＊朱建明 白明磊 尹方龙 陈伟才 李昀

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随着淡水资源短缺问题日益突出，如何利用现有的资源生产丰富的淡水成为了世界各国关注的焦点。海水淡化技术能够从海水或苦咸水中分离出淡水，为居民生活与工业生产提供淡水保障[1]。此外，反渗透海水淡化技术以其经济性好、处理效率高、维护方便等优势在海水淡化领域得到了广泛的应用[2]。高压海水液压泵与能量回收装置是传统反渗透海水淡化系统的重要组成部分，尤其是能量回收装置，能够回收反渗透膜组件输出的高压浓盐水的余压能并转换为新鲜海水的压力能，极大的降低了反渗透海水淡化系统的能耗水平。能量回收装置按工作原理不同可以分为离心式和正位移。离心式能量回收装置内部高压流体的压力能先转化为装置的机械能，再转化为新鲜海水的压力能，由于要进行两步转化才完成流体压力能的量交换，且转化过程存在能量损失，故效率偏低一般在50%～80%[3-4]。基于“功交换”原理的正位移式能量回收装置利用流体不可压缩性能够直接实现高压盐水和低压海水之间的能量传递，其只需经历“压力能—压力能”的一步转换，能量回收效率能够达到95%以上[5]。由美国ERI公司设计生产的压力交换式能量回收器PX（Pressure Exchanger）已经成为目前商业化应用最为成功的能量回收装置，图1展示了其工作原理。来自反渗透膜的高压浓盐水从右侧进入，与孔道内的新鲜海水发生碰撞后将压力传递给海水并使海水从左侧排出，当转子旋转过配流机构的密封区后，低压海水进入转子孔道并将做工后的低压海水从右侧排出。转子每转动一周，每一个孔道都会重复这一压力变换过程，实现连续的进水与排水。

图1 PX能量回收装置工作原理[2]

本文将从旋转式能量回收装置的运行特性出发，建立流场仿真模型，通过计算流体力学方法对其内部流场的运行过程进行模拟，并分析不同工况条件对旋转式能量回收装置的过程特性与性能表现进行分析。

1.流场仿真模型建立

(1)基本假设

依据能量回收装置运行环境与特性提出以下假设：

①能量回收装置的工作温度为288～298K（15～25℃），在此温度区间内，海水与浓盐水的基本物理性质参数如表1所示。

表1 海水与盐水的物理性质

②考虑能量回收装置的工作温度范围，且液体在孔道内的驻留时间极短，所以假设液体在能量回收装置的孔道内进行传递时与外界环境没有热量交换，没有明显的热效应。

③液体传递过程中无化学反应。

(2)流体域提取

基于能量回收装置三维模型，对流体域进行提取，并对流体域进行网格划分，如图2所示。

图2 能量回收装置流体域

(3)控制方程

能量回收装置中流体的流动要受到物理守恒定律的约束，在假设条件的基础之上，在流场仿真模型中引入了多相流混合模型、空化模型以及湍流模型。其控制方程表达如下：

①多相流混合模型

多相流混合模型遵循质量守恒、动量守恒定律与能量守恒定律。同时，多相流混合模型还引入了扩散系数，以模拟不同组分之间的扩散情况。其表达式如下所示：

②空化模型

这是研究液相随压力变化而变化的一个重要的模型。其中考虑了三种重要的液体性质，包括空化、气蚀以及流体可压缩性。该模型中引入的空化模型可通过下式表述：

③湍流模型

本文使用标准k-ɛ模型，能量回收装置的内部流体视作不可压缩流体，能够通过下式表示：

(4)边界条件

高压浓盐水入口定义为流量入口，流量QHB=12L/min，低压新鲜海水入口定义为流量入口，流量QLS=12L/min，增压新鲜海水出口定义为压力出口，压力PHS=4MPa，低压浓盐水出口定义为压力出口，压力PLB=0.1MPa。

