外驅(qū)式能量回收裝置的設(shè)計(jì)與研究

李 炎，謝春剛，張 銘

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

外驅(qū)式能量回收裝置的設(shè)計(jì)與研究

李 炎，謝春剛，張 銘

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

能量回收裝置（ERD）是反滲透海水淡化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。設(shè)計(jì)了一種外驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收，采用外驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)流體能量交換和摻混率的控制，初步性能測試，結(jié)果良好，符合設(shè)計(jì)要求，可為能量回收裝置的開發(fā)研究提供借鑒。

能量回收；反滲透；海水淡化

反滲透（Reverse Osmosis,RO）是目前主流的商業(yè)化海水淡化技術(shù)之一[1]，據(jù)國際脫鹽協(xié)會IDA統(tǒng)計(jì)截止2011年RO技術(shù)在國際脫鹽領(lǐng)域的市場份額已達(dá)60%[2]，未來仍將保持強(qiáng)勁增長。能量回收裝置是反滲透系統(tǒng)的核心組件之一，主要作用是回收反滲透膜截留側(cè)濃海水壓力能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)水能量，能量回收裝置的應(yīng)用可大幅降低反滲透系統(tǒng)能耗，從而降低造水成本。

商業(yè)化應(yīng)用的能量回收器按照工作原理主要分為兩類：透平式原理和正位移式原理。透平式能量回收裝置的原理是高壓濃鹽水通過透平將壓力能轉(zhuǎn)換成軸功，再利用軸功驅(qū)動(dòng)泵對流過泵的進(jìn)料海水增壓，即經(jīng)過“壓力能—軸功—壓力能”兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)換過程，其能量傳遞效率較低，介于50%～70%之間。正位移式能量回收的原理是利用高壓濃鹽水直接增壓進(jìn)料海水，此方法只需經(jīng)過“壓力能—壓力能”一次轉(zhuǎn)換過程，能量傳遞效果可達(dá)91%～96%，是目前的主流技術(shù)研究方向。

目前,能量回收裝置的技術(shù)基本被國外公司壟斷，國內(nèi)研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。設(shè)計(jì)了一種外驅(qū)式能量回收裝置，通過計(jì)算分析完成了裝置的整體結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，加工試制了一臺樣機(jī)，初步性能測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，可為國內(nèi)能量回收裝置的研發(fā)提供借鑒。

1 總體設(shè)計(jì)

外驅(qū)式能量回收裝置是基于正位移原理，通過高低壓海水在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通道中直接接觸，將高壓濃鹽水的壓力能直接轉(zhuǎn)換為低壓進(jìn)料海水的壓力能[3]。其核心部件為轉(zhuǎn)子和與轉(zhuǎn)子兩端配合的定子(為了形象表述，本文稱之為轉(zhuǎn)端蓋)。轉(zhuǎn)子沿軸向開有數(shù)個(gè)貫通的通孔，作為高低壓流體能量交換的場合。兩股流體在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通道中進(jìn)行能量交換時(shí)，會形成摻混層或摻混區(qū)域,起到了類似活塞的作用，用來“隔離”高低壓流體。采用旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的海水淡化工藝流程如圖1所示。

外驅(qū)式能量回收裝置中沒有剛性活塞將高低壓流體隔離，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn)：一是使得在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的情況下，完成高低壓流體能量的高效傳遞；二是保證高低壓流體在轉(zhuǎn)子通道中的摻混率在合理的范圍，防止流體間的過度摻混。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，研究中采用了外驅(qū)式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)子由外部機(jī)械能驅(qū)動(dòng)，消除了流量對旋轉(zhuǎn)速度的影響，減少了因變參數(shù)，使得流體可以直接以軸向速度進(jìn)入通道，同時(shí)還可以有效控制摻混區(qū)域，提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖1 外驅(qū)式能量回收工作原理圖

