外燃波转子压力交换技术发展综述

外燃波转子利用端口启闭触发形成的非定常压力波来进行高效能量转换,具有广泛的应用前景。本文分析了外燃波转子内部流场的典型结构,回顾了国内外性能试验的重要成果,总结了其用于燃气轮机增压的优势与挑战。指出在端口渐开渐闭、转静间隙泄漏、离心力与科氏力加速、固体壁面传热等的影响下,流场结构呈现多维特征,且形成的泄漏损失占比最大;在模型试验条件下,可以获得15%~30%的压力收益,以及70%~85%的压缩效率;与燃气轮机联合使用时,具有通流自冷却、稳态性能突出、动态响应优异、尺寸效应不明显等优点,但需要攻克紧凑式总体结构设计、高性能外燃波转子设计、宽工况波系结构控制、低损失过渡段设计、复合损失抑制等难题。

旋转压力交换器内间隙泄漏和润滑特性研究

旋转式压力能交换器是利用正位移原理进行流体压力能交换的装置,被广泛应用于反渗透海水淡化系统。旋转压力交换器内复杂间隙的液膜对转子起到润滑和支撑作用,同时也是内泄漏的通道。为研究压力交换器内间隙泄漏和润滑特性,为间隙流道结构的设计提供参考,对压力交换器内间隙进行三维建模,基于Fluent对间隙内三维流动进行定常计算,并利用试验结果验证了计算模型的准确性,分析了不同轴向端面间隙、环向间隙、环向间隙长度下的间隙泄漏量和液膜润滑特性。由结果可知,压力交换器内同时存在环向间隙轴向泄漏通道和轴向间隙端面泄漏通道,作为连接环向和轴向液膜的润滑槽压力分布是影响两条泄漏通道的流量大小和分配的关键因素;其中轴向端面间隙对润滑槽压力分布影响最大,而环向间隙及其长度主要影响环向泄漏通道的流量,而对端面泄漏通道的流量影响很小。

压力交换式能量回收器在反渗透海水淡化技术中的应用

在反渗透海水淡化系统中,高压系统中采用压力交换式能量回收器,大大地降低海水淡化 的能耗。压力交换式能量回收器的能量回收效率达到95％以上,本文从其工作原理和反渗透海水 淡化设计上阐述其应用的优点。

矿井降温系统压力交换装置热混合过程研究

矿井地面集中降温系统中使用压力交换装置对高压冷水进行降压,可以达到节能减耗的目的.该装置采用冷热水直接接触的方式进行压力能交换,冷热水的混合会导致冷水出口温度增加,进而增大末端空冷器的热负荷,影响其降温效率.针对这一问题,建立了适用于矿井降温系统的三缸阀控式压力交换装置(TC-ERD)水压缸内冷热水混合的三维计算流体力学(CFD)模型,研究了二次低压回路中温度混合段的形成和演变规律,分析了热水进流流量、冷热水温差操作参数以及水压缸的长度、直径结构参数对冷水出口温升的影响.结果表明:结合径向速度分布规律,水压缸内速度场和热混合场表现出随时间同步发展的特性,入口效应会造成热混合段初始阶段快速发展.出口温升一定时,热水流量的增加和冷热水温差的减小均会增加水压缸的容积利用率.装置处理量固定为30 m^(3)/h时,增大水压缸的长度可在提高其容积利用率的同时降低电磁阀的切换频率.当水压缸的长度为18 m、出口温升为1℃时,容积利用率能达到93.88%,电磁阀切换频率仅为1.5 min^(-1);内径在100~150 mm范围内,水压缸的容积利用率能达到90%以上.

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

叙述了旋转式压力交换器的结构及其利用正位移原理回收利用流体压力能的过程,建立了孔道内流体质量传递过程的理论模型,完成了最大进流长度的计算。结果说明了流体液柱活塞能够在转子孔道内往复移动,并具有根据流量和转子转速的变化进行自适应调整的能力,从而保证被加压流体的纯度品质。

旋转式压力交换器流体能量损失研究

为探究旋转式压力交换器运行过程中流体能量损失规律,以外驱式旋转压力交换器为研究对象,采用数值模拟方法对模型的湍流耗散率进行模拟研究。研究结果表明,转子在低压区转动时,海水侧流体能量损失先降低后升高,浓盐水侧逐渐降低;转入低压密封区,流体能量损失集中在海水侧,范围逐渐向浓盐水侧扩散;进入高压区后,海水侧流体能量损失逐渐下降,浓盐水侧逐渐升高;转子在高压密封区运行时,流体能量损失集中于浓盐水侧,能量损失范围向海水侧扩散。研究结果对旋转式压力交换器结构优化具有一定指导意义。

