容积式余压回收设备与系统节能

党的二十大指出，我国经济已由高速增长阶段进入高质量发展阶段，推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节。在能源化工领域，许多工序中的高压流体通过减压阀等设备降压后进行下一步操作或直接排放处理，未经利用的压力能被大量浪费，不仅提高了企业运行成本，还间接增加了环境污染，对能源利用与社会经济发展造成巨大的损失。若能发展余压回收技术，对高压废液、废气流股的余能进行回收再利用，可大幅降低能耗，促进系统节能。这符合二十大提出的“实施全面节约战略，推进各类资源节约集约利用，加快构建废弃物循环利用体系”。
本书立足于液体压力能回收利用领域，以反渗透海水淡化为主要应用背景，以当前主流的旋转容积式余压回收设备为对象，系统阐述旋转式压力交换器的结构设计、内部流动机理、自驱性能、可视化实验及流动控制技术，分析孔道内压力波动与压力波传播现象，介绍新型的盘式和旋叶式压力交换结构的构思与工作性能，开展新型余压回收网络及系统的方案构建与性能分析。
本书第1章介绍余压回收设备的提出、分类、典型应用工艺和发展趋势。第2章讲述旋转式压力交换器的结构与工作原理，揭示孔道内部湍流流场和掺混性能。第3章探究旋转式压力交换器自驱性能，分析自驱特性、掺混特性和压力交换特性。第4章介绍旋转式压力交换器可视化实验，提出有限通道内分隔板流动控制技术及其在旋转式压力交换器中的应用。第5章揭示旋转式压力交换器孔道内部压力波的传播特性，提出基于压力波的叠加增压技术。第6章介绍新型的盘式和旋叶式压力交换结构，研究内部流动特性和工作性能。第7章提出热功耦合回收网络集成方法，建立余压回收设备管网系统的跨维数耦合模型，构建热膜耦合制水系统。
本书主要基于邓建强教授课题组十余年在容积式余压回收设备研究方面积累的一些研究成果撰写而成，相关研究内容受到国家自然科学基金面上项目“复杂工况下压力能传递的压力波动与叠加强化机制研究”(项目编号：21376187)的支持。感谢从课题组毕业的张栋博、陈志华、刘芹等在撰写本书过程中提供素材和帮助。此外，课题组宣炳蔚、郭希健、冯义博、赵林坤等协助整理了资料，在此一并表示衷心感谢！
限于水平，书中疏漏之处敬请读者不吝斧正。

著者
2023年5月

邓建强，西安交通大学化工学院，教授、博导，西安交通大学化工学院过程装备与控制工程系教授、博士生导师。曾任无锡小天鹅家电有限公司副总经理，曾在清华大学动力工程与工程热物理系做博士后研究，曾在伦敦帝国理工学院作访问学者，曾在榆林学院化学与化工学院挂职执行院长，曾在西交大学生就业指导中心挂职副主任。在西安交通大学，历任讲师、副教授、教授。
在国内外期刊、会议发表论文140余篇，授权专利16项，主持国家自然科学基金面上项目4项、国家重点研发计划子课题1项，以及教育部博士点基金、陕西省科学技术研究发展计划项目、中央高等学校基本科研经费和多项工业领域课题。国家自然科学基金的同行评议专家、教育部学位中心学位论文通讯评议专家和中国博士后科学基金评审专家，制冷学会高*级会员。
2009年作为主编曾出版“化工工艺学”教材（北京大学出版社），每年主讲两门本科生课程和一门研究生课程。曾主持2018年度校级本科实践教学改革研究专项项目“工科课外创新实践活动教学指导方法研究”，授课团队承担结题了校级教改课题“过程装备现代制造工艺学的网络视频教学模式研究”等教改研究工作。
2006授课至今：过程装备现代制造工艺学，本科生，每年40、32学时不等；
2007授课至今：化工工艺学，授课对象：本科生，每年48、40、32学时不等；
2012授课至今：专业前沿技术讲座，授课对象：本科生，每年4学时；
2018授课至今：现代煤化工与高端装备制造，授课对象：研究生，每年20学时。

