旋转式能量回收装置内部泄漏规律的解析计算
发布时间：2021-10-11 02:50
在反渗透海水淡化系统中,旋转式能量回收装置（RERD）由于转子与端盘等部件配合间隙中存在的内部泄漏问题,其能量回收效率这一关键指标受到严重影响.传统的减缓泄漏研究,主要采用穷举性试验,因而工作效率较低且普适性较差.针对这一问题,本文首先通过数值仿真确定了RERD泄漏流体的流动形式,以此为基础定义了各泄漏路径,分别为端面径向泄漏、端面周向泄漏和周面周向泄漏,然后用解析化数学表达式分别表述了这些路径.将解析式所计算的RERD总泄漏量与CFD模拟计算结果相比,两者的相近程度高达94.90%,这意味着解析式能对RERD泄漏流量准确表达.此外,研究证明相同配合间隙下端面径向泄漏路径是装置内部泄漏的主要路径,其泄漏量占装置总泄漏的75.505%,这为解决RERD内部泄漏研究提供了理论依据.
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020,53(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
径向泄漏中的泄漏量计算值
心部件的装配体，其中转子和海水侧端盘经过半剖表达．在RERD中，转子、套筒和一对端盘构成了RERD的功能部件．在盐水侧的端盘上有两个分别对应着高压浓盐水以及泄压盐水的端口，同样在海水侧的端盘上也在相同位置具有与原料海水和增压海水联通的端口．转子被安置在海水侧端盘、盐水侧端盘及套筒配合组成的圆柱体空腔中，并与其中空腔的任意表面均保持着设定的配合间隙．转子内部共有12个绕轴对称的轴向通孔，端盘的每个端口可同时覆盖5个连续孔道，剩余的2个孔道则被高低压流通区之间的密封缓冲带覆盖[15]．图1RERD中核心功能部件的半剖装配图Fig.1AssemblydiagramofthecorefunctionalstructureofRERDinhalfsectionview在RERD运行的过程中，并未完全将其中的高低压流域完全独立隔开，而是采用间隙密封的形式隔离这两部分流体．因此在装配体中必会发生从高压流域向低压流域的泄漏，这严重降低了装置的能量回收效率．由于泄漏的发生，流体将充满装置的配合间隙，所形成的液膜为连续泄漏提供了路径．由于压差是泄漏过程中主要的推动力，因此RERD装置中高压流域必定是泄漏的源头，同时高压流域的边界为各泄漏流体的泄漏起点．2模型建立2.1物理模型的建立为深入解构RERD中泄漏流体的主要特征，笔者根据典型的RERD结构建立了RERD泄漏过程物理模型．图2(a)和(b)分别展示了海水侧RERD装配体的正视半剖图和海水侧端盘的俯视图．在该物理模型的基础上，笔者以转子的海水侧端面的圆心为柱坐标中r方向和θ方向的原点O，建立了三维柱坐标系下的RERD泄漏物理模型，并且给出了在此坐标系下物理模型中的各项物理参数．其中柱坐标z向的正方向为图2(a)中所示竖直向上方向，极轴的方向如图
2020年3月王越等：旋转式能量回收装置内部泄漏规律的解析计算·293·半径为r1的轴孔内．转子与端盘之间保持着轴向高度为h的配合间隙，同时在转子的外围，即半径为r4之外的区域，转子与套筒之间也保持着厚度为h的配合间隙．（a）海水侧RERD装配体正视半剖图（b）海水侧端盘俯视图图2泄漏过程物理模型Fig.2Physicalleakingmodel2.2计算模型的建立由于本文中的泄漏过程为通过狭缝间的恒厚液膜流动，于是可通过求解Reynold方程的解以得到该工况下压力和速度的分布[16]．3612phphprph(1)式中：p为压力；h为高度；μ为动力黏度；为时间；ω为角速度．为了求解该偏微分方程的数值解，本文通过将上述物理模型进行网格划分处理，以得到数值求解过程需要的求解结点．笔者选择网格划分软件“Pointwise”实现物理模型的拓扑分析，并同时生成网格，然后用流体计算软件“StarCCM＋”以求解计算．通过取迭代至残差为10-5以下时的CFD计算值为最终数值求解结果．2.3泄漏模型的建立根据第2.1节中所建立的RERD物理模型，笔者通过CFD计算了典型RERD结构在高低压边界分别为6.0MPa和0.2MPa，密封配合间隙为0.02mm，转子转速为600r/min，处理量为35t/h等操作条件下的计算结果．其中RERD的结构参数如表1所示．图3分别给出了给定操作条件下海水侧端盘端面上液膜内流体的的流线和压力分布云图．从图3(a)中可以清晰地观察到，从高压集液槽出发的泄漏表1RERD结构参数Tab.1StructureparametersofRERD物理量参数值/(°)物理量参数值/mmθ060r125θ190r265θ2120r395θ3240r4120θ4270r5
【参考文献】：
期刊论文
[1]自增压式能量回收装置的开发与效能分析[J]. 王越,高建朋,任亚斐,吴家能,徐世昌. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(08)
[2]旋转式能量回收装置混合过程优化研究[J]. 杨勇君,王越,张金鑫,韩松,徐世昌,王世昌. 化学工业与工程. 2012(06)