三腔压力交换系统与高低压换热器的技术经济对比

矿井地面集中降温系统输送到井下的冷水为高压,需对高压冷水进行降压才能正常、安全的使用。目前常用的有两种降压措施:高低压换热器和PES三腔压力交换系统。文章两种系统的工作原理、系统配置、技术特性、运行费用、降温效果、系统维护等各方面作了分析和对比。结果显示,三腔压力交换系统设计巧妙,在降温除湿效果、运行费用、配套系统投资方面优于高低压换热系统,具有更好的应用前景。

基于CFD的压力交换器压力能转换效率及内部流动特性研究

为分析压力交换器的压力能交换效率及内部流动特性,本文采用计算流体动力学(CFD)的方法,对不同进、出流管道半径R和不同转速下压力交换器的流场进行数值模拟计算。通过分析发现:进、出流管道半径越小,压力转换效率越低,高压管路进出口压差越大,高、低浓度盐水的掺混率越高;转速对转换效率的影响并不具有唯一确定性,转速对压力器压力能交换效率的影响程度具有周期性,但是每个周期的幅度不同,其中转速n=1000r/min时压力转换效率最低;转速越小转换效率越高,但是存在转子转速不适应能量转换效率的转速存在,即n=1000 r/min时,不能适合实际应用需求;在给定设计流量和转速情况下,本文设计的压力交换器可以用于压力交换,但效率有待提高,需要进行模型优化。

反渗透海水淡化转子式压力交换器运行特性研究

能量回收装置的快速发展及其广泛应用是反渗透海水淡化制水成本大幅降低的关键因素之一。设计了具有新型端盘结构的转子式压力交换器,搭建了装置性能测试平台,并对其运行特性进行了测试分析。结果表明:装置在处理量为8.3 m3/h和操作压力为6.0 MPa时,流量和压力的运行稳定性都较好,能量回收效率保持在95.8%～97.7%;在100～500 r/min的转速范围内,装置均具有良好的旋转动平衡性能,并在500 r/min时达到17～18 N.m的最小驱动扭矩值。

压力交换器压力脉动频域与转子转速特征分析

压力交换器的转子和端盖的相对运动,使流体在端盖和转子内的流动相互干涉,从而引起周期性压力脉动.本文利用RNGκ-ε湍流模型,在转动与静止部件之间采用滑移网格技术建立交互界面,对压力交换器内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算。通过对端盖内压力脉动的监测发现,其压力呈周期性波动,通过对压力的频谱进行分析发现,各点的压力脉动的主频就是孔道通过频率.这说明利用分析压力脉动的方法提取转速是可行的。

基于Fluent的压力能交换器端面液膜支撑机理分析

为研究海水淡化用旋转式压力能交换器端面液膜支撑机理和刚度特性,为间隙设计提供参考,对压力能交换器内环向液膜、端面液膜和孔槽进行整体三维建模,基于Fluent对间隙内三维压力场进行定常计算.结果表明,旋转压力能交换器端面液膜支撑为静压支撑,且在讨论端面支撑原理时,环向液膜不能忽略.环向液膜对支撑力的影响体现在对端面润滑槽均压值的影响,当端面液膜间隙小于环向液膜半径间隙时,端面液膜刚度较大,随着环向液膜间隙增大,端面液膜支撑刚度下降,且在端面小间隙下尤为明显.另外发现,端面支撑力与进口压力呈线性关系,且压力越大,端面液膜支撑刚度越大.

旋转式压力能交换器孔道内液柱活塞数值模拟研究

旋转式压力能交换器是利用正位移原理工作的流体能量回收装置,核心部件是沿周向开有轴向贯通孔道的转子,其通过转子孔道内形成的液柱活塞传递能量并控制掺混率.在试验研究基础上,利用数值模拟手段,建立了孔道内流体质量传递模型,说明了液柱活塞的形成过程,并分析了影响液柱活塞的主要因素.结果表明系统流量和转子转速对液柱活塞形成和运动规律有较大影响,液柱活塞能够根据流量变化和转子转速进行自适应调节,因此能够稳定地在孔道内往复移动以保证获得最大的容积利用效率.

