（安全技术及工程专业论文）基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟.pdf

基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟 d y n a m i c sr e s e a r c ha n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t f l u i dp r e s s u r ee n e r g yr e c o v e r yp r o c e s s a b s t r a c t t h ep r o c e s si n d u s t r yo f t e nd e a l sw i t l ll l i g hp r e s s u r ef l u i d ；al o to fl i q u i dp r e s s u r ee n e r g y i nt h ep r o c e s sw a sl e to u td i r e c t l y i ft h ee n e r g yc a l lb er e c y c l e d ，t h ec o n s i d e r a b l eo p e r a t i n g c o s tc a r tb es a v e da n dh i g h e re f f i c i e n c yc a nb eo b t a i n c d e n e r g yr e c o v e r yo f n u i dw i t hh i 【g h p r e s s u r eh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o r sw h i c hd e c r e a s es p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s si 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 o a c h i e v et h eb e s ta n dt h em o s te 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 e c o m p r e h e n s i v ep r e s s u r ea n de 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 y d e v e l o p i n gf i e l d t h er e s e a r c h o 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 ff l u i de n e r g yi ss o s i g n i f i c a n tt h a ti tc a n 硪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 r n s t h es e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ( s w r o ) s y s t e ma n dt h es y n t h e t i ca m m o n i a ( s a ) p r o c e s sa r et h ei m p o r t a n tp a r t so fa p p l i c a t i o nf i e l di nf l u i dp r e s s u r er e c o v e r y an e wp r e s s u r e e x c h a n g e rd e v i c ew h i c hi sm a n u f a c t u r e db yf o r e i g nc o u n t r i e st r a n s f e r st h ee n e r g yf r o mt h e c o n c e n t r a t es t r e a md i r e c t l yt ot h ef e e ds t r e a m t h i sd i r e c t ，p o s i t i v ed i s p l a c e m e n ta p p r o a c h r e s u l t si nan e tt r a n s f e re f f i c i e n c yo fo v e r9 5 h o w e v e r ，o u rc o u n t r yf a l l sb e h i n dt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h e s er e s e a r c h e s t l l i sp a p e rf o c u s e so nt h et e c h n o l o g ya n de q u i l z l