1、绪 论1.1 研究背景及目的过程工业（Process Industry）是我国能源行业的重要领域，也是能源消耗量最大的领域，占能源消耗总量的 70%以上 1。然而，过程工业中的能源浪费问题也比较严重。例如，在有些减压和排废工序中，高压流体的压力能没有得以充分利用，造成能量浪费。如果将高压流体的压力能回收利用，工艺流程的能耗将会明显降低。例如，2010 年，我国海水淡化规模为 80 万至 100 万 t/d，如果利用旋转容积式压力能交换装置回收利用压力能，日节省电耗约 240300万 kWh，相当于每天节约电费 96120 万元（电价按 0.4 元/kWh 计） 。长期以来，我国在液体压力能回收
2、技术及旋转容积式液体压力能交换器等装置方面对压力能传递过程中的系统研发能力欠缺，成熟设备自主开发薄弱，研究成果转化为工程应用也还有相当大的距离。旋转容积式液体压力能交换器（Rotary Pressure Exchanger，RPE） 14是一种通过高低压液体直接接触实现压力能（或功量）回收利用的设备，其结构紧凑、操作控制简便、费用低廉、运行稳定以及近 100%的能量回收效率，在过程工业中的应用前景十分广阔 10。高效率旋转容积式压力能交换机可有效发挥回收压力能、减少能源浪费的作用。对于过程工业中含杂质和温差的高压废液，压力能回收设备的结构、工艺条件的优化是实现变物性、多场耦合下功量传递强化的核
3、心问题，因而也成为压力能回收设备研究的焦点。本研究课题立基于过程工业中高压液体的能量回收，对旋转容积式液体压力能交换装置进行结构设计和压力传递过程研究。在掌握液体压力能传递过程机理的基础上，建立起液体压力能回收装置的设计理论和方法，结合理论分析和实验研究，解决压力能转换的重要技术问题。1.2 液体压力能回收技术压力能回收装置从工作原理上主要分为容积式和液力透平两类 11，以下是简要介绍。1.2.1 容积式压力能回收装置容积式压力能回收装置中，高低压流体直接进行能量交换。按照核心部件的不同，主要分为活塞式（也称固定式）和旋转式（也称转子式） 。活塞式压力能交换器（Work Exchanger ）
4、包含有一定数量的管道（活塞缸） ，在每支管道由自由移动的活塞分隔成两个体积可变的工作腔，一部分与高压液体相连，另一部分与低压液体相连，活塞和流体的运动由阀组同步控制。活塞缸两端安装有限位装置，避免与活塞缸端壁撞击。旋转式压力能交换器（Rotary Pressure Exchanger）是一种通过液体直接接触的能量回收技术，它的主要部件是一个带有周向均布若干贯通孔道的转子和两端的定子结构，在转子高速旋转的过程中，高低压液体在孔道内实现能量的直接传递和交换 12。1.2.2 液力透平式压力能回收装置液力透平压力能回收装置必须依靠机械轴在高低压液体间传递能量。按结构又可分为两种类型：一类是以佩尔顿泵
5、（Pelton Wheel）和弗朗西斯泵（Francis Turbine）为代表的分体式；另一类是以水力透平（ Hydraulic Turbocharger，HTC）为代表的一体式。分体式装置中，高压废液直接冲击叶片，带动机械传动轴，从而传递能量。但是用这种技术和装置回收的能量在整个动力系统中只起辅助作用，能量回收部分和泵是相互独立的，除了回收的这部分能量之外，仍需要电机作为主要动力来源，带动泵工作。一体式装置中，能量回收装置和泵体共存于一个壳体内，最大程度减少机械传动能量损失，使低压液体从高压液体中回收的能量获得动力，水力透平在流程中是能量提供单元。由于液力透平式压力能回收技术采用机械能中介
6、方式，高压流体必须经过“动能机械能动能”的两次转换才能将能量传递给低压流体，直接影响能量利用效率的提高。表 1-1 总结了液体压力能回收技术的情况，可以看到，采用容积式原理的压力能回收装置，其效率远大于传统的机械动力装置，相比于传统的机械动力传递方式的能量回收技术，容积式技术不需要机械能与动能间的二次转换，结构简单，操作方便，已经在海水反渗透淡化行业中投入使用 11。与活塞式压力能回收装置相比，旋转式液体压力能交换器不需要通过自动控制系统调节的阀门启闭，整个回收装置更为简单，操作与维护上面也更加简便易行，旋转式容积式压力交换器是当前回收效率最高的压力能回收装置。表 0-1 液体压力能回收装置的
