（化工过程机械专业论文）流体压力能综合利用技术试验研究.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 过程工业中经常处理高压流体物料，其中也包括高压废液流体。过去，这些高压废 液流体一般是在被节流减压之后直接排放掉。未能对这些流体的能量进行充分利用是造 成过程王业中能耗居高不下的主要原因之一。因此，在世界范围内，过程工业领域正在 不断应用流体能量回收技术以实现能量的最优化、高效配置。在我国，余压和余热回收 业已经被列为十五期间的重点发展领域。进行流体能量综合利用方面的研究具有重大的 现实意义，也会带来良好的经济效益和社会效益。国外学者自上世纪6 0 年代开始研究流 体能量综合利用技术，目前已经有成熟的工业化产品在过程工业中应用。但是，我国在 这方面的研究还落后于国外水平，产品全部依赖国外进口。因此，开发出具有自主知识 产权的流体能量综合利用技术和装备是我国实施可持续发展战略的迫切要求。 本文对国内外流体压力能综合利用技术及其装置进行了评述，采用以试验研究为主， 理论计算为辅的方法，对流体能量综合利用技术中效率最高的旋转式压力交换器( r o t a r y p r e s s u r ee x c h a n g e r ) 进行了深入的研究，主要包括以下内容： 1 查阅流体压力能回收利用方面的相关资料，对压力交换器进行研究，确定其工作 原理、技术参数以及几何参数范围。 2 以小型反渗透海水淡化装置为工业背景建立试验装置，设计旋转式压力交换器 的样机和确定试验的流程。 3 旋转式压力交换器的试验研究。研究转予无附加外动力启动的机理、旋转式压力 交换器中流体能量交换的机理以及样机和试验系统的工作效率分析。 关键词：流体能量回收：旋转式压力交换器；试验研究 流体压力能综合利用技术试验研究 a b s t r a c t t h ep r o c e s sm d u s t r yo f t e nc o p e sw i t hh i g hp r e s s u r ef l u i dm a t e r i a l ，i n c l u d i n gt h eu s e dh i g h p r e s s u r ef l u i d i nt h ep a s t ，t h eu s e dh i g hp r e s s u r ef l u i dw a sd i r e c t l yd i s c h a r g e da f t e rb e i n g t h r o t t l e da n dp r e s s u r e - r e d u c e d t h ei n e f f i c i e n tu t i l i z a t i o no f t h ee n e r g yi nt h ef l u i di st h em a i n c a u s eo f t h ec o n t i n u i n gh i g he n e r g e t i cc o n s u m p t i o ni np r o c e s si n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s i n d u s t r yh a sb e e na p p l y i n gf l u i de n e r g yr e c o v e r i n gt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h eb e s ta n dt h em o s t e f f i c i e n td i s p o s i t i o no fe n e r g ya l lo v e rt h ew o r l d i nc h i n a , t h ec o m p r e h e n s i o np r e s s u r ea n d e n e r g yu t i l i z a t i o ni n d u s t r yh a sa l r e a d yb e e nt a k e na st h ek e yd e v e l o p i n gf i e l di n “t h et e n t h f i v e - y e a rp l a n t h er e s e a r c ho nt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f f l u i de n e r g yi ss os i g n i f i c a n t t h a ti tc a nb r i n gb o t hs o c i a le f f e c t sa n de c o n o m i cr e t u m s f o r e i g nr e s e a r c h e sh a db e g u ns i n c e 1 9 6 0 s ，a n dt h ec o m p m h e n s i v eu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yo