《容积式余压回收设备与系统节能》从余压回收设备和余压回收系统两个层面，介绍作者课题组在液体余压回收利用领域的研究进展。在设备层面，主要阐述旋转式压力交换器的内部流动特性、自驱动性能、流动控制技术以及孔道内压力波动特性，并介绍新型盘式和旋叶式压力交换结构。在系统层面，主要讲述热功耦合回收网络集成方法、余压回收设备管网系统耦合仿真以及热膜耦合制水系统等方面的研究进展。
本书可作为能源化工等相关专业研究生的学习用书或师生的参考书，也可供从事余压回收及相关领域的科研与工程技术人员阅读参考。

1绪论001
1.1余压回收设备的提出001
1.2余压回收设备的分类002
1.2.1透平式压力能回收设备002
1.2.2容积式压力能回收设备003
1.3余压回收设备典型应用工艺004
1.4余压回收设备的发展趋势006
参考文献007

2旋转式压力交换器008
2.1结构与工作原理008
2.2数值计算模型009
2.2.1物理模型009
2.2.2基本假设010
2.2.3网格划分010
2.2.4控制方程011
2.2.5湍流模型012
2.2.6边界条件与初始条件012
2.2.7求解器设置013
2.3内部流动特性014
2.3.1孔道内部流体掺混014
2.3.2孔道内部流体流线016
2.3.3孔道内部流体流型017
2.3.4孔道内部旋涡的形成与发展026
2.3.5孔道内部旋流的形成与发展029
2.4设备参数对孔道流场结构的影响031
2.4.1进流流量的影响031
2.4.2转子转速的影响035
2.4.3孔道长度的影响039
2.4.4孔道截面形状的影响044
2.4.5配流盘结构形状的影响046
2.5本章小结050
参考文献052

3旋转式压力交换器自驱性能053
3.1SDRPE的结构与工作原理053
3.2数值计算模型055
3.3设备工作性能065
3.3.1自驱动特性065
3.3.2掺混特性068
3.3.3压力交换特性071
3.4结构参数对工作性能的影响073
3.4.1主次结构参数分析074
3.4.2转子长度的影响077
3.4.3端盖通道覆盖孔道个数的影响082
3.4.4螺旋升角的影响084
3.4.5结构参数的影响规律总结090
3.5操作参数对工作性能的影响091
3.5.1进流速度的影响091
3.5.2高压进流压力与盐分浓度的影响095
3.6本章小结095
参考文献097

4可视化实验与流动控制技术098
4.1旋转式压力交换器可视化实验098
4.1.1可视化实验设备与系统098
4.1.2孔道内部的流场结构108
4.2有限通道内分隔板流动控制技术115
4.2.1尾迹涡脱落特性分析116
4.2.2尾迹区时均特性分析119
4.3孔道内分隔板流动控制技术125
4.3.1分隔板对入口效应的影响127
4.3.2分隔板对旋流的影响130
4.4本章小结133
参考文献134

5压力波动与压力波传播136
5.1孔道内压力波的传播特性136
5.1.1孔道内压力波流动模型136
5.1.2单孔道内压力波传播特性148
5.2基于压力波的强化增压特性168
5.2.1流体动力学控制方程169
5.2.2一维有压瞬变流动模型172
5.2.3自增压波系分析应用174
5.3本章小结181
参考文献181

6新型压力交换结构182
6.1盘式压力交换结构182
6.1.1结构与工作原理183
6.1.2数值计算模型184
6.1.3内部流场分布185
6.1.4流体掺混性能187
6.1.5压力能交换性能189
6.1.6非平衡进流190
6.2旋叶式压力交换结构191
6.2.1结构与工作原理191
6.2.2叶片贴紧性能194
6.2.3能量回收效率198
6.2.4解析网格技术204
6.2.5数值计算模型215
6.2.6内部流动特性221
6.2.7进出口管道优化231
6.2.8设备参数优化237
6.3本章小结240
参考文献241

7新型余压回收网络及系统242
7.1热功耦合回收网络242
7.1.1夹点理论的应用242
7.1.2热功耦合回收网络集成方法246
7.1.3网络构建中的应用因素251
7.1.4低温甲醇洗工艺流程改造253
7.2余压回收设备管网系统耦合仿真261
7.2.1管道流动的特征线求解方法262
7.2.2设备管网系统模型建立265
7.2.3跨维数的直接耦合模拟方法266
7.2.4定常条件下的耦合计算结果269
7.2.5瞬变工况对管线压力特性的影响271
7.3热膜耦合制水系统275
7.3.1耦合系统设计275
7.3.2系统过程建模277
7.3.3计算模型验证280
7.3.4计算结果分析284
7.4本章小结291
参考文献291