m e n t o fl i q u i dp r e s s u r ee n e r g yr e c o v e r ya n dg i v e sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt y p e so f t e c h n o l o g i e s r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e rw h i c hi sb a s e do np o s i t i v ed i s p l a c e m e n tp r i n c i p l ei s s t u d i e di nt h i sp a p e r c o m b i n i n gw i mt h ei n d u s t r i a la p p l i e di n s t a n c eo fs e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s a n d e m p l o y i n gt h et h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nr e s e a r c hm e t h o ds u p p l e m e n t e db yt h ee x p e r i m e n t ，t h e p a p e r m a k e sad e e pr e s e a r c ho nf o l l o w i n g q u e s t i o n s 1 a n a l y z i n gt h ew o r kp r i n c i p l eo fp r e s s u r ee x c h a n g e ra n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fr o t o r a n de n dc o v e r s ，m a i n l yr e s e a r c h i n gt h es t a r t u pm o d ea n ds t a r t i n gp r o c e s so ft h er o t a r y p r e s s u r ee x c h a n g e r 2 d e c i d i n go nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，a n db u i l d i n gu pt h e c a l c u l a t i o nm o d e lo fl i q u i dp r e s s u r er e c o v e r yp m c e s s 3 m a k i n gt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nr o t a r yp r e s s u r e e x c h a n g e r ，m a i n l ya n a l y z i n gt h em i x i n gz o n ea n dt h ei n f l o wl i q u i dl e n g t h 大连理工大学硕士学位论文 4 r e s e a r c h i n go nt h em i x i n ga n dl e a k i n gq u e s t i o n so f t h ep r e s s u r ee x c h a n g e r ，a n a l y z i n g t h ee f f e c tf a c t o r so ft h e m ，a n du t i l i z i n gc f dm e t h o dt oo p t i m i z et h ew h o l ep r e s s u r er e c o v e r y s y s t e m r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e rw h i c hi sb a s e do np o s i t i v ed i s p l a c e m e n tp f i n c i p l ei so n eo f t h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nl i q u i dp r e s s u r ee n e r g yr e c o v e r yf i e l d i ti sm e a n i n g f u lt o m a k ead e e pr 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 k e yw o r d s ：f l u i de n e r g yr e c o v e r y ；p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t ；r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r ； n u m e h e a ls i m u l a t i o n ；m i x i n g 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工 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：塑茎生日期：竺噬：兰! 