ff l u i de n e r g yh a sa l r e a d yb e e n i n d u s t r i a l i z e da n da p p l i e di np r o c e s si n d u s t r y w h i l eo u rc o u n t r yf a l lb e h i n dt h ef o r e i g n c o u n t r i e si nt h e s er e s e a r c h e sa n do u rt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sd e p e n do ni m p o r t s f o rt h i s r e , s o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee o m p m h e n s i v eu t i l i z i n gt e c h n o l o g ya n de q n p m e n tw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo ff l u i de n e r g yi sa nu r g e n t n e e di n c a r r y i n go u tt h e s u s t a i n a b l es t r a t e g yi nc h i n a b a s e do nt h ec o m m e n t a r yo ft h ef o r e i g na n dd o m e s t i cf l u i dp m s s u r ee n e r g yu t i l i z i n g t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t s ，t h i st h e s i sp a p e re m p l o y st h ee x p e r i m e n t - o d e m e dr e s e a r c hm e t h o d s u p p l e m e n t e db yt h em e a n so ft h et h e o m f i c a lc o m p u t a t i o n , a n dm a k e sad e e pr e s e a r c ho nt h e m o s te f f i c i e n tr o t a r y p r e s s u r ee x c h a n g e rw i t h t h eh i g h e s te f f i c i e n c yi nf l u i de n e r g y c o m p r e h e n s i v eu t i l i z i n gt e c h n o l o g y 1 c o n s u l t i n gt e c h n i c a ld a t aa n dd o i n gr e s e a r c ho np r e s s u r ee x c h a n g e r , d e c i d i n go nt h e w o r k i n gp r i n c i p l e s ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h ee x t e n to f g e o m e l r i cp a r a m e t e r s 2 s e t t i n gu pe x p e r i m e n t a ld e v i c e sw h i l et a k i n gt h es m a l l s i z ei * r e r s eo s m o s i ss e a w a t e r d e s a l i n a t i n gd e v i c ea st h ei n d u s t r i a lb a c k g r o u n d , m a i n l yi n c l u d i n gd e s i g n i n gt h ep r o t o t y p e o f r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e ra n dd e c i d i n go nt h ep r o c e s so f t h ee x p e r i m e n t 3 m a k i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nr o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r , m a i n l yi n c l u d i n gt h er e s e a r c h o nt h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo