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旋转正位移式能量回收过程的数值模拟研究

刘禹  
【摘要】:旋转正位移式液体压力能交换器(Rotary Pressure Exchanger, RPE)是一种通过高低压液体直接接触实现压力能回收利用的先进技术。由于其紧凑的结构设计、低廉的操作费用、优良的运行稳定性和接近100%能量回收效率,在以反渗透膜法海水淡化系统(Seawater Reverse Osmosis, SWRO)为代表的过程工业中得到了广泛应用。 由于采用流体直接接触方式实现压力能传递,因此,有效控制不同流体间掺混以保证被加压流体纯度和有效实现端面密封以保证能量传递效率是RPE装置的两个核心问题。本文即针对以上问题,采用数值模拟的研究方法,对RPE装置转子孔道内流体掺混问题和转子与定子间的端面流体密封问题进行了数值模拟研究和分析。 本文主要的研究工作与结论有: 1)建立了RPE孔道内流体掺混过程的三维数值计算模型,描述了流体在孔道内瞬间接触的质量传递过程,在此过程中孔道内形成了稳定的、往复移动的液柱活塞,用来分隔不同浓度的流体。液柱活塞的形成对于掺混率的控制具有重要意义。转子圆周速度和流量是影响液柱活塞形成和运动的主要因素,两者对其呈相反的影响态势,使RPE在流量波动时具有一定的自适应能力,保证掺混率得到有效控制。 2)增加RPE转子直径是满足增加RPE单体处理量需求的主要途径,本文分析了大直径转子孔道内出现的径向掺混问题,讨论了产生原因并分析了径向掺混对RPE整体传质过程的影响。在此基础上,本文以控制径向掺混为目标,进行了大直径转子设计理论的研究,提出适应更大单体处理量的大直径转子的优化设计方法。 3)针对端面密封问题,本文首先分析了RPE结构中端面密封结构的特殊性,并就RPE中端面密封问题建立了三维数值计算模型,并将模拟结果与实验结果进行比较,证明了计算模型的合理性和有效性。数值计算研究表明:端面间隙量的变化对纯平面密封性能至关重要。当间隙量超过0.03mmm以后,密封压力急剧下降,密封失效。转速对密封性能没有影响,泄漏量与开启力会随着入口压力的增大而显著增加。 4)为了摆脱对超精密加工的依赖,本文提出通过改变端面密封结构,利用流体动压效应产生的液膜开启力来产生微米厚度液膜的思想。本文建立了常见的螺旋槽、环向槽、直槽、蜂窝槽等端面密封模型,对转速、入口压力与泄漏量与开启力的关系进行了研究。计算结果表明,端面密封结构的改进对端面微米厚度液膜的形成有加强的效果,平均开启力会提高1000N。其中环形槽的加强效果最明显。


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