大连理工大学硕士到f 究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名塑垂生 导师签名：团盘 盟吐月产日 大连理【大学硕士学位论文 1 流体能量回收技术综述 能源是人类生存、社会发展不可缺少的重要资源，是关系国家经济命脉的重要物资 和物质基础，在现代化建设的过程中具有举足轻重的地位。随着人口增长、经济建设的 扩大和人民生活水平的提高，能源消耗与日俱增。节能和提高能源使用效率，是我国全 面建设小康社会的当务之急和必然要求。 受资金、技术、能源价格等因素的影响，我国能源生产和利用效率与国际先进水平 相比，还存在较大差距，我国能源利用率仅为4 0 左右。能源利用率低不仅造成能源的 浪费和成本的提高，使国家每年浪费大量资金用于提供能源，而且间接增加了环境污染。 在能源需求方面，应努力节能降耗，推动技术进步，提高能源利用率。节能降耗是实现 可持续发展与能源对策的重要内容，也是基于中国国情解决中国能源问题的突破口，早 已成为国内相关领域研究的热点。 我国工业能源消费量占总消费量的7 0 以上，工业节能潜力很大【“。由于工业设备 陈旧，能量使用中大量的余能往往弃而不用，造成了很大的浪费。特别是石油、化工许 多生产工艺流程中，有许多工序的高压流体通过减压阀将其减压到所需的一定的低压， 或者排放的废弃流体仍具有较高的压力，在减压和排放的过程中，大量的流体压力能没 有做任何有用功而白自浪费掉。 美国菲利浦斯石油公司认为，几乎任何需要用调节阀或减压阀减压的工艺物料都可 供能量回收之用【2 】。在合成氨工业中，铜氨液需由1 3 m p a 节流减压至o 4 m p a t 3 1 ，氨合 成系统分离出来的液氨是从3 2 m p a 靠减压阀将其降压至1 6 m p a ；在尿素的生产过程中， 尿素熔融液和氨基甲酸氨液，需由2 0 m p a 节流减压至1 7 m p a ，进行分离后循环【4 】；在 聚乙烯的生产过程中，聚乙烯熔融液和乙烯气混合物需由2 8 0 m p a 节流减压至o 4 m p a 进行分离后循环；化肥厂脱碳流程中，从c 0 2 吸收塔出来的碳酸丙烯酯富液，从1 6 5 m p a 减压至o 5 m p a ；反渗透海水淡化系统中，排放出的废弃浓盐水的压力为5 5 6 o m p a 。 在相关领域如能开发出节能装置，回收压力能用于再生产和循环利用，对于降低生 产成本，节约资源，提高经济效益，发展国民经济有重大意义。国外对压力能回收技术 进行了长期的研究，己提出比较成熟的技术并开发了相应的产品投入市场，国内虽然从 2 0 世纪8 0 年代开始在化工吸收液等领域对压力能回收进行了一定的研究，但回收效果 和可靠性存在不足，在压力能回收领域整体上距离国外发达国家还有很大差距。目前国 内反渗透海水淡化领域的几乎全部能量回收设备和化工吸收液领域大型回收设各均采 用进口的设备，长此以往，高额的设备成本和维护费用造成一定程度的浪费，如果能在 国内研究出成熟的压力能回收技术并投入生产，可以摆脱对进口的依赖并节省成本。 基于正位移原理的且力交换器能量传递过程动力学数值模拟 因此，在国内进行流体压力能回收综合利用技术研究有深远意义。 1 1 压力能回收技术应用领域 压力能回收技术应用领域大体可分为反渗透海水淡化系统和化工吸收液两类。 1 1 1 反渗透海水淡化 随着经济的发展、人口的增加和都市化，加上全球气候变暖加剧降水的不均匀性， 现有的淡水资源明显不足，在很大程度上影响和制约经济和社会的发展。中国是水资源 匮乏的国家，人均淡水资源仅为世晃平均水平的十分之一，即使是沿海地区，也存在水 资源紧缺问题， 个别城市由于地下水过度开采，如现部分陆地整体下沉和海水倒灌问 题，为解决沿海地区水资源紧缺问题，海水淡化技术是最直接、最有效的方法。 中国的海水淡化技术始于1 9 5 8 年，是继美国、日本之后少数几个掌握海水淡化技 术的国家之一。近年来，海水淡化行业发展迅速，我国的海水淡化技术已经达到或接近 国际先进水平，装置生产趋于定型化、标准化和系统化。现今淡化技术已成功地应用于 制取生活饮用水、电厂和其它工业锅炉用水、除盐工艺用水、纯水和超纯水制取、废水 利用以及化工过程申，并已取得了较好的社会效益和经济效益。我国目前海水淡化年产 量已超过千万吨。随着国内市场需求的日趋旺盛，我国海水淡化整体行业已经启动，并 正在实现与国际市场的逐步接轨。 世界上最常用的淡化方法是蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冷冻法和溶剂萃取法。 反渗透法适用于海水、苦咸水，大型、中型或小型各种规模，是海水淡化技术中近2 0 年 来发展最快的技术。