fr o t o rw i t h o u ta n ye x t e m a la u x i l i a r yf o r c ea n dt h ef l u i d e n e r g ye x c h a n g i n gm e c h a n i s mi nr o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r ，a n dt h ea n a l y s i so ft h e w o r k i n ge f f i c i e n c yo f t h ep r o t o t y p ea n dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yw o r d s ：f l u i de n e r g yr e c o v e r i n g , r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究二 作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：当l 童丝n ；i i ：兰堂：匿 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 节能已经成为当今世界的共识。在2 1 世纪，人口、资源、环境成为世界各国经济和 社会发展中面临的三大突出问题，而资源问题，特别是能源资源的可持续发展问题是其 核心所在。节约能源不仅能为将来的发展提供保障，还可以改善严峻的生态环境。同时 也是提高企业经济效益、增强企业竞争力的重要措施。我国的国情是人口过多，能源相 对短缺，因此节约能源并且提高能源的利用效率更是当务之急。 我国的节能宣传活动始于1 9 7 9 年1 0 月，经国务院批准，从当年开始建立全国性节 能宣传活动制度，每年11 月组织全国“节能月”活动。从1 9 9 1 年开始，每年举办“全国节 能宣传周”。 1 9 9 8 年1 月1 日中华人民共和国节约能源法正式颁布实施，这标志着 我国已经把节能纳入到法律程序。 我国节能工作虽然取得很大进展，但是还应看到我国能源矛用与世界先进水平相比 还有很大差距，节约增效挖潜的任务仍然十分艰巨。目前，我国能源利用效率比发达国 家约低1 0 个百分点：人均能源消费量仅为世界平均水平的一半，但产值能耗比世界平均 水平高2 倍，是世界上产值能耗最高的国家之一。 过程工业是我国的支柱产业之一，也是耗能严重的主要领域。在过程工业中，存在 着大量未能利用的高压流体，如果能够充分利用这些流体中蕴含的能量，就可以取得明 显的节能降耗的作用。例如，在反渗透海水淡化工业中，被反渗透膜中截留的废液流体 的流量为进膜流量的6 0 左右，压力约为5 5 m p a ( 进膜流体的压力为6 m p a ) 。如果能 够把废液流体中的压力能重新利用，则节约系统能耗5 0 以上。 因此，本文将研究重点放在流体能量综合利用方向上，在综合分析国内外相关技术 与装置的基础上，以反渗透海水淡化为工作背景，对旋转式压力交换器进行试验研究。 1 2 流体压力能利用技术研究综述 1 2 1 概述 过程工业中经常处理高压流体，包括高压物料、成品以及高压废液流体。例如，在 反渗透海水淡化工艺过程中，由反渗透膜截留的浓海水的压力为5 5 2 8 2 8 m p a ；在合成 氨的过程中，由铜洗塔底部出来的高压废醋酸铜氨溶液的压力为1 2 m p a 。这些废液高压 流体如果仅通过节流减压后被直接排放掉，损失的高压流体能量会造成能源的极大浪费。 流体压力能综合利用技术试验研究 因此利用流体压力能回收技术，充分回收其中的流体能量，对于节约能源，提高能源的 利用效率具有重要意义。 1 2 2 流体压力能综合利用技术 按照工作原理，流体压力能利用技术主要分为流体非直接接触式和流体直接接触式 两大类。 ( 1 ) 非直接接触式 非直接接触式流体能量回收装置需要借助机械轴在高低压流体之间传递能量，即以 机械能作为流体压力能传递的中间环节。典型的装置包括反转泵( 弗朗西斯泵) 、佩尔 顿透平和水力透平f l 】o 反转泵 反转泵结构简图如图1 1 所示。 做功后 图1 1 反转泵原理简图 f 逗1 1p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f r e v e r s er u n n i n gp u m p s 反转泵的工作原理是利用叶片离心泵反转运行【2 】。高压废液流体驱动反转泵中的叶 轮，通过传动轴与电动机连接，做功后的高压废液流体丧失能量后排出。 利用反转泵进行流体能量回收的流程简图如图l _ 2 所示川。 由图可见，反转泵通过轴把回收的能量以机械能的方式输送给辅助电机，由辅助电 机给低压源流体加压。能量回收的途径是流体压力能机械能流体压力能。 由于反转泵的水力流动性能不佳，整机效率约为3 0 左右。反转泵的效率受到高压 废液流体流量的限制，在流量高于最佳工况1 0 时的回收效率下降5 0 ；在流量低于最 佳工况4 0 时则无回收能量的功能，此时的能量回收装置为耗能装置。