Вплив кута орієнтації круглого та трикутного спейсера на гідравлічний опір

Abstract

UA: У статті представлено результати досліджень впливу кута орієнтації круглого та трикутного спейсера на гідравлічний опір у каналах зворотного осмосу. Метою роботи було проведення чисельного моделювання гідродинаміки процесу і порівняння втрат тиску для стандартних спейсерів із круглими нитками та нового запропонованого спейсера з трикутним перерізом за кутів 90° та 45°. Наукова новизна полягає у вперше системному аналізі взаємного впливу форми поперечного перерізу спейсера та кута розташування ниток на гідродинаміку каналу. Доведено, що трикутний профіль знижує перепад тиску на 20–30 % порівняно з круглим аналогом. Кут 45° для обох типів генерує вищий опір, ніж 90°, проте різниця між кутами для трикутних ниток менша, що свідчить про часткову компенсацію гідравлічних втрат завдяки оптимізованому обтіканню та зменшенню зон рециркуляції. Практична цінність дослідження полягає у запропонованому підході до розділення параметрів проектування: геометрія перерізу використовується для мінімізації ΔP, а кут орієнтації – для регулювання інтенсивності перемішування та стійкості до забруднення. Встановлено, що спейсер із трикутними нитками під 45° дозволяє зберегти переваги діагональної конфігурації щодо пригнічення концентраційної поляризації без критичного зростання енерговитрат. Отримані результати створюють теоретичну та інженерну основу для впровадження енергоефективних спейсерів у промислові мембранні модулі опріснення та очищення води. /// EN: The article presents the results of a study on the influence of the orientation angle of circular and triangular spacers on hydraulic resistance in reverse osmosis channels. The aim of the work was to perform numerical modeling of the process hydrodynamics and to compare pressure losses for standard spacers with circular filaments and a novel proposed spacer with a triangular cross-section at angles of 90° and 45°. The scientific novelty lies in the first systematic analysis of the mutual influence of the spacer filament cross-sectional shape and the filament orientation angle on the channel hydrodynamics. It was demonstrated that the triangular profile reduces the pressure drop by 20–30% compared to the circular counterpart. The 45° angle generates higher hydraulic resistance than 90° for both types of spacers. However, the difference between the angles is smaller for triangular filaments, indicating partial compensation of hydraulic losses due to optimized flow streamlining and reduced recirculation zones. The practical value of the study lies in the proposed approach to separating design parameters: the cross-sectional geometry is used to minimize ΔP, while the orientation angle is used to control the intensity of mixing and fouling resistance. It was established that the spacer with triangular filaments at 45° allows maintaining the advantages of the diagonal configuration in terms of concentration polarization suppression without a critical increase in energy consumption. The obtained results provide a theoretical and engineering basis for the implementation of energy-efficient spacers in industrial membrane modules for desalination and water treatment.