除海湾国家外，在美洲、亚洲和欧洲的大中规模的淡化装置都以反 渗透技术为首选。 反渗透法( r 0 ) 属于一种膜分离技术，其工作原理如图1 1 1 5 所示。联通管中部隔有 一个特制的渗透膜，如果在盐水侧对液体施加一压力p 大于渗透压h 时，盐水中的水分 子将通过渗透膜进入淡水侧，而溶质仍被渗透膜龋离于盐水侧，致使盐水浓度加大，这个 过程称之为反渗透。 我国的反渗透技术，2 0 多年来，一直受到国家科委的重视和支持，无论在膜研青4 还是 工程应用，都取得许多的成果，为发展我国的s w r o 技术打下较好的基础。如1 9 9 7 年 在浙江嵊山建立了5 0 0 m 3 d 的s w r o 淡化示范工程，产水耗电量5 5 k w h m 3 ，工程经济 技术指标具有国际先进水平同。 反渗透海水淡化目前主要在以下几方面开展研究工作：进一步提高反渗透膜的透水 率、脱盐率，增加反渗透膜的抗氧化性能，新型能量回收装置的研究，工艺最佳化研究等。 其中新型能量回收装置的研究正是本课题的研究对象。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 反渗透法原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e v e r s eo s m o s i s 为使反渗透装置正常运行，盐水侧的压力必须高于渗透压，反渗透海水淡化系统用于 处理海水时通常的操作压力为5 8 - - - 8 0 m p a , 从膜器中排放出的浓盐水的压力则高达 5 5 6 o m p a 。据计算，没有压力能回收的反渗透海水淡化系统能耗为5 - ，6 k w h m 3 ，其中 有6 0 的能量随着废弃的浓盐水自白浪费掉。很多研究机构发现这一领域巨大的经济效 益和发展前景，从8 0 年代开始陆续研究了一些压力能回收技术并开发相应的产品投入 市场。 1 l2 化工吸收液 合成氨生产中，在生产系统出来的低压新鲜铜氨液，被铜液泵打到1 3 m p a 高压， 进入高压铜洗塔，从铜洗塔顶喷淋而下吸收杂质压力在1 2 m p a 以上的废铜氨液，出铜 塔底部经减压变成o 4 m 1 a 低压后，再去再生系统，再生以后的低压新鲜铜氨液被铜液 泵打到高压进入新的一轮循环1 7 - 8 。以3 万吨级合成氨厂为例，其铜氨液流量为1 3 m 3 m ， 压差一1 1 m p a ，压差能损失约4 0 k w ，如能将其回收，每年可发电2 0 万k w h 左右，或 者节省相当的费用。合成氨工艺应用能量回收装置中，国内液力透平技术主要为反转泵 等传统液力透平技术和国内自主研发的一体式液力透平技术( 原理与h t c 相仿) ，正 位移技术主要为活塞式能量回收装置。液力透平技术在合成氨工业应用较多，活塞式能 量回收装置目前作为液力透平技术的补充，用于e v 4 , 流量的能量回收1 9 1 。 合成氨生产工艺流程中还有氨合成系统分离出来的液氨，尿素的生产过程中的尿素 熔融液和氨基甲酸氨液，聚乙烯的生产过程中的聚乙烯熔融液和乙烯气混合物，以及化 肥厂脱碳流程中的碳酸丙烯酯富液，这些领域具体情况与铜氨液压力能回收相似，解决 该类流体固体及气体杂质对设备的影响并发展高效率的正位移技术具有很好的经济效 益和良好的发展前景。 基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟 1 2 压力能回收设备分类 压力能回收技术形式各有不同，从工作原理上分为液力透平和正位移两类【1 。这两 种压力能回收技术广泛应用在能量回收领域。 第一类为液力透平( h y d r a u l i ct u r b i n e ) ，有时也称为离心技术( c e n t r i f u g a lt e c h n o l o g y ) 。 液力透平为旋转式能量回收机，其结构与离心泵相似但作用与泵相反。液力透平能量回 收过程是通过透平将高压流体的压力能转化为轴功，再利用轴功驱动泵使流过泵的低压 流体增压，即“压力能哼轴功斗压力能”。 液力透平根据结构上设计的不同，又分为泵叶轮与透平一体的设计和分体的设计， 即一体式设计和分体式设计。 第二类为正位移原理回收技术( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t ，p d ) 。 正位移原理直接利用高压流体增压低压流体，高低压流体只需一个自由活塞分隔， 甚至可直接接触，利用结构上的设计避免高低压流体的掺混，这种设计可实现“压力能 寸压力能”的一次转换过程。 根据高低压流体分隔情况，主要分为三种，即活塞式、旋转直接接触式和阀控式。 表1 1 流体压力能回收技术分类情况 t a b1 _ 1t e c h n o l o g y c l a s s i f i c a t i o n t a b l e o f f l u i d p r e s s u r ee n e r g yr e c o v e r y 按原理分类按设计分类代表产品 反转泵、 分体式设计 佩尔顿透平、 液力透平法兰西斯泵、 卡普兰式 流体压力能回收技一体式设计 h t c 、职b 术d w e e r 、 活塞式自由活塞式液压能量回 正位移技术 收机 旋转直接接触式 p x 阙控式a q u a l y n g 、p e s 1 3 液力透平 液力透平是压力能回收领域最早研究开发的技术，设计成熟而且应用广泛，几乎所 有压力能回收领域都有液力透平技术的应用。 