能量回收裝置的整體設(shè)計(jì)如下：

設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度為ω，轉(zhuǎn)子通道長度為L，通道半徑r，橫截面積為A=πr2，通道中心與轉(zhuǎn)子中心距離半徑為R。設(shè)高低壓流體摻混區(qū)域在通道內(nèi)的移動(dòng)速度為vm，移動(dòng)距離為lm，任何一個(gè)通道與轉(zhuǎn)換盤進(jìn)流孔從開始相交至重合的全過程需要時(shí)間為τ，在此時(shí)間內(nèi)進(jìn)流量為Qε。設(shè)某時(shí)刻某一通道運(yùn)動(dòng)角度為θ，該通道與轉(zhuǎn)換盤進(jìn)流孔完全重合時(shí)角度為φ。又設(shè)兩個(gè)通道在任意時(shí)刻相交面積為S，相交區(qū)域弧長l，通道與轉(zhuǎn)換盤進(jìn)流孔從開始相交到重合到脫離的變化量為α，根據(jù)圓缺面積的公式和幾何關(guān)系，可以得出下面的表達(dá)式∶

設(shè)通過重合區(qū)的流體速度為v，則在dτ時(shí)間內(nèi)該通道的進(jìn)流體積的微分函數(shù)關(guān)系為：

式(4)中，僅有a是變量，又由于關(guān)系式(4)，故僅有θ是變量，考慮從轉(zhuǎn)子開始進(jìn)入集液槽到完全進(jìn)入集液槽的全過程，可將其改寫為微分函數(shù)關(guān)系式∶

其中通過重合區(qū)的流體速度v與高低壓管道的流量Q和集液槽所覆蓋的面積有關(guān)，由于后者為定量，故v可以寫成如下函數(shù)關(guān)系∶

設(shè)時(shí)間為τ，相交開始時(shí)刻τ=0，則按照一定旋轉(zhuǎn)角度ω，經(jīng)過時(shí)間dτ，轉(zhuǎn)過的角度dθ為：

綜合式(5)～式(9)，式(5)可以寫成微分函數(shù)關(guān)系式則為∶

設(shè)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)周期為T，通道個(gè)數(shù)為N，由于通道間隔很小，則上述過程需要的時(shí)間t0為：

則式(10)可以求出t0時(shí)間內(nèi)該通道內(nèi)的進(jìn)流體積Vε：

設(shè)集液槽覆蓋的通道個(gè)數(shù)為m，t0時(shí)間內(nèi)通道從開始接進(jìn)入集液槽到完全進(jìn)入集液槽，由于轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過m·t0時(shí)間，該通道開始移出集液槽，再經(jīng)過t0時(shí)間，完全移出，總時(shí)間為T0=(m+2)·t0。結(jié)合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω與流量的關(guān)系，代入式(12)，可知，在半個(gè)周期內(nèi)，該通道的進(jìn)流體積VT0可以表示為∶

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，極限情況下，摻混區(qū)的運(yùn)動(dòng)是由轉(zhuǎn)子通道的一端運(yùn)動(dòng)到另一端，而不能超過轉(zhuǎn)子的長度。當(dāng)最佳工作條件時(shí)進(jìn)流長度約等于通道長度，lm≈L，此時(shí)通道的容積利用比最大，故最佳進(jìn)流長度為∶

當(dāng)l≤L且lm≈L時(shí)，是轉(zhuǎn)子與各個(gè)運(yùn)行參數(shù)配合的最佳狀態(tài)。摻混區(qū)運(yùn)動(dòng)的平均速度∶

如果近似將T0時(shí)間內(nèi)進(jìn)流量看成線性關(guān)系，T0時(shí)間內(nèi)單孔的進(jìn)流體積為VT0，則有：

如果假設(shè)T0時(shí)間內(nèi)的流體均勻進(jìn)入到集液槽覆蓋的m個(gè)通道中，則有：

又因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與進(jìn)流流量間呈基本線性關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為k1，即有：

由式(11)知轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速度ω與時(shí)間t0之間為反比關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為k2，則有：

將式（20）代入式（21）有：

將式（22）代入式（18）得：

由式(23)可知，轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的進(jìn)流長度l為定值。隨著流量增加，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也會增加，即雖然高低壓進(jìn)流速度增加，但是通道的有效進(jìn)流時(shí)間減少，綜合作用使它們抵消了相互之間的影響，保證了進(jìn)流長度不會發(fā)生太大的變化。由此可見，旋轉(zhuǎn)式壓力交換器具有自我調(diào)節(jié)的功能，使轉(zhuǎn)子兩端的進(jìn)流長度中間的摻混區(qū)域始終在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)而不移出通道，保證了旋轉(zhuǎn)式壓力交換器實(shí)現(xiàn)能量交換的功能，又保證了高低壓不同介質(zhì)流體間的摻混率控制在允許的范圍之內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的進(jìn)流長度確定了以后，轉(zhuǎn)子的長度基本上就定了，即lm≈L。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 端蓋