这种类型能量回 大连理工大学硕士学位论文 收装置的优点是结构简单，便于操作和维护，设计方法成熟，设备造价低。因此，虽然 反转泵有被其它几类装置代替的趋势，但是到目前为止，在工业上仍然有比较广阔的应 用i ”。 图1 2 反转泵和佩尔顿透平流体能量回收系统简图 f i 9 12 s c h e m a t i cc u a g a m o f r e v e r s er u n n i n g p u m p sa n d p e l t o n t u r b i n e f l u i d e n e r g y r e t r i e v i n gs y s t e m 佩尔顿透平 图1 3 为佩尔顿透平叶轮。 图13 佩尔顿透平叶轮 f i g1 3p e l t o nt u r b i n ew h e e l 流体压力能综合利用技术试验研究 佩尔顿透平适合比较高的压头卅轮是唯一的旋转部件，工作安全可靠。由于这种叶 轮形式良好的流体力学性能使得整机效率比较高，单机效率最高可以达到9 0 以r - 【5 】。 以反渗透海水淡化系统为例，利用佩尔顿透平为能量回收装置的系统效率为4 0 - 6 0 。 佩尔顿透平压头及流量变化波动不大但受高压供液泵形式的影响显著，相同处理量 和压头时，高压正位移泵或高压离心泵向其供液，能量回收率不同m 。叶轮设计复杂， 机加工困难。目前，国内有的厂家已经拥有了开发、生产高效叶轮的能力。哈尔滨电机 厂与国外合作，其产品的单机效率已经达到了9 3 0 一9 5 的水平。 利用佩尔顿透平进行流体能量回收的流程简图如图1 2 所示。 和反转泵类似，佩尔顿透平能量回收的途径是流体压力能一机械能一流体压力能。 水力透平 图l ，4 是水力透平的结构简图。 低压废液流体 高压废液流体加压后高压源流体推力轴承线 加压叶轮中间轴加压叶轮 图1 4 水力透平结构简图 f i g1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t u r b oc h a r g e rs k e t c h 低压源流体 水力透平( t u r b oc l m r g e r ) 的广泛应用是在上世纪8 0 年代后期，以p u m pe n g i n e e r i n g 公司生产的h y d r a u l i ct u r b o c h a r g e r 系列产品为代表。它与反转泵、佩尔顿透平的最大区 别在于它的透平叶轮和泵体叶轮安装在同。个壳体中，不需要电机即可以完全独专的工 大连理工大学硕士学位论文 作，利用回收的流体压力能直接给低压源流体加压，并尽可能的减少中间传动轴的机械 能损失。 图1 5 是水力透平的实物照片。 图1 5 水力透半实物图 f i g1 5t u r b oc h a r g e r 图1 6 是水力透平能量回收系统简图。 低压源流 t 一潍 做功后 废液流体 t ( 轴功) 压 流体 图1 6 水力透平能量回收系统简图 f i g1 6s c h e m a t i c o f e n e r g y r e e o y e 巧s y s t e m o f h y d r m d i c p o w e r t u r b i n e 水力透平的优点是设计紧凑，便于检修，对流体压力、流量的波动适应性比较好， 在较宽的流量范围内，效率稳定在5 0 6 5 之间 7 1 。缺点是价格比较昂贵，在流量低于 1 0 m 3 h 时，效率降为3 0 左9 5 。这种装置适合在大流量卜工作，规模效益明显，但是小 型化比较困难。 流体压力能综合利坩技术试验研究 反转泵、佩尔顿透平和水力透平的工作原理类似，都是利用离心的方法将高压废液 流体中的压力能转换为机械能，并用轴功的方式传递机械能给低压流体加压。反转泵、 佩尔顿透平不是一个独立的整体，而是一个辅助的机械装置 8 】。在能量回收过程中必须 配合有辅助电机，其功能是降低辅助电机的能耗，进而达到节能的目的。而水力透平则 不然，它是独立整体，仅依靠由废液流体回收的能量就可以加压低压源流体，不再需要 其它辅助能源。 虽然流体非直接接触式能量回收技术比较成熟，但是由于原理上的不足，即必须先 将压力能先转化为机械能后再转化为压力能，在转化过程中不可避免的存在能量损失， 因此在现有基础上进一步提高效率的空间已经非常有限。 ( 2 ) 流体直接接触式 流体直接接触式能量回收技术也称为正位移式能量回收技术，按照核心部件的不同 可以分为活塞式功交换器和旋转式压力交换器两大类。 活塞式功交换器 图1 7 是活塞式功交换器结构简图【9 j 。 可以看出，功交换器的结构非常简单，高压流体通过活塞的传递作用为低压流体加 压，同时活塞还可以有效防止高低压流体的混流。如果忽略活塞的摩擦，理论上能量传 递效率可以达到1 0 0 。而实际上功交换器的回收效率可以达到9 0 1 1 。 低压流体 高j 最流体 图1 7 活塞式功交换器结构简图 f i g1 7s t r u c t u r es c h e m a t i co f p i s t o nt y p ew o r ke x c h a n g e r 图1 8 是活塞式功交换器在海水淡化系统中的工作原理图，显而易见，至少需要两 个以上的功交换器才能保证流体的连续输运 1 l 】。 