大连理l 大学硕士学位论文 1 3 1 分体式设计 分体式设计的液力透平于7 0 年代末期进入市场，能量回收效率较低，有反转泵型 ( i 迅v e r s ep u m p ) 、法兰西斯泵型( f r a n c i s ) 、卡普兰型( k a p l a x ) 和佩尔顿 型( p e l t o n ) 1 1 1 。 佩尔顿型和反转泵代表了分体式设计液力透平的基本原理和特点，由于在压力能回 收过程中须经过两次能量转换，这直接导致能量的多余损失，使分体式设计的液力透平 技术回收效率低下，特别是反转泵的回收效率仅为3 0 左右。其工作原理见图1 2 【i 卫。 畲j 畲ui 图1 2p e l t o n 或f r a n c i s 涡轮机能量回收系统示意图 f i 9 1 2s c h e m a t i c d i a g r a m o f p e l i o n o r f r a n c i s t u r b i n e f l u i d e n e r g yr e c o v e r ys y s t e m 佩尔顿型是一种设计成熟的压力能回收设备。叶轮是唯一的旋转部件，工作安全可 靠；这种叶轮的流体力学性能整机率较高，而且其工作效率受高压流体的压力和流量的 影响小。其工作效率随压头及流量变化波动不大，但易受高压供液泵形式的影响。图1 3 中可以看到，其叶轮形式复杂，机械加工难度较大f 1 3 1 ，佩尔顿型将压力能转换为旋转机 械能的效率高达8 0 一8 8 但由于必须还将旋转机械能转换回压力能，这导致实际转换 效率为5 0 左右。目前国内有的厂家已经拥有了开发、生产佩尔顿型高效叶轮的能力。 图1 3 佩尔顿透平叶轮 f i g i 3p c l t o nt u r b i n ew h e e l 5 - 基于正位移原理的压力父换器能量传递过程动力学数值模拟 反转泵分为离心式和螺杆式两大类。反转泵中叶片离心泵反转运行，故名，其结构 简单( “j ，成本较低，设计成熟，见图1 4 。但对流量要求比较严格，流量过大过小时， 回收效率将大幅降低，甚至出现无回收情况，离心泵的出1 3 为其高压流体入口，离心泵 的入口为其低压流体出口，使用上的差异使其具有与泵不同的运行特点：( 1 ) 启动时 需开出口阀；( 2 ) 能量回收透平工作效率对流体的变化十分敏感，在流量高于最佳工 况1 0 时，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。该 技术目前仍有广泛的应用，但由于技术落后导致回收效率低下，将逐步被其他技术取代 【瑚。 国外开发的一种径向叶片涡轮液力透平【1 6 1 用于取代反转泵型( 如图1 4 所示) ，主 要在叶轮上进行改进，在保证可靠性的情况下，提高了回收效率。 反转泵径向叶片涡轮式液力透平 图1 4 反转泵和径向叶片涡轮式液力透平 r i g1 4r e v e r s ep u m pa n dr a d i a lw h e e l t u r b i n e 1 3 2 一体式设计 一体式设计的压力能回收装置也可称为新型液力透平，这一技术具有代表性的是 p e i 公司的h t c 技术和f e d c o 公司的h p b 技术。 h t c ( h y d r a u l i ct u r b o e h a r g e r ) 8 0 年代中后期应用逐渐广泛，构造简单且容易安装， 装置设计紧凑【1 7 l ，h t c 主要包括泵和透平两个部分，见图1 5 所示。泵叶轮与透平在一 个壳体中以同心轴相连同步工作，利用高压浓盐水驱动透乎的同时带动同轴的泵旋转， 从而使通过泵的进料海水进一步的到增压，这设计尽可能减少了中间传动轴的机械能 损失，由于用高压流体直接冲击透平叶片，通过轴功直接驱动加压泵工作，能量回收效 大连理工大学硕士学位论文 率较分体式设计有一定提高。h t c 的设计值得注意的是提高了效率、耐腐蚀性和稳定性， 售价与同类产品相比低3 0 。h t c 可以独立的工作，脱离了要与高压泵轴与电机轴连 接的束缚【l8 1 ，装拆容易且维修方便，而且对于压力和流量的波动适应性很好，其能量回 收效率基本稳定在6 0 左右，但不适合在处理量低于l o m 3 h 的小流量下工作，故其小 型化困难。h t c 通过提高流体流道设计和全面利用计算机数字控制制造技术减少成本的 设计令人称道 1 9 o ，其应用较早，设计成熟，故而广泛应用于几乎所有压力能回收领域， 特别是用于反渗透海水淡化系统【2 0 和合成氨工艺中铜洗塔的压力能回收。 图1 5 水力透平横截面图 f i g1 5h y d r a u l i ct u r b o c h a r g e r t mc r o s s s e c t i o n h p b ( h y d r a u l i cp r e s s u r eb o o s t i n g ) ，其基本原理与h t c 类似，也是利用高压浓盐 水驱动透平，从而带动同轴的进料泵，不同的是t t p b 专用于反渗透海水淡化系统。