基于CFD的液环真空泵两相流动性能分析_管俊

基于CFD的液环真空泵两相流动性能分析
管俊*黄思
(华南理工大学)
摘要运用CFX流动软件中的多相流欧拉分析方法,模拟计算一单级单作用液环真空泵在4种转速下的三维稳态气液两相流分布问题,计算区域包括液环泵进出气段、叶轮、进水管及泵体。

计算结果表明,该分析方法和手段可以较好地模拟分析、计算液环真空泵气液两相流动问题。

关键词液环真空泵CFD两相流动性能分析
中图分类号TQ051121文献标识码A文章编号0254-6094(2010)06-0755-04
液环真空泵内的流动属于十分复杂的气液两相流。

现有液环泵小泵效率一般为30%~45%,大泵也只能达到50%左右。

造成液环真空泵能耗高、效率低的主要原因是泵内气液两相流产生了较大的水力损失,而现有的理论及分析手段[1~7]未能准确有效地描述泵内气液两相分布规律。

随着近年计算机软硬件技术的迅速发展,运用计算流体力学(CFD)技术分析叶片泵内部流动性能已成为一个发展方向。

本文针对液环真空泵内气液两相流分布问题开展数值模拟研究,最终实现性能的可控制性及产品的优化设计。

1液环真空泵工作原理
液环真空泵是一种以旋转液体作为活塞,抽吸及压缩气体的回转容积泵,工作原理见图1。

当叶轮按顺时针方向旋转时,离心力的作用使工作液体甩向泵体四周形成液环,叶轮内流道与液环之间形成一个近似月牙形的空腔,该空腔被叶轮叶片分隔成若干个小空腔。

随着叶轮旋转,吸气时小空腔容积由小变大;吸气停止后小空腔体积再由大变小,气体被压缩并排出泵体完成整个压缩过程。

2计算方法及模拟实例
2.1气液两相分析模型
基本方程组使用多相流动欧拉方法的标准k-e湍流模型,具体的模型使用方法参见文献[8]。

图1液环泵的工作原理
2.2液环真空泵主要设计参数
选取一种单级单作用、径向吸排气的液环真空泵作为研究对象,其主要设计参数见表1。

表1液环真空泵主要设计参数
参数数值
进水管直径d/m0.05
进、出气段直径D/m0.105
泵体轴向长度/m0.708叶轮转速n/r#m i n-1372/420/472/530
叶片角B/(b)45
宽度B/m0.708
*管俊,女,1985年12月生,硕士研究生。

广东省广州市,510640。

(续表1)
参 数
数 值叶 轮
半径r 2/m 0.355轮毂半径r 1/m 0.175偏心距e /m 0.04叶片厚度D /m 0.012叶片数Z
18
2.3 操作参数及介质物性参数
选取水和空气作为液环真空泵的液相和气相,假设液相为不可压流体,气相为理想气体。

介质物性及操作参数见表2、3。

表2 两种工作介质物性
参 数水空气密度/kg #m -3998理想气体粘度/kg #m -1#s -1 1.003@10-3
1.789@10-5
比热/J #kg -1#K -141821006.4导热系数/W #m -1#K -10.6
0.0242
温度/K
300
表3 两种工作介质操作参数
转速/r #m i n -1
位置压力/Pa 372
进水101325进气70000~100000
排气
101325420
进水101325进气70000~100000
排气
101325472
进水101325进气70000~100000
排气
101325530
进水101325进气70000~100000
排气
101325
2.4 计算模型及边界条件处理
应用Pro /E 对选取的液环泵各部件进行三维建模。

在此基础上得到液环泵流动域的三维实体
造型,如图2所示。

考虑到液环泵轴向两侧流动的独立性及节省计算资源,仅研究液环泵其中一
侧的流动。

图2 液环泵流动域的三维实体造型
将Pro /E 制作的液环泵流动域三维实体导入流动软件I CE M,进行结构/非结构网格单元划分,共计468659个网格单元和129568节点(图
3)。

采用转子冻结法(Frozen Ro tor Approach)。

将叶轮区域设在CFX 提供的移动网格坐标系,其余区域设在固定坐标系。

边界条件采取如下设置:a .所有进口采用压力进口;b .所有出口采用压力出口;c .壁面条件采用无滑移固壁条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动。

两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎
风格式。

图3 液环泵流动域的计算网格划分3 计算结果及其分析
经历了一段时间CFX 计算收敛后,作为示例,图4给出了在泵入口压力96325Pa 、转速为372r /m in 下液环泵气液两相分布图。

由图4
可以
看出,由于离心力的作用,重相液体被甩向泵体四周,轻相气体则集中在叶轮轮毂附近;叶轮内形成一个有相当厚度的气液分界面,其形状大小与传统理论分析的结果相似。

液环真空泵在4种转速下进气量和进水量与不同进气压力的关系如图5所示。

由图5可以看出,随着转速的增大和进口压力的升高,液环真空泵的进气量逐渐上升,其上升的幅度随着压力的增大而增大;随着转速的增大,液环泵的进水量逐渐上升,随着进口压力的升高,液环泵的进水量是逐渐降低的,其下降的幅度比较均匀。