依照质量：r 恒原则，反渗透膜的海水转化率以4 0 计算，高压泵只需要为4 0 的高 压源水提供压力能，其余的6 ( p o 高压源水的压力能则由活塞式功交换器提供。因此大大 降低了高压泵能耗，使整套系统的总能耗得以大幅度下降。 大连理t 大学硕士学位论文 高压 反渗透膜 图1 8 活塞式功交换器在海水淡化系统中的工作原理 f i 9 1 8 0 p e r a t i o n p r i n c i p l es c k e m a f i co f p i s t o n t y p e w o r k c h a r g e r i n t h e s w r o 图1 9 活塞式功交换器 f i g1 9p i s t o nt y p ew o r ke x c h a n g e r 一7 流体压力能综合利用技术试验研究 图1 8 中： q 1 = q 3 = q 6 = q 7 = q 4 6 0 q 2 = q 6 = q 4x 4 0 q 2 + q 3 = q 4 = q 5 + q 6 带有先进控制系统的活塞式功交换器结构原理图如图1 9 所示。 表1 1 是水力透平和功交换器对于反渗透海水淡化系统能耗和效率的影响1 1 引。 由表1 1 可见，在相同的工况下，活塞式功交换器的单机比能耗低于水力透平；使用 活塞式功交换器的反渗透海水淡化装置的比能耗明显低于使用水力透平的反渗透海水淡 化装置；使用活塞式功交换器的反渗透海水淡化装置的总效率明显高于使用水力透平的 反渗透海水淡化装置。这说明活塞式功交换器的工作效率明显高于水力透平。 因为一般情况下，必须有两个以上的活塞式功交换器单元配合使用，才能保证过程 的连续性，因此，活塞式功交换器配合有比较复杂的液压控制和换向控制系统。这造成 了活塞式功交换器的结构复杂，维护比较困难。 表1 1 使用功交换器和水力透平的反渗透海水淡化装置能耗和效率比较 t a b l e1 1c o m p a r i s o n o f e n e a 琶l r c o n s u m p t i o n a n d e f f i c i e n c y o f t h e s w r o w i t h w o r k e x c h a i l g e r a n d t u r b oc h a r g e r 比较项目 水力透平功交换器 产量( m 3 d )1 0 7 11 0 2 7 总能耗( k w h m 3 ) 3 1 52 4 2 泵的全部负载m w ) 1 3 3 99 9 4 泵的总效率 5 7 7 5 反渗透膜效率 5 5 5 6 能量回收装置效率 6 7 8 9 反渗透海水淡化装置总效率 3 2 4 4 我国的流体压力能综合利用技术的研究起步比较晚，流体非直接接触式的装置主要 是引进国外成型技术，合作生产。哈尔滨电机厂生产的佩尔顿透平就是这种模式。 国内流体直接接触式装置主要研究的是活塞式功交换器。 大连理工大学硕士学位论文 在氨生产过程中，醋酸铜氨液体需要由1 2 m p a 节流减压至0 4 m p a ，进行再生产后循 环。为回收制氨过程中的醋酸铜氨溶液的压力能，浙江工业大学机电学院、浙江工业大 学浙西分校化机系、衢州巨化公司合成氨厂和杭州合成纤维厂于1 9 9 7 年联合开发了液压 能量回收机( 简称能回机) 1 3 1 【1 4 】【1 5 1 1 旧。 能回机回收流体能量基本流程框图见图1 1 0 。 图1 1 0 回收流体能量基本流程框图 f 蟾1 1 0f r a m ed i a g r a mo f f l u i de n e r g ym c o v e r yp r o c e d u r e 从系统出来的高压流体，不再经过节流阀减压，而是流入能回机中的发动机部分， 对工作机部分的低压流体做功，做功后的流体再流入低压系统，循环使用。流体输送过 程中损耗的能量由原动机直接补充，或者通过增加流量或者提高压力等形式间接补充。 图1 11 醋酸铜氨溶液活塞式液压能量回收装置 f 适1 11p i s t o nt y p ef i q u o rp r e s s u r ee n e r g yr e c o v e r yd e v i c eo f c u p r i ca m m o n i u ma c e t a t es o l u t i o n 流体压力能综合利用技术试验研究 能回机装置的结构较为复杂，其原理如图1 11 中左图所示，换向阀结构示意图如图 1 1 1 中右图所示。 当活塞左移动，接近左止点时，孱盘形挡块外缘碰到机动先导阀的机械传动装置， 从而使滑块左移，推动推杆。此时复位弹簧受压缩，而先导阀阀芯向右移动，使p b 和 a 0 连通，于是来自高压系统的液体压力推动主阀阀芯向左移动，使，以和b o 连通， 因而高压系统液体流入能回机一端发动机缸，推动活塞向右移动对泵做功，提高压力后 流至高压系统；而b 端发动机缸的液体，因为活塞右移卸压，排至低压系统，泵从低压 系统吸入。与此同时，阀的传动装置脱离挡块，在复位弹簧的作用下，传动装置恢复原 位，因此使活塞返程时，挡块外缘又能够重新碰到机械传动装置。