Обменник давления передает энергию давления от потока текучей среды высокого давления к потоку текучей среды низкого давления. Многие промышленные процессы работают при повышенном давлении и имеют потоки отходов под высоким давлением. Одним из способов обеспечения текучей среды высокого давления для такого процесса является передача давления отходов в поток низкого давления с использованием теплообменника давления.
Один особенно эффективный тип теплообменника давления - это роторный теплообменник давления. В этом устройстве используется цилиндрический ротор с продольными каналами, параллельными его оси вращения. Ротор вращается внутри гильзы между двумя торцевыми крышками. Энергия давления передается непосредственно от потока высокого давления к потоку низкого давления в каналах ротора. Некоторая жидкость, которая остается в каналах, служит барьером, препятствующим смешиванию потоков. Это вращательное действие похоже на движение старомодного пулемета, стреляющего пулями высокого давления, и оно постоянно пополняется новыми картриджами с жидкостью . Каналы ротора заряжаются и разряжаются, поскольку процесс передачи давления повторяется.
Производительность теплообменника давления измеряется эффективностью процесса передачи энергии и степенью смешения потоков. Энергия потоков является произведением их объемов потока и давления. Эффективность является функцией перепада давления и объемных потерь (утечек) через устройство, вычисленных по следующему уравнению:
где Q - расход, P - давление, L - расход утечки, HDP - перепад высокого давления, LDP - перепад низкого давления, индекс B относится к подаче низкого давления в устройство, а индекс G относится к подаче высокого давления в устройство. устройство. Смешивание зависит от концентраций компонентов во входных потоках и отношения объемов потока к устройству.
Обратный осмос
Одним из приложений, в котором широко используются обменники давления, является обратный осмос (RO). В системе обратного осмоса теплообменники используются в качестве устройств рекуперации энергии (ERD). Как показано, концентрат высокого давления с мембран [C] направляется [3] в ERD [D]. ERD использует этот поток концентрата высокого давления для повышения давления в потоке морской воды низкого давления (поток [1] становится потоком [4]), который затем сливается (с помощью циркуляционного насоса [B]) в поток с самым высоким давлением. поток морской воды, создаваемый насосом высокого давления [A]. Этот объединенный поток питает мембраны [C]. Концентрат покидает ERD под низким давлением [5], вытесняемый входящим потоком питательной воды [1].
Обменники давления экономят энергию в этих системах за счет снижения нагрузки на насос высокого давления . В системе обратного осмоса с морской водой, работающей при 40% регенерации мембранной воды, ERD обеспечивает 60% питающего потока мембраны. Циркуляционный насос потребляет энергию, однако, поскольку этот насос просто циркулирует и не нагнетает воду под давлением, его потребление энергии практически ничтожно: менее 3% энергии, потребляемой насосом высокого давления. Таким образом, почти 60% питающего потока мембраны находится под давлением без подвода энергии.
Восстановление энергии
Установки по опреснению морской воды производят питьевую воду в течение многих лет. Однако до недавнего времени опреснение использовалось только в особых случаях из-за высокого энергопотребления этого процесса. [ необходима цитата ]
В ранних проектах опреснительных установок использовались различные технологии выпаривания. Наиболее совершенными являются многоступенчатые опреснители морской воды мгновенной мгновенной дистилляции с испарением, в которых используется несколько ступеней и которые потребляют более 9 кВтч на кубический метр производимой питьевой воды. По этой причине большие опреснители морской воды изначально строились в местах с низкими энергозатратами, например, на Ближнем Востоке или рядом с технологическими установками с доступным отходящим теплом.
В 1970-х годах был разработан процесс обратного осмоса морской воды (SWRO), который позволял получать питьевую воду из морской воды, пропуская ее под высоким давлением через герметичную мембрану, таким образом отфильтровывая соли и примеси. Эти соли и примеси выводятся из устройства SWRO в виде концентрированного солевого раствора в непрерывном потоке, который содержит большое количество энергии высокого давления. Большую часть этой энергии можно восстановить с помощью подходящего устройства. Многие станции SWRO, построенные в 1970-х и начале 1980-х годов, потребляли энергии более 6,0 кВтч на кубический метр производимой питьевой воды из-за низкой производительности мембраны, ограничений по перепаду давления и отсутствия устройств рекуперации энергии.
Примером применения двигателя с обменом давления является производство питьевой воды с использованием мембранного процесса обратного осмоса. В этом процессе исходный физиологический раствор закачивается в массив мембран под высоким давлением. Затем поступающий солевой раствор разделяется мембранной решеткой на суперсолевой раствор (рассол) под высоким давлением и питьевую воду под низким давлением. Хотя рассол под высоким давлением больше не используется в этом процессе в качестве жидкости, энергия давления, которую он содержит, имеет большое значение. Двигатель с обменом давления используется для восстановления энергии давления в рассоле и передачи ее питающему солевому раствору. После передачи энергии давления в потоке рассола рассол вытесняется под низким давлением в дренаж.
Почти все установки обратного осмоса, используемые для опреснения морской воды с целью производства питьевой воды в промышленных масштабах, оснащены системой рекуперации энергии на основе турбин. Они активируются концентратом (рассолом), покидающим установку, и передают энергию, содержащуюся в высоком давлении этого концентрата, обычно механически, насосу высокого давления. В теплообменнике под давлением энергия, содержащаяся в рассоле, передается гидравлически [1] [2] и с эффективностью примерно 98% на сырье. [3] Это значительно снижает потребность в энергии для процесса опреснения и, следовательно, эксплуатационные расходы. Это приводит к экономичному использованию энергии, а срок окупаемости таких систем составляет от 2 до 4 лет в зависимости от места эксплуатации.
Снижение затрат на электроэнергию и капитальные затраты означает, что впервые в мире появилась возможность производить питьевую воду из морской воды по цене ниже 1 доллара за кубический метр во многих местах по всему миру. Хотя стоимость может быть немного выше на островах с высокими затратами на электроэнергию, ПЭ может быстро расширить рынок опреснения морской воды.
Посредством применения системы обмена давлением, которая уже используется в других областях, может быть достигнута значительно более высокая эффективность рекуперации энергии систем обратного осмоса, чем при использовании реверсивных насосов или турбин. Система обмена давлением подходит, прежде всего, для более крупных заводов, т. Е. Прибл. ≥ 2000 м3 / сут добыча пермеата.
Смотрите также
- Ричард Стовер был пионером в разработке устройства рекуперации энергии, которое в настоящее время используется на большинстве опреснительных установок обратного осмоса для морской воды.
Рекомендации
- ^ NO 870016 , Лейф Дж. Хауге
- ^ Патент США 4887942 , Leif J. Hauge, "обменник давления для жидкостей", выданный 1988-09-02
- ^ Система обратного осмоса
- Анализ производительности устройства рекуперации энергии, Ричард Л. Стовер, доктор философии.
- Завод Ghalilah SWRO, Ричард Л. Стовер, доктор философии [ постоянная мертвая ссылка ]
- http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?IA=WO2006020679&DISPLAY=STATUS [ постоянная мертвая ссылка ]
- http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?IA=WO2006020679&DISPLAY=DESC [ постоянная мертвая ссылка ]
- http://www.energyrecovery.com/news/documents/ERDsforSWRO.pdf [ постоянная мертвая ссылка ]
- http://www.energyrecovery.com/news/pdf/eri_launches_advanced_swro.doc [ постоянная мертвая ссылка ]
- https://archive.is/20130421173348/http://www.patentstorm.us/patents/7306437-description.html