模拟所得
结果趋势与常规实验结果相似。

图5不同转速下进口气量、水量趋势图
4结论
本文运用多相流欧拉分析方法,模拟分析计算一单级单作用、径向吸排气的液环真空泵气液两相流分布问题。

计算结果表明,离心力的作用使叶轮内形成一个有相当厚度的气液分界面,重相液体被甩向泵体四周,轻相气体则集中在叶轮轮毂附近。

文中计算了不同转速下的液环真空泵两相流动性能,得到了4种转速下进气量和进水量与不同进气压力的关系,其结果趋势与常规实验结果相似。

综上所述,本文所采用的分析方法和手段,可以较好地模拟计算液环真空泵稳态气液两相流动问题,对实现产品的优化设计具有重要的工程指导作用。

参考文献
1N e lson R E.V acuu m Pu m p A i ds E jectors.H ydrocarbon P rocess i ng,1982,61(12):95~96
2Endo N aok,i Y abe A k ira,Y a m ash ita I wao.H eli ca l L i q-u i d R i ng Compresso r for a Steam Compression H eat Pu m p:I.Concept and Basic R unni ng Characteristi cs.
H eat T ransfer-A sian R esearch,2000,29(8):660~673 3凌国平,吴春才.液环泵计算机优化设计.流体工程, 1990,18(4):29~31
4赵忠臣.两级水环真空泵设计的理论探讨.水泵技术, 1995(4):36~38
5刘建华,赵万勇.液环泵若干参数确定方法的探讨.化工机械,2005,32(2):88~91
6郑志扬.计算水环泵压缩比的一个精确公式.真空, 1994,31(6):1~3
7高芳.关于液环泵结构参数的理论与仿真研究:[硕士论文].大庆:大庆石油学院,2006
(下转第778页)
超标、采出的产品是否合格等。

老型采样器无法在线循环,物料滞留时间长,无法通过采样分析出即时数据,给工艺调整带来一定的隐患。

该项目应用于中国石油吉林石化公司染料厂后,取得了明显的效果,具体对比数据见表1。

表1新型采样器与传统采样器监测对象对比数据
采样位置新型采样器老型采样器SN-002脱丙烷塔
塔顶回流
丙烯含量3%丙烯含量1%
SN-045异丙苯塔塔顶正丙苯含量3.5@10-4
(超标)
轻组分8@10-5
正丙苯含量2.7@
10-4
轻组分4@10-5
SN-502监测碱洗后异丙苯苯酚含量2@10-5
苯酚含量4.5@10-5
SN-607精丙酮塔侧线丙酮含量99.75%
水含量0.25%
高锰酸钾褪色时间
130m i n
丙酮含量99.7%
水含量0.3%
高锰酸钾褪色时间
80m i n
SN-618苯酚精馏塔侧线苯酚结晶点40.7e
水含量3.2@10-4
苯酚结晶点40.8e
水含量2.1@10-4
经对比可以看出,新型采样器采样安全、环保,分析结果的准确度有了很大的提高。

老型采样器采样时易飞溅,对人体造成伤害,并且溅出来的物料污染环境,进入废水中会造成COD超标。

密闭采样系统是炼化行业发展的必然趋势,随着国内炼化行业的迅速发展,其应用前景很大。

一般地,800kt乙烯装置需要150套采样系统。

按照每次采样节省0.5kg乙烯产品计算,每天采样120次即可节约60kg,按照单价3000元/t计算,仅一套乙烯装置每年可节约6.57万元。

环保方面的作用更是不可小视,可以避免非密闭采样时大量物料逸出而对环境造成的影响。

最重要的是密闭采样系统避免了物料蒸发等对人体的毒害。

5结束语
密闭环保采样器可以有效地防止有毒和有害介质对操作者的伤害,同时不会污染环境,避免了易燃、易爆介质在采样时可能造成的危险事故。

该采样器非常适合炼化装置的使用,安装方便,具有可靠的安全环保性,非常适合中国的国情,具有良好的经济效益及社会效益。

参考文献
1魏万利,喻祥星.采样器在乙烯装置裂解炉上的应用.
石油化工自动化,2009,45(6):81~83
2吕志强,董海.人机工程学.北京:机械工业出版社, 2006
(收稿日期:2010-06-22)
(上接第757页)
8黄思,阮志勇,邓庆健等.液环真空泵内气液两相流动
的数值分析.真空,2009,46(2):49~52
(收稿日期:2010-03-24)
P ropert y Ana l y sis of t he Two-Phase Fl o w of Li q ui d-R ing Vacuu m Pu mps Based on Co mput ati o nal F l u i d Dyna m i c s(CFD)
GUAN Jun,HUANG S i
(South Ch i na Universit y of T ec hnology,Guangzhou,510640,Guangdong,China)
Abstract A si m ulati v e ca lculati o n w as perfor m ed o f the d istri b uti o n o f the three-di m ensi o na l steady gas-liquid t w o-phase fl o w of a sing le-stage and sing le-action liquid-ring vacuum pum p under four rotary speeds usi n g the mu lti p hase flo w Eulerian analysis m et h od i n CFX so ft w are,the ca lculati o n range i n cluded t h e sucti o n/d is-charge channe,l i m pellers,li q u i d duc,t and vo l u te.The result sho w s that the ca lculation could si m u late,ana-lyze,and ca lculate gas-li q u i d t w o phase fl o w co mparatively w el.l
Keywor ds L i q u i d-R ing Vacuum Pum p,CFD,Tw o Phase Flo w,Property Analysis。