他 结合了h t c 的简单易安装的特性，在效率、抗腐蚀和可靠性方面明显改善。通过特殊 的流体流道设计和猜用计算机数控技术降低了生产成本，该产品售价比同类产品减少了 3 0 。图1 6 中给出了h p b 在反渗透海水淡化系统中的应用。 h t c 和t - i p b 技术与反转泵等分体式液力透平相比，减少了中间的机械能损失，提 高了能量回收效率，但由于原理上的不足，没有解决需要机械能中介的情况，仍需两次 基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟 能量转换，该技术在现有基础上进一步提高效率的空间已经非常有限口”。图1 7 为h t c 和h p b 原理示意图。 p | m pr 即 图1 6h p b 在反渗透海水淡化系统中的应用 f i g1 , 6h p bc o m p o n e n ta r r a n g e m e n ti nat y p i c a ls w r os y s t e m 压力能输出 压力能输入 图1 7h t c 和h p b 原理示意图 f i g1 7p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo f h t ca n dh p b 1 3 3 液力透平压力能回收方案 液力透平技术中，按照回收能量的形式，分为两种方案l ： 方案一：利用高压废铜液所携带的动能驱动水轮发电机组发电，实现动能一机械能 一电能的转化。 大连理工大学硕士学位论文 方案二：利用高压废铜液所携带的动能驱动涡轮机，把动能转化为机械能，涡轮机 的输出轴与高压铜泵的输入轴相连接，助推电机带动铜泵，从而实现动能一机械能的转 化。 上述两种方案各有利弊：方案一并网发电系统不受场地的限制，也不受其他设备的 约束，能量利用机动灵活，但增加了能量损失，且设备投入大；方案二回收利用压差能 的效率高，减少发电与并网的能量损失，但受场地的约束，由于铜泵需要经常停机维修 而导致能量回收装置的停机等待。 1 4 正位移技术 正位移技术( p o s i t i v e d i s p l a c e m e n t ，p d ) 多种多样，但回收能量的基本原理相同，原 理如图1 8 。 圈1 8 正位移技术原理示意图 f i 9 1 8p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a m o f p d 正位移技术可直接将高压流体的压力能用于进料海水的增压，不需要经过转化成轴 功这一过程，即“压力能_ 压力能”，从而减少中间转换的损失，能量转换效率高达 9 1 9 6 。与液力透平某些方案将回收的压力能用于发电相比，正位移技术均为直接将 高压流体压力能直接转化为低压流体压力能。正位移原理技术受开发时间和技术所限， 使用范围尚不如液力透平广。新型正位移技术带来可观的经济效益，并有效减少能源的 浪费，我国也已将“新型高效余压回收装置的研发”列为“十五”重点攻关项目，目前 该项目相关方面的研究正在进行中【2 “。 基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动：匀学数值模拟 1 4 1 活塞式技术 活塞式能量回收系统由w i l l a r dc h i i d s & d r a l id a b i r i 提出【2 4 。从图1 9 t 2 5 】中可以看 出，活塞式能量回收系统的结构非常简单，高压流体通过活塞的传递作用为低压流体加 压，同时活塞还可有效防止高低压流体的混流。若忽略活塞的摩擦，理论上能量传递效 率可达1 0 0 ，实际上可达9 0 以上 2 “。活塞式技术需要至少两个以上的压力容器才能 保证流体的连续运输，因此需要配合有比较复杂的液压控制和换向控制系统。活塞式能 量回收系统可用于反渗透海水淡化系统和合成氨工艺。 图19 活塞式能量回收系统结构图 f i gs 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 ( 1 ) 合成氨工艺中的活塞式能量回收系统 国内的研究单位对合成氨工艺中的活塞式能量回收系统得研究已经取得了一定的 成果，生产的能量回收机作为液力透平的补充，主要用于中小流量的铜氨液等流体的压 力能回收。 活塞式能量回收系统采用两个压力容器交替工作，以降低进流高压流体的流量和压 力的波动，故其对于压力与处理量有较好的适应性，但处理量较其它类型小。能量回收 装置两缸卧式对置，活塞可采取活塞杆连接或自由活塞两种形式，由于益柄连杆结构易 导致整机机构复杂，产生困液、气蚀、过载等技术问题，所以自由活塞式结构更适合使 用。两缸的活塞始终处于相反的工作状态，即一缸内活塞做推程运动，另一缸内活塞作 回程运动。回程缸的动力从推程缸中获得。每一缸筒内活塞两边分别进出两种不同的液 体介质，低压液的吸入和高压液的排出，由设置在缸头内的两只单向阀自动完成。 