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式壓力交換器的設(shè)計(jì)原則和假設(shè)可知，端蓋中比較重要的是集液槽的設(shè)計(jì)。相對于自驅(qū)型壓力交換器，外驅(qū)式能量回收裝置不必考慮進(jìn)流流體對轉(zhuǎn)子的切向驅(qū)沖量，因此省略了改變流體運(yùn)動(dòng)方向的螺旋槽，簡化了端蓋的構(gòu)造。圖2為端蓋視圖。

圖2 外驅(qū)式能量回收端蓋

2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，為了滿足旋轉(zhuǎn)式壓力交換器能達(dá)到能量傳遞的效率和質(zhì)量兩個(gè)基本目的,其必須滿足以下條件：

(1)形成的摻混區(qū)域必須且只能在轉(zhuǎn)子通道中作往復(fù)移動(dòng)，而不能移出通道，使摻混區(qū)起到活塞隔離作用。摻混區(qū)域最大移動(dòng)距離小于通道長度，在半個(gè)周期內(nèi)，通道進(jìn)流長度接近于通道長度時(shí)為最理想情況。

(2)通道及流體在進(jìn)入不同壓力區(qū)間的過程中不能產(chǎn)生較大的沖擊和流量波動(dòng),運(yùn)轉(zhuǎn)過程中應(yīng)盡量保持其勻速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

(3)摻混區(qū)域的位移長度應(yīng)與壓力交換器的處理流量相適應(yīng)，當(dāng)工況條件在許可范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，摻混區(qū)域的運(yùn)動(dòng)能保持穩(wěn)定，從而使壓力交換器具有自我調(diào)節(jié)的功能;當(dāng)摻混區(qū)域不斷增大而充滿整個(gè)通道時(shí)，壓力交換器功能失效，不能起到傳遞能量的作用。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，裝置轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)過程如下∶

設(shè)定轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的進(jìn)流長度為定值lm,轉(zhuǎn)子長度L應(yīng)接近于進(jìn)流長度lm，即lm≈L。因?yàn)殡S著流量增加，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也會增加。雖然高低壓進(jìn)流速度增加，但通道的有效進(jìn)流時(shí)間減少，綜合作用使它們抵消了相互之間的影響，從而保證了進(jìn)流長度不會發(fā)生太大變化[3]。

圖3 外驅(qū)式能量回收轉(zhuǎn)子

圖4 能量回收裝置主體

兩個(gè)端蓋上與轉(zhuǎn)子“接觸”的面上設(shè)有盤形集液槽以擴(kuò)大進(jìn)流面積，保證進(jìn)流和通道運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。當(dāng)某個(gè)通道在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中移出集液槽所覆蓋的區(qū)域時(shí)，必然同時(shí)有一個(gè)通道移入集液槽，由此可以計(jì)算出單個(gè)通道的進(jìn)流情況。每個(gè)通道的面積應(yīng)相等，且通道間隔相對于通道寬度可以忽略。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，在任意時(shí)間段內(nèi)，進(jìn)入集液槽區(qū)域內(nèi)的通道總面積應(yīng)該與離開集液槽的通道總面積相等，即不論任何時(shí)刻，集液槽所覆蓋的通道總面積應(yīng)該保持不變。

2.3 套筒

套筒的作用是支撐上下轉(zhuǎn)換盤，并對轉(zhuǎn)子軸向的流體進(jìn)行密封，避免轉(zhuǎn)子兩端的流體在通道外部接觸。與端蓋的設(shè)計(jì)一樣，轉(zhuǎn)子和套筒的間隙是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。如果間隙過大，兩端流體在通道外直接滲漏嚴(yán)重，使得壓力能過分損失，從而導(dǎo)致裝置失效；如果間隙過小，轉(zhuǎn)子與套筒之間會發(fā)生剛性摩擦，且轉(zhuǎn)子與套筒裝配時(shí)較為困難。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子和套筒的間隙時(shí)必須保證合理的公差尺寸，在本裝置中設(shè)計(jì)兩者間隙尺寸為0.05 mm。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該尺寸滿足上述要求。

