三缸阀控能量回收装置中给水海水超冲洗技术的应用研究：提升容积效率与处理能力的创新方案

针对三缸阀控能量回收装置(TC-ERD)因"液力活塞"导致的容积效率降低问题，研究人员创新性提出给水海水超冲洗(OR)方法。通过CFD模拟和实验验证，发现5%超冲洗率可使容积效率(UR)提升41.7%，处理能力达46.9 m3/h，同时保持94.04%的能量回收效率。该研究为海水淡化系统的高效稳定运行提供了关键技术支撑。

　　

随着全球淡水资源的日益紧缺，海水反渗透(SWRO)技术因其低能耗优势成为解决水危机的关键手段。然而，传统等压能量回收装置(IERD)在运行过程中面临两大难题：采用物理活塞存在碰撞风险，而改用液力活塞又会导致盐水混合区积累，使压力交换缸容积效率(U_R)骤降至57.5%。更棘手的是，现有双缸阀控装置(VC-ERD)在行程切换时会产生水锤效应，严重影响系统稳定性。

针对这些行业痛点，中国的研究团队开发了三缸阀控能量回收装置(TC-ERD)，通过并联三压力缸结构将流量脉动率控制在1%以下。但如何在不牺牲安全性的前提下提升容积效率成为新的挑战。该团队在《Desalination and Water Treatment》发表的研究中，创新性地引入给水海水超冲洗技术(O_R)，系统探究了其对装置性能的优化机制。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟结合实验验证的方法。通过Solidworks构建压力交换缸三维模型，使用STAR-CCM+11.06求解器进行瞬态模拟，设置标准k-ε湍流模型和10^-4迭代残差标准。实验部分测量了不同超冲洗率下的压力损失(ΔP_H/ΔP_L)和泄漏流量(Q_l)，并基于中国国家标准GB/T 30299-2013对体积混合度(V_m-max)进行标准化评估。

3.1 超冲洗对盐度场的影响
模拟结果显示，传统平衡流(O_R=0%)时盐水混合区会随行程交替不断积累。引入超冲洗后，2%的O_R即可显著抑制混合区扩张，使V_m-max从12.68%降至6%。虽然30%超冲洗仍无法实现理想的"完全冲洗"，但为容积效率提升奠定了基础。

3.2 超冲洗对混合度与容积效率的影响
通过非线性曲面拟合建立的数学模型表明：V_m-max=0.39936-1.41584U_R+0.91568O_R-6.95647U_RO_R+1.43249U_R²+38.89461O_R²。当O_R从0%增至5%时，U_R相应从57.98%提升至82.1%，验证了超冲洗的技术可行性。

3.3 超冲洗对最大处理能力的影响
将行程切换频率(f)限制在4次/分钟时，5%超冲洗使最大处理能力(Q_max)从33.1 m³/h提升至46.9 m³/h，增幅达41.7%。建立的普适性方程V_m-max=0.39936-0.09911Q/f+0.91568O_R-0.48695O_RQ/f+0.00702(Q/f)²+38.89461O_R²为装置优化运行提供了理论指导。

3.4 能量回收效率与比能耗
尽管超冲洗增加了压力损失，但5%O_R下能量回收效率(η)仅从97.05%降至94.04%，比能耗(SEC)从2.05 kWh/m³微增至2.12 kWh/m³，证明该技术在扩容同时保持了优异的能效表现。

这项研究突破了液力活塞装置效率低下的技术瓶颈，通过建立超冲洗率-混合度-容积效率的量化关系，为TC-ERD的智能控制提供了算法基础。特别值得注意的是，所开发的容量扩展方法无需改造硬件结构，仅通过调节运行参数即可实现性能跃升，这对降低海水淡化厂的建设成本具有重要实践意义。团队提出的多参数耦合模型不仅适用于三缸装置，也为其他类型的阀控能量回收设备优化提供了新思路。