由于弹簧复位，故推 杆与阀芯相距一个空行程。当活塞继续向右移动接近止点位置时，又复如此。此时的传 动装置使p a 和曰7 d 7 连通，于是主阀阀芯在液力推动下，使尸曰和a o 连通，液体换向。 推动能回机活塞向左移动，右缸发动机对泵做功，左缸发动机卸压排出，泵吸入，与此 同时，在复位弹簧的作用下，传动装置又恢复到原位。如此不断重复上述过程而协调连 续运转。 能回机采用了自由活塞式结构，将二机寓于一体，使液体力在活塞两端得到传递、 转换，各运动件受力小，对基础无特殊的要求，表现出良好的动力性能。 能回机的泵与发动机总效率通常在8 5 以上，整个流程系统中的能量回收效率为 6 5 。除在石油、化工相关领域应用外，凡是使用高压节流阀的行业也可以应用i 新中能量 回收装置。 由能回机的工作原理可见，能回机是活塞式功交换器的一种。因为能回机的机构中 的活塞限位、阀门开关均需要自动控制，液压控制和换向控制的机构比较复杂，所以维 护工作比较困难。 天津大学化工学院化学工程研究所在2 0 0 4 年进行了用于海水反渗透淡化系统的能 量回收器的原理f 生试验研究。 能量回收器是活塞式功交换器，其工作原理参见图1 7 和图1 9 。 试验流程如图1 1 2 所裂”j 。 图1 1 2 中两个水压缸采用有机玻璃材料，长1 0 0 0 m m ，内径5 0 r a m ，最高工作压力 为1 m p a 。水压缸1 中高压盐水推动活塞及海水向右运动，即为增压过程；与此同时，水 压缸2 中低压海水推动活塞及卸压盐水向左运动，即为卸压过程。每个水压缸增压和卸 压过程是交替进行的，这样才能保证进料海水被连续增压，而卸压盐水被连续排放，使 得反渗透系统能够连续、稳定、高效地运行。水压缸两端的阀门主要是用来控制增压和 1 0 大连理工大学硕士学位论文 卸压过程的启动和停闭的，水压缸中的活塞主要是起隔离作用的，防止活塞两侧盐水与 海水之间的混合，以减少由于两种不同浓度液体的混合而对反渗透淡化过程造成不良影 响。 图1 1 2 能量回收器的试验流程 f i g 1 1 2t e s tp r o c e d u r eo f t h ee n e r g yr e t r i e v i n gd e v i c e 0 罩 吼耋 矗 0 由 枣 i e 01 02 03 04 05 0 6 0 t s a j 图1 1 3 水压缸两端压力变化特性 f i 9 1 1 3 p r e s s u r ec h a n 百n gc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w a t e r p r e s s u r e j a r e n d s 流体压力能综合利用技术试验研究 水压缸两端压力变化特性见图1 1 3 。 由图1 13 可见，在稳态工作情况下，无论是水压缸的海水端还是盐水端，其压力变 化均近似矩形波，即表明水压缸端部的压力在高压力( 矩形波上限) 和低压力端( 矩形 波下限) 间进行周期性的切换，而且切换过程是在瞬间完成的。 就水压缸海水端而言，其压力变化矩形波( 图1 1 3 a ) 中的上限值几位增压后海水的 压力，下限值则为低压海水的进料压力。同样地，盐水端压力变化矩形波的上限值与高 压盐水的压力相对应。高压盐水与增压后海水问的压力差及低压进料海水与泄压盐水的 排放压力差很小，说明工作液体流过能量回收器的压力损失比较小。 与能回机类似，能量回收器的机构中的活塞限位、阀门开关均需要自动控制，液压 控制和换向控制的机构比较复杂，所以维护工作比较困难。 旋转式压力交换器 以反渗透海水淡化系统为工作背景，图1 1 4 为旋转式压力交换器工作原理简图，图 1 1 4 为旋转式压力交换器在反渗透海水淡化系统中的工作原理图。 图1 1 4 旋转式压力交换器工作原理简图 f i g1 1 4o p e r a t i o n p r i n c i p l es k e t c h o f r o t a r y p r e s s u r ee x c h a n g e r 旋转式压力交换器的核心部件是高速旋转的转子，转子沿周向均匀开有数个与轴线 平行的介质通道。利用等容交换的原理，在旋转的转子的介质通道中，从反渗透膜截留 大连理工大学硕士学位论文 的高压浓盐水直接对源水加压。在任意时刻，转子的一半介质通道与高压端连接，另一 半与低压端连接。高压端和低压端之间的密封区隔离了高低压介质。如图1 1 0 所示。 海水泵将低压源水b 输送进入转子左侧的一个介质通道中，并将其中的低压浓盐水 h 挤出此介质通道。当此介质通道转过密封区，高压浓盐水g 从右侧进入，压力能交换 给低压源水后，变为低压浓盐水；同时低压源水获得压力能变为高压源水d 并被挤出此 介质通道。随着转子的旋转，这一个过程反复的在每个转子的介质通道中连续进行。 图1 1 5 旋转式压力交换器在反渗透海水淡化系统中的工作原理图 f i 9 1 1 5 0 p e r a t i o n p r i n c i p l es c h e m a t i c d i a g r a m o f r o t a r y p r e s s u r e e x c h a n g e r i n t l l es w r o 如图1 1 5 所示，反渗透膜截留的高压浓盐水g 进入旋转式压力交换器，并将在其中 将压力能交换给低压源水b 。