旋转式压力能交换器密封端面液膜压力和泄漏量的数值模拟

旋转式压力能交换器是利用正位移原理进行流体压力能利用的装置。为全面了解其端面密封特性,基于N-S方程和SIMPLEC算法,在不同端面间隙和流量下,对密封端面流场进行了数值模拟,考察了密封压力和端面泄漏的变化情况。结果表明:转子转速对端面泄漏量没有影响,端面间隙内的流动为层流时,可以获得较为稳定的液膜压力;端面密封性能随着间隙的增加迅速恶化,当间隙超过0.03mm后,即丧失密封能力。

自驱型旋转式压力能交换器的结构优化与动态性能研究

通过建立不同结构与动态操作参数下的自驱动压力交换器数值模型,分析了转子长度、端盖通道覆盖孔道个数及螺旋升角等结构参数对设备性能的影响规律,得到了不同操作参数下设备动态运行特性的变化规律,研究结果表明:转子长度为影响体积混合度的主要结构参数,增大转子长度可有效控制流体混合程度;随着进流速度增大,转子转速线性增大,流体混合加剧,压力交换效率显著减小;孔道与端盖存在动静干涉,使得高压出口处产生压力脉动,导致流体压力出现损耗,且随着进流速度增大,压力损耗增大,有效压力交换减小;而进流压力的影响较小。

自驱型旋转式压力能交换器性能模拟与结构优化

建立了旋转式压力能交换器自驱动模型,通过正交试验和数值模拟方法得到9组结构变量下转子转速变化特性曲线、内部速度分布云图和压力能交换效率,通过极差分析确定影响各性能指标的主次结构变量,研究了各结构变量对装置动力特性和压力能交换性能的影响,分析了装置不同结构下的自驱动过程。

旋转式压力能交换器能量回收试验研究

旋转式压力交换器是利用正位移原理工作的流体能量回收装置。介绍了设计的流体自驱型旋转式压力能交换器,应用在SWRO系统中,进行了实际工况条件下的能量回收试验、端面密封性能试验和流体掺混试验。除流体掺混试验用1.8%和3.5%浓度的NaC l溶液做试验介质外,其余试验均用自来水做试验介质。试验结果表明,压力能交换器内部端面密封性能对压力水平有关键影响,在现有装置条件下,转子转速超过1000r/min,高压端进流压力1.25 MPa,能量回收效率达到76%,流体掺混率低于5%。

滑片式压力能交换器的结构设计分析

提出滑片式压力能交换器的缸体型线设计原则和五段式缸体型线,在滑片受力分析的基础上,基于达朗贝尔原理建立滑片动力学模型,考察转子转速及滑片材料、厚度和径向长度对滑片的贴紧性能和摩擦损失的影响,对滑片的弯曲强度和刚度条件进行分析,最后对设备的启动过程进行讨论。结果表明,增大转子转速及增大滑片材料密度、厚度和径向长度均有利于保证滑片与缸体间的贴紧性能,但同时会增加滑片的摩擦损失,增大滑片厚度有利于提高滑片的弯曲强度和弯曲刚度的安全可靠性。

考虑端盖间隙的旋转式压力能交换器水动力性能研究

以旋转式压力能交换器为研究对象,采用计算流体力学的方法,在考虑端盖间隙的情况下对压力能交换器的运行工况进行了数值模拟。结果表明:能量回收效率计算值与实验测量值吻合较好。在流量相近的工况下,高压出口处压强值越高,回收效率越高;在压强相近的工况下,流量较大时,回收效率较高。通过增加过流管道的直径和数目,可以降低该工况下压力能交换器的流体掺混率且基本不影响回收效率。

多变量H_∞次优控制在质子交换膜燃料电池压力控制系统中的应用

为克服非线性特征对系统控制品质的影响和求解Riccati代数方程的不便性,提出一种基于线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的多变量H∞次优控制方法,对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)压力系统动态模型进行直接非线性控制。该方法通过非线性坐标变换和动态扩展求得Brunovsky标准型,并结合H∞次优控制方法求解一个凸约束问题得到非线性控制律。将仿真结果与实验结果进行对比分析,验证了所提出非线性动态模型的正确性,并通过模拟电动车的行驶过程,证明所设计的非线性次优控制器在大扰动情况下能够保持氢气和氧气分压稳定、减小两极压力差、防止质子膜损坏,保证了系统的稳定运行,同时与其他控制方法比较,进一步证明了该方法的有效性和优越性。此外结合结构奇异值μ分析方法验证了系统的鲁棒稳定性。该方法的提出对PEMFC系统的非线性控制研究具有重要指导意义。

动态长度下压力交换器内脉动掺混研究

建立压力能交换器的二维非稳态数值模型,研究了进流速度v、斯特劳哈尔数St以及脉动幅度A等对孔道内旋涡运动和掺混区形成的影响。结果表明,旋涡周期性脱落是掺混区形成的主要原因,涡强越大掺混越严重;St数的增大以及A的减小将使孔道内旋涡强度增强;St数的增大将使尺寸效应明显,掺混受涡强影响小,因而对于一定孔道存在最优的运行St数。并且随着A的增大,掺混区的稳定性变强,孔道的最优运行St数减小。