自驱旋转式能量回收装置运行特性研究

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在反渗透海水淡化系统(Seawater Reverse Osmosis system)多种能量回收装置中,自驱旋转式能量回收装置(Self-driven rotary energy recovery device,SDRERD)因其稳定、高效的特性,在一众能量回收技术中脱颖而出。该装置基于正位移原理,通过流体驱动转子转动,促使高压盐水与低压海水在装置的转子孔道内完成能量的传递,能量回收效率最高可达98%,市场占比逐年提高。但自驱旋转式能量回收装置专利技术一直牢牢把控在以ERI公司为代表的西方发达国家的企业手中,且价格高昂,在国际竞争日益激烈的与全球淡水资源紧缺今天,自驱旋转式能量回收装置的国产化进程对我国海水淡化工程的战略安全有非常积极的意义。本文选取自驱旋转式能量回收装置为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的方式,对装置转子转速特性进行预测分析;并根据预测分析得出的转速特性曲线,对装置内部流体流动与压力脉动进行仿真计算,旨在探究装置能量耗散的一般规律;最后由于装置的能量回收效率为装置流体力学效率与流体掺混率的乘积,根据上述研究成果,采用组分运输模型,对转子孔道内部流体掺混特性进行了仿真分析,探究转子孔道内流体掺混特性与掺混率的变化规律。本文具体工作内容与成果如下:(1)本文根据已有能量回收装置的研究成果,构建了包括上下端盘、转子、套筒等过流部件3D模型,使用ICEM-CFD对模型进行网格划分,并进行了网格无关性验证。(2)本文创造性的提出以集液盘内平均切向速度与转子中间半径处线速度相同为基础,并采用FLUENT 6DOF模型对转子特性进行仿真计算,即理论分析与数值模拟相结合的方法初步预测转子转速特性曲线,给与自驱式能量回收装置转速特性预测一种新的方法。其中固体转子的物性参数以UDF(User Defined Function)定义的方式加载到FLUENT软件中。对比理论分析与数值模拟得到的转速特性曲线,得出理论分析与数值模拟预测的转速特性曲线吻合度较高,在小流量工况下两种曲线的相对误差最大,达14.9%;转子最高转速与装置流量成正比,并且装置转子具有转速自适应性。(3)基于理论分析与FLUENT 6DOF模型预测分析得出的转速特性曲线,对额定工况下的流场进行仿真分析,分析自驱旋转式能量回收装置能量损失的原因,得出了自驱旋转式能量回收装置水力特性与压力脉动特性,并结合试验数据验证了预测得出的转速特性曲线的可靠性。(4)同样基于理论分析与FLUENT 6DOF模型预测分析得出的转速特性曲线,采用组分运输模型,建立了自驱式能量回收装置转子孔道内的流体掺混模型,设定高压盐水进口与低压海水进口的NACL质量分数分别为6%与3.5%。结果表明:在一定转速下,装置掺混率与流量成正比;一定流量下,装置掺混率与转速成反比。自驱旋转式能量回收装置的掺混率具有自适应性。
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