0　引　言

　　旋转式压力交换器是利用正位移原理实现流体压力能回收再利用的装置,该装置的核心是周向开有均布贯通孔道的转子,压力和浓度不同的两种流体在转子通道中直接接触完成压力能的传递。如图1所示,工作状态下转子高速转动,其孔道交替地与高压或低压系统连通。当孔道运转至与高压系统连通时,高压流体进入孔道,孔道内原有的低压流体被加压并排出孔道。当孔道旋转至与低压系统连通时,低压流体重新进入孔道,将做功后已泄压的流体挤出孔道,完成一次压力交换过程。随着转子旋转,上述压力交换过程循环进行,从而实现压力能的连续回收。

　　在转子孔道中没有实体活塞分隔两种不同的流体,液柱活塞的形成是由于孔道中两种直接接触的流体中的组分存在浓度梯度而产生质量传递的结果。当孔道中流体存在浓度差时,流体交界面上会发生掺混现象,由浓度较高的区域向浓度较低的区域发生质量传递[2],这样形成的掺混区起到了实质上液柱活塞的功能。

　　1　旋转式压力能交换器的质量传递过程分析

　　旋转式压力能交换器运行过程中,孔道所处的位置不同,质量传递的过程也不相同。在一个压力能交换周期内,按孔道运行位置划分主要为两个阶段。如图2所示,一种情况是孔道位于上下集液槽之间,这个阶段孔内为湍流流动;另一个阶段转子的孔道处于密封状态,此时孔内流体为静止。孔道一旦与湍流区域有交集,孔道内流体就开始湍流运动,质量传递过程中流体的整体流动起主导作用;而当孔道完全进入密封区时,孔道内流体处于静止状态,则此时的质量传递为纯分子扩散过程。

　　2　理论计算参数

　　2. 1　结构参数

　　装置的结构参数主要包括转子孔道的个数N、长度L、孔道分布圆直径D和孔道内径d。转子的基本形状及其结构如图3所示。孔道之间的间隔厚度一般较小,以使得孔道排布尽量紧密,孔道在转子端面上应均匀分布。

　　2. 2　运行参数

　　运行参数主要包括孔内流量Q和转子的转速ω。一定结构尺寸的压力能交换器只能处理一定流量范围内的流体,过量流体将造成掺混区被推出孔道,失去液柱活塞的意义而破坏进料流体的浓度品质。

　　2. 3　性能参数

　　性能参数用于评价转子的优劣,包括最大进流长度lmax和孔道容积效率η。最大进流长度是指高低压流体进入孔道内所能深入的最大长度,代表每次完成压力交换过程后液柱活塞在转子孔道内移动的距离。对于不可压缩流体,最大进流长度也代表了压力能交换器在单位周期内所能处理的流体质量(或体积)。

　　同时引入容积效率概念用于评价孔道全容积的利用效率,容积效率η可以表示为:

　　3　理论计算

　　图4为孔道相对集液槽的运动示意图。全部运动过程分为3个阶段:孔道切入集液槽位置1~3、孔道与集液槽全面积接触位置3~4和孔道切出集液槽位置4~5。在孔道切入和切出集液槽的过程中,即位置从1到3和从4到5的过程,由于相交面积为变量,流速不变时进入孔道内的流量是一个变流量过程,而从3到4则是恒定流量进流,在进行理论计算时应该把这两种情况分别讨论。

　　3.1　孔道与集液槽切入流量计算

　　在变流量阶段,孔道内的流量是随相交面积变化的函数,则在一段时间内单孔内的进流量用式(2)求出。式中:V1为单个孔道在切入时间段t1内的累积进流体积;vm为整个压力交换过程中各孔道的平均流速;孔道与集液槽相通面积A是一个关于时间的函数,a(t)用来表示瞬时面积。

　　以孔道切入集液槽阶段如图5所示,阴影部分即为孔道与集液槽相通面积,可以表示为:

　　其中:r为孔道的半径;θ为此时相交面积所对应的圆心角,是一个随时间变化的量,与分布圆的所对应的圆心角φ存在一定的几何关系;O′和O分别为孔道和孔道分布圆的圆心;H为孔道圆心与集液槽边界的垂足,则在ΔOO′H中:

