旋转式压力交换器中液柱活塞的形成与运动规律的理论研究

　　0　引　言

　　旋转式压力交换器是利用正位移原理实现流体压力能回收再利用的装置,该装置的核心是周向开有均布贯通孔道的转子,压力和浓度不同的两种流体在转子通道中直接接触完成压力能的传递。如图1所示,工作状态下转子高速转动,其孔道交替地与高压或低压系统连通。当孔道运转至与高压系统连通时,高压流体进入孔道,孔道内原有的低压流体被加压并排出孔道。当孔道旋转至与低压系统连通时,低压流体重新进入孔道,将做功后已泄压的流体挤出孔道,完成一次压力交换过程。随着转子旋转,上述压力交换过程循环进行,从而实现压力能的连续回收。

　　在转子孔道中没有实体活塞分隔两种不同的流体,液柱活塞的形成是由于孔道中两种直接接触的流体中的组分存在浓度梯度而产生质量传递的结果。当孔道中流体存在浓度差时,流体交界面上会发生掺混现象,由浓度较高的区域向浓度较低的区域发生质量传递[2],这样形成的掺混区起到了实质上液柱活塞的功能。

　　1　旋转式压力能交换器的质量传递过程分析

　　旋转式压力能交换器运行过程中,孔道所处的位置不同,质量传递的过程也不相同。在一个压力能交换周期内,按孔道运行位置划分主要为两个阶段。如图2所示,一种情况是孔道位于上下集液槽之间,这个阶段孔内为湍流流动;另一个阶段转子的孔道处于密封状态,此时孔内流体为静止。孔道一旦与湍流区域有交集,孔道内流体就开始湍流运动,质量传递过程中流体的整体流动起主导作用;而当孔道完全进入密封区时,孔道内流体处于静止状态,则此时的质量传递为纯分子扩散过程。

　　2　理论计算参数

　　2. 1　结构参数

　　装置的结构参数主要包括转子孔道的个数N、长度L、孔道分布圆直径D和孔道内径d。转子的基本形状及其结构如图3所示。孔道之间的间隔厚度一般较小,以使得孔道排布尽量紧密,孔道在转子端面上应均匀分布。

　　2. 2　运行参数

　　运行参数主要包括孔内流量Q和转子的转速ω。一定结构尺寸的压力能交换器只能处理一定流量范围内的流体,过量流体将造成掺混区被推出孔道,失去液柱活塞的意义而破坏进料流体的浓度品质。

　　2. 3　性能参数

　　性能参数用于评价转子的优劣,包括最大进流长度lmax和孔道容积效率η。最大进流长度是指高低压流体进入孔道内所能深入的最大长度,代表每次完成压力交换过程后液柱活塞在转子孔道内移动的距离。对于不可压缩流体,最大进流长度也代表了压力能交换器在单位周期内所能处理的流体质量(或体积)。