2.4 其它部件

裝置的其它部件包括浮動(dòng)盤、接管、軸承、主傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、支撐架、電機(jī)等。其中，電機(jī)主軸與主傳動(dòng)軸之間同軸度的大小會直接影響到裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，以及產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。通過聯(lián)軸器將上述兩部件連接，可以起到一定的緩沖作用，同時(shí)降低對同軸度的精度要求。此外，為了避免轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生震動(dòng)，對與支撐架接觸的地面和電機(jī)固定

3 裝置裝配

在裝置裝配過程中，關(guān)鍵的問題是轉(zhuǎn)子和端蓋之間的端面間隙、轉(zhuǎn)子和套筒之間的徑向間隙的確定。如果間隙過大，會造成介質(zhì)滲漏過多，影響試驗(yàn)的效果，甚至壓力能不能交換；反之，如果間隙過小，則摩擦力太大，外驅(qū)動(dòng)力要求過大，使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定或者甚至無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

各零部件的裝配按以下順序進(jìn)行裝配：

（1）用上接管裝配上轉(zhuǎn)換盤，再組裝上轉(zhuǎn)換盤和深溝球軸承；

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

（2）用平鍵連接轉(zhuǎn)子；

（3）裝配深溝球軸承和軸用擋圈；

（4）將以上裝配完成部分放入套筒；

（5）裝配其它零件，最后裝配上鎖緊環(huán)和機(jī)械密封機(jī)構(gòu)。

4 樣機(jī)及性能測試

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，完成了一臺外驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的加工，同時(shí)搭建了實(shí)驗(yàn)臺對其性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)臺如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中為了減少整體震動(dòng)對試驗(yàn)穩(wěn)定性的影響和對儀表讀數(shù)的誤差，采取如下防震措施：

（1）將試驗(yàn)架放在水平的地面上，并鋪上一層厚度3 mm的橡膠板；

（2）在裝置與試驗(yàn)架接觸并固定的剛性面上，用厚度為3 mm的橡膠板相隔；

（3）在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與固定平板以及固定平板與試驗(yàn)架之間均用厚度3 mm的橡膠板相隔。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺總體

采用普通自來水作為高低壓流體介質(zhì)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中流體不經(jīng)過反滲透膜，只進(jìn)行壓力交換的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的外驅(qū)式能量回收裝置能夠完成壓力交換，可以穩(wěn)定運(yùn)行，能量回收效率達(dá)40%。

5 結(jié)論

本文通過理論分析完成了外驅(qū)式能量回收裝置的整體設(shè)計(jì)方案，該能量回收裝置中轉(zhuǎn)子采用外部驅(qū)動(dòng)的方式旋轉(zhuǎn)，保證了高低壓流體的穩(wěn)定交換，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了兩種流體在轉(zhuǎn)子通道中的摻混可控。計(jì)算出了外驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，并完成了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和樣機(jī)制造，初步模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置可穩(wěn)定運(yùn)行，基本符合設(shè)計(jì)要求，能量回收效率可達(dá)40%，證明采用外驅(qū)式轉(zhuǎn)子的技術(shù)具有可行性。

[1]惠紹棠，阮國嶺，于開錄.海水淡化與循環(huán)經(jīng)濟(jì)[M].天津：天津人民出版社，2005.

[2]IDA Desalination Yearbook 2010-2011[R]．UK：Media Analytics Ltd，2010．

[3]常宇清.反滲透海水淡化系統(tǒng)外驅(qū)型旋轉(zhuǎn)式壓力交換器試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

Design and Research on Energy Recovery Device Driven by External Power

LI Yan,XIE Chun-gang,ZHANG Ming
(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China)

Energy recovery device (ERD)is the key equipment of the seawater reverse osmosis desalination (SWRO)system.In consideration of the practical SWRO engineering,a novel external-drive ERD was developed to realize the control of energy exchange and mix of water.The results showed that the device could perform pressure conversion.Further study should be carried out in the design and manufacture technology.

energy recovery;reverse osmosis;seawater desalination

TP747+.5

B

1003-2029（2012）04-0064-04

2012-03-06

2008年中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（K-JBYWF-2008-G04）

李炎（1981-），男，工程師，從事海水淡化技術(shù)研究。Email：kuranyi@163.com