高压浓盐水在压力能交换后变为低压浓盐水h ，低压源水 获得压力能后变为高压源水d 。高压源水与高压浓赫水的流量相等，由于压力能交换中 不可避免的能量损失，前者压力略低于后者。损失的压力能由增压泵补充。 以处理量为3 3 0m 3 d 的反渗透海水淡化系统为例，各个控制点的压力、流量如表1 2 所示。 与活塞式功交换器不同的是： 1 ) 在压力交换器中没有实际的高低压流体分隔部件，如活塞等，但是在孔道中间存 在一部分高低压流体掺混区，起到分隔两种不同流体介质的作用； 流体压力能综合利用技术试验研究 2 ) 由于转子处于高速旋转过程中( 约为1 5 0 0 r r a i n ) ，高低压介质的接触时间非常短， 因此不同流体的掺混率小于3 ： 3 ) 依靠转子的稳定高速旋转，可以实现流程的连续运行，无需复杂的辅助液压控制 和换向机构，设备简单，维护方便； 4 ) 对于进行压力能交换的介质成分要求不高，如果含有固体颗粒的物料，因为杂质 会损伤活塞内壁而不适用于功交换器中，但完全可以利用旋转式压力交换器来回收流体 能量。 应用在反渗透海水淡化中的压力交换器与其它能量回收装置单位体积能耗的比较见 图1 1 6 和图1 1 7 1 1 讲。 a 一无能虽同收装置的反渗透海水淡化装置的能耗 b 一利用佩尔顿透平装置的反渗透海水淡化装置的能耗 c 一利用压力交换器装置的反渗透海水淡化装置的能耗 d 一理论上的反渗透海水淡化装置的能耗 图1 1 6 能耗比较图 f i g1 1 6s c h e m a t i co f e n e r g yc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o n 图1 1 6 表明，利用旋转式压力交换器装置的反渗透海水淡化装置的能耗比用水力透 平装置的反渗透海水淡化装置的能耗减少3 5 。压力能回收装置的效率为9 5 2 0 1 。 从图1 1 7 可以看到，反渗透海水淡化装置的工作压力越高，旋转式压力交换器的效 率越高。 大连理上人学硕士学位论文 控制点的状态参数如表1 2 所示。 图1 1 7 水力透平装置与压力交换器装置能耗趋势图 f i g1 1 7 e n e r g y c o n s u m p t i o n o f t u r b oc h a r g e ra n dr o t a r y p r e s s u r ee x c h a n g e r 表1 2 各控制点状态参数 t a b l 2 s t a t e p a r a m e t e r sa t e a c hc o n t r o l l i n g p o i n t 1 5 流体压力能综合利用技术试验研究 使用压力交换器，高压泵所需加压的水与反渗透产品的数量相当，约为海水的4 5 。 其余5 5 的源水加压是通过在压力交换器中的直接压力交换获得o “，降低了高压泵负载， 从而降低了反渗透海水淡化装置的能耗。 不同能量回收装置之间的能耗年结余相互比较见表1 3 。 表1 3 不同能量回收装置之间的能耗年结余比较 t a b1 3a n n i v e r s a r ye n e r g ys u r p l u sc o m p a r i s o no f v a r i o u se n e r g yr e c o v e r yd e v i c e s 高压浓海水和源水的流量对压力交换器的效率影响很小，其效率在9 0 左右。压力 交换器装置可以适用于产量为2 0 0 0m 3 d 以上的大型设备。根据经济上的能量最优化，这 样的装置依靠能量回收可以在2 4 年中收回成本。从已经使用的压力交换器运行结果看， 旋转式压力交换器实行全自动化2 4 小时连续运转基本没有问题，运转稳定可靠，维护和 检修方便。 1 3 结论 综上所诉，流体能量综合利用技术是降低相关系统能耗、解决可持续发展问题的重要 途径之一。 在现有的流体能量综合利用技术中，旋转式压力交换器以其高效率、易维护、工作平 稳等优点而成为技术发展和研究的主题和热点。 表1 4 比较了几种流体压力能回收装置2 j 。 由表1 4 可见，能耗最低，效率最高的是压力交换器。 大连理工大学硕十学位论文 表1 4 反渗透海水淡化中各种能量同收装置能耗的比较 t a b1 4t h ee f f i c i e n c yo f e n e r 哥r e t r i e v i n gd e v i c e su n d e rd i f f e r e n th a n d l i n gc a p a c i t y e t 产水量( m 3 0 ) 5 0 01 0 0 04 0 0 06 0 0 01 0 0 0 0 转换率( ) 4 04 04 54 54 5 日处理量( m 3 d ) 5 2 11 0 4 23 7 0 45 5 5 69 2 5 9 反渗透膜进口压力( m p a ) 6 5 5 膜压差( m p a )0 2 高压泵流量 非直接接触式5 2 11 0 4 23 7 0 4 5 5 569 2 5 9 ( m h ) 直接接触式 2 1 44 1 61 6 9 92 5 494 2 4 8 非直接接触式 7 58 08 38 48 6 高压泵效率 ( ) 直接接触式9 07 58 18 28 4 增压泵 7 57 88 l8 28 4 电机效率( 9 49 59 5 59 69 6 佩尔顿透平5 56 2 6 6 6 76 9 净效率 水力透平 8 48 5 58 7 58 88 9 h e t e ( ) 直接接触式 9 49 59 5 59 69 6 1 4 课题的提出 目前，国外液体压力能综合利用装备及技术的研究都有了很大的进展。