7、性能比较传统的机械动力传递方式 容积式技术比较项目Pelton 叶轮 逆转泵 水力透平 WE、 PX、PES结构复杂程度 复杂 简单 较复杂 较复杂运行维护困难度 困难 容易 容易 容易装置成本 较低 低 较高 高流量变化自适应 好 很差 较好 好整机机械效率 8090% 约 70% 6775% 9095%能量回收效率 约 50% 约 30% 4555% 8598%应用前景 较好 差 中 中1.2.1 旋转容积式压力能交换器概况旋转容积式压力能交换装置的设计思想来源于 1954 年 G.Jencirassik17在其申请的专利中提出采用周向均布孔道的转子用以实现液体的能量连续回收。1989 年
8、 LEIF 和 J.Hauge18的专利装置中间是一个可以旋转的转子，在端面处设有分隔高低压流体的装置，能以较高效率的完成压力传递。转子由电机驱动转变为流体驱动。1999 年2003 年 LEIF 和 J.Hauge19-22设计了特殊的用于进出口流道水流控制结构，转子部分由高压流体冲击具有螺旋形的斜槽入口提供旋转驱动力，孔道横截面为梯形，在定子的表面添加了减压槽用于缓解转子孔道由高压区旋转至低压区过程中的气蚀现象。Stephan Bross23提出了改进的孔道结构，通过改变孔道的角度可以调节对转子作用的转动力矩和转子转速。2007 年，Richard L Stover24在 LEIF 和 J
9、.Hauge 专利的基础上进行改进和提高，装置首先改变了转子内的孔道横截面积形状，增加了进流面积和处理量，而掺混率未出现显著增加；其次改进了设备材质，采用精密加工的工业陶瓷为原料，不但保证了抗腐烛和抗磨损的特性，而且大大提高了密封的性能，使能量回收效率提高到了 9598%。2010 年 Jeremy Martin 和 Richard L Stover25对转子的孔道进行了比较大的改动，由原来的按圆周方向分布的圆形或者梯形孔道改成了布满整个端面的圆形管。Thames Plizons，Al-Hawaj 26等人的设计中提出用圆柱形或球形活塞在孔道内形成间隔以减少液体的掺混，这种带有实体活塞的装置虽
10、然可以有效的消除掺混的发生，但是活塞在孔道中的位置必须进行严格的控制，否则孔道会承担活塞的撞击导致寿命下降，所以这种 RPE 装置必须配备严格的流量监控设备，而且流体的自适应性差。Scott Shumway27不但在他的专利中提出实体活塞的设计而且还提出了通过在端面与孔道之间建立一个流体回路通过加压流体来提供密封力从而减少液体的泄漏。1.2.2 国内研究现状国内目前仅有少数几所高等院校和研究所对效率较高的容积式压力能回收装置进行过研究，主要是针对活塞式压力能回收装置进行的研究，对旋转容积式的研究较少。20 世纪 90 年代左右，浙江工业大学、巨化股份公司、杭氧集团等完成了对高压、中小流量活塞式
11、液体压力能回收技术的理论探讨，进行了原型机对铜氨液能量回收的实践实验 3。2000 年左右，天津大学的王越 29, 30以海水反渗透淡化系统为背景，选取了活塞式作为能量回收单元进行实验，以自来水代替海水开展不同进流压力及流量下的实验研究。21 世纪初期，大连理工大学周一卉32-34等建立了海水反渗透淡化系统实验装置，针对旋转容积式液体能量回收装置进行了研究，对影响液体压力能回收的主要因素进行了研究，实际工况下存在的掺混和密封问题进行了试验，探讨了转子转数与进流压力对能量回收的影响。1.3 本文的主要工作低压流体由 RPE 装置回收压力能后，废液直接进入工艺流程中，压力交换过程通过 RPE 装置
12、中高低压流体直接接触完成。要在在流体直接接触过程中对流体掺混进行有效控制，是本次研究的课题之一；此外，高低压流路共存于一个能量回收装置中，高低压系统间没有刚性隔离，且压差较大，因此要保证足够的低压流体压力的同时，防止过量混合或泄漏，是本次研究的另一个重要课题。本论文主要内容包括以下几个方面：（1）总结压力能回收的主要技术内容，通过比较选定回收效率高、设备简单的压力能回收技术，进而开展相关研究；（2）利用数学模型进行分析影响转子容积利用率和单位时间处理量的因素，并对他们进行正交试验分析，得到基本的影响关系式；（3）分析掺混区形成的基本机理，并利用数值模拟方法对 RPE 内掺混建立二维单通道、二维转动和三维转动分析模型，分析掺混区的流动特点，并对掺混问题主要影响因素进行研究，为转子结构设计提供理论基础；（4）通过假设，将密封结构看作无限平板间狭缝流动模型，研究其密封问题基本特点，分析密封端面间隙的流场，获得流场分布，设置边界条件，研究转速等对密封效果的影响，进而对密封进行改进；（5）设计简单的压力能交换实验，总结旋转容积式压力能交换设备的结构设计方法并进行校核。（6）以海水反渗透工厂为例进行经济技术性分析，并对过程工业中可利用的压力能进行工艺流程改造。