初始状态下，能量回收装置流体域内的流体均为新鲜海水C1=3.5%，高压浓盐水入口与低压浓盐水出口为浓盐水C2=4.2%，设置完成后其计算模型如图所示，转速为1500～2200r/min，设定计算旋转周期为30圈。

2.项标参数计算

为了评价能量回收装置的工作性能，本文中引入了掺混率与能量回收效果等重要评价指标。

(1)掺混率

正位移式旋转压力交换器转子孔道内无刚性活塞，依靠孔道内液柱活塞分隔流体，因此掺混现象不可避免。此外由于海水的盐度与渗透压成正相关，所以需要海水泵提供更高的压力来保证系统的淡水产量，导致系统消耗更多的能量。掺混率Q的计算方法如下：

式中，CHPS-outlet—高压出口新鲜海水的盐度；

CLPS-inlet—低压进口新鲜海水的盐度；

CHPS-inlet—高压进口浓盐海水的盐度。

(2)能量回收效果

对于能量回收装置来说，能量回收效率也是评价其性能的关键指标，本文通过高压浓盐水入口压力与高压海水出口压力的比值来评价该装置的能量回收效果。能够通过下式表述：

式中，PHB—高压浓盐水入口压力；

PHS—高压海水出口压力。

能量回收效果的计算实质是能量回收装置产出海水大压力与能量回收装置输入的高压浓盐水的压力之间的比值，比值越高，能量回收效果越好，海水淡化系统产出能耗比越低。

3.结果分析

(1)过程特性

图3展示了能量回收装置流场仿真模型计算稳定后的盐度分布特性，蓝色代表海水，红色代表浓盐水，黄色部分为浓盐水与海水在孔道内进行能量交换过程中形成的掺混区，即液柱活塞。液柱活塞既能够保证高压浓盐水与低压海水之间的压力交换效率，又能降低浓盐水与海水之间的掺混程度。此外，仿真结果显示液柱活塞在每个孔道内部的位置都不相同，而且随着转子的旋转表现出周期性的上下运动，液柱活塞的浓度也保持稳定不变。孔道内液柱活塞的上下移动范围和速度与能量回收装置进出口流量和转速密切相关。

图3 转子孔道内的盐度分布

(2)转速对掺混率的影响

本文对不同转速下的能量回收装置的掺混率进行了对比，如图3所示，当转速从1500r/min增加到2200r/min时，其掺混率也从5.883%增加到6.724%。导致这个现象的因素可能是转速增加导致浓盐水与海水进入孔道的离心速度增大，使浓盐水与海水不能够正面碰撞而形成楔形掺混区，进而导致掺混率随着转速的增加而增加。

(3)转速对能量回收效果的影响

图4展示了不同转速下能量回收装置的能量回收效果，能够发现，随着转速的增加，能量回收效果出现下降的趋势。当转速从1500r/min增加到1900r/min时，能量回收效果有明显的降低；当转速超过2000r/min时，能量回收效果变化不明显。导致这个现象原因可能是转速增加，流体进入孔道时的周向分速度越大，使高压浓盐水与低压海水不能发生正面碰撞，而是产生一个楔形的碰撞区域，导致能量回收效果较差。

图4 掺混率随转速变化规律

图5 不同转速下的能量回收效果

4.结论

基于计算流体力学方法建立了旋转式压力交换器内部掺混特性的仿真模型，开展了不同工作转速下的旋转式压力交换器掺混特性和能量回收效率的仿真研究。转子式能量回收装置在稳定运行时，孔道内能够形成稳定能量交换过程。旋转过程中掺混区能够在转自孔道内往复运动，并且能够保持盐度稳定。此外，随着能量回收装置转速的增加，其掺混率也出现增加趋势，当转速从1500r/min增加到2200r/min时，其掺混率从5.883%增加到6.724%。同时。随着转速的增加，能量回收效果φ出现先降低后稳定的趋势。论文的研究结果揭示了掺混率和能量回收效率随工作转速的变化规律，为旋转式压力交换器的工作转速范围选取提供了依据。