率轉(zhuǎn)折原因以及該轉(zhuǎn)速下效率最低的原因。因此，為了更好地分析轉(zhuǎn)速和進(jìn)、出流管道半徑大小對(duì)壓力交換效率的影響，對(duì)兩種管徑大小情況下高壓進(jìn)出口的平均壓力差進(jìn)行分析。

圖5為不同進(jìn)出流管道半徑的轉(zhuǎn)速-壓差曲線。從圖5中可以看出，其壓力損失與壓力交換器的效率曲線正好相反，在轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)，進(jìn)出流管道半徑R=24.5mm和R=32.5mm的壓力損失均為最大值，因此，其在該轉(zhuǎn)速的壓力能轉(zhuǎn)換效率也最低。較大的進(jìn)出流管徑，整體壓差損失較小，因此其整體轉(zhuǎn)換效率也較高。綜上所述表明，壓力轉(zhuǎn)換效率與交換器內(nèi)的壓力損失有關(guān)，降低管道內(nèi)的壓力損失可以提高壓力能轉(zhuǎn)換效率。

圖5 不同進(jìn)出流管到半徑的轉(zhuǎn)速-壓差

3.4 氯化鈉體積分?jǐn)?shù)分布

圖6為不同進(jìn)、出流管道半徑R下，氯化鈉的體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

從圖6可以看出，在給定設(shè)計(jì)流量下，轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)，高濃度鹽水都在流道下半部分，低濃度鹽水都在流道上半部分。這說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理，在完成壓力交換后，可以實(shí)現(xiàn)高濃度鹽水從低壓出流管道排出，低濃度鹽水從高壓出流管道排出；高濃度鹽水不會(huì)進(jìn)入高壓出口，低濃度鹽水不會(huì)進(jìn)入低壓出口；進(jìn)出流管道半徑越小，高、低濃度鹽水發(fā)生摻混的現(xiàn)象越嚴(yán)重(即進(jìn)出流管道半徑R=24.5mm時(shí))。這說(shuō)明，進(jìn)出流管徑的大小影響了高、低濃度鹽水的摻混率。摻混率越大，壓力能交換效率越低，壓差損失越大。這再次解釋了圖3和圖5中，轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)的大波峰現(xiàn)象，即效率較低、壓差損失較大的原因。

圖6 氯化鈉體積分?jǐn)?shù)分布云圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)，以及數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同進(jìn)、出流管道半徑和不同轉(zhuǎn)速下壓力交換器的流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了壓力能交換效率以及內(nèi)部流動(dòng)特性， 主要可以得到以下結(jié)論。

a.由數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在給定設(shè)計(jì)流量Q以及不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)、出流管徑的大小會(huì)影響壓力交換器的轉(zhuǎn)換效率和壓力交換器的高壓管路壓差以及高、低濃度鹽水的摻混率。進(jìn)、出流管徑越小，壓力交換效率越低，高壓管路進(jìn)出口壓差越大，高、低濃度鹽水的摻混率越高。

b.在給定設(shè)計(jì)流量Q下以及不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響并不具有唯一確定性。轉(zhuǎn)速對(duì)壓力交換器壓力能轉(zhuǎn)換效率的影響程度具有周期性，但是，每個(gè)周期的幅度不同；轉(zhuǎn)速越小轉(zhuǎn)換效率越高，但是，存在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)速存在，即n= 1000r/min時(shí)，效率非常低下，不能適合實(shí)際應(yīng)用需求。

c.在給定設(shè)計(jì)流量下，本文的壓力交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理，兩種結(jié)構(gòu)均完成了壓力交換，分別分布于各自對(duì)應(yīng)的高低壓管路中。在完成壓力交換后，可以實(shí)現(xiàn)高濃度鹽水從低壓管道排出；低濃度鹽水從高壓管道排出；高濃度鹽水不會(huì)進(jìn)入高壓出口，低濃度鹽水不會(huì)進(jìn)入低壓出口。

[1] 牛志遠(yuǎn).反滲透海水淡化膜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)度的研究[D].杭州電子科技大學(xué),2014.

[2] 方宏.高性能陶瓷多孔膜制備表征及膜蒸餾海水淡化應(yīng)用研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[3] 李亞紅,侯純揚(yáng),武杰,等.海水淡化反滲透系統(tǒng)中的膜用化學(xué)品[J].工業(yè)水處理,2005,25(8):13-17.

[4] Al-Zahrani A,Orfi J,Al-Suhaibani Z,et al.Thermodynamic Analysis of a Reverse Osmosis Desalination Unit with Energy Recovery System[J].Procedia Engineering,2012,33(3):404-414.

[5] Rodríguezcalvo A,Silvacastro G A,Osorio F,et al.Reverse osmosis seawater desalination: current status of membrane systems[J].Desalination & Water Treatment, 2015,56(4):849-861.

[6] Bilton A M,Kelley L C.Design of Power Systems for Reverse Osmosis Desalination in Remote Communities[J].Desalination & Water Treatment,2014:1-16.

[7] Zhou Yihui,Ding Xinwei,Ju Maowei,et al.Numerical Simulation on a Dynamic Mixing Process in Ducts of a Rotary Pressure Exchanger for SWRO[J].Desalination & Water Treatment,2012,1(1-3):107-113.

[8] 吳淳杰.旋轉(zhuǎn)式增壓器壓能回收過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].浙江大學(xué),2013.

[9] 趙飛,馮忠明,焦磊,等.壓力交換器壓力脈動(dòng)頻域與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速特征分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014,35(001):74-77.

[10]吳大轉(zhuǎn),吳俊,趙飛,等.旋轉(zhuǎn)壓力交換器內(nèi)間隙泄漏和潤(rùn)滑特性研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2014,28(6):1204-1209.