大连理工夫学硕士学位论文 该技术由于采用活塞式结构及一些特殊的技术措施，使它能适应化工、石油生产中 不同工艺条件( 压力、流量) 、不同物化性能的各类液体介质的压力能回收，如现在合 成氨工艺中使用的醋酸铜氨液介质，压力1 3 m p a ，有腐蚀性。该技术开发应用较早，技 术比较成熟，目前在中小规模的铜氨液压力能回收应用较多，而且运行效果良好。 佗1 反渗透海水淡化系统中的活塞式能量回收系统 国外研究机构对应用于反渗透海水淡化系统的活塞式能量回收系统的研究已经非 常成熟，以d e s a l c o 公司的w o r k e x c h a n g e r f o r s w r o e n e r g y r e c o v e r y ( d w e e r ) 技 术为代表，在实际应用中可以达到9 1 - 9 6 的工作效率。国内针对该原理的压力能回收 技术也进行了一定程度的研究。其基本原理见图1 1 0 2 5 1 。 d w e e r 技术同样采用两个压力容器交替工作，通过采用l i n x 阀代替普通的多个 控制阀，允许阀快速切换，从而减小了压力回收容器的大小【2 ”，并改善了可靠性。由图 1 1 0 所示，一个水压缸中高压盐水推动活塞及海水向右运动，进行增压过程；同时另一 水压缸种低压海水推动活塞及泄压盐水向左运动，进行泄压过程。每个水压缸增压和泄 压过程交替进行，保证进料海水的连续增压和泄压盐水的连续排放，并保证整个系统连 续稳定运行。 目前d w e e r 装置最佳流量为2 5 0 m 3 h ，对于更大流量的反渗透海水淡化系统，可 以采用多个d w e e r 装置并联安置来满足负荷要求。 图1 1 0 d w e e r 原理图 f i g1 1 0p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a m o f d w e e r 基于正位移原理的压力变换器能量传递过程动力学数值梗拟 142 旋转直接接触式 旋转直接接触式能量回收技术在1 9 8 9 年由h a u g e 和l e i f ，提出，该技术利用正位 移原理，把高压浓水中的压力直接传递给低压海水，该技术在实际应用中可达到9 5 阻 上的能量转换效率。该技术中只有转子这一个活动的部件，转子和与其紧密接触的上下 端盖构成旋转式压力交换器口”( 见图l ，1 1 ) 的核心部件。无轴陶瓷转子在无外力的情况 下由高低压两种流体推动旋转，这一过程通过两端盖流体进出口流道的特殊设计实现， 转子每分钟转速可达1 0 0 0 转以上。低压流体与高压流体在转子轴向孔道中直接接触， 在转子高速旋转中通过碰撞实现压力能交换。孔道中，两种流体交汇处形成掺混区，该 掺混区成为压力能交换的液体活塞，高速旋转：状态下掺混区掺混情况随流量变化非常 小，有效阻止高低压流体进一步混合； 图1 _ 1 1 旋转直接接触式能量回收装置 f i gi 1 1r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r 圆挂理的篮王沿圃自均匀致互= 定数目的j l 道，如图! i 2 1 1 1 压丞。这些孔道丕扭提 供压力交换的场所，而且开孔的设计最大程度酌减轻转于的重量，选用陶瓷材料制造转 子保证转子良好的制造精度和极好的耐磨性，使得转子能够在轴套内平稳旋转。 与转子端面接触的上下端盖同样采用陶瓷材料铸造，如图1 1 3 1 2 9 所示，转子于上下 端盖之间存在非常小的问隙，在微量海水润滑的前提下，能够保证转子不受摩擦力的影 响高速旋转，而且微小的间隙使流体和压力的泄漏降低到最低。端盖上的盘槽保证转子 的不同孔道在与高低压系统分别接触时，进出孔道流体的流量和压力的稳定。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 2 旋转式压力交换器的转子 f i g1 1 2t h er o t a t o r so f t h er o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r 图1 1 3 旋转式压力交换器的上下端盖 f i g1 1 3t h ee n dc o v e r so f r o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e r 图1 1 4 反渗透海水淡化系统中的旋转式压力交换器 f i g1 1 4t h er o t a r yp r e s s u r ee x c h a n g e ro fs w r os y s t e m 基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟 转子的上下端盖开有高低压流体通道，端盖和转子之间的密封区把转子分成高压系 统和低压系统。转子转动时，孑l 道先和低压海水连通，低压海水注满孑l 道后，置换出低 压浓水；转子继续转动，孔道越过密封区，和高压浓水通道连通，高压浓水注满孔道， 并把压力传递给低压海水，置换出高压海水，宽成一个周期的循环过程。转予以1 0 0 0 转分钟以上的旋转速度，不断将高压浓水的压力交换给低压海水。