[3]螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算[J]. 宋鹏云,陈匡民,董宗玉,吴旨玉. 润滑与密封. 1999(04)
[4]两平行旋转圆盘缝隙内的粘性流分析[J]. 赵克强. 兵工学报(坦克装甲车与发动机分册). 1990(02)
本文编号：3429642
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020,53(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
径向泄漏中的泄漏量计算值
心部件的装配体，其中转子和海水侧端盘经过半剖表达．在RERD中，转子、套筒和一对端盘构成了RERD的功能部件．在盐水侧的端盘上有两个分别对应着高压浓盐水以及泄压盐水的端口，同样在海水侧的端盘上也在相同位置具有与原料海水和增压海水联通的端口．转子被安置在海水侧端盘、盐水侧端盘及套筒配合组成的圆柱体空腔中，并与其中空腔的任意表面均保持着设定的配合间隙．转子内部共有12个绕轴对称的轴向通孔，端盘的每个端口可同时覆盖5个连续孔道，剩余的2个孔道则被高低压流通区之间的密封缓冲带覆盖[15]．图1RERD中核心功能部件的半剖装配图Fig.1AssemblydiagramofthecorefunctionalstructureofRERDinhalfsectionview在RERD运行的过程中，并未完全将其中的高低压流域完全独立隔开，而是采用间隙密封的形式隔离这两部分流体．因此在装配体中必会发生从高压流域向低压流域的泄漏，这严重降低了装置的能量回收效率．由于泄漏的发生，流体将充满装置的配合间隙，所形成的液膜为连续泄漏提供了路径．由于压差是泄漏过程中主要的推动力，因此RERD装置中高压流域必定是泄漏的源头，同时高压流域的边界为各泄漏流体的泄漏起点．2模型建立2.1物理模型的建立为深入解构RERD中泄漏流体的主要特征，笔者根据典型的RERD结构建立了RERD泄漏过程物理模型．图2(a)和(b)分别展示了海水侧RERD装配体的正视半剖图和海水侧端盘的俯视图．在该物理模型的基础上，笔者以转子的海水侧端面的圆心为柱坐标中r方向和θ方向的原点O，建立了三维柱坐标系下的RERD泄漏物理模型，并且给出了在此坐标系下物理模型中的各项物理参数．其中柱坐标z向的正方向为图2(a)中所示竖直向上方向，极轴的方向如图
2020年3月王越等：旋转式能量回收装置内部泄漏规律的解析计算·293·半径为r1的轴孔内．转子与端盘之间保持着轴向高度为h的配合间隙，同时在转子的外围，即半径为r4之外的区域，转子与套筒之间也保持着厚度为h的配合间隙．（a）海水侧RERD装配体正视半剖图（b）海水侧端盘俯视图图2泄漏过程物理模型Fig.2Physicalleakingmodel2.2计算模型的建立由于本文中的泄漏过程为通过狭缝间的恒厚液膜流动，于是可通过求解Reynold方程的解以得到该工况下压力和速度的分布[16]．3612phphprph(1)式中：p为压力；h为高度；μ为动力黏度；为时间；ω为角速度．为了求解该偏微分方程的数值解，本文通过将上述物理模型进行网格划分处理，以得到数值求解过程需要的求解结点．笔者选择网格划分软件“Pointwise”实现物理模型的拓扑分析，并同时生成网格，然后用流体计算软件“StarCCM＋”以求解计算．通过取迭代至残差为10-5以下时的CFD计算值为最终数值求解结果．2.3泄漏模型的建立根据第2.1节中所建立的RERD物理模型，笔者通过CFD计算了典型RERD结构在高低压边界分别为6.0MPa和0.2MPa，密封配合间隙为0.02mm，转子转速为600r/min，处理量为35t/h等操作条件下的计算结果．其中RERD的结构参数如表1所示．图3分别给出了给定操作条件下海水侧端盘端面上液膜内流体的的流线和压力分布云图．从图3(a)中可以清晰地观察到，从高压集液槽出发的泄漏表1RERD结构参数Tab.1StructureparametersofRERD物理量参数值/(°)物理量参数值/mmθ060r125θ190r265θ2120r395θ3240r4120θ4270r5
【参考文献】：
期刊论文
[1]自增压式能量回收装置的开发与效能分析[J]. 王越,高建朋,任亚斐,吴家能,徐世昌. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(08)
[2]旋转式能量回收装置混合过程优化研究[J]. 杨勇君,王越,张金鑫,韩松,徐世昌,王世昌. 化学工业与工程. 2012(06)
[3]螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算[J]. 宋鹏云,陈匡民,董宗玉,吴旨玉. 润滑与密封. 1999(04)
[4]两平行旋转圆盘缝隙内的粘性流分析[J]. 赵克强. 兵工学报(坦克装甲车与发动机分册). 1990(02)
本文编号：3429642
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