压力交换器 已经成为了现在研究的热点。对e 而言，国内在这方面的研究却比较落后，尤其在旋转 式压力交换器的研究上还是空白。 基于以上分析，本文将对旋转式压力交换器进行试验研究。根据其工作原理设计出 试验用样机，并对其工作性能进行试验研究。 流体压力能综合利用技术试验研究 2 旋转式压力交换器试验装置的设计 本章中设计并建立r 旋转式压力交换器( r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r ，r p e ) 的样机 模型，并以反渗透海水淡化( s e a w a t e r r e v e r s eo s m o s i s ，s w r o ) 系统为工业应用背景， 建立了带有旋转式压力交换装置的s w r o 系统，并通过此次试验系统考察旋转式压力交 换器工作性能和s w r o 系统的工作效率。 2 1 旋转式压力交换器及相关应用系统工作原理 2 1 1 旋转式压力交换器的工作原理 旋转式压力交换的核心部件是高速旋转的转子，如图2 1 所示。 图2 1r p e 转子工作原理示意图 f i 9 21o p e r a t i o n p r i n c i p l es k e t c h o f r p e r o t o r 转子上开有成轴对称布置的孔道，转子在高低压介质的共同作用下，在两端盖与轴 套形成的腔体间的高速旋转。端盖上开有高低压流体进出的四个通道，转子的孔道在任 意时刻都与端盖上的介质通道相连通。随着转子的转动，高压流体和低压流体在转子孔 道中直接接触，进行压力能传递，低压流体获得能量。 由于在转子孔道中，高低压介质进行压力能交换的时间非常短，两者之间的掺混率 1 比较低，一般能够控制在3 以f 。存转子孔道中，有将近 的长度为混流区，用于分隔 j 进行压力能交换的高低压流体。混流区始终保持在转子的孔道中往复移动，在孔道中起 到活塞的作用，防e 不同流体之间发生过度掺混。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 带有旋转式压力交换器的反渗透海水淡化系统工作原理 带有r p e 的反渗透海水淡化系统流程如图2 2 所示。 反渗透膜组件的淡水转化率为4 0 ，由反渗透膜截留的高压浓海水进入能量回收装 置( r p e ) 中，并与低压源水进行压力能交换，做功后变为低压浓海水排出。低压源水获 得压力能后变为高压源水，与高压泵提供的高压源水汇合，进入膜组件。在能量回收过 程中损失的能量由增压泵补充。 图2 2r p e 在反渗透海水淡化流程中的工作原理 f i g2 2o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f s w r o w i t hr p e 显然，各个控制点的流量根据图2 2 有： q a = q s + q q e = q b + q d = q f + q g q c = q d 流体压力能综合利用技术试验研究 q g = q u q d = q g q 8 = q ， 忽略r p e 的能量损失，各个控制点的压力关系如下： p c2p d p o2p h 由上述分析可见，在反渗透海水淡化系统所需要的高压源水中，高压泵只需要提供产品 水即淡水的流量即可，占反渗透海水淡化系统所需要的高压源水总量的4 0 。而另外的 6 0 是由能量回收装置提供的，与不使用能量回收装置相比，节约了6 0 能量。 各控制点的状态参数如表2 1 所示： 表2i 各控制点的状态参数 t a b2 1s t a t ep a r a m e t e r sa te a c hc o n t r o l l i n gp o i n t 2 2 旋转式压力交换器装置的设计 2 2 1 转子的设计 高低压流体在转子孔道中进行能量交换，所以转子的工作性能与能量回收密切相关。 本节对转子的旋转动力学过程进行分析，以得出能够用于旋转式压力交换器的转子设计。 ( 1 ) 高低压流体进流通道设计 大连理t 大学硕士学位论文 前文已经叙述了旋转式压力交换器的工作原理，通过转子的旋转运动，使孔道与高 低压流体循环接触，从而在不同压力介质间交换能量。实现转子旋转的方式有两种：1 ) 用电动机等附加外动力通i ：7 _ 4 4 动轴带动转子旋转：2 ) 利用流体自身驱动力矩使转子旋转。 虽然使用第一种方法可以使得转子获得稳定的启动和旋转，但是也会带来额外的能耗， 为了尽可能的降低能量回收装置的能耗，在本文中采用第二种方法驱动