如图1 1 4 1 20 】所示， 该系统内高压泵只需要提供部分海水所需的能量，该部分海水的流量相当于淡水产水的 流量，旋转式压力交换器回收了反渗透海水淡化系统排出的高压浓水约9 5 的能量，这 使得旋转式压力交换器成为目前生产单位体积淡水所消耗电能最低的压力能回收设备。 旋转直接接触式能量回收装置设计复杂，价格昂贵，但与同类技术相比，活动部件 少、装配方便，回收效率最高，工况性能最好。需要说明的是，该技术目前只用于反渗 透海水淡化系统，在其他领域应用需进一步解决技术上的问题，特别是对于混有固体杂 质的铜氨液和液氨等流体，容易导致转子的卡死现象。 1 4 3 阀控直接接触式 德国的p e s 技术和西班牙的a q u a l y n g 技术可划为阀控式，见图1 1 5 3 0 】。阀控式和 活塞式的原理比较相似，不同的是这种技术没有设置活塞，高低压流体直接接触，通过 独特设计的阀控实现高低压交换。这种技术目6 矿主要用于反渗透海水淡化系统。 图1 1 5 装配先进阀的压力交换器 f i 9 1 1 5p r e s s u r ee x c h a n g e r w i t ha d v a n c e d v a l v e t e c h n o l o g y ； 大连，i ! 工大学硕士学位论文 p e s 技术的效率高达9 8 ，通常采用3 个容器并联使用，以降低进入反渗透膜的海 水流量和压力的波动。主要由带有压力容器、管道系统、增压泵和自动控制操作单元的 设备组成【3 ”，和其它正位移原理的装置类似，操作时低压进料海水分为两部分，一部分 经过高压泵增压，另一部分通过p e s 和增压泵增压，之后两部分流体混合后一起作为膜 器的进料。p e s 适用于超过2 0 0 0 m 3 d 的大产量系统。p e s 和旋转式压力交换器、d w e e r 相同，可以根据处理量的需要并联使用。 a q u a l y n g 技术压力回收器内部有特殊设计的阀门控制流体流动，如图1 1 6 3 2 ，同 样可以达到9 1 9 6 的高回收效率。 图1 1 6a q u a l y n g 技术 f i g1 1 6t h ep r e s s l l r e r e c u p e r a t o r a q u a l y n g 1 4 4b o s 系统 b c s ( b r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m ) 系统并不是单一的正位移技术，日本研发的b c s 系统 采用反渗透海水淡化系统的第一级浓缩水作为进料流体，在高达8 0 1 0 0 m p a 的更高压 力的条件下，可以从5 8 8 7 的进料盐水中生产产品水，系统的回收率可达6 0 【3 3 1 。 b c s 系统在1 9 9 9 年首次实现商业化应用，其流程见图1 1 7 所示。图中的增压泵可以用 泵来增压，也可以用h t c 压力能回收装置，通过能量回收器回收第二级反渗透膜排放 的浓盐水的压力能来增压第一级反渗透膜排出的浓盐水，并作为b c s 系统地进料，从 而实现提高系统的回收率的目的。 基于正位移原理的压力交换器能量传递过程动力学数值模拟 b c s 系统可以降低产品水的成本，减小设备安装空间，增加产品水产量，而且还可 以减少浓盐水的排放量。 尊睾 图1 1 7b c s 系统示意图 f i g1 1 7s c h e m a t i co f b r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m 1 5 结语 压力能回收技术是降腻相关领域生产成本的重要技术，从宏观看又是重要的节能手 段，符合可持续发展思想。 本文提及的能量回收技术中，国外的先进技术已达到令人满意的回收效率和性能， 国内也在逐步开发有自主产权的技术。国内化工、石油等领域业已重视压力能的回收， 逐步普及使用该类产品，并大量引进国外先进设备。目前，国内的压力能回收技术与发 达国家相比较为滞后，从长远看，由于国外产品成本高于国内类似产品数倍，发展自主 知识产权的新型压力能回收技术是非常必要的。 通过比较各种原理的压力能回收设备( 见表1 2 ) 可以看出，一体式液力透平技术 回收效率高于分体式液力透平技术的回收效率，而正位移原理的能量回收设备的回收效 率又高于液力透平技术的回收效率。 表1 2 压力能回收设备性能的比较 t a b1 2 p e r f o r m a n c ec o m p a r e do f a u k i n d so f f l u i d p r e s s u r ee x c h a l 3 9 e re q u i p m e n t s 分体式液力透平 一体式水活塞式和旋转式压 形式 逆转泵佩尔顿型力透平阀控式力交换嚣 大连列 大学硕士学位论文 1 6 课题的提出 国内反渗透海水淡化系统大多是中小流量的设计，采用旋转式压力交换器更符合中 国的国情，目前国内绝大部分的反渗透海水淡化系统均采用美国e r i 公司生产的旋转式 压力交换器原理的p x 系列产品，旋转式压力交换器还将在一定的时期内完全依赖国外 进口。 正位移原理的能量回收设备以其高效率、易维护、工作平稳等优点成为技术发展和 研究的热点，然而，在中，旋