　　当孔道圆与集液槽边界相切时,分布圆上对应的圆心角为,R为分布圆的半径。随着时间的变化,任意时刻φ随着孔道的旋转可以表示为:φ=φ0-Δφ,其中Δφ为角度的变化量。对于该装置,孔道绕分布圆圆心的转动为匀速转动,则在转速为ω的条件下Δφ=ωt,因此φ随时间的变化规律可以表示为:

　　将式(6)代入式(2)中,得到了在孔道进入集液槽阶段,直到完全进入时段累积进流体积V1的表达式:

　　3.2　孔道与集液槽全面积接触

　　孔道在完全进入集液槽区域后的运动过程中,由于孔道被集液槽完全覆盖,其相通面积为定值,即孔道圆的全面积,此时的进流量可以用式(8)计算:

　　其中该过程所用时间t2为孔道全覆盖在集液槽内的时间。

　　3.3　孔道切出集液槽阶段

　　孔道切出集液槽阶段计算与切入过程类似,如图6所示。

　　其中该过程所用时间t3为孔道切出集液槽的时间。

　　将式(7)(8)和(9)求和,便可以得到孔道在一次压力交换过程的理论最大进流体积,再除以相应的单个孔道的面积,则得到最大进流长度。

　　4　结果和讨论

　　4. 1　液柱活塞的可控性

　　通过试验得到了自启动旋转式压力交换器在不同进流量下的转子转速,如表1所示。该装置的相关尺寸为分布8个孔道、孔道直径15 mm及孔道长度200 mm,该装置的定子集液槽只覆盖一个孔道。

　　利用前述的理论最大进流长度计算方法,分别计算表1中各个流量与转速所对应的最大进流长度,得到如图7所示的结果。

　　从图7可以看出,最大进流长度的最大值为28.4 mm,最小值为25. 1 mm,变化值为3. 3 mm。可见,在流量和转子转速都发生变化的情况下,最大进流长度能够维持稳定,液柱活塞能够在孔道中保持稳定的往复移动,没有运动出孔道。

　　4. 2　液柱活塞的自适应性

　　对于旋转式压力交换器,转子由进流流体驱动,转子转速与流量之间存在一定的关系。当流量增加时,转子转速也随之提高,使得单位时间内进入转子孔道的进流减少,而且孔道与集液槽的连通时间缩短,其后果就是与流量增加的效果相互抵消。可见,最大进流长度并不会随着进口流量的增大而发生改变,而是通过转速的同步改变来保证其稳定性。图8是理论计算得出的转子进流流量与最大进流长度和容积效率之间的关系,图9是文献[1]的试验数据曲线。可以看出,两者规律发展变化趋势相同,说明理论计算是合理准确的。从图中可以看出,随着流量的增加,最大进流长度和容积效率基本维持不变,即液柱活塞的长度没有发生变化,液柱活塞本身能够在转子孔道中稳定往复移动,说明液柱活塞对流量的波动有良好的自适应能力。

　　5　结　语

　　旋转式压力交换器作为流体直接接触式能量回收装置,其转子孔道内能否形成稳定工作的液柱活塞,直接关系到被加压流体的浓度品质。本文通过理论分析,将流体进流过程分为3个阶段,并在试验数据基础上,分析了液柱活塞的影响因素,计算了液柱活塞在孔道内的运动情况。计算结果说明,液柱活塞能够在孔道内形成,对转子容积效率有明显影响。随着流量的改变,转子转速也相应发生变化,两者对于最大进流长度和容积效率的影响相互抵消,共同保证了液柱活塞在转子孔道内的往复移动。液柱活塞的这种自适应性能可以在流量波动的情况下依旧保证被加压流体的纯度品质。

　　参考文献:

　　[1]　RICHARD L S. Development of a fourth generationenergy recovery device. A‘CTO’sNotebook[J]. De-salination, 2004, 165: 313-321.

　　[2]　ZHOU Y, DING X, CHANG Y,et al. Theoreticaland experimental studies on fluid energy recovery sys-tem[C] //The 6th International Conference on FluidTransition and Contro.l ZheJiangUNIversity, 2005.

　　作者简介:周一卉(1974-),女,辽宁沈阳人,讲师,主要从事流